CN113715037A - 一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统，涉及医疗技术领域。本发明包括商业环境感知与驱动模块、视觉和激光雷达感知模块、关节控制模块、位姿控制模块、主从控制模块和远程控制终端；护士机器人本体、商业环境感知与驱动模块以及视觉和激光雷达感知模块均与远程控制终端无线连接，商业环境感知与驱动模块以及视觉和激光雷达感知模块均与护士机器人本体电性连接；关节控制模块、位姿控制模块、主从控制模块均与远程控制终端电性连接。本发明通过远程控制终端实现护士机器人的远程控制，利用视觉和激光雷达感知模块感知人的位置与姿势，以便于对老龄人进行精确性更高的搀扶和背抱，有效减少了医护人员的感染几率。

Description

一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统

技术领域

本发明属于医疗技术领域，特别是涉及一种可远程遥操作的智能化护 士机器人系统。

背景技术

我国人口老龄化问题将越来越突出，老人，特别是失能老人亟需得到 更加周全、体面的照料，目前仍需要护理人员将失能老人抱到护理床上、 轮椅上和卫生舱上，这对护理人员的体力是极大的考验，而且还存在感染 的安全隐患，不利于提高老人的生活品质，给老人有尊严的生活，为此目 前出现了护士机器人，用以缓解我国人口老龄化背景下养老护理人手不足 的问题。现有的护士机器人为实现搀扶、移动辅助动作，以及灵活、快速、 舒适的移乘，机器人配置6自由度双臂、2自由度躯干、移动底盘和头部， 机器人左右手臂采用同样一结构，装配上轴对称布置，每条手臂由一个肩 关节和两个肘关节组成。

但是，与现有技术相比，现有的护士机器人仍存在以下缺陷：(1)现 有的机器人躯干质量大，拆装相对困难，关节处无机械限位装置，易对关 节部位造成损害；(2)现有的机器人底盘尺寸偏大，不易转向，且未安装 雷达等传感器，无法获得准确距离信息；(3)现有的机器人的控制方案使 用的是MATLAB+LABVIEW作为上位机内核，将计算出的数据传给运动控 制卡，再通过运动控制卡对各个伺服电机进行控制，上位机内核占用系统 资源较大，启动慢，运动控制卡连接上位机与驱动器，通讯效率较低，全 开环控制不能保证机器人的路径执行精度和速度。为此，我们设计了一种 可远程遥操作的智能化护士机器人系统，用以解决上述中的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统， 通过商业环境感知与驱动模块、视觉和激光雷达感知模块、关节控制模块、 位姿控制模块、主从控制模块和远程控制终端的设计，解决了现有的机器 人躯干质量大，拆装相对困难，关节处无机械限位装置，易对关节部位造 成损害，现有的机器人底盘尺寸偏大，不易转向，且未安装雷达等传感器， 无法获得准确距离信息，上位机内核占用系统资源较大，启动慢，运动控制卡连接上位机与驱动器，通讯效率较低，全开环控制不能保证机器人的 路径执行精度和速度的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统，包括护士机器 人本体、商业环境感知与驱动模块、视觉和激光雷达感知模块、关节控制 模块、位姿控制模块、主从控制模块和远程控制终端；所述商业环境感知 与驱动模块、视觉和激光雷达感知模块均设置于护士机器人本体上；所述 关节控制模块、位姿控制模块和主从控制模块均设置于远程控制终端上； 所述护士机器人本体、商业环境感知与驱动模块以及视觉和激光雷达感知 模块均与远程控制终端无线连接，所述商业环境感知与驱动模块以及视觉 和激光雷达感知模块均与护士机器人本体电性连接；所述关节控制模块、 位姿控制模块、主从控制模块均与远程控制终端电性连接；所述关节控制 模块、位姿控制模块和主从控制模块分别对应有关节控制模块算法、位姿 控制模块算法和主从控制模块算法，实时规划护士机器人本体运动轨迹。

优选地，所述关节控制模块算法为：所述远程控制终端上的关节控制 模块将设定的关节增量输送至护士机器人本体，经所述护士机器人本体处 理后，将设备状态和视讯声讯信号传输至所述远程控制终端进行处理。

优选地，所述位姿控制模块由位姿控制手柄和第一滤波器组成，其中 所述位姿控制手柄与远程控制终端电性连接，所述第一滤波器分别与远程 控制终端和位姿控制手柄电性连接。

优选地，所述位姿控制模块算法为：所述远程控制终端上的位姿控制 手柄将设定的位/姿增量输送至护士机器人本体，经所述护士机器人本体处 理后，将电子皮肤力反馈、设备状态和视讯声讯信号传输至所述远程控制 终端进行处理；

其中，传输至所述远程控制终端的电子皮肤力反馈信号经第一滤波器 传输至位姿控制手柄。

优选地，所述主从控制模块由第二滤波器、连接器、重力补偿单元、 同构臂单元和第三滤波器组成；

其中，所述重力补偿单元和第二滤波器均与远程控制终端电性连接， 所述连接器与第二滤波器电性连接，所述连接器与重力补偿单元均与同构 臂单元电性连接；

所述同构臂单元与第三滤波器电性连接，所述第三滤波器与远程控制 终端电性连接。

优选地，所述主从控制模块算法为：通过所述远程控制终端将关节值 输送至护士机器人本体，经所述护士机器人本体处理后，将处理后的关节 值、电子皮肤力反馈、设备状态和视讯声讯信号传输至所述远程控制终端 进行处理；

经所述远程控制终端处理后的从臂关节值传输至重力补偿单元，所述 重力补偿单元对此信号进行处理并输出信号至同构臂单元；

经所述远程控制终端处理后的电子皮肤力反馈信号传输至第二滤波 器，所述第二滤波器通过连接器将此电子皮肤力反馈信号传输至同构臂单 元；

所述同构臂单元接收重力补偿单元和连接器输送的信号，经综合处理 后输出主臂关节值至第三滤波器，通过所述第三滤波器将此关节值输送至 护士机器人本体进行处理。

优选地，所述护士机器人本体、商业环境感知与驱动模块以及视觉和 激光雷达感知模块三者与远程控制终端的无线连接方式为5G通讯或WiFi 通讯；

所述护士机器人本体底部安装有麦克纳姆轮万向移动车。

优选地，所述护士机器人本体设置有多指灵巧手，所述多指灵巧手的 手指上设置有柔性的第一触觉传感器；

所述护士机器人本体对称设置有两手臂，所述手臂上设置有若干柔性 的第二触觉传感器。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过远程控制终端实现护士机器人的远程控制，利用视觉和 激光雷达感知模块感知人的位置与姿势，以便于对老龄人进行精确性更高 的搀扶和背抱，有效减少了医护人员的感染几率，降低其工作强度，大大 缓解了我国人口老龄化背景下养老护理人手不足的问题。

2、本发明通过商业环境感知与驱动模块、视觉和激光雷达感知模块、 关节控制模块、位姿控制模块、主从控制模块和远程控制终端的设计，可 实现护士机器人的自主循环动态避障，动态实时轨迹规划，大大提高了护 士机器人工作的精确性和灵活性，同时实现了护士机器人的轻量化设计和 模块化设计。

3、本发明通过第一触觉传感器和第二触觉传感器的设计，用于人机交 互以及感知人与机器人接触时的受力状态，以便于及时通过远程控制终端 进行护士机器人的调控，大大避免了护士机器人在护理过程中对老龄人肢 体的伤害，增加了护士机器人使用的安全性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有 优点。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所 获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明为一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统，包括护士机器 人本体、商业环境感知与驱动模块、视觉和激光雷达感知模块、关节控制 模块、位姿控制模块、主从控制模块和远程控制终端，通过视觉和激光雷 达感知模块，用于感知服务对象(人)的位置与姿态，利用商业环境感知 与驱动模块，对护士机器人附近的环境进行感知并及时做成避障处理；

商业环境感知与驱动模块、视觉和激光雷达感知模块均设置于护士机 器人本体上；

关节控制模块、位姿控制模块和主从控制模块均设置于远程控制终端 上，分别用于对护士机器人本体的关节、姿态以及主臂和从臂的动态控制；

护士机器人本体、商业环境感知与驱动模块以及视觉和激光雷达感知 模块均与远程控制终端无线连接，商业环境感知与驱动模块以及视觉和激 光雷达感知模块均与护士机器人本体电性连接；

关节控制模块、位姿控制模块、主从控制模块均与远程控制终端电性 连接；

关节控制模块、位姿控制模块和主从控制模块分别对应有关节控制模 块算法、位姿控制模块算法和主从控制模块算法，实时规划护士机器人本 体运动轨迹，以适应护士机器人本体的移动，进而满足护士机器人本体的 护理需求。

在一优选的可实施方式中，关节控制模块算法为：远程控制终端上的 关节控制模块将设定的关节增量输送至护士机器人本体，经护士机器人本 体处理后，将设备状态和视讯声讯信号传输至远程控制终端进行处理，如 此循环操作实现护士机器人本体的关节的控制调节。

在一优选的可实施方式中，位姿控制模块由位姿控制手柄和第一滤波 器组成，其中位姿控制手柄与远程控制终端电性连接，第一滤波器分别与 远程控制终端和位姿控制手柄电性连接；

位姿控制模块算法为：远程控制终端上的位姿控制手柄将设定的位/姿 增量输送至护士机器人本体，经护士机器人本体处理后，将电子皮肤力反 馈、设备状态和视讯声讯信号传输至远程控制终端进行处理；

其中，传输至远程控制终端的电子皮肤力反馈信号经第一滤波器传输 至位姿控制手柄，通过位姿控制手柄控制护士机器人本体的位置和姿势， 以便于灵活进行服务人群的搀扶和背抱。

在一优选的可实施方式中，主从控制模块由第二滤波器、连接器、重 力补偿单元、同构臂单元和第三滤波器组成；

其中，重力补偿单元和第二滤波器均与远程控制终端电性连接，连接 器与第二滤波器电性连接，连接器与重力补偿单元均与同构臂单元电性连 接；

同构臂单元与第三滤波器电性连接，第三滤波器与远程控制终端电性 连接；

主从控制模块算法为：通过远程控制终端将关节值输送至护士机器人 本体，经护士机器人本体处理后，将处理后的关节值、电子皮肤力反馈、 设备状态和视讯声讯信号传输至远程控制终端进行处理；

经远程控制终端处理后的从臂关节值传输至重力补偿单元，重力补偿 单元对此信号进行处理并输出信号至同构臂单元；

经远程控制终端处理后的电子皮肤力反馈信号传输至第二滤波器，第 二滤波器通过连接器将此电子皮肤力反馈信号传输至同构臂单元；

同构臂单元接收重力补偿单元和连接器输送的信号，经综合处理后输 出主臂关节值至第三滤波器，通过第三滤波器将此关节值输送至护士机器 人本体进行处理。

在一优选的可实施方式中，护士机器人本体、商业环境感知与驱动模 块以及视觉和激光雷达感知模块三者与远程控制终端的无线连接方式为5G 通讯或WiFi通讯；

护士机器人本体底部安装有麦克纳姆轮万向移动车，便于实现护士机 器人本体的灵活移动和转向；

护士机器人本体设置有多指灵巧手，多指灵巧手的手指上设置有柔性 的第一触觉传感器，执行抓取和递送等任务；

护士机器人本体对称设置有两手臂，手臂上设置有3个柔性的第二触 觉传感器，用于人机交互以及感知人与机器人接触时的受力状态，以便于 及时通过远程控制终端进行护士机器人的调控，大大避免了护士机器人在 护理过程中对老龄人肢体的伤害，增加了护士机器人使用的安全性；

第一触觉传感器和第二触觉传感器均采用电容原理和阵列结构，传感 器本体由功能性高分子材料构成，厚度为0.5-2mm，专门研制的小型电路 具有信号发生、接收、处理及底层计算功能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点 包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的 示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、 结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方 式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例 并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。 显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具 体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使 所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求 书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统，其特征在于：包括护士机器人本体、商业环境感知与驱动模块、视觉和激光雷达感知模块、关节控制模块、位姿控制模块、主从控制模块和远程控制终端；

所述商业环境感知与驱动模块、视觉和激光雷达感知模块均设置于护士机器人本体上；

所述关节控制模块、位姿控制模块和主从控制模块均设置于远程控制终端上；

所述护士机器人本体、商业环境感知与驱动模块以及视觉和激光雷达感知模块均与远程控制终端无线连接，所述商业环境感知与驱动模块以及视觉和激光雷达感知模块均与护士机器人本体电性连接；

所述关节控制模块、位姿控制模块、主从控制模块均与远程控制终端电性连接；

所述关节控制模块、位姿控制模块和主从控制模块分别对应有关节控制模块算法、位姿控制模块算法和主从控制模块算法，实时规划护士机器人本体运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统，其特征在于，所述关节控制模块算法为：所述远程控制终端上的关节控制模块将设定的关节增量输送至护士机器人本体，经所述护士机器人本体处理后，将设备状态和视讯声讯信号传输至所述远程控制终端进行处理。

3.根据权利要求1所述的一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统，其特征在于，所述位姿控制模块由位姿控制手柄和第一滤波器组成，其中所述位姿控制手柄与远程控制终端电性连接，所述第一滤波器分别与远程控制终端和位姿控制手柄电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统，其特征在于，所述位姿控制模块算法为：所述远程控制终端上的位姿控制手柄将设定的位/姿增量输送至护士机器人本体，经所述护士机器人本体处理后，将电子皮肤力反馈、设备状态和视讯声讯信号传输至所述远程控制终端进行处理；

其中，传输至所述远程控制终端的电子皮肤力反馈信号经第一滤波器传输至位姿控制手柄。

5.根据权利要求1所述的一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统，其特征在于，所述主从控制模块由第二滤波器、连接器、重力补偿单元、同构臂单元和第三滤波器组成；

其中，所述重力补偿单元和第二滤波器均与远程控制终端电性连接，所述连接器与第二滤波器电性连接，所述连接器与重力补偿单元均与同构臂单元电性连接；

所述同构臂单元与第三滤波器电性连接，所述第三滤波器与远程控制终端电性连接。

6.根据权利要求5所述的一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统，其特征在于，所述主从控制模块算法为：通过所述远程控制终端将关节值输送至护士机器人本体，经所述护士机器人本体处理后，将处理后的关节值、电子皮肤力反馈、设备状态和视讯声讯信号传输至所述远程控制终端进行处理；

经所述远程控制终端处理后的从臂关节值传输至重力补偿单元，所述重力补偿单元对此信号进行处理并输出信号至同构臂单元；

经所述远程控制终端处理后的电子皮肤力反馈信号传输至第二滤波器，所述第二滤波器通过连接器将此电子皮肤力反馈信号传输至同构臂单元；

所述同构臂单元接收重力补偿单元和连接器输送的信号，经综合处理后输出主臂关节值至第三滤波器，通过所述第三滤波器将此关节值输送至护士机器人本体进行处理。

7.根据权利要求1所述的一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统，其特征在于，所述护士机器人本体、商业环境感知与驱动模块以及视觉和激光雷达感知模块三者与远程控制终端的无线连接方式为5G通讯或WiFi通讯；

所述护士机器人本体底部安装有麦克纳姆轮万向移动车。

8.根据权利要求1所述的一种可远程遥操作的智能化护士机器人系统，其特征在于，所述护士机器人本体设置有多指灵巧手，所述多指灵巧手的手指上设置有柔性的第一触觉传感器；

所述护士机器人本体对称设置有两手臂，所述手臂上设置有若干柔性的第二触觉传感器。