伤病员换乘转运机器人
专利汇可以提供伤病员换乘转运机器人专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于医疗器械技术领域，涉及一种伤病员换乘转运 机器人 ，包括车架12、安装在车架12上的全向行走系统、换乘手臂2、手臂 支撑 架4、 水 平移动机构、折叠举升机构、主 控制器 以及与 主控制器 之间能够进行无线通讯的控制盒，折叠举升机构位于车架12和手臂支撑架4之间，换乘手臂2放置在手臂支撑架4上，并通过水平移动机构移动；所述的换乘手臂包括两个或两个以上结构相同的子手臂22。本发明可以实现手术床、病床或检查设备之间对伤病员的机械搬运，无需护理人员或家属施加外 力 ，整个伤病员换乘过程中无需改变身体的 姿态 ，避免给患者带来痛苦和再损伤。，下面是伤病员换乘转运机器人专利的具体信息内容。
1.一种伤病员换乘转运机器人，包括车架(12)、安装在车架(12)上的全向行走系统、 换乘手臂(2)、手臂支撑架(4)、水平移动机构、折叠举升机构、主控制器以及与 主控制器之间能够进行无线通讯的控制盒，其特征是，折叠举升机构位于车架(12) 和手臂支撑架(4)之间，换乘手臂(2)放置在手臂支撑架(4)上，并通过水平移 动机构移动；所述的换乘手臂包括两个或两个以上结构相同的子手臂(22)，每个子 手臂(22)通过手臂连接杆(41)和手臂连接罩(21)连为一体，每个子手臂(22) 分为上下两层，上循环带(35)经过手臂前端的导辊(40)、手臂前端上支撑板(47)、 上支撑板(34)、托棍(36)、滚筒(30)、调节棍(29)构成循环，手臂前端上支 撑板(47)固定于子手臂(22)前端斜面上面，手臂前端下支撑板(39)固定于上循 环带(35)下面，手臂驱动电机(31)固定于电机支撑架(32)上受电机控制器(44) 控制，手臂驱动电机(31)和滚筒(30)上安装有相互配合的齿轮(45)，上循环带 (35)由滚筒驱动，下循环带(37)经过托棍(36)和下支撑板(38)构成循环，其 驱动力来自所述的水平移动机构，上循环带与下循环带运动方向相反。
2.根据权利要求1所述的伤病员换乘转运机器人，其特征是：滚筒(30)与托棍(36) 外表面压制橡胶层，导辊(40)由分段轴承支撑，调节棍(29)上安装有预紧弹簧(42)。
3.根据权利要求1所述的伤病员换乘转运机器人，其特征是：所述的水平移动机构包括 固定于手臂支撑架(4)中部的水平驱动电机(19)和螺旋丝杠副，所述的螺旋丝杠 副包括对称布置于水平驱动电机两侧并固定在手臂支撑架(4)上的逆时针螺旋丝杠 (54)和顺时针螺旋丝杠(50)，逆时针螺旋丝杠螺母(3)和顺时针螺旋丝杠螺母 (20)分别穿过丝杠螺母滑槽(51)连接于逆时针螺旋丝杠(54)和顺时针螺旋丝杠 (50)，水平驱动电机(19)通过链条(27)和链轮(28)在手臂支撑架(4)内部 与顺时针螺旋丝杠(50)连接，在手臂支撑架(4)外部与逆时针螺旋丝杠(54)连 接。
4.根据权利要求1所述的伤病员换乘转运机器人，其特征是：所述的折叠举升机构，包 括移动立杆(14)和固定立杆(18)，移动立杆(14)和固定立杆(18)的两端分别 装有关节轴承(24)，固定立杆(18)的下端与车架相连，上端与固定在手臂支撑架 (4)的固定横杆(52)相连，移动立杆(14)下端连接于下移动横杆(23)，下移 动横杆(23)的两端分别通过直线轴承(26)连接于车架上，移动立杆(14)上端连 接于上移动横杆(11)，上移动横杆(11)两端通过梯形滚轮(7)置于梯形滑槽(6) 内，升降电机(5)与升降丝杠(55)同轴安装，升降丝杠螺母(8)安装在螺母固定 座(9)上，螺母固定座(9)通过关节轴承(24)连接于上移动横杆(11)，滑块(10) 下端通过关节轴承(24)连接于上移动横杆(11)，上端由滑架(53)支撑。
5.根据权利要求1所述的伤病员换乘转运机器人，其特征是：所述的全向行走系统由四 个mecanum轮(13)构成，每个mecanum轮(13)各由一个减速电机(19)驱动，所 述mecanum轮由轮辐和固定在外周的多个小滚子构成，轮辐和小滚子之间的夹角为 45°，每个轮子具有三个自由度，一个是绕轮子轴心转动，第二个是绕小滚子轴心转 动，第三个是绕轮子和地面的接触点转动。轮子由电机驱动，其余两个自由度自由运 动。
6.根据权利要求1所述的伤病员换乘转运机器人，其特征是：所述的控制盒集成了按键 面板(56)、操纵杆(58)、复位开关(59)、电源指示灯(60)、报警指示灯(61)、 急停开关(62)、无线发射模块及微处理器。
7.根据权利要求1所述的伤病员换乘转运机器人，其特征是：所述的主控制器(43)通 过无线通信接收控制盒的信号，主控制器(43)负责整个系统状态的监测和位置传感 器(46)等信号的采集，通过系统运行状态判定传输数据是否有效，无效则拒绝执行 操作指令，显示故障，有效则将操作指令转化成子控制器(44)的执行命令，主控制 器(43)与手臂驱动电机控制器(44)通过CAN总线进行命令及信息的双向传输。
技术领域
本发明属于医疗机器人领域，具体涉及一种用于医院伤病员在病床、手术床、检查设 备之间短距离换乘转运的机器人。
背景技术
20世纪末，国内外研究机构相继研究出辅助转运装置和转运车，一种是通过预先在 患者身下放置好特制的床单或床垫，将转运装置和床单或床垫固定好，实施转运，其过 程复杂，费时费力。另一种是将滑动床板或移动担架等转运装置集成于医用推车上，构 成转运车，转运机构可以相对车体水平移动，但在转运过程中，需要移动或倾斜患者的 身体，不可避免地给患者带来疼痛。
发明内容
为此，本发明采用如下的技术方案：
一种伤病员换乘转运机器人，包括车架12、安装在车架12上的全向行走系统、换乘 手臂2、手臂支撑架4、水平移动机构、折叠举升机构、主控制器以及与主控制器之间能 够进行无线通讯的控制盒，其特征是，折叠举升机构位于车架12和手臂支撑架4之间， 换乘手臂2放置在手臂支撑架4上，并通过水平移动机构移动；所述的换乘手臂包括两 个或两个以上结构相同的子手臂22，每个子手臂22通过手臂连接杆41和手臂连接罩21 连为一体，每个子手臂22分为上下两层，上循环带35经过手臂前端的导辊40、手臂前 端上支撑板47、上支撑板34、托棍36、滚筒30、调节棍29构成循环，手臂前端上支撑 板47固定于子手臂22前端斜面上面，手臂前端下支撑板39固定于上循环带35下面， 手臂驱动电机31固定于电机支撑架32上受电机控制器44控制，手臂驱动电机31和滚 筒30上安装有相互配合的齿轮45，上循环带35由滚筒驱动，下循环带37经过托棍36 和下支撑板38构成循环，其驱动力来自所述的水平移动机构，上循环带与下循环带运动 方向相反。
作为优选实施方式，本发明的伤病员换乘转运机器人，滚筒30与托棍36外表面压 制橡胶层，导辊40由分段轴承支撑，调节棍29上安装有预紧弹簧42；
所述的水平移动机构包括固定于手臂支撑架4中部的水平驱动电机19和螺旋丝杠 副，所述的螺旋丝杠副包括对称布置于水平驱动电机两侧并固定在手臂支撑架4上的逆 时针螺旋丝杠54和顺时针螺旋丝杠50，逆时针螺旋丝杠螺母3和顺时针螺旋丝杠螺母 20分别穿过丝杠螺母滑槽51连接于逆时针螺旋丝杠54和顺时针螺旋丝杠50，水平驱动 电机19通过链条27和链轮28在手臂支撑架4内部与顺时针螺旋丝杠50连接，在手臂 支撑架4外部与逆时针螺旋丝杠54连接；
根据权利要求1所述的伤病员换乘转运机器人，其特征是：所述的折叠举升机构， 包括移动立杆14和固定立杆18，移动立杆14和固定立杆18的两端分别装有关节轴承 24，固定立杆18的下端与车架相连，上端与固定在手臂支撑架4的固定横杆52相连， 移动立杆14下端连接于下移动横杆23，下移动横杆23的两端分别通过直线轴承26连接 于车架上，移动立杆14上端连接于上移动横杆11，上移动横杆11两端通过梯形滚轮7 置于梯形滑槽6内，升降电机5与升降丝杠55同轴安装，升降丝杠螺母8安装在螺母固 定座9上，螺母固定座9通过关节轴承24连接于上移动横杆11，滑块10下端通过关节 轴承24连接于上移动横杆11，上端由滑架53支撑。
根据权利要求1所述的伤病员换乘转运机器人，其特征是：所述的全向行走系统由 四个mecanum轮13构成，每个mecanum轮13各由一个减速电机19驱动，所述mecanum 轮由轮辐和固定在外周的多个小滚子构成，轮辐和小滚子之间的夹角为45°，每个轮子 具有三个自由度，一个是绕轮子轴心转动，第二个是绕小滚子轴心转动，第三个是绕轮 子和地面的接触点转动。轮子由电机驱动，其余两个自由度自由运动；
所述的控制盒集成了按键面板56、操纵杆58、复位开关59、电源指示灯60、报警 指示灯61、急停开关62、无线发射模块及微处理器；
所述的主控制器43通过无线通信接收控制盒的信号，主控制器43负责整个系统状态 的监测和位置传感器46等信号的采集，通过系统运行状态判定传输数据是否有效，无效 则拒绝执行操作指令，显示故障，有效则将操作指令转化成子控制器44的执行命令，主 控制器43与手臂驱动电机控制器44通过CAN总线进行命令及信息的双向传输。
本发明采用的换乘手臂的上循环带由电机驱动，获得一个相对于换乘手臂的速度V1， 下循环带无独立的驱动，其动力来自螺旋丝杠副的驱动力，在下循环带内表面与下面板 形成内摩擦力，下循环带外表面与手臂支撑架或床面形成外摩擦力，减少换乘手臂插入 患者身体下时的阻力，同时也改变了接触方式。换乘手臂的上循环带水平运动速度V1与 螺旋丝杠副水平运动速度V2相同，方向相反，则换乘手臂插入患者身体下时，与患者接 触部分的上循环带相对患者静止，不产生摩擦力。
通过本发明的伤病员换乘转运机器人的换乘手臂，可以实现手术床、病床或检查设 备之间对伤病员的机械搬运，无需护理人员或家属施加外力，整个伤病员换乘过程中无 需改变身体的姿态，避免给患者带来痛苦和再损伤。行走机构采用mecanum轮构成的全 向行走系统，可以任意方向行走，适合在医院狭窄的通道内行走，可以实现微距定位， 有利于与手术台、检查设备之间的无缝连接。
本发明的伤病员换乘转运机器人，完全采用电气化设计，软件采用预置程序设计， 操作简单方便。彻底将护理人员和家属从繁重的换乘转运工作中解放出来，为智能型和 自主工作型伤病员换床转运机器人的研制积累经验和技术储备。
附图说明
图1伤病员换乘转运机器人爆炸视图。
图2伤病员换乘转运机器人等轴测视图。
图3高度及水平调节视图。
图4子手臂剖视图。
图5手臂装配透视图。
图6手臂支撑架剖视图。
图7控制盒三维视图。
图8伤病员换乘转运机器人电控框图。
图1-图7中：1输液架，2换乘手臂，3逆时针螺旋丝杠螺母，4手臂支撑架，5升 降电机，6梯形滑槽，7梯形滚轮，8升降丝杠螺母，9螺母固定座，10滑块，11上移动 横杆，12车架，13mecanum轮，14移动立杆，15移动立杆套，16折叠杆连接杆，17固 定立杆套，18固定立杆，19水平驱动电机，20顺时针螺旋丝杠螺母，21手臂连接罩， 22子手臂，23下移动横杆，24关节轴承，25蓄电池，26直线轴承，27链条，28链轮， 29调节棍，30滚筒，31手臂驱动电机，32电机支撑架，33手臂侧板，34上支撑板，35 上循环带，36托棍，37下循环带，38，下支撑板，39手臂前端下支撑板，40导辊，41 三手臂连接杆，42预紧弹簧，43主控制器，44电机控制器，45齿轮，46位置传感器， 47手臂前端上支撑板，48支撑面板，49支撑杆，50顺时针螺旋丝杠，51丝杠螺母滑槽， 52固定横杆，53滑架，54逆时针螺旋丝杠，55升降丝杠，56按键面板，57壳体，58 操纵杆，59复位开关，60电源指示灯，61报警指示灯，62急停开关，63无线通信窗口。
具体实施方式
由图1-图7可知，一种伤病员换乘转运机器人包括：车架12、行走系统(图1)、 折叠式升降机构(14-18)、水平移动机构(图3)、手臂支撑架(图6)、换乘手臂(图 4、5)、输液架1。
全向行走系统由四个mecanum轮13构成，每一个mecanum轮13由一个电机驱动， 电机安装于车架12安装座上，车架12为整体开模，增加车体的结构强度，蓄电池25放 置于车架12底部，降低机器人重心，有利于机器人运行的稳定性。mecanum轮由轮辐和 固定在外周的许多小滚子构成，轮辐和小滚子之间的夹角α通常为45°，每个轮子具有 三个自由度，一个是绕轮子轴心转动，第二个是绕小滚子轴心转动，第三个是绕轮子和 地面的接触点转动。轮子由电机驱动，其余两个自由度自由运动。通过四个电机转动方 向和速度的合成，实现机器人全方位的移动，无回转半径，适合在医院狭窄的过道内移 动，到达目标位置后，通过旋转或横移等动作让机器人与目标对接。
折叠式升降机构由移动立杆14、移动立杆套15、固定立杆18、固定立杆套17、折 叠杆连接杆16、升降电机5、升降丝杠55、升降丝杠螺母8、螺母固定座9、梯形滑槽6、 梯形滚轮7、滑块10、上移动横杆11、下移动横杆23、固定横杆52、关节轴承24、直 线轴承26组成。移动立杆14插入移动立杆套15内，固定立杆18插入固定立杆套17内， 增加立杆的结构强度，移动立杆套15和固定立杆套17通过折叠杆连接杆16连接。移动 立杆14和固定立杆18两端装有关节轴承24，固定立杆18连接于车架和固定横杆52上， 移动立杆14下端连接于下移动横杆23，下移动横杆23两端装有直线轴承26，连接于车 架上，移动立杆14上端连接于上移动横杆11，上移动横杆11两端装有梯形滚轮7，连 接于梯形滑槽6内，升降电机5与升降丝杠55同轴安装，升降丝杠螺母8安装在螺母固 定座9上，螺母固定座9通过关节轴承24连接于上移动横杆11，滑块10下端通过关节 轴承24连接于上移动横杆11，上端由滑架53支撑。通过调节折叠式升降机构的高度实 现手臂与床面的完全对接，升降电机5运行带动升降丝杠55旋转，升降丝杠螺母8水平 运动，与之相连的上移动横杆11在滑槽内水平运动，滑块10沿滑架53水平运动，同时 带动下移动横杆23反方向运动，实现手臂垂直距离的调节。滑块10主要给上移动横杆 11中间支撑，防止其跨度大而变形，从而影响升降丝杠副55、8工作性能。
换乘手臂2由手臂连接罩21、子手臂22、手臂驱动电机31、电机支撑架32、手臂 侧板33、上支撑板34、上循环带35、托棍36、下循环带37、下支撑板38、手臂前端下 支撑板39、导辊40、三手臂连接杆41、预紧弹簧42、电机控制器44、齿轮45、位置传 感器46、手臂前端上支撑板47、支撑面板48组成。整个换乘手臂分成三个子手臂22， 通过三手臂连接杆41和手臂连接罩21连接成为一个整体。输液架1安装于手臂连接罩 21外面上端，主控制器43、手臂驱动电机控制器44和电机支撑架32安装于手臂连接罩 21里面上端，手臂驱动电机31安装于电机支撑架32上。手臂前端上支撑板47安装于子 手臂22前端斜面上面，手臂前端下支撑板39安装于上循环带35下面，主要作用是防止 手臂前端的上循环带35与床面接触，减少上循环带35运行阻力，避免床单等物体被卷 入子手臂22内。本实施例的换乘手臂分为三个独立的子手臂，也可以设计成两个或四个 或更多的独立子手臂。
每个子手臂22分为上下两层，每层装有循环带35、37，上循环带35经过手臂前端 导辊40、手臂前端上支撑板47、上支撑板34、托棍36、滚筒30、调节棍29构成循环， 调节棍29上安装有预紧弹簧42，主要调节上循环带35的预紧力，为了使插入效果好， 导辊40必须做的细小，但跨度大会使其变形，故采用分段轴承支撑。下循环带37经过 托棍36和下支撑板38构成循环。手臂驱动电机31和滚筒30上安装有齿轮45。上循环 带35由滚筒驱动，下循环带37无驱动。
下循环带37无独立的驱动，其动力来自螺旋丝杠副3、50、20、54的驱动力，在下 循环带37内表面与下面板形成内摩擦力，下循环带37外表面与手臂支撑架4或床面形 成外摩擦力，主要是减少换乘手臂2插入伤病员身体下时的阻力，同时也改变了接触方 式。
上循环带35由手臂驱动电机31驱动，获得一个相对于换乘手臂2的速度V1，螺旋 丝杠副3、50、20、54水平运动速度为V2，当V1和V2运动方向相反，速度相同时，与患 者接触部分的上循环带相对患者静止，不产生摩擦力。
水平驱动机构包括水平驱动电机19、顺时针螺旋丝杠50、逆时针螺旋丝杠54、逆时 针螺旋丝杠螺母3、顺时针螺旋丝杠螺母20、链条27和链轮28等。逆时针螺旋丝杠螺 母3和顺时针螺旋丝杠螺母20对称安装于手臂连接罩21后侧面上，穿过丝杠螺母滑槽 51连接于逆时针螺旋丝杠54和顺时针螺旋丝杠50，逆时针螺旋丝杠54和顺时针螺旋丝 杠50对称安装于手臂支撑架4上，水平驱动电机19安装于手臂支撑架4中部，通过链 条27和链轮28在手臂支撑架4内部与顺时针螺旋丝杠50连接，在手臂支撑架4外部与 逆时针螺旋丝杠54连接，此种安装方式主要是考虑到手臂支撑架4的结构，充分利用可 利用的空间，减小结构尺寸。
换乘手臂2有以下几种工作状态：①伤病员在病床上，手臂铲入人体身下；②手臂 在伤病员身下，将伤病员移动到机器人上；⑧伤病员在机器人上，手臂将其送到病床上； ④手臂在伤病员身下，手臂回到机器人上。第一种工作状态时，水平驱动电机19顺时针 旋转，通过链条27和链轮28驱动逆时针螺旋丝杠54和顺时针螺旋丝杠50旋转，由于 逆时针螺旋丝杠54和顺时针螺旋丝杠50对称布置在水平驱动电机19两侧，则与之相连 的逆时针螺旋丝杠螺母3和顺时针螺旋丝杠螺母20的运动方向是一致的，朝着手臂运动 的前方，推动着换乘手臂2前进，下循环带37与手臂支撑架4、床面之间形成外摩擦力， 下循环带37与托棍36、下支撑板38形成内摩擦力，当外摩擦力大于内摩擦力时，下循 环带37滚动运行；内摩擦力大于外摩擦力时，下循环带37滑动运行，此种设计的目的 是减少手臂插入伤病员身下时的摩擦阻力。同时，手臂驱动电机31顺时针旋转，通过齿 轮45驱动滚筒30旋转，带动与之紧密接触的上循环带35逆时针旋转，上循环带35此 时产生的水平运动速度与螺旋丝杠螺母3、20水平前进速度大小相同，方向相反，则上 循环带35与人体接触部分相对于病床的速度为零，即不产生运动摩擦力，避免了换乘手 臂2插入伤病员身下时引起疼痛；第二种工作状态时，水平驱动电机19逆时针旋转，驱 动换乘手臂2往机器人方向运动，同时手臂驱动电机31保持静止；第三种工作状态时， 水平驱动电机19顺时针旋转，驱动换乘手臂2往病床方向运动，同时手臂驱动电机31 保持静止；第四种工作状态时，水平驱动电机19逆时针旋转，驱动换乘手臂2往机器人 方向运动，同时手臂驱动电机31逆时针旋转，上循环带35此时产生的水平运动速度与 螺旋丝杠螺母3、20水平前进速度大小相同，方向相反，保证上循环带35与人体接触部 分相对于病床的速度为零，使得换乘手臂2抽离伤病员身下时不产生运动摩擦力。换乘 手臂2的设计主要是实现伤病员在无需改变身体姿态的情况下无痛转运。位置传感器46 为限制换乘手臂2水平运行和垂直升降的距离，防止换乘手臂2过运动损伤伤病员的身 体。
控制盒(图7)主要由按键面板56、壳体57、操纵杆58、复位开关59、电源指示灯 60、报警指示灯61、急停开关62、无线通信窗口63组成。无线通信窗口63在控制盒前 端盖上；操纵杆58负责全向行走系统的控制；按键面板56负责换乘手臂2的运行、车 体的升降及维护；急停开关62为紧急情况下的急停开关；复位开关59为复位键；电源 指示灯60亮为正常工作；报警指示灯61亮为系统故障。
伤病员换乘转运机器人电控系统设计如图8所示，控制盒(图7)和机器人的通信采 用无线通信，遥控操纵距离可达1000m，控制盒获得操作指令，通过无线通信传输给主控 制器43。主控制器43负责整个系统状态的监测和位置传感器46等信号的采集，通过系 统运行状态判定传输数据是否有效，无效则拒绝执行操作指令，有效则将操作指令转化 成手臂驱动电机控制器44的执行命令，通过CAN总线将命令传输给电机控制器44，同时 主控制器43也通过CAN总线获得子控制器44的信息和运行状态。
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