專利名稱：醫(yī)學(xué)遠(yuǎn)程機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本披露的主題通常涉及用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于患有從阿爾茨海默氏癡呆(Alzheimers)到壓力疾患的各種疾病的病人來 說，提供遠(yuǎn)程健康護(hù)理的需要在增長。為了將費用減到最小，為這些病人提供家庭護(hù)理是理 想的。家庭護(hù)理一般需要健康護(hù)理提供者的定期探訪，如護(hù)士或某些類型的助手。由于財 務(wù)和/或人員問題，當(dāng)病人需要某些類型的幫助時，健康護(hù)理提供者可能并不在他們身邊。 此外，現(xiàn)有職工必須不斷接受培訓(xùn)，這會造成培訓(xùn)人員的負(fù)擔(dān)。提供這樣的系統(tǒng)是理想的 其允許健康護(hù)理人員遠(yuǎn)程護(hù)理病人，而本人不必在場。機(jī)器人用于從遠(yuǎn)程控制有害物質(zhì)到幫助執(zhí)行手術(shù)的各種應(yīng)用中。例如，頒發(fā)給 Wang等的美國專利No. 5，762，458披露了一種系統(tǒng)，其允許外科醫(yī)生通過使用機(jī)器人控制 儀器，最少地進(jìn)行侵入醫(yī)學(xué)過程。家用“玩具”機(jī)器人也得到了發(fā)展。這些機(jī)器人典型地具 有相對簡單的運動平臺和用于產(chǎn)生詞語和聲音的某些類型的語音合成。提供允許對遠(yuǎn)程病 人進(jìn)行監(jiān)控和協(xié)助的機(jī)器人系統(tǒng)將是理想的。

發(fā)明內(nèi)容
機(jī)器人可包括接附在機(jī)架上的照相機(jī)和監(jiān)視器。機(jī)器人也可以具有接附在機(jī)架上 并且和控制器連接的平臺?？刂破骺梢赃B接到寬帶接口。



控制器54可以運行LINUX OS操作系統(tǒng)?？刂破?4也可以運行X WINDOWS以及 視頻、照相機(jī)和音頻驅(qū)動程序，用來與遠(yuǎn)程控制臺16通訊。使用MPEG CODEC壓縮技術(shù)來收 發(fā)視頻信息。此軟件可以允許使用者給病人發(fā)送e-mai 1，反之亦然，或者允許病人訪問互聯(lián) 網(wǎng)。通常，高級控制器50操控機(jī)器人12和遠(yuǎn)程控制臺16之間的通訊。高級控制器50可以通過串口 76和78連接到初級控制器52上。初級控制器52 包括處理器80，其通過總線86連接到RAM設(shè)備82和永久RAM設(shè)備84上。機(jī)器人12包括 多個馬達(dá)88和馬達(dá)編碼器90。編碼器90提供關(guān)于馬達(dá)88輸出的反饋信息。馬達(dá)88可以 通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器92和激勵放大器94連接到總線86上。編碼器90可通過解碼器96連接 到總線86上。機(jī)器人12同時具有許多近程式傳感器98 (同時參見圖1)。通過信號調(diào)節(jié)電 路100和模數(shù)轉(zhuǎn)換器102，位置傳感器98可連接到總線86上。初級控制器52運行機(jī)械驅(qū)動機(jī)器人12的軟件例行程序。例如，初級控制器52提 供指令來驅(qū)動運動平臺，從而移動機(jī)器人12，或者驅(qū)動機(jī)器人的臂。初級控制器52可以從 高級控制器50接收運動指令?？蓮倪h(yuǎn)程控制臺接收運動指令作為運動命令。雖然顯示了 兩個控制器，這是可以理解的機(jī)器人12可以具有控制高級和初級功能的一個控制器。機(jī)器人12的各種電氣設(shè)備可以通過電池104提供動力。電池104可以通過電池充 電站106(同時參見圖1)進(jìn)行充電。初級控制器52可以包括感測電池104功率級的電池 控制電路108。初級控制器52能夠感測到何時功率降低到閾值以下，并且隨之給高級控制 器50發(fā)送消息。高級控制器50可以包括電源管理軟件例行程序，其促使機(jī)器人12運動， 以便當(dāng)電池功率降低到閾值以下時，電池104連接到充電器106上。作為另外一種選擇，使 用者能夠指引機(jī)器人12到電池充電器106上。此外，電池可以被替換或者機(jī)器人12可以 通過電線連接到墻壁電源出口上(未示出)。圖4顯示了機(jī)器人12的實施例。機(jī)器人12可以包括接附到機(jī)器人機(jī)架112上的 完整平臺110。此完整平臺110允許機(jī)器人12向任何方向移動。雖然未示出，機(jī)器人機(jī)架 112可以包括保險杠。機(jī)器人12可以具有臂114，其支撐照相機(jī)38和監(jiān)視器40。臂114可以具有兩個自 由度，以便照相機(jī)26和監(jiān)視器24可以從圖4中所示的高位移動到圖5中所示的低位。臂 114可以具有端部執(zhí)行器116，例如能夠抓住物體的抓爪器。機(jī)器人12可以包括能夠在關(guān)閉位置和打開位置之間自動移動的抽屜118。抽屜 118能夠用來給病人分發(fā)藥物。例如，抽屜118可以包括必須在某一時間服用的藥物。可以 對機(jī)器人12進(jìn)行編程，以便抽屜118在需要的時刻打開。護(hù)士或其他健康護(hù)理人員可以定 期“裝填”抽屜118。機(jī)器人也可以具有電池充電端口 119。雖然對藥物進(jìn)行了描述，但這 是可以理解的抽屜118能夠容納任何物品。如圖6所示，完整平臺110可以包括三個安裝到底板122的滾子組件120。滾子組 件120 —般相對平臺110等距間隔，并且允許在任何方向上移動。圖7顯示了滾子組件120的實施例。每個滾子組件120可以包括驅(qū)動滾珠124，其 通過一對傳動滾子126驅(qū)動。滾子組件120包括擋圈128和多個軸襯130，其允許滾珠124 在x和y方向上旋轉(zhuǎn)，但阻止其在z方向的運動。傳動滾子126連接到馬達(dá)組件132上。此組件132相應(yīng)于圖3中所示的馬達(dá)88。 馬達(dá)組件132包括接附到馬達(dá)136上的輸出滑輪134。輸出滑輪134通過驅(qū)動帶140連接到一對滾珠滑輪138上。滾珠滑輪138接附到驅(qū)動銷142上，驅(qū)動銷接附到傳動托架144 上。傳動滾子126通過滾子銷146接附到傳動托架144上。每個傳動托架144具有由部分 支架支撐的銷143。輸出滑輪134的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動了滾珠滑輪138。滾珠滑輪138的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致了傳動滾子 126通過摩擦力來轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)滾珠124。旋轉(zhuǎn)滾珠124將移動機(jī)器人12。傳動滾子126是 異相的，以便滾子中的一個總是能與滾珠124接觸。滾子銷146和托架144允許傳動滾子 126自由旋轉(zhuǎn)，并且當(dāng)其他的滾子組件120之一驅(qū)動并且移動機(jī)器人12時，允許正交方向的 被動運動。圖8和9顯示了臂114的實施例。臂114可以包括第一連接機(jī)構(gòu)150，其可樞轉(zhuǎn)地 安裝到機(jī)器人機(jī)架12的固定板152上。臂114也可以包括第二連接機(jī)構(gòu)154，其可樞轉(zhuǎn)地 連接到第一連接機(jī)構(gòu)150上，以及包括第三連接機(jī)構(gòu)156，其可樞轉(zhuǎn)地連接到第二連接機(jī)構(gòu) 154 上。第一連接機(jī)構(gòu)150可以通過齒輪組件162連接到第一馬達(dá)158和馬達(dá)編碼器160 上。馬達(dá)158的轉(zhuǎn)動將導(dǎo)致連接機(jī)構(gòu)150和臂114的相應(yīng)樞轉(zhuǎn)運動。連接機(jī)構(gòu)150可以通 過軸承164連接到固定板152上。第二連接機(jī)構(gòu)154可以通過齒輪組件170和滑輪組件172連接到第二馬達(dá)166和 編碼器168上?；喗M件172可以通過銷174連接到齒輪組件170，銷延伸穿過第一馬達(dá) 158的齒輪組件162。第二連接機(jī)構(gòu)154可以接附到能夠相對于第一連接機(jī)構(gòu)150旋轉(zhuǎn)的 銷176上?；喗M件172可以具有帶178，其連接一對分別接附到銷174和176上的滑輪 180和182。銷176可以通過軸承182連接到第一連接機(jī)構(gòu)150上。構(gòu)造臂114，以允許線 183通過連接機(jī)構(gòu)150、154和156內(nèi)部布線。第三連接機(jī)構(gòu)156可以連接到能夠相對于第二連接機(jī)構(gòu)154旋轉(zhuǎn)的銷184上。銷 184可以通過軸承組件186連接到第二連接機(jī)構(gòu)154上。第三連接機(jī)構(gòu)156可以通過一對 滑輪組件188在結(jié)構(gòu)上連接到第一連接機(jī)構(gòu)150上。不論第一連接機(jī)構(gòu)150和第二連接機(jī) 構(gòu)154處于什么位置，滑輪組件188確保了第三連接機(jī)構(gòu)156處于水平位置。如圖4和5 所示，第三連接機(jī)構(gòu)156總是處于水平位置。這確保了照相機(jī)26始終位于同一方位，因此 當(dāng)觀察病人時，減少了遠(yuǎn)程控制臺上定向障礙的可能性。抓爪器116接附到第三連接機(jī)構(gòu)156上。抓爪器116可以包括一對指狀物190，其 可樞轉(zhuǎn)地接附到底板192上。指狀物190通過齒輪組件198連接到馬達(dá)194和編碼器196 上。底板192通過軸承組件200連接到第三連接機(jī)構(gòu)156上。馬達(dá)194能夠相對于第三連 接機(jī)構(gòu)156旋轉(zhuǎn)底板192和指狀物190。抓爪器116可以進(jìn)一步具有推桿202，其與指狀物190的凸輪面204接合，從而在 打開和閉合位置之間移動抓爪器指狀物190。推桿202可以通過連桿組件208連接到馬達(dá) 206和編碼器(未示出)上。馬達(dá)206的驅(qū)動將平移推桿202，并且移動指狀物190。馬達(dá) 206可具有力傳感器，其提供返回到遠(yuǎn)程控制臺的力反饋。遠(yuǎn)程控制臺的輸入裝置具有力反 饋機(jī)構(gòu)，以便使用者感知到施加于抓爪器指狀物190上的力。在操作中，機(jī)器人12可位于需要監(jiān)控和/或幫助一個或更多的病人的家中或設(shè)施 中。設(shè)施可以是醫(yī)院或住宅監(jiān)護(hù)設(shè)施。例如，機(jī)器人12可放置于家中，其中健康監(jiān)護(hù)人員 可以監(jiān)控和/或幫助病人。同樣地，朋友或家庭成員可以與病人交流。機(jī)器人和遠(yuǎn)程控制臺的照相機(jī)和監(jiān)視器允許病人和遠(yuǎn)程控制臺的人之間進(jìn)行遠(yuǎn)程會議。通過在遠(yuǎn)程控制臺16處操縱輸入設(shè)備32，可以操縱機(jī)器人12在家中或設(shè)施內(nèi)行 動。機(jī)器人12同時具有自動運動。例如，可對機(jī)器人12進(jìn)行編程，使其在某一時間自動移 動到病人房間，以分發(fā)抽屜118內(nèi)的藥品，而不需要遠(yuǎn)程控制臺16的輸入?？蓪C(jī)器人12 編程，從而一天24小時、每周7天地監(jiān)控和/或幫助病人。這樣的監(jiān)控能力通過機(jī)器人的 自主充電功能得到增強(qiáng)。機(jī)器人10可由許多不同使用者控制。為了適應(yīng)這一點，機(jī)器人可以具有調(diào)停系 統(tǒng)。調(diào)停系統(tǒng)可以集成到機(jī)器人12的操作系統(tǒng)。例如，調(diào)停技術(shù)可以嵌入高級控制器50 的操作系統(tǒng)內(nèi)。例如，可以把使用者分成幾類，包括機(jī)器人自身、本地使用者、護(hù)理人員、醫(yī)生、家 庭成員、或者服務(wù)人員。機(jī)器人可以不考慮與機(jī)器人操作發(fā)生沖突的輸入命令。例如，如果 機(jī)器人撞到墻壁，系統(tǒng)可以忽略在墻壁方向上繼續(xù)的所有附加命令。本地使用者是與機(jī)器 人一起出現(xiàn)的人。機(jī)器人可具有允許本地操作的輸入設(shè)備。例如，機(jī)器人可以包括接收和 解釋音頻命令的語音識別系統(tǒng)。護(hù)理人員是遠(yuǎn)程監(jiān)控病人的人。醫(yī)生是醫(yī)學(xué)專業(yè)人員，其能夠遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，也 能夠訪問機(jī)器人內(nèi)存中包含的醫(yī)療檔案。家庭成員和服務(wù)人員遠(yuǎn)程訪問機(jī)器人。服務(wù)人員 可以通過升級軟件或設(shè)置操作參數(shù)來保養(yǎng)系統(tǒng)?？梢栽跈C(jī)器人12和遠(yuǎn)程控制臺16之間傳遞信息包。信息包提供命令和反饋。每 個信息包可以具有多個字段。例如，信息包可包括標(biāo)識符字段、前進(jìn)速度字段、角速度字段、 停止字段、緩沖器字段、傳感器范圍字段、配置字段、文本字段和調(diào)試字段。遠(yuǎn)程使用者的標(biāo)識可設(shè)置在從遠(yuǎn)程控制臺16傳遞到機(jī)器人12上的信息的標(biāo)識符 字段。例如，使用者可以將使用者標(biāo)識符輸入到由遠(yuǎn)程控制臺16運行的應(yīng)用軟件的設(shè)置表 中。使用者標(biāo)識符隨后與每個信息一起發(fā)送給機(jī)器人。可以以兩個不同模式中的一個操作機(jī)器人12 專用模式或共享模式。在專用模式 中，僅一個使用者能訪問控制機(jī)器人。專用模式可以具有分配給每個類型使用者的優(yōu)先權(quán)。 例如，優(yōu)先權(quán)可以是按這個順序本地使用者、醫(yī)生、護(hù)理人員、家庭成員以及服務(wù)人員。在 共享模式中，兩個或多個使用者可以共同訪問機(jī)器人。例如，護(hù)理人員可以訪問機(jī)器人，護(hù) 理人員可隨后進(jìn)入共享模式，從而允許醫(yī)生同時訪問機(jī)器人。護(hù)理人員和醫(yī)生均可與病人 進(jìn)行同步遠(yuǎn)程會議。調(diào)停配置可以具有四個機(jī)構(gòu)之一；通知、超時、隊列和召回。通知機(jī)構(gòu)可以通知當(dāng) 前使用者或要求的使用者另一個使用者已經(jīng)訪問或希望訪問機(jī)器人。超時機(jī)構(gòu)為某些類 型的使用者提供了限定的時間來完成對機(jī)器人的訪問。隊列機(jī)構(gòu)是用于訪問機(jī)器人的有序 等待表。召回機(jī)構(gòu)通知使用者機(jī)器人可以被訪問。例如，家庭使用者可以接收這樣的電子 郵件信息機(jī)器人已空閑，可以使用。表1和2顯示了機(jī)構(gòu)如何解決不同使用者的訪問要 求。表 I 在控制臺16和機(jī)器人12之間傳送的信息可以加密。此外，使用者可能必須輸入 密碼以進(jìn)入系統(tǒng)10。隨后由控制臺16給被選的機(jī)器人提供電子密鑰。機(jī)器人12驗證密 鑰，并且給控制臺16返回另一個密鑰。使用密鑰來加密過程中傳送的信息。圖10顯示了電池充電器的實施例。機(jī)器人端口 119可以包括次級繞組250，其與 電池充電站106的初級繞組252磁耦合。初級繞組252通過繼電器電路256、保險絲258和 開關(guān)260連接到電力輸出插頭254上。繼電器256由充電器控制器262控制。充電器控制器262連接到充電器紅外(IR)收發(fā)器264上。充電器IR收發(fā)器264 耦合機(jī)器人IR收發(fā)器266。機(jī)器人IR收發(fā)器266連接到初級控制器52上。機(jī)器人10同 時可以具有校準(zhǔn)傳感器268，其能夠感測充電站106上的目標(biāo)270。例如，傳感器268可以 包括光學(xué)發(fā)射器和接收器，其檢測從目標(biāo)270反射的光束?？刂破?2同時可以感測進(jìn)入電 池104的電流，從而確定機(jī)器人12是否與充電站106對準(zhǔn)。次級繞組250通過充電器電路272連接到電池104上。次級繞組250和初級繞組 252的每一個可以具有包裹磁芯276的金屬絲274。站106也可以具有振蕩器/斷路器電 路(未示出)，從而增加磁傳遞到次級繞組250的電壓。在操作中，機(jī)器人10自主或由使用者控制而移動到電池充電站106處。移動機(jī)器人10，直到傳感器268與目標(biāo)270對準(zhǔn)。隨后初級控制器52通過收發(fā)器264和266發(fā)送命 令給充電器控制器262。 充電器控制器262隨后關(guān)閉繼電器256，其中電力通過繞組250和252傳遞給電池 104。當(dāng)對電池104進(jìn)行充電，或電池充電過程被使用者打斷時，初級控制器52給充電器控 制器262傳遞命令，以開啟繼電器256。機(jī)器人10隨后移動離開充電站106。
圖11顯示了矢量圖，其可用于按以下方程式來計算機(jī)器人的運動
\v\^L
w, (Sin oc, Sin0 一 Cos oc, Cos6) + ~^
w2 =
\V\ o 屮丄2 1 ^ SinO+ ■ 2
R,
R,
\V\屮I,
= ^(Sin oc3 Sin9 + Cos oc3 Cosd) + -Ri.
⑴
(2) ⑶
其中
是第一滾珠124的驅(qū)動角速度c w2是第二滾珠124的驅(qū)動角速度。 w3是第三滾珠124的驅(qū)動角速度tV是機(jī)器人的輸入線速度。V具有分量^和Vy，其中； 是機(jī)器人的輸入角速度。設(shè)角速度矢量
而速度矢量 從方程式(7)中計算出角速度矢量w，并且與馬達(dá)編碼器測量出的實際w數(shù)值進(jìn)行 比較。一種算法執(zhí)行誤差校正程序，從而補(bǔ)償實際和理想數(shù)值之間的差異。雖然描述了并在附圖中顯示了某些典型實施例，應(yīng)該理解這些實施例僅僅是對 廣泛的發(fā)明起說明作用，并且不限定于此廣泛的發(fā)明，本發(fā)明不限于顯示和說明的特定結(jié) 構(gòu)和布置，因為對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，各種其他變體是可能發(fā)生的。
權(quán)利要求
一種連接到寬帶網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人系統(tǒng)，其包括連接到網(wǎng)絡(luò)的第一遠(yuǎn)程控制臺；通過寬帶網(wǎng)絡(luò)連接到所述第一遠(yuǎn)程控制臺的基臺；以及無線連接到所述基臺并通過所述第一遠(yuǎn)程控制臺進(jìn)行控制的移動機(jī)器人，所述移動機(jī)器人具有機(jī)器人照相機(jī)和機(jī)器人監(jiān)視器，所述移動機(jī)器人向所述第一遠(yuǎn)程控制臺傳送病人的現(xiàn)有視頻圖像和病人的事先存在的圖像，所述第一遠(yuǎn)程控制臺顯示病人的所述現(xiàn)有視頻圖像和病人的所述事先存在的圖像，以對病人進(jìn)行并列對比。
2.一種通過寬帶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的機(jī)器人系統(tǒng)，其包括具有照相機(jī)和監(jiān)視器的機(jī)器人，所述機(jī)器人產(chǎn)生至少一個機(jī)器人狀態(tài)命令，所述狀態(tài) 命令包括通過寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)年P(guān)于所述機(jī)器人的信息；多個遠(yuǎn)程臺，每一個所述遠(yuǎn)程臺具有照相機(jī)和監(jiān)視器，每一個所述遠(yuǎn)程臺能產(chǎn)生通過 寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹辽僖粋€控制命令，并接受來自所述機(jī)器人的狀態(tài)命令；以及 調(diào)停器，其通過所述遠(yuǎn)程臺之一控制對所述機(jī)器人的訪問。
3.一種機(jī)器人系統(tǒng)，其包括 包括照相機(jī)和輸入設(shè)備的機(jī)器人； 控制所述機(jī)器人的控制臺；以及互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，其連接到所述機(jī)器人的所述輸入設(shè)備，使用者能通過所述機(jī)器人的所述 輸入設(shè)備訪問所述互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。
4.一種機(jī)器人系統(tǒng)，其包括包括照相機(jī)和麥克風(fēng)的機(jī)器人；以及控制所述機(jī)器人的控制臺，所述控制臺包括連接到所述機(jī)器人的麥克風(fēng)并產(chǎn)生立體聲 的揚聲器。
5.一種機(jī)器人系統(tǒng)，其包括包括照相機(jī)和監(jiān)視器的機(jī)器人；以及控制臺，其能控制所述機(jī)器人并允許服務(wù)人員遠(yuǎn)程保養(yǎng)所述機(jī)器人。
6.一種機(jī)器人系統(tǒng)，其包括包括照相機(jī)的機(jī)器人，所述照相機(jī)能捕獲病人的實時視頻圖像和病人的靜止圖像；以及帶有監(jiān)視器的控制臺，所述監(jiān)視器能同時顯示病人的所述實時視頻圖像和病人的所述 靜止圖像。
7.一種機(jī)器人系統(tǒng)，其包括 提供機(jī)器人指令的遠(yuǎn)程臺； 電池充電站；以及移動機(jī)器人，其能自主地移向所述電池充電站并響應(yīng)于所述機(jī)器人指令。
8.一種機(jī)器人，其連接到由操作者進(jìn)行操作的遠(yuǎn)程臺，所述遠(yuǎn)程臺包括在遠(yuǎn)程臺捕獲 圖像的照相機(jī)，所述機(jī)器人包括機(jī)架；接附于所述機(jī)架的移動平臺； 照相機(jī)，其連接到所述機(jī)架并相對于所述機(jī)架移動；監(jiān)視器，其連接到所述機(jī)架并相對于所述機(jī)架移動，并且顯示在遠(yuǎn)程臺捕獲的圖像； 高級控制器，其連接到所述機(jī)架并控制與遠(yuǎn)程臺的通訊；以及 低級控制器，其連接到所述機(jī)架并驅(qū)動所述移動平臺。全文摘要
一種包括遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人可包括照相機(jī)、監(jiān)視器和完整平臺，這些都接附于機(jī)器人機(jī)架上。機(jī)器人可以由遠(yuǎn)程控制臺控制，該控制臺也具有照相機(jī)和監(jiān)視器。遠(yuǎn)程控制臺可以連接到基臺，基臺與機(jī)器人無線連接。照相機(jī)和監(jiān)視器允許位于遠(yuǎn)程位置的監(jiān)護(hù)人員通過機(jī)器人監(jiān)控和看護(hù)病人。完整平臺允許機(jī)器人在家中或設(shè)施處移動，從而定位和/或跟隨病人。
文檔編號G06F19/00GK101866396SQ20101019478
公開日2010年10月20日 申請日期2003年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月25日
發(fā)明者C·S·喬丹, J·索塔德, K·P·拉比, S·E·布特納, Y·王 申請人:英塔茨科技公司