CN111906795A - 双足行走的传染病房护理机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双足行走的传染病房护理机器人，它包括机器人控制计算机、运动调度器、躯干部件、机械臂部件、双足部件及头部部件，所述头部部件包括密封球形外壳、红外测温仪、视频摄像头、麦克风以及扬声器，所述躯干部件前侧设有触控显示屏、药盒、上身姿态控制器和体态关节模组，所述机械臂部件包括双手控制器和肩关节模组及手关节模组，双足部件上设有步态控制器，双足部件的每一足均包含髋关节模组、膝关节模组、踝关节模组，所述机器人控制计算机、运动调度器、双手控制器、上身姿态控制器及步态控制器采用CAN总线连接通信。本发明得到的双足行走的传染病房护理机器人，能有有效保护医护人员、减少疾病的传播、降低医护人员的工作负担。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，特别是一种双足行走的传染病房护理机器人。
背景技术
传染病房多模式作业护理机器人不仅可以减轻医生护士的工作量，而且不被感染。目前作业护理机器人大多是轮式机器人、履带式机器人，双足仿人护理型相对较少。双足仿人机器人作为机器人领域的一个重要分支，代表了机器人的尖端技术，是最适合人机协同频繁的护理工作的机器人类型。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种能够实现双足行走及远程问诊的双足行走的传染病房护理机器人。
为了实现上述目的，本发明所设计的双足行走的传染病房护理机器人，它包括机器人控制计算机、运动调度器、躯干部件、机械臂部件、双足部件及头部部件，所述躯干部件包括上身姿态控制器和与上身姿态控制器电连接的体态关节模组，所述机械臂部件包括双手控制器和与双手控制器电连接的肩关节模组及手关节模组，所述双足部件上设有步态控制器，所述双足部件的每一足均包含与步态控制器电连接的髋关节模组、膝关节模组、踝关节模组；所述躯干部件与机械臂部件通过肩关节模组连接、所述双足部件与躯干部件通过髋关节模组连接，所述护理机器人采用双足行走的方式进行移动，在移动过程中，由双手控制器、上身姿态控制器及步态控制器分别控制护理机器人各关节模组中关节电机的控制力矩，所述机器人控制计算机、运动调度器、双手控制器、上身姿态控制器及步态控制器采用CAN总线连接通信，所述运动调度器设置在各控制器与相应的关节模组之间；所述体态关节模组、肩关节模组、手关节模组、髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组上均分别连接有关节传感器；
当护理机器人准备以双足行走方式前进时，首先依照有机器人计算机设定的机器人运动速度，控制器计算出实现该运动时各关节模块的关节控制力矩τ，并将机器人双足部件依照运动状态分为支撑护理机器人的支撑腿以及向前迈步的摆动腿，仿人护理机器人步行控制公式为：
式(1.1)中，M代表机器人的惯量矩阵，H代表哥氏力、离心力和重力的耦合项；
上述式(1.1)由拉格朗日动力学公式推导得到，对于本发明中的双足行走的传染病房护理机器人而言，所述拉格朗日动力学公式为：
其中qA1＝[q1 q2 … qn]T代表支撑腿的各关节参数，τA1＝[τ1 τ2 … τn]T为对应控制力矩，qG＝[qn+1 qn+2 … qn+m]T代表躯干部件及机械臂部件各关节参数，τG＝[τn+1 τn+2 …τn+m]T为对应控制力矩，qA2＝[qn+m+1 qn+m+2 … qn+m+k]T代表摆动腿的各关节参数，τA2＝[τn+m+1τn+m+2 … τn+m+k]T为对应控制力矩，其中n、m、k分别代表支撑腿、躯干部件、摆动腿的关节参数数量，该关节参数的数量取决于机器人各关节的运动自由度；
为哥氏力、离心力和重力的耦合项，并取
τ＝[τA1；τG；τA2]；q＝[qA1；qG；qA2]，可以得到式(1.1)；
完成对关节控制力矩τ的计算后，运动调度器接收到相应的τ值，并根据机器人的运动速度计算机器人的失衡度ρ，失衡度ρ的计算公式为：
式(1.2)中，xcom、zcom分别为质心的水平位置和高度，其参考坐标为以支撑腿与地面接触点为原点的直角坐标系，g为重力加速度，sign代表符号函数；
运动调度器得到护理机器人当前状态的失衡度ρ后，根据失衡度ρ的参数值，运动调度器确定对不同关节模组的控制顺序，并依照顺序向各关节模组发送控制电压，控制关节模组中的关节电机依序按照计算得到的控制力矩进行输出，对机器人进行体态、步态和腿部角度的调整，这些调整导致机器人的位姿发生改变，关节传感器将发生改变后的机器人关节参数反馈给控制器，控制器根据反馈回来的关节参数，依照拉格朗日动力学公式及机器人控制模型公式，重新计算新的转矩，运动调度器根据关节传感器反馈的运动速度结合原有的质心坐标参数，计算出运动后新的质心坐标xcom及zcom，并重新计算失衡度ρ，然后根据失衡度ρ再次依序控制关节模组输出新的转矩，上述过程反复循环。
本文中对符号的使用做如下约定：对于字母上方带点的变量，代表对该字母所指带物理量的导数或偏导数，例如：符号
代表护理机器人质心的水平运动速度。
为了控制机器人正确行走，所述护理机器人在行走过程中，所述护理机器人在运动调度器的调节下依次完成姿态调整、步态调整和腿关节角度调整的过程，其具体步骤为：
a.运动调度器接收机器人控制计算机设定的机器人运动速度及目标关节参数，计算失衡度ρ，并将该失衡度ρ与在机器人启动前设置在运动调度器程序中的数值比较，判断护理机器人当前位姿是否满足步态切换条件，如果不满足，则执行步骤b，如果满足，则执行步骤c；
b.运动调度器首先向机器人的体态关节模组发送控制电压，对机器人的体态进行调整，体态关节模组上的关节传感器将调整后的关节参数反馈回上身姿态控制器和步态控制器，同时重新执行步骤a；
c.运动调度器首先向步态控制器发送控制电压，控制护理机器人双足部件向前迈步，在此过程中，髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组上的关节传感器将调整后的双足部件的关节参数反馈回步态控制器，步态控制器对比反馈的关节参数与目标关节参数是否相符，如果不符，则重新执行步骤a，如果相符，则执行步骤d；
d.运动调度器再向体态关节模组发送控制电压，由体态关节模组调节机器人的体态，并由体态关节模组上的关节传感器将关节参数反馈给上身姿态控制器，上身姿态控制器对比反馈的关节参数和目标关节参数是否相符，如相符则执行步骤e，如不符，则重新执行步骤d；
e.运动调度器接收机器人控制计算机设定的目标关节参数包括双足部件的髋关节、膝关节及踝关节的目标关节角参数，所述运动调度器在执行步骤d完成护理机器人体态调整后，髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组上的关节传感器将当前的关节角参数反馈回步态控制器，运动调度器根据步态控制器计算出的控制力矩向髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组发送控制电电压，驱动各关节模组电机对双足部件中的各关节角进行调节，直至关节传感器反馈的关节角参数与目标关节角参数相符，此时机器人稳定在当前步态下。
通过周期性地执行上述步骤，可以实现机器人稳定前进，步骤a、b是为了调整机器人上半身的姿态，避免机器人在迈步，即步态切换前处于躯干前倾、后仰等容易摔倒的姿态，在完成体态调整后，执行步骤c从而令机器人迈步前进，此时需要对机器人的步态进行控制，所述的步态包括机器人迈步的步幅及方向，避免机器人由于迈步过小、过大或方向错误而摔倒，同时，通过对步态的控制，还能调整机器人的行进方向；等机器人摆动腿落地后，则需要进一步对机器人的上身姿态和腿关节参数进行调整，使机器人能够为下一次迈步做好准备。
为了使机器人具备远程医护功能，所述头部部件包括密封球形外壳、红外测温仪、视频摄像头、麦克风以及扬声器，所述密封球形外壳与躯干部件密封连接且该外壳透明，所述扬声器及麦克风安装在密封球形外壳外侧，所述红外测温仪及视频摄像头设置在密封球形外壳内且与躯干部件顶部通过云台连接；所述躯干部件前侧设有与机器人控制计算机电连接的触控显示屏及药盒。
为了避免发生药品遗失、取错的情况，所述药盒包括多个用于容纳药品的方格，所述方格上设有带电磁锁的柜门，所述电磁锁与机器人控制计算机连接通信，取药时，由用户在触控显示屏上输入病人信息后，机器人控制计算机控制与该病人信息对应的电磁锁打开，是用户能够从方格内取出药物。
本发明得到的双足行走的传染病房护理机器人，能够辅助传染病房的医护人员，完成对被隔离病人的远程送药及问诊工作，能有有效保护医护人员、减少疾病的传播、降低医护人员的工作负担。
附图说明
图1是本发明传染病房护理机器人实施例1的结构框图；
图2是实施例1行走过程中的控制图；
图3是本发明传染病房护理机器人实施例2的流程图；
图4是实施例2的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
本实施例描述的双足行走的传染病房护理机器人，如图1所示，它包括机器人控制计算机、运动调度器、躯干部件、机械臂部件、双足部件及头部部件，所述躯干部件包括上身姿态控制器和与上身姿态控制器电连接的体态关节模组，所述机械臂部件包括双手控制器和与双手控制器电连接的肩关节模组及手关节模组，所述双足部件上设有步态控制器，所述双足部件的每一足均包含与步态控制器电连接的髋关节模组、膝关节模组、踝关节模组，本实施例中，所述的髋关节模组与膝关节模组间设有大腿连杆，所述膝关节模组与踝关节模组间设有小腿连杆，所述踝关节模组上还连接有足部；所述躯干部件与机械臂部件通过肩关节模组连接、所述双足部件与躯干部件通过髋关节模组连接，所述护理机器人采用双足行走的方式进行移动，在移动过程中，由双手控制器、上身姿态控制器及步态控制器分别控制护理机器人各关节模组中关节电机的控制力矩，所述机器人控制计算机、运动调度器、双手控制器、上身姿态控制器及步态控制器采用CAN总线连接通信，所述运动调度器设置在各控制器与相应的关节模组之间；所述体态关节模组、肩关节模组、手关节模组、髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组上均分别连接有关节传感器；
当护理机器人准备以双足行走方式前进时，首先依照有机器人计算机设定的机器人运动速度，如图2所示，控制器计算出实现该运动时各关节模块的关节控制力矩τ，并将机器人双足部件依照运动状态分为支撑护理机器人的支撑腿以及向前迈步的摆动腿，仿人护理机器人步行控制公式为：
式(1.1)中，M代表机器人的惯量矩阵，H代表哥氏力、离心力和重力的耦合项，并有：
其中qA1＝[q1 q2 … qn]T代表支撑腿的各关节参数，τA1＝[τ1 τ2 … τn]T为对应控制力矩，qG＝[qn+1 qn+2 … qn+m]T代表躯干部件及机械臂部件各关节参数，τG＝[τn+1 τn+2 …τn+m]T为对应控制力矩，qA2＝[qn+m+1 qn+m+2 … qn+m+k]T代表摆动腿的各关节参数，τA2＝[τn+m+1τn+m+2 … τn+m+k]T为对应控制力矩，其中n、m、k分别代表支撑腿、躯干部件、摆动腿的关节参数数量，本实施例中，各关节模组实现的是转动运动，因此，所述关节参数q为双足部件、躯干部件及及机械臂部件的关节角；其中，取n＝6、n+m＝12、n+m+k＝18，该取值意味着本实施例中，所述双足部件中每一条腿的髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组的总自由度分别为6，所述躯干部件及机械臂部件中各关节模组的总自由度为6；
完成对关节控制力矩τ的计算后，运动调度器接收到相应的τ值，并根据机器人的运动速度计算机器人的失衡度ρ，失衡度ρ的计算公式为：
式(1.2)中，xcom、zcom分别为质心的水平位置和高度，
护理机器人质心的水平运动速度，其参考坐标为以支撑腿与地面接触点为原点的直角坐标系，g为重力加速度，sign代表符号函数；对于式(1.2)中的xcom、zcom及
参数，在机器人首次启动时，由机器人控制计算机给予运动调度器上述三个参数的初始值，在机器人行走过程中，运动调度器接收关节传感器反馈的各关节参数，通过空间变换计算公式和机器人运动学方程，可以计算出在运动过程中的三个参数变化后的数值及符号，所述的空间变换计算公式和机器人运动学方程均为机器人学领域的现有内容，本文不做详述；
运动调度器得到护理机器人当前状态的失衡度ρ后，根据失衡度ρ的参数值，运动调度器确定对不同关节模组的控制顺序，并依照顺序向各关节模组发送控制电压，控制关节模组中的关节电机依序按照计算得到的控制力矩进行输出，对机器人进行体态、步态和腿部角度的调整，这些调整导致机器人的位姿发生改变，关节传感器将发生改变后的机器人关节参数反馈给控制器，控制器根据反馈回来的关节参数，依照拉格朗日动力学公式及机器人控制模型公式，重新计算新的转矩，运动调度器根据关节传感器反馈的运动速度结合原有的质心坐标参数，计算出运动后新的质心坐标xcom及zcom，并重新计算失衡度ρ，然后根据失衡度ρ再次依序控制关节模组输出新的转矩，上述过程反复循环。
为了使机器人具备远程医护功能，如图1所示，所述头部部件包括密封球形外壳、红外测温仪、视频摄像头、麦克风以及扬声器，所述密封球形外壳与躯干部件密封连接且该外壳透明，所述扬声器及麦克风安装在密封球形外壳外侧，所述红外测温仪及视频摄像头设置在密封球形外壳内且与躯干部件顶部通过云台连接；所述躯干部件前侧设有与机器人控制计算机电连接的触控显示屏及药盒，本实施例中，所述的机器人控制计算机可以与传染病房外的医护人员进行网络通信。
本实施例中的体态关节模组、肩关节模组、手关节模组、髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组中均包括关节电机、谐波减速器及制动器，所述的关节传感器采用绝对值编码器。
本实施例中，所述机械臂部件端部设有柔性手指。
在实际工作过程中，所述护理机器人以双足行走方式移动至传染病房内，通过设置在头部部件中的红外测温仪测量病人体温，通过视频摄像头、扬声器及麦克风对病人进行问诊，所述的云台为视频摄像头及红外测温仪提供360度旋转的能力，同时所述的柔性手指具备抓取茶杯、药盒及其他较小物品的能力，该护理机器人可以在机器人控制计算机的控制下，利用柔性手指帮助病人抓取物品。
本实施例提供的双足行走的传染病房护理机器人，能够辅助传染病房的医护人员，完成对被隔离病人的远程送药及问诊工作，能有有效保护医护人员、减少疾病的传播、降低医护人员的工作负担。
实施例2：
本实施例描述的双足行走的传染病房护理机器人，如图3所示，除实施例1 所述特征外，为了控制机器人正确行走，所述护理机器人在行走过程中，所述护理机器人在运动调度器的调节下依次完成姿态调整、步态调整和腿关节角度调整的过程，其具体步骤为：
a.运动调度器接收机器人控制计算机设定的机器人运动速度及目标关节参数，计算失衡度ρ，并将该失衡度ρ与在机器人启动前设置在运动调度器程序中的数值比较，判断护理机器人当前位姿是否满足步态切换条件，如果不满足，则执行步骤b，如果满足，则执行步骤c；
b.运动调度器首先向机器人的体态关节模组发送控制电压，对机器人的体态进行调整，体态关节模组上的关节传感器将调整后的关节参数反馈回上身姿态控制器和步态控制器，同时重新执行步骤a；
c.运动调度器首先向步态控制器发送控制电压，控制护理机器人双足部件向前迈步，在此过程中，髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组上的关节传感器将调整后的双足部件的关节参数反馈回步态控制器，步态控制器对比反馈的关节参数与目标关节参数是否相符，如果不符，则重新执行步骤a，如果相符，则执行步骤d；
d.运动调度器再向体态关节模组发送控制电压，由体态关节模组调节机器人的体态，并由体态关节模组上的关节传感器将关节参数反馈给上身姿态控制器，上身姿态控制器对比反馈的关节参数和目标关节参数是否相符，如相符则执行步骤e，如不符，则重新执行步骤d；
e.运动调度器接收机器人控制计算机设定的目标关节参数包括双足部件的髋关节、膝关节及踝关节的目标关节角参数，所述运动调度器在执行步骤d完成护理机器人体态调整后，髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组上的关节传感器将当前的关节角参数反馈回步态控制器，运动调度器根据步态控制器计算出的控制力矩向髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组发送控制电电压，驱动各关节模组电机对双足部件中的各关节角进行调节，直至关节传感器反馈的关节角参数与目标关节角参数相符。
为了避免发生药品遗失、取错的情况，如图4所示，所述药盒包括多个用于容纳药品的方格，所述方格上设有带电磁锁的柜门，所述电磁锁与机器人控制计算机连接通信，取药时，由用户在触控显示屏上输入病人信息后，机器人控制计算机控制与该病人信息对应的电磁锁打开，是用户能够从方格内取出药物。
在实际工作过程当中，通过调节机器人的双足部件关节角，可以使机器人在传染病房内具备很好的障碍通过能力以及与人的交流协调能力。
本实施例提供的双足行走的传染病房护理机器人，行走稳定可靠，送药时安全可靠。
Claims (4)
1.一种双足行走的传染病房护理机器人，它包括机器人控制计算机、运动调度器、躯干部件、机械臂部件、双足部件及头部部件，其特征是所述躯干部件中包括上身姿态控制器和与上身姿态控制器电连接的体态关节模组，
所述机械臂部件包括双手控制器和与双手控制器电连接的肩关节模组及手关节模组，
所述双足部件上设有步态控制器，所述双足部件的每一足均包含与步态控制器电连接的髋关节模组、膝关节模组、踝关节模组；
所述躯干部件与机械臂部件通过肩关节模组连接、所述双足部件与躯干部件通过髋关节模组连接，
所述护理机器人采用双足行走的方式进行移动，在移动过程中，由双手控制器、上身姿态控制器及步态控制器分别控制护理机器人各关节模组中关节电机的控制力矩，
所述机器人控制计算机、运动调度器、双手控制器、上身姿态控制器及步态控制器采用CAN总线连接通信，所述运动调度器设置在各控制器与相应的关节模组之间；所述体态关节模组、肩关节模组、手关节模组、髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组上均分别连接有关节传感器；
当护理机器人准备以双足行走方式前进时，首先依照有机器人计算机设定的机器人运动速度，控制器计算出实现该运动时各关节模块的关节控制力矩τ，并将机器人双足部件依照运动状态分为支撑护理机器人的支撑腿以及向前迈步的摆动腿，仿人护理机器人步行控制公式为：
式(1.1)中，M代表机器人的惯量矩阵，H代表哥氏力、离心力和重力的耦合项，并有：
其中qA1＝[q1 q2…qn]T代表支撑腿的各关节参数，τA1＝[τ1 τ2…τn]T为对应控制力矩，qG＝[qn+1 qn+2…qn+m]T代表躯干部件及机械臂部件各关节参数，τG＝[τn+1 τn+2…τn+m]T为对应控制力矩，qA2＝[qn+m+1 qn+m+2…qn+m+k]T代表摆动腿的各关节参数，τA2＝[τn+m+1 τn+m+2…τn+m+k]T为对应控制力矩，其中n、m、k分别代表支撑腿、躯干部件、摆动腿的关节参数数量；
完成对关节控制力矩τ的计算后，运动调度器接收到相应的τ值，并根据机器人的运动速度计算机器人的失衡度ρ，失衡度ρ的计算公式为：
式(1.2)中，xcom、zcom分别为质心的水平位置和高度，
护理机器人质心的水平运动速度，其参考坐标为以支撑腿与地面接触点为原点的直角坐标系，g为重力加速度，sign代表符号函数；
运动调度器得到护理机器人当前状态的失衡度ρ后，根据失衡度ρ的参数值，运动调度器确定对不同关节模组的控制顺序，并依照顺序向各关节模组发送控制电压，控制关节模组中的关节电机依序按照计算得到的控制力矩进行输出，对机器人进行体态、步态和腿部角度的调整，这些调整导致机器人的位姿发生改变，关节传感器将发生改变后的机器人关节参数反馈给控制器，控制器根据反馈回来的关节参数，依照仿人护理机器人步行控制公式，重新计算新的转矩，运动调度器根据关节传感器反馈的运动速度结合原有的质心坐标参数，计算出运动后新的质心坐标xcom及zcom，并重新计算失衡度ρ，然后根据失衡度ρ再次依序控制关节模组输出新的转矩，上述过程反复循环。
2.根据权利要求1或2所述的双足行走的传染病房护理机器人，其特征是所述护理机器人在行走过程中，所述护理机器人在运动调度器的调节下依次完成姿态调整、步态调整和腿关节角度调整的过程，其具体步骤为：
a.运动调度器接收机器人控制计算机设定的机器人运动速度及目标关节参数，计算失衡度ρ，并将该失衡度ρ与在机器人启动前设置在运动调度器程序中的数值比较，判断护理机器人当前位姿是否满足步态切换条件，如果不满足，则执行步骤b，如果满足，则执行步骤c；
b.运动调度器首先向机器人的体态关节模组发送控制电压，对机器人的体态进行调整，体态关节模组上的关节传感器将调整后的关节参数反馈回上身姿态控制器和步态控制器，同时重新执行步骤a；
c.运动调度器首先向步态控制器发送控制电压，控制护理机器人双足部件向前迈步，在此过程中，髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组上的关节传感器将调整后的双足部件的关节参数反馈回步态控制器，步态控制器对比反馈的关节参数与目标关节参数是否相符，如果不符，则重新执行步骤a，如果相符，则执行步骤d；
d.运动调度器再向体态关节模组发送控制电压，由体态关节模组调节机器人的体态，并由体态关节模组上的关节传感器将关节参数反馈给上身姿态控制器，上身姿态控制器对比反馈的关节参数和目标关节参数是否相符，如果不符，则重新执行步骤d，如相符则执行步骤e，如不符，则重新执行步骤d；
e.运动调度器接收机器人控制计算机设定的目标关节参数包括双足部件的髋关节、膝关节及踝关节的目标关节角参数，所述运动调度器在执行步骤d完成护理机器人体态调整后，髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组上的关节传感器将当前的关节角参数反馈回步态控制器，运动调度器根据步态控制器计算出的控制力矩向髋关节模组、膝关节模组及踝关节模组发送控制电电压，驱动各关节模组电机对双足部件中的各关节角进行调节，直至关节传感器反馈的关节角参数与目标关节角参数相符。
3.根据权利要求1或2所述的双足行走的传染病房护理机器人，其特征是所述头部部件包括密封球形外壳、红外测温仪、视频摄像头、麦克风以及扬声器，所述密封球形外壳与躯干部件密封连接且该外壳透明，所述扬声器及麦克风安装在密封球形外壳外侧，所述红外测温仪及视频摄像头设置在密封球形外壳内且与躯干部件顶部通过云台连接；所述躯干部件前侧设有与机器人控制计算机电连接的触控显示屏及药盒。
4.根据权利要求3所述的双足行走的传染病房护理机器人，其特征是所述药盒包括多个用于容纳药品的方格，所述方格上设有带电磁锁的柜门，所述电磁锁与机器人控制计算机连接通信。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2020-08-04 CN CN202010773130.4A patent/CN111906795A/zh active Pending
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