護(hù)理機(jī)器人技術(shù)的研究和發(fā)展

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1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)2.上海健康醫(yī)學(xué)院 醫(yī)療器械學(xué)院(上海，201318)

【關(guān)鍵字】 人口老齡化； 護(hù)理機(jī)器人； 機(jī)器人技術(shù)； 老年護(hù)理

0 引言

聯(lián)合國(guó)人口老齡化和可持續(xù)發(fā)展報(bào)告指出，全球在未來(lái)十年將加速老齡化進(jìn)程[1-2]，伴隨著患有慢性疾病人群對(duì)醫(yī)療服務(wù)需求的增加，機(jī)器人便被提出作為一種輔助工具提供醫(yī)療服務(wù)以彌合日益擴(kuò)大的需求，緩解醫(yī)療人員和資源短缺[3-4]。機(jī)器人產(chǎn)品分為工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人，而護(hù)理機(jī)器人便是服務(wù)機(jī)器人的一種[5]。

護(hù)理機(jī)器人，即一類旨在促進(jìn)或監(jiān)測(cè)健康的機(jī)器，能協(xié)助患者完成因健康問(wèn)題而難以執(zhí)行的任務(wù)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者生理參數(shù)并做出預(yù)警，防止健康狀況進(jìn)一步惡化[6]，履行護(hù)理任務(wù)，以減輕護(hù)理人員的工作。

目前護(hù)理機(jī)器人可按如下方式進(jìn)行分類： ①按照功能用途可分為個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理﹑飲食護(hù)理和轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理等機(jī)器人； ②按照工作方式可分為工作站式、移動(dòng)式和搭載式[7]； ③按照結(jié)構(gòu)類型可分為仿人式﹑輪椅式和護(hù)理床式等； ④按照使用場(chǎng)景可分為醫(yī)用型和家用型等。本文就圍繞目前護(hù)理機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行描述，并分析當(dāng)前護(hù)理機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)護(hù)理機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)及未來(lái)展望。

1 護(hù)理機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人口老齡化狀況持續(xù)加劇，世界各國(guó)都相繼致力于護(hù)理機(jī)器人的研究。以下就圍繞護(hù)理機(jī)器人的發(fā)展歷程，列舉各國(guó)代表性的護(hù)理機(jī)器人產(chǎn)品，綜述國(guó)內(nèi)外護(hù)理機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀。

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)TRC公司設(shè)計(jì)了一款移動(dòng)式護(hù)理機(jī)器人——HelpMate。HelpMate集成了多種傳感器，擁有避障和自主導(dǎo)航等功能，能有效完成醫(yī)用物品等運(yùn)送任務(wù)。第一臺(tái)原型HelpMate機(jī)器人于1989年在美國(guó)一家醫(yī)院安裝使用[8]，負(fù)責(zé)將餐盤從餐廳送到護(hù)理站，并于1998年在美國(guó)70多家醫(yī)院推廣商用，取得了巨大的成功。HelpMate的問(wèn)世為機(jī)器人自主移動(dòng)的設(shè)計(jì)提供了參考。如德國(guó)斯圖加特的自動(dòng)化研究院，設(shè)計(jì)出的第二代機(jī)器人家庭助理Care-O-botⅡ[9]，能在室內(nèi)環(huán)境中檢測(cè)避障和自主導(dǎo)航，輔助用戶行走； 以及自主移動(dòng)護(hù)理機(jī)器人ARTOS[10]，配有激光測(cè)距儀和超聲波傳感器等，能自主移動(dòng)，能實(shí)時(shí)通信，在保障隱私的同時(shí)達(dá)到有效監(jiān)護(hù)。

護(hù)理機(jī)器人還致力于解決患者生活方面的問(wèn)題，如飲食護(hù)理機(jī)器人和個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人。1987年英國(guó)Mike Topping公司開發(fā)的飲食護(hù)理機(jī)器人——Handy1，最初是為幫助一名十一歲的腦癱男孩進(jìn)食，該系統(tǒng)能通過(guò)更換托盤配件為患者提供喂食﹑刷牙﹑洗臉等日常生活護(hù)理[11]。2002年日本Secom公司研發(fā)的My Spoon[12]，通過(guò)機(jī)械手臂控制勺子和叉子抓住食物并送到患者嘴里，實(shí)現(xiàn)喂食功能。能夠提供個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理功能的護(hù)理機(jī)器人有： 日本松下公司研制出的能幫助患者洗發(fā)的橡膠手指洗發(fā)機(jī)器人[13]； 意大利BioRobotics研究所設(shè)計(jì)的柔性淋浴臂[14]； 歐盟資助的iToilet項(xiàng)目研發(fā)的一種固定式的多模態(tài)交互智能機(jī)器人廁所系統(tǒng)[15]。

此外，醫(yī)院中的一些重病患者在進(jìn)行離床性的活動(dòng)時(shí)，需要從床上轉(zhuǎn)移到床下，由此人們開始進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的研發(fā)。早期的轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人有日本人機(jī)交互機(jī)器人研究中心研發(fā)的醫(yī)用搬運(yùn)護(hù)理機(jī)器人RI—MAN以及它的第二代升級(jí)版本——RIBA護(hù)士機(jī)器人[16]，其主要功能是將患者從床上搬到輪椅上。這種機(jī)器人屬于仿人式機(jī)器人，其表面有一層柔性有機(jī)材料，上肢覆蓋了觸覺(jué)傳感器，能提供良好的交互性。還有日本松下公司設(shè)計(jì)的Resyone機(jī)器人[17]，能實(shí)現(xiàn)床椅分離，方便患者到醫(yī)院外界活動(dòng)。

隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，護(hù)理工作逐漸從醫(yī)院轉(zhuǎn)移到養(yǎng)老院﹑社區(qū)甚至是家庭，這就給護(hù)理機(jī)器人的研發(fā)提供了新思路，于是個(gè)人綜合護(hù)理機(jī)器人被設(shè)計(jì)出來(lái)。1999年，意大利的MOVAID項(xiàng)目，推出了一款用于日常生活中的個(gè)人護(hù)理機(jī)器人，該MOVAID系統(tǒng)由一個(gè)分布式機(jī)器人系統(tǒng)組成，包括一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人單元和一些固定工作站，以及標(biāo)準(zhǔn)廚房設(shè)備的專用接口。MOVAID會(huì)用微波爐加熱食物﹑清潔廚房以及拆卸床單等[18]，能極大地提高使用者在家中的獨(dú)立性。之后的產(chǎn)品有歐洲的CompanionAble項(xiàng)目創(chuàng)建的Hector護(hù)理機(jī)器人，Hector能記錄日常生活，控制家庭環(huán)境，進(jìn)行認(rèn)知訓(xùn)練，藥物提醒以及審查日常議程，還具有跌倒檢測(cè)能力，可與智能家居和遠(yuǎn)程控制中心協(xié)同工作； 以及澳大利亞的一款護(hù)理機(jī)器人Hobbit[19]，能成為老年人家居生活中的優(yōu)質(zhì)伴侶。

總之，隨著一代又一代研究的深入，如今的護(hù)理機(jī)器人越來(lái)越向著全面綜合護(hù)理方向發(fā)展，為廣大患者提供了一個(gè)全方位的護(hù)理保障。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

我國(guó)在護(hù)理機(jī)器人方面的研究起步較晚，但經(jīng)過(guò)我國(guó)學(xué)者的不懈努力，也研發(fā)出了一些可比肩國(guó)外水平的機(jī)器人產(chǎn)品。

我國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所于2000年成功研制出了我國(guó)第一臺(tái)多模態(tài)交互式智能輪椅[20]，該輪椅加入了機(jī)器視覺(jué)﹑語(yǔ)音識(shí)別等技術(shù)，可進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，可語(yǔ)音控制行走。在衛(wèi)生護(hù)理方面，國(guó)內(nèi)首臺(tái)產(chǎn)品是由洛陽(yáng)圣瑞公司主導(dǎo)設(shè)計(jì)的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人床[21]，能實(shí)現(xiàn)洗發(fā)﹑清潔的自動(dòng)化，還能實(shí)時(shí)測(cè)量生理參數(shù)。2008年，臺(tái)灣交通大學(xué)研發(fā)了適用于家庭環(huán)境的護(hù)理機(jī)器人——ROLA[22]，其顯著的特點(diǎn)是能識(shí)別所處的室內(nèi)環(huán)境，并且能夠避障，能起到時(shí)刻陪護(hù)的作用。2009年，臺(tái)灣大學(xué)和交大組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制出一款護(hù)士機(jī)器人——Monika，Monika整合了看護(hù)﹑保全及護(hù)士等多種功能，可以協(xié)助居家看護(hù)，也可以提供遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)。2012年,中國(guó)科學(xué)院合肥研究所研制出了一款老人服務(wù)機(jī)器人，其不僅有遞送物品等常用功能，也有跌倒檢測(cè)和遠(yuǎn)程報(bào)警等功能。

有資料表明，國(guó)內(nèi)的護(hù)理機(jī)器人研發(fā)主要都以開發(fā)樣機(jī)為主，沒(méi)有轉(zhuǎn)入大規(guī)模的量產(chǎn)，并且護(hù)理機(jī)器人的研制大部分都造價(jià)高昂，難于普及。因而開發(fā)成本低﹑可靠性高的護(hù)理機(jī)器人將是未來(lái)的開發(fā)趨勢(shì)，有巨大的潛力。

2 護(hù)理機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

護(hù)理機(jī)器人一般由機(jī)械結(jié)構(gòu)﹑感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器人的框架基礎(chǔ)，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保障整個(gè)系統(tǒng)的性能及穩(wěn)定； 感知系統(tǒng)是機(jī)器人的五官，為機(jī)器人提供外部環(huán)境信息； 控制系統(tǒng)則相當(dāng)于大腦，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和發(fā)布命令。護(hù)理機(jī)器人種類繁多，橫跨多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，可歸納其應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)有： 人體生理參數(shù)無(wú)感檢測(cè)﹑數(shù)據(jù)采集和分析﹑語(yǔ)音識(shí)別和路徑規(guī)劃。

2.1 生理參數(shù)無(wú)感檢測(cè)

患者的生理參數(shù)是反應(yīng)其身體狀況的重要指標(biāo)之一，生理參數(shù)檢測(cè)功能通過(guò)如光電傳感器﹑紅外傳感器等采集包括： 心率﹑血壓和血氧飽和度等生理參數(shù)，并將所采集的數(shù)據(jù)和正常數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，判斷患者的身體狀況并做出預(yù)警。

生理參數(shù)檢測(cè)技術(shù)，是一個(gè)護(hù)理設(shè)備的必備功能。目前大多數(shù)機(jī)構(gòu)仍然使用傳統(tǒng)的外接設(shè)備，直接將電極粘貼在患者皮膚上工作，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程繁瑣，并且一定程度上限制了患者活動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間使用也會(huì)對(duì)患者心理上產(chǎn)生影響。因此，研發(fā)無(wú)感低負(fù)荷的生理參數(shù)檢測(cè)技術(shù)，突破線材制約，無(wú)中斷地監(jiān)測(cè)患者身體狀況，對(duì)護(hù)理工作有很大的幫助。

目前已經(jīng)出現(xiàn)一些解決方案，如用于檢測(cè)睡眠質(zhì)量的床墊式睡眠檢測(cè)儀[23]： 通過(guò)壓敏電阻傳感器，能在患者毫無(wú)察覺(jué)的情況下檢測(cè)出心率﹑呼吸率等參數(shù)； 以及利用成像式光電容積描記法[24]，通過(guò)攝像頭就能進(jìn)行人體參數(shù)的檢測(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)采集和分析

數(shù)據(jù)采集是獲取數(shù)據(jù)的方式之一，通過(guò)傳感器等設(shè)備對(duì)外部資源進(jìn)行接收和處理，而數(shù)據(jù)分析是運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)工具，從數(shù)據(jù)中獲取價(jià)值信息的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集和分析，通過(guò)軟硬件結(jié)合，能高效﹑準(zhǔn)確地處理大量數(shù)據(jù)。

上述說(shuō)到的生理參數(shù)檢測(cè)，就是一種數(shù)據(jù)采集方式，而檢測(cè)出的大量數(shù)據(jù)都是寶貴的研究資料，這就對(duì)數(shù)據(jù)的采集和分析技術(shù)提出了較高的要求，數(shù)據(jù)種類不同，所用到的采集和分析技術(shù)也有差異，如何從中提取如生理狀態(tài)﹑病理發(fā)展趨勢(shì)等有用信息，并應(yīng)用到護(hù)理設(shè)備上，是該技術(shù)所要解決的問(wèn)題，也是目前醫(yī)療大數(shù)據(jù)領(lǐng)域[25]研究的熱點(diǎn)之一。

2.3 語(yǔ)音識(shí)別

目前機(jī)器人設(shè)備都倡導(dǎo)人機(jī)交互，人與機(jī)器進(jìn)行交流的主流手段就是借助語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，機(jī)器人通過(guò)采集﹑獲取人的語(yǔ)音輸入，經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理對(duì)其進(jìn)行特征提取，再與預(yù)先訓(xùn)練好的聲學(xué)模型庫(kù)進(jìn)行比對(duì)配準(zhǔn)，匹配識(shí)別后得出結(jié)果并輸出。

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)從最開始只能識(shí)別孤立詞，到對(duì)多個(gè)詞匯﹑連續(xù)語(yǔ)音的識(shí)別，語(yǔ)音技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)足的發(fā)展，已經(jīng)能達(dá)到相當(dāng)高的準(zhǔn)確率。但考慮到區(qū)域化的語(yǔ)言差異，尤其是國(guó)內(nèi)各個(gè)地域語(yǔ)言差異顯著，方言現(xiàn)象嚴(yán)重，護(hù)理對(duì)象又多是老人，因此在語(yǔ)音信號(hào)的采集上，聲學(xué)庫(kù)模板的訓(xùn)練上還需多做研究[26]。

2.4 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃技術(shù)在護(hù)理機(jī)器人的自主移動(dòng)﹑自動(dòng)導(dǎo)航﹑檢測(cè)避障等方面都有重要應(yīng)用。任意兩點(diǎn)之間有多條路徑，對(duì)于護(hù)理機(jī)器人來(lái)說(shuō)，如何選擇最優(yōu)的路徑以達(dá)到最高效率，這就需要路徑規(guī)劃技術(shù)。

路徑規(guī)劃技術(shù)有局部路徑規(guī)劃和全局路徑規(guī)劃[27]，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)式護(hù)理機(jī)器人上。路徑規(guī)劃技術(shù)能極大地提高機(jī)器人的移動(dòng)效率，尤其在是醫(yī)院﹑養(yǎng)老院等大型護(hù)理場(chǎng)景，機(jī)器人要具有快速處理突發(fā)障礙物的能力。甚至，在多機(jī)器人場(chǎng)景中如何處理路線沖突的情況，如何合理分配路徑資源以保證路徑的安全，需要規(guī)劃策略和優(yōu)化算法等共同發(fā)揮作用。

3 總結(jié)與展望

綜合國(guó)內(nèi)外護(hù)理機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，護(hù)理機(jī)器人技術(shù)在不斷的發(fā)展與精進(jìn)，越來(lái)越貼合日常生活的使用。我國(guó)的護(hù)理機(jī)器人方面，在國(guó)家相關(guān)政策的支持下，也取得了巨大的進(jìn)步。但同時(shí)要注意的是，我國(guó)的一些前沿技術(shù)仍就處在一個(gè)試驗(yàn)階段，從試驗(yàn)轉(zhuǎn)化成實(shí)用的產(chǎn)品，還有很長(zhǎng)的路要走，護(hù)理機(jī)器人的發(fā)展有以下四個(gè)方向。

(1)人工智能 護(hù)理機(jī)器人不僅僅只是充當(dāng)搬運(yùn)的工具，它還應(yīng)融入人工智能技術(shù)，朝著智能化的方向發(fā)展，能靈活地接受用戶指令，能有效地融入用戶的生活。

(2)遠(yuǎn)程監(jiān)控 遠(yuǎn)程技術(shù)是未來(lái)醫(yī)療領(lǐng)域極其重要的實(shí)施手段之一，對(duì)于護(hù)理也是一樣。如今的護(hù)理更偏向社區(qū)化﹑家庭化，如果能通過(guò)遠(yuǎn)程技術(shù)，實(shí)時(shí)近距離進(jìn)行護(hù)理，將提高醫(yī)院乃至護(hù)理機(jī)構(gòu)的護(hù)理效率。

(3)模塊自由組合 目前的護(hù)理機(jī)器人，功能繁多，成本高昂。但從實(shí)際使用情況來(lái)看，大部分人只需要其中的一部分功能，卻要承受其它功能部件帶來(lái)的高額費(fèi)用。因此，護(hù)理機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)，能很大程度上降低使用成本，也避免閑置浪費(fèi)。

(4)人性化設(shè)計(jì) 如今的設(shè)計(jì)理念都遵循以人為中心，未來(lái)的護(hù)理更是倡導(dǎo)關(guān)注患者的個(gè)人需求﹑隱私和尊嚴(yán)等因素，因此護(hù)理機(jī)器人這一類與人密接觸的機(jī)器，更需要結(jié)合人因工程學(xué)，進(jìn)行合理的﹑人性化的設(shè)計(jì)。

綜上，護(hù)理機(jī)器人有巨大的發(fā)展?jié)摿?，隨著護(hù)理機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，廣大學(xué)者的深入研究，必定會(huì)開發(fā)出令患者受用的產(chǎn)品，使護(hù)理機(jī)器人成為患者生活中的得力幫手。