专利名称：伤病员换乘转运机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型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：
长期以来，大规模突发事件造成的重伤病员，以及住院重病患者，特别是一些脊柱 骨折等特殊病人的换床是一个非常危险、麻烦的过程。在国内，伤病员的转运主要还是延用 传统的方式，依靠医护人员或家属将患者抬、扶、抱在病床、担架或轮椅车上，给医护人员造 成很大的困难，大大降低了医院人力资源的使用效率。研究表明，大量的护理人员不借助外 部工具从事伤病员的转运和移动工作，会严重劳损腰部肌肉，产生永久的伤痛。另外，在人 工搬运患者过程中，由于操作不慎或用力不均等原因，会引起患者的疼痛，尤其是刚手术完 的患者和危重患者的特殊检查、挪动、转床、手术和麻醉前后的接送，很容易引起再损伤，直 接威胁患者的生命。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。
实用新型内容本实用新型的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种伤病员近距离搬运装 置，以解决伤病员在病床、手术台、检查设备之间换乘转运的问题，本实用新型的伤病员换 乘转运机器人，完全由电动装置执行，只需一名护理人员操作控制盒即可完成，在整个伤病 员换乘和转运过程中，无需护理人员或家属施加外力，实现伤病员在无需改变姿态的情况 下无痛换乘和任意方向的运动与定位转运，同时使用过程又符合手术室灭菌要求的换乘转 运机器人。为此，本实用新型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，本实用新型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。本实用新型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。通过本实用新型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。本实用新型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。
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
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。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。[0028]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；③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。
权利要求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。
专利摘要本实用新型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。本实用新型可以实现手术床、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。
文档编号A61G7/14GK201558247SQ20092009873
公开日2010年8月25日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者侍才洪, 关静, 宁波, 康少华, 张西正, 李志宏, 李瑞欣, 武继民, 郭勇, 黄姝杰 申请人:中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所