護(hù)理機器人起、坐輔助系統(tǒng)的機械設(shè)計方法探討

徐心儀++張春偉

摘 要：現(xiàn)階段我國人口老齡化發(fā)展迅速，社會空巢老人不斷增加，如何提升老年群體的生活質(zhì)量成為社會關(guān)注的焦點。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人技術(shù)的應(yīng)用已逐漸涉及醫(yī)療、康復(fù)和服務(wù)等領(lǐng)域。本文筆者以解決老年群體或下肢功能障礙患者存在的起立困難，以及難以持續(xù)站立等問題為目的，主要分析人體自然站立的相關(guān)機體反應(yīng)過程，探討護(hù)理機器人起、坐輔助系統(tǒng)的機械設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：護(hù)理；機器人；起、坐輔助系統(tǒng)；機械設(shè)計方法

當(dāng)前，我國人口老齡化發(fā)展迅速，老年群體所占的比重越來越大。老年群體因其機體功能衰退，生活自理能力相對低下，嚴(yán)重影響著老年群體的生活質(zhì)量，而人工護(hù)理不但費用高、護(hù)理工作量大、難度高，也存在著較大的局限性，如何提升老年群體的生活質(zhì)量成為社會關(guān)注的焦點。老年群體普遍存在著起立困難和難以持續(xù)站立的問題，因此，護(hù)理機器人起、坐輔助系統(tǒng)的機械設(shè)計對老年群體、下肢功能障礙患者、下肢殘疾患者等發(fā)揮著不可忽視的重要意義。

一、人體自然站立的相關(guān)機體反應(yīng)過程分析

人體自然站立的相關(guān)機體反應(yīng)過程是指人體主要通過下肢力量的方式改變自身重心的一個由靜止向動態(tài)平衡轉(zhuǎn)換的連續(xù)過程，該過程主要包含三個階段：其一：人體由坐立到向前傾過渡，即站立的準(zhǔn)備階段，該階段人體的重心幾乎未發(fā)生改變；其二：人體膝、髖關(guān)節(jié)角運動角度接近峰值，下肢肌肉收縮，臀部離開左立面，即站立過渡階段，該階段人體重心緩慢向上移動；其三：人體站立，即站穩(wěn)階段，該階段重心升至最高[1]。由此可見，人體成功自然站立的過程中最主要的機體反應(yīng)在于膝、髖關(guān)節(jié)的反應(yīng)。

二、護(hù)理機器人起、坐輔助系統(tǒng)的機械設(shè)計

護(hù)理機器人的總體設(shè)計理念應(yīng)當(dāng)遵循價格相對低下、使用便捷、占用空間位置較小等原則，以符合大多數(shù)人的使用需求，同時，為了促進(jìn)護(hù)理機器人的起、坐輔助系統(tǒng)設(shè)計的效益最大化發(fā)揮，應(yīng)結(jié)合人機工程學(xué)的相關(guān)理論基礎(chǔ)，擴展護(hù)理機器人的實用功能。根據(jù)《人體結(jié)構(gòu)學(xué)》和相關(guān)醫(yī)學(xué)理論體系表明，人體自然站立的過程中，膝關(guān)節(jié)的主動力矩達(dá)到最大值。因此，若人體在自然站立的過程中，膝關(guān)節(jié)的主動力矩沒有達(dá)到最大值或主動力矩不足，則會導(dǎo)致人體大腿力量不足。膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)是相互連接的支點，在此過程中，髖關(guān)節(jié)的活動也將受到限制，其運動角度無法達(dá)到峰值，最終造成起立困難或者無法站立的現(xiàn)象。另外，人體自然站立是重心逐漸上升的過程，適當(dāng)抬高座椅高度，為人體提供上肢支撐物有利于人體的站立[2]。因此，在機器人起、坐輔助系統(tǒng)的機械設(shè)計過程中，機械裝置的設(shè)計應(yīng)當(dāng)使其重心變化的頻率與人體自然站立的重心變化頻率相協(xié)調(diào)，在設(shè)計過程中還應(yīng)當(dāng)側(cè)重考慮使用的舒適度。同時，設(shè)計的過程中應(yīng)當(dāng)注重輔助增強使用者的膝關(guān)節(jié)的主動力矩，為使用者提供上肢使力的支撐物[3]。另外，因不能自然站立的群體患者下肢功能障礙患者能持續(xù)站立的時間相對低下，因此，在設(shè)計的過程中應(yīng)當(dāng)考慮使用者在戰(zhàn)立后減輕其重力對腿、足的壓力，應(yīng)當(dāng)注重加入具有反饋反應(yīng)的減重裝置，以達(dá)到穩(wěn)住使用者的重心，解決其下肢力量不足的問題，如：在腳踏板位置加入稱重傳感器設(shè)備。因使用者的身高、體型、體重等都存在較大的差別，故在設(shè)計過程中應(yīng)注重加入自動調(diào)節(jié)器，以方便使用者的正常使用。另外，機器人起、坐輔助系統(tǒng)中的各個裝置設(shè)置都應(yīng)當(dāng)滿足機器人設(shè)置的各項相關(guān)要求和總體要求。

三、起、坐輔助的控制系統(tǒng)

機器人的起、坐輔助的控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計和設(shè)備敲定，應(yīng)當(dāng)全面、綜合考慮使用者在使用的過程中需要輔助機器人的兩軸來進(jìn)行重心變化的運動。因此，起、坐輔助的控制系統(tǒng)的上位機可以選用PC機，下位機可選用兩級控制結(jié)構(gòu)的控制器，其裝置如下圖所示。這樣，便形成以PC機為主的軌跡規(guī)劃，以達(dá)到編寫機器人運動控制的程序，并通過利用運動控制函數(shù)庫中的相關(guān)專用指令向運動控制器發(fā)出起或坐的重心變化運動指令的目的[4]。在此過程中，運動控制器收到發(fā)出起或坐的相關(guān)運動指令后，會自動將接收到的信號轉(zhuǎn)換成脈沖控制信號，并傳遞給各個下級伺服驅(qū)動器，最終各個裝置統(tǒng)一、協(xié)調(diào)完成機械輔助起、坐的運動。

四、總結(jié)

老年人由于生活自理能力下降，行走不便，加上健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)在我國正迅猛發(fā)展，老年群體所占的比重越來越大，為解決老年群體或者下肢功能障礙患者存在的起立困難和難以持續(xù)站立的問題，本文以護(hù)理機器人的視角對起、坐輔助系統(tǒng)的機械設(shè)計，通過對人體自然站立的相關(guān)機體反應(yīng)過程進(jìn)行分析，可以有效掌握起、坐運動的機理，以增強設(shè)計的合理性和實用性。同時，以人體自然站立為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計的過程中，應(yīng)當(dāng)注重增加具有反饋反應(yīng)的減重裝置和自動調(diào)節(jié)器，側(cè)重提升使用者在使用過程中的舒適度，只有這樣，才能促進(jìn)起、坐輔助系統(tǒng)模擬人體自然站立的機械設(shè)計實現(xiàn)并投入使用。

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