基于參數化與3D打印的智能陪護機器人設計

焦 潔

(武漢華夏理工學院 藝術設計學院，湖北 武漢 430060)

目前我國正面臨著人口老齡化帶來的種種社會問題，其中最為突出的是養(yǎng)老和醫(yī)療保障問題，有關住院患者的陪護管理問題還有待進一步完善[1]。各大醫(yī)院普遍存在醫(yī)護人員配置不足的問題。我國病情嚴重的患者在住院期間普遍需要家屬陪護或者雇傭護工，患者對陪護的現實需要和醫(yī)護人員配置不足形成了矛盾。因此，衍生出了“機器助人”的需求。

1 智能陪護機器人的設計目標與功能

國內大部分病房沒有配備系統(tǒng)的智能陪護設備，陪護設備缺少規(guī)范化管理，醫(yī)院病區(qū)存在探視人員、陪護人員過多的情況。在醫(yī)療陪護管理中存在的主要問題包括：①醫(yī)患間的溝通交流有待加強；②普通病房患者的陪護管理工作需要更加智能化、更加系統(tǒng)規(guī)范。基于此智能陪護機器人的目標要求如下：①加強醫(yī)患間的信息溝通交流，讓醫(yī)護人員實時遠程了解住院患者的各項監(jiān)測數據，根據不同住院患者的具體情況，醫(yī)護人員可以將患者需要了解的病情發(fā)展、治療注意事項等信息通過智能陪護機器人讓患者了解；②讓住院患者的飲食起居更加方便安全；③提高醫(yī)護人員、陪護人員的工作效率，減輕工作負擔。

機器人使用于住院病房內，主要活動于患者床周。使用人群包括醫(yī)院工作的醫(yī)護人員、住院患者和陪護人員。機器形態(tài)以直線為主結合輪式移動有利于清潔消毒以及移動。機器人的色彩定位為中性顏色作為主色調，顏色種類簡單，使產品可以融入大部分醫(yī)院環(huán)境的設計之中[2-3]。

智能陪護機器人要具備6大功能：①智能監(jiān)測功能是指可以通過外掛設備監(jiān)測患者血壓、血氧飽和度、心電、呼吸、輸液、體溫6項數據[4]。②醫(yī)患信息共享功能是將監(jiān)測到的患者信息通過無線網絡傳輸到醫(yī)護人員設備端，醫(yī)護人員根據不同患者的情況需求將病情發(fā)展、治療注意事項、治療方案利用無線網絡傳輸顯示在智能陪護機器人的顯示屏上讓患者查看。③床旁提醒功能是指智能陪護機器人可以提醒患者服藥、提醒患者做檢查的項目與時間、對于有要求控制睡眠時間的患者設置鬧鈴提醒、輸液結束時會發(fā)聲提醒。④提供共享陪護床供陪護人員休息使用。⑤機器人可以攙扶患者行走和起立。⑥對于需要進行飲食控制的患者，機器人可以稱重。

2 智能陪護機器人方案設計

智能陪護類機器人主要由三大組成部分，每個組成部分包含兩個子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 智能陪護機器人的基本組成

機械系統(tǒng)包括智能陪護機器人的機身、行走機構、手腕、手臂等部件[5-6]，機械系統(tǒng)的基本部件都是可以活動的。部件組合在一起可以進行多角度自由活動。傳動機構和驅動器都屬于驅動系統(tǒng)，在機器人的系統(tǒng)設計中與執(zhí)行機構相連，機器人驅動系統(tǒng)所發(fā)揮的作用和人體的肌肉作用相似。機器人中的人機交互系統(tǒng)是使用者與機器人之間進行聯(lián)系的裝置，當使用者想操控機器人時可以通過人機交互系統(tǒng)實現?？刂葡到y(tǒng)是通過作業(yè)指令及反饋信息支配執(zhí)行機構完成規(guī)定動作的處理單元。傳感器屬于感知系統(tǒng)，機器人上安裝的傳感器需要把采集的信息傳輸給控制部分。如果要完成智能陪護機器人與其他設備的聯(lián)系、協(xié)調，就要通過機器人的人機交互系統(tǒng)才能實現。智能機器人就是通過這些子系統(tǒng)的運作完成各類服務功能的。

3 智能陪護機器人的參數化設計

3.1 參數化設計流程規(guī)劃

參數化產品的設計與常規(guī)產品設計的過程有所區(qū)別，其過程注重邏輯推導。設計者根據構思目標，確定相關影響因素并將因素進行轉化，設定出確定變量。產品投入使用的病房可活動范圍與病床高度、床間距是智能陪護機器人的主要影響因素，因此將智能陪護機器人的臺面高度、陪護床長度、整機寬度和厚度的數據編輯設為變量。利用算法構建參數關系并生成設計原型[7]，修改關鍵關聯(lián)變量，對造型進行約束的同時生成大量系列方案，評估后確定最佳形態(tài)，其執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 參數化產品設計流程

3.2 機器人關鍵參數確定

參數化設計可以通過計算機生成規(guī)范的三維模型，并且可以在已經搭建好的數據中改變參數，得出適合于不同需求的不同規(guī)格模型。尤其對于有數控加工要求的產品，可以提高模型生成效率，減少設計師不斷重復修改模型外觀的時間，將時間投入到技術研發(fā)、交互信息、運動結構等方面的研究。參數化設計利用程序化的參數對產品的造型進行約束后就可以根據需求生成不同外殼和零件，從而加快更新速度也更好地適應陪護機器人的多樣化要求。針對不同病房環(huán)境的空間尺寸和不同陪護人員的需求，可以利用變量驅動各個部件的尺寸。由于不同病房的病床高度、床間距和可活動范圍都有所不同，因此智能陪護機器人的臺面高度和整機寬度需要根據不同的空間進行調整，以保證機器人在病房內的活動空間和使用人員的使用感，陪護機器人外形的長寬高可以通過參數化設計，設置為可調節(jié)的變量，以適應不同病房的空間要求。

國內病房中病床的床間距與陪護床所需最小寬度，是設置機器人外形尺寸的重要依據。國內使用率最高的多為兩人病房與3人病房，經過調研武漢市5家醫(yī)院的兩人病房與三人病房的空間尺寸，病床間的間距在80～100 cm之間；根據《中國成年人人體尺寸》中統(tǒng)計的我國成年人身高、最大肩寬，陪護床的最小寬度須達到50 cm。因此，使用參數化設計平臺對智能陪護機器人的外形尺寸范圍進行初步設定，將X1、X2、X3設置為變量，可以根據具體病房空間大小進行一定范圍內的修改，如圖3所示。

圖3 智能陪護機器外觀設計中的變量數值

根據調研所得的機器人外形尺寸依據，在參數化建模平臺中將機器人外形寬度X1、厚度X2、臺面高度X3作為參數化模型中的變量數值，X1、X2、X3的變化范圍分別為60 cm≤X1≤100 cm、65 cm≤X2≤80 cm、80 cm≤X3≤100 cm，如圖4所示。在參數化建模平臺中在給定范圍調整各項變量數值，即可根據不同病房的空間尺寸，生成出更為人性化的機器尺寸。

圖4 參數化模型中的變量數值范圍

3.3 參數化邏輯建立與優(yōu)化

使用“Rhino+Grasshopper”組成的參數化設計平臺[8]，進行智能陪護機器人的參數化設計。Grasshopper插件是在Rhino環(huán)境下運行并采用程序算法生成模型，數據結構為樹狀數據，將指定命令輸入到“電池”狀的運算器中就可以生成出數據，再連接到下一個“電池”運算器中環(huán)環(huán)迭代，計算機生成出最終模型形態(tài)，并且輸出的結果模型具有一定的可調性?；趯χ悄芘阕o機器人外觀尺寸設置的變量數值X1、X2、X3的變化范圍，進行進一步的模型優(yōu)化，完成智能陪護機器人的參數化建模，其效果圖如圖5所示。

圖5 智能陪護機器人模型效果圖

4 智能陪護機器人的3D打印

4.1 3D打印材料選擇

PLA塑料是使用可再生的植物資源所提取的淀粉原料制成。由于人們對生活品質和健康的追求，以及市場對塑料的安全、環(huán)保要求的提高，人們將PLA材料作為生產產品的選擇之一。與同等數量的石油基聚合物相比，PLA 材料的生產過程最高能減少70%以上的二氧化碳排放。廚房、餐廳中的許多產品可以使用PLA塑料制作。

光敏樹脂也是3D打印的可用材料，其中硬性樹脂材質有更強硬、耐用的特性[9-10]。光硬化樹脂一般采用光聚合成型打印機打印。柔性樹脂的性能表現為中硬度、耐磨、可反復拉伸，被用作鉸鏈和摩擦裝置較多。彈性樹脂在高強度擠壓和反復拉伸下表現出優(yōu)秀的彈性。

3D打印金屬材料的狀態(tài)常為粉末狀、絲狀等，如金屬粉末、金屬絲以及金屬箔等。材料種類包括鈦合金、鋁合金、鋼鐵材料等。使用較多的金屬材料有316L不銹鋼、AlSi10Mg鋁合金材料、Ti6Al4V鈦合金材料。金屬類材料的打印成本較高。

根據3D打印材料的性能以及本文智能陪護機器人的打印要求選擇光敏樹脂作為打印材料。

4.2 3D打印工藝的選擇

3D打印的過程總的來說分為三步，首先進行三維模型設計，然后打印機進行切片處理，最后完成打印。切片處理時打印機需要讀取三維模型的橫截面信息，然后將模型進行逐層分割并打印，利用各種方式將每個截面間粘合起來，就可以形成實體模型。由于3D打印可以采用的材料多種多樣，因此3D打印的工藝技術也有多種類型。使用較多的包括熔融沉積成型、選擇性激光燒結成型、光固化3D打印成型等。

熔融沉積成型是制作3D打印產品模型較多的工藝，將一些絲狀材料，如蠟、ABS、尼龍等材料加熱熔化后成形的方法。此類工藝的原理是由計算機控制，噴頭進行運動，絲材被加熱到融化后從噴頭擠出，如圖6所示。現今的新型設備增設了雙噴頭，其中一個用于沉積模型材料，另一個用于沉積支撐材料。這種方法有效的加快了制作效率。熔融沉積成型工藝的特點在于打印速度快，并且由于沒有化學反應出現在模型打印的過程中，因此成型的模型變形率小。但熔融沉積成型工藝打印出的物品表面較為粗糙，需要進行拋光處理。

圖6 熔融沉積成型工藝

選擇性激光燒結工藝的原材料為各類粉末材料，設備是利用激光分層燒結原材料固體粉末，工作臺在一層截面燒結完成以后會下降一部分，然后由輔料棍疊加粉末后繼續(xù)燒結。層層疊加形成堅固的材料。工藝操作流程涉及軟件建模、數據處理、鋪粉、燒結和加工等。選擇性激光燒結工藝制作的模型表面有分層狀感覺，后期需要進行打磨處理，并不適合生產尺寸過大的產品模型。

光固化成型技術使用的材料是液態(tài)的光敏樹脂，機器對材料照射一定波長和強度的紫外光，使材料由點到線,由線到面凝固，然后逐層疊加后形成模型整體。該工藝的優(yōu)勢在于穩(wěn)定性與效率高，成型的模型表面較為光滑，對于本身結構復雜的模型也可以進行打印。缺點在于使用的原材料價格和機器的維護較為昂貴，以及最終成型模型的強度有限，當模型承受重量過大時會出現一定程度的變形。形體較小并且結構精致的模型可以采用光固化成型技術，但大型模型并不適合采用光固化成型技術。

4.3 智能陪護機器人的3D打印實踐

通過在Grasshopper軟件中的數據邏輯構建與計算機運算，驗證參數化建模的智能陪護機器人方案具有一定的可行性。根據前期對3D打印不同工藝特點的調查分析，選擇熔融沉積成型工藝進行打印加工，在完成模型造型打印的同時使模型也具有一定的承壓能力，但打印出的模型表面仍需要進行打磨處理。將三維模型導出STL文件格式后進行打印實驗。參數化智能陪護機器人的模型打印效果如圖7所示。陪護床結構為8折，達到折疊收納要求。機身各個部件的大小比例可行。

圖7 3D打印效果

5 結論

參數化設計提高了設計師在進行方案設計時的工作效率，通過3D 打印模型對設計方案進行驗證，檢測結構模型的可行性。此外，3D打印的材料和工藝還有待進一步的探索，通過對打印技術和材料的探索研究減少制作成本，將會增大參數化設計和3D打印產品的發(fā)展空間。后疫情時代在醫(yī)療領域將會更加注重安全防范，需要繼續(xù)優(yōu)化智能陪護機器人的遠程操控系統(tǒng)，保障衛(wèi)生安全的同時加強醫(yī)患間的交流溝通。