一種醫(yī)用雙向轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

顧綺芳

（無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫，214000）

0 引言

隨著我國(guó)人口老齡化程度日益加深，失能、半失能臥床老人或者患者越來(lái)越多，一方面臥病在床的患者，日常活動(dòng)不能自立，生活質(zhì)量明顯下降；另一方面對(duì)于一個(gè)普通家庭在照顧患者上無(wú)論是時(shí)間還是精力上都是很大的負(fù)擔(dān)，所以需要一種能夠替代人的護(hù)理機(jī)器人讓醫(yī)務(wù)工作者或者患者子女解放出來(lái)。目前，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)在老人陪護(hù)、康復(fù)訓(xùn)練、手術(shù)等醫(yī)療器械領(lǐng)域使用越來(lái)越多，但對(duì)于臥床患者或術(shù)后病人的轉(zhuǎn)運(yùn)問(wèn)題，仍然以原始的抬、抱、背等方式為主，極易改變病人的體姿，對(duì)病人造成二次傷害，也增加了護(hù)理人員的身心負(fù)擔(dān)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款雙向轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人：首先根據(jù)人體生理結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的人體受力情況，基于力學(xué)分析結(jié)果，確定機(jī)器人結(jié)構(gòu)的尺寸，然后分析機(jī)器人的運(yùn)行原理，最后確定適配的電機(jī)和減速器，并得到機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)。

1 人機(jī)工程學(xué)理論

人機(jī)工程學(xué)是關(guān)于人、機(jī)、環(huán)境三者相互關(guān)聯(lián)的學(xué)科，可以用于滿足機(jī)械設(shè)計(jì)中最大程度的符合人的生理和心理等諸多需求，從而保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人性化。人機(jī)工程學(xué)涉及多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，著重研究人和機(jī)器的相互關(guān)系，從而提高人機(jī)整體的工作能力[1]。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的雙向轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人來(lái)說(shuō)，由于使用環(huán)境以及作用人群的復(fù)雜性，需要綜合考慮到各種條件的約束。因此，需要基于人機(jī)工程學(xué)從以下三個(gè)方面進(jìn)行考慮：安全性 、舒適性、穩(wěn)定性。

2 人體生理結(jié)構(gòu)分析

由于雙向轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人需要適用于絕大部分的病人，但是病人的生理狀態(tài)又存在一定的差異，例如性別、體型、體重等。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，并參考中國(guó)成年人體數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，對(duì)人體特征進(jìn)行數(shù)量分析和描述[3]。最終本研究確定護(hù)理機(jī)器人整體長(zhǎng)度尺寸為1810mm，寬度為640mm。

2.1 人體受力分析

在病人轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，病人始終是和護(hù)理機(jī)器人的上層模塊接觸，此時(shí)病人身體的重心會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)身體表層會(huì)受到設(shè)備的擠壓產(chǎn)生變形，使病人產(chǎn)生不適，甚至疼痛。為了降低這種不適感，本研究將上層模塊的插入端設(shè)計(jì)成為楔形，插入過(guò)程中的人體受力如圖1 所示。

當(dāng)上層模塊插入端與病人身體接觸時(shí)，由于滑動(dòng)摩擦力 的存在，病人與護(hù)理機(jī)器人接觸點(diǎn)的位置不發(fā)生改變，但皮下軟組織在自身重力的影響下，相對(duì)于接觸點(diǎn)產(chǎn)生向下的運(yùn)動(dòng)，因此病人會(huì)感到不適。接觸面上的受力分析如式（1）所示。

在護(hù)理機(jī)器人對(duì)病人進(jìn)行抬升的過(guò)程中，機(jī)器人自身的厚度會(huì)導(dǎo)致病人的重心發(fā)生改變，同時(shí)病人皮膚會(huì)和機(jī)器人接觸產(chǎn)生變形，讓病人產(chǎn)生不適感。由式（1）可知，病人在上層模塊的插入端插入身體下方時(shí)的摩擦力與插入角 成正比關(guān)系。因此，只需要減小插入端的插入角 ，便可以減小因摩擦產(chǎn)生的變形，從而減輕病人的痛苦。但又考慮到需要滿足護(hù)理機(jī)器人的強(qiáng)度需求，因此將插入端的插入角 初定為17°。同時(shí)，由于上層模塊是通過(guò)上層傳動(dòng)帶和病人直接接觸，則傳送帶提供的驅(qū)動(dòng)力可以抵消掉插入角減小后病人與設(shè)備之間的滑動(dòng)摩擦力。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)

護(hù)理機(jī)器人的功能主要是將病人進(jìn)行平穩(wěn)、無(wú)痛轉(zhuǎn)運(yùn)。在轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中，病人一般是平躺在機(jī)器人上，機(jī)器人載人沿水平面移動(dòng)，完成載人轉(zhuǎn)運(yùn)。人體處于仰臥狀態(tài)時(shí)，頭部、胸部、臀部和腿部會(huì)承受身體絕大部分的重量，同樣與機(jī)器人的上表面接觸點(diǎn)受力最大。因此，在護(hù)理機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，需要考慮到不同位置的重量不同，尤其是胸部和腿，這會(huì)對(duì)機(jī)器人運(yùn)行速度產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而使病人的體姿發(fā)生改變。而剛經(jīng)過(guò)手術(shù)的病人，身體機(jī)能還未完全恢復(fù)，此時(shí)病人的體姿若發(fā)生改變則有可能導(dǎo)致休克，甚至是停止呼吸。

因此基于模塊化思想，本文設(shè)計(jì)時(shí)將護(hù)理機(jī)器人的工作端分為上下兩層，上層工作端叫做上層轉(zhuǎn)運(yùn)模塊，主要是用于對(duì)病人進(jìn)行垂直方向的抬升和放置；下層工作端叫做下層行走模塊，主要是用于對(duì)病人進(jìn)行水平方向的移動(dòng)。上層轉(zhuǎn)運(yùn)模塊分為6 個(gè)部分，并通過(guò)一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)3 個(gè)部分，中間4 個(gè)部分對(duì)應(yīng)著人體的軀干，兩端的部分對(duì)應(yīng)人體的頭部和腳部。其中對(duì)應(yīng)軀干的4 個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)模塊，每部分長(zhǎng)度均為340mm，兩端模塊長(zhǎng)度為225mm。

如圖2 所示，當(dāng)人體正常平躺時(shí)，由于頸椎本身具有一個(gè)弧度，直接躺下會(huì)產(chǎn)生不舒服的感覺(jué)，因此需要在頭部放置一個(gè)枕頭或者其他物品，將頭部抬高。對(duì)此，本文基于人體本身的生理特性，再結(jié)合電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、電源等硬件設(shè)施自身的厚度，將硬件設(shè)施置于護(hù)理機(jī)器人的兩側(cè)，使兩端的厚度為55mm，中間軀干處的厚度為35mm。這既滿足了人體頸椎的生理構(gòu)造，又可以將機(jī)器人中間的厚度降低，減少插入病人身體時(shí)的不適感。

3 護(hù)理機(jī)器人運(yùn)行原理

護(hù)理機(jī)器人在整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中僅需要1 名護(hù)理人員協(xié)助，即可完成病人在病床與擔(dān)架車(chē)之間的往返轉(zhuǎn)運(yùn)，并且保證病人在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的體姿不發(fā)生改變，避免了病人產(chǎn)生不舒適的感覺(jué)，同時(shí)也避免了對(duì)病人的二次傷害。整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程分3 個(gè)步驟：第一步是抬升病人，將病人平穩(wěn)地放在護(hù)理機(jī)器人上面；第二步是搬移病人，將護(hù)理機(jī)器人及上面病人移動(dòng)到擔(dān)架車(chē)上；第三步是放置病人，通過(guò)護(hù)理機(jī)器人的移動(dòng)，將病人安全、舒適地放置在擔(dān)架車(chē)上。每個(gè)步驟都通過(guò)上下模塊電機(jī)配合驅(qū)動(dòng)完成，其中上模塊通過(guò)上層傳送帶與人體產(chǎn)生的靜摩擦力進(jìn)行人體的移動(dòng)，下模塊通過(guò)下層同步帶與床面產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行整個(gè)設(shè)備的移動(dòng)。

圖3 所示為護(hù)理機(jī)器人進(jìn)行病人抬升的過(guò)程。首先是機(jī)器人向病人靠近，此時(shí)下模塊電機(jī)帶動(dòng)同步帶進(jìn)行順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，上模塊電機(jī)保持不動(dòng)，機(jī)器人整體向右側(cè)移動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人緊靠病人時(shí)，此時(shí)上模塊電機(jī)帶動(dòng)傳送帶進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)整上下兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速配比，保證在整個(gè)抬升病人的過(guò)程中人體的體姿不發(fā)生改變。

護(hù)理機(jī)器人搬移病人過(guò)程如圖4 所示。此時(shí)病人完全處于機(jī)器人上面，上模塊電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，只有下模塊電機(jī)帶動(dòng)同步帶進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人整體向左運(yùn)動(dòng)，直到到達(dá)擔(dān)架車(chē)上停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖5 所示，當(dāng)病人到達(dá)擔(dān)架車(chē)上時(shí)，護(hù)理機(jī)器人開(kāi)始進(jìn)行放置病人的過(guò)程。此時(shí)上模塊開(kāi)始工作，帶動(dòng)上層傳送帶進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)下模塊電機(jī)帶動(dòng)同步帶進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，設(shè)備整體向右移動(dòng)，病人平穩(wěn)、舒適地到達(dá)擔(dān)架車(chē)上，完成了整個(gè)的安全轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。

護(hù)理機(jī)器人完成上述過(guò)程需要具備以下要求：

1）護(hù)理機(jī)器人的上下層電機(jī)可以同時(shí)、同速度地轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以進(jìn)行不同速度的設(shè)定，保證電機(jī)速度比，從而保證上下層傳送帶速度的一致，確保病人轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程的順利進(jìn)行；

2）護(hù)理機(jī)器人的下層電機(jī)可以單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)，確保設(shè)備移動(dòng)過(guò)程中病人不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。

4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取

為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)，護(hù)理機(jī)器人選取電氣驅(qū)動(dòng)作為設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方式，因此，選取合適的電機(jī)極為重要，同時(shí)考慮到護(hù)理機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的同步控制以及快速的響應(yīng)，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，筆者最終選擇了北京博創(chuàng)集團(tuán)的直流伺服電機(jī)，型號(hào)為36SYK62，其具體參數(shù)如表1 所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

5 電源的選取

為了節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，考慮人體安全因素，護(hù)理機(jī)器人選用電壓為24V 的鋰電池作為動(dòng)力源，具體參數(shù)如表2所示。

表2 鋰電池規(guī)格參數(shù)

6 護(hù)理機(jī)器人參數(shù)

通過(guò)上文的內(nèi)容分析，本文確定了護(hù)理機(jī)器人的總體尺寸以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，如表3 所示。

表3 護(hù)理機(jī)器人參數(shù)

7 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹雙向轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)人體生理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和模塊化思想，確定了護(hù)理機(jī)器人的總體尺寸以及各個(gè)模塊的基本尺寸，分析了護(hù)理機(jī)器人的工作原理及電機(jī)運(yùn)行情況，并進(jìn)行了上層電機(jī)和下層電機(jī)及對(duì)應(yīng)減速器的選型，確定了電源的型號(hào)，得到了護(hù)理機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)，為后續(xù)機(jī)械和電控的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。