顾绮芳
（无锡城市职业技术学院，江苏无锡，214000）
随着我国人口老龄化程度日益加深，失能、半失能卧床老人或者患者越来越多，一方面卧病在床的患者，日常活动不能自立，生活质量明显下降；
另一方面对于一个普通家庭在照顾患者上无论是时间还是精力上都是很大的负担，所以需要一种能够替代人的护理机器人让医务工作者或者患者子女解放出来。目前，我国机器人技术在老人陪护、康复训练、手术等医疗器械领域使用越来越多，但对于卧床患者或术后病人的转运问题，仍然以原始的抬、抱、背等方式为主，极易改变病人的体姿，对病人造成二次伤害，也增加了护理人员的身心负担。
针对上述问题，本文设计了一款双向转运护理机器人：首先根据人体生理结构和转运过程中的人体受力情况，基于力学分析结果，确定机器人结构的尺寸，然后分析机器人的运行原理，最后确定适配的电机和减速器，并得到机器人的技术参数。
人机工程学是关于人、机、环境三者相互关联的学科，可以用于满足机械设计中最大程度的符合人的生理和心理等诸多需求，从而保证产品设计的人性化。人机工程学涉及多个领域的知识，着重研究人和机器的相互关系，从而提高人机整体的工作能力[1]。对于本文设计的双向转运护理机器人来说，由于使用环境以及作用人群的复杂性，需要综合考虑到各种条件的约束。因此，需要基于人机工程学从以下三个方面进行考虑：安全性 、舒适性、稳定性。
由于双向转运护理机器人需要适用于绝大部分的病人，但是病人的生理状态又存在一定的差异，例如性别、体型、体重等。因此，在设计过程中，需要运用统计学的方法，并参考中国成年人体数据标准[2]，对人体特征进行数量分析和描述[3]。最终本研究确定护理机器人整体长度尺寸为1810mm，宽度为640mm。
2.1 人体受力分析
在病人转运过程中，病人始终是和护理机器人的上层模块接触，此时病人身体的重心会发生改变，同时身体表层会受到设备的挤压产生变形，使病人产生不适，甚至疼痛。为了降低这种不适感，本研究将上层模块的插入端设计成为楔形，插入过程中的人体受力如图1 所示。
当上层模块插入端与病人身体接触时，由于滑动摩擦力 的存在，病人与护理机器人接触点的位置不发生改变，但皮下软组织在自身重力的影响下，相对于接触点产生向下的运动，因此病人会感到不适。接触面上的受力分析如式（1）所示。
在护理机器人对病人进行抬升的过程中，机器人自身的厚度会导致病人的重心发生改变，同时病人皮肤会和机器人接触产生变形，让病人产生不适感。由式（1）可知，病人在上层模块的插入端插入身体下方时的摩擦力与插入角 成正比关系。因此，只需要减小插入端的插入角 ，便可以减小因摩擦产生的变形，从而减轻病人的痛苦。但又考虑到需要满足护理机器人的强度需求，因此将插入端的插入角 初定为17°。同时，由于上层模块是通过上层传动带和病人直接接触，则传送带提供的驱动力可以抵消掉插入角减小后病人与设备之间的滑动摩擦力。
2.2 模块化设计
护理机器人的功能主要是将病人进行平稳、无痛转运。在转运的过程中，病人一般是平躺在机器人上，机器人载人沿水平面移动，完成载人转运。人体处于仰卧状态时，头部、胸部、臀部和腿部会承受身体绝大部分的重量，同样与机器人的上表面接触点受力最大。因此，在护理机器人的设计中，需要考虑到不同位置的重量不同，尤其是胸部和腿，这会对机器人运行速度产生一定的影响，进而使病人的体姿发生改变。而刚经过手术的病人，身体机能还未完全恢复，此时病人的体姿若发生改变则有可能导致休克，甚至是停止呼吸。
因此基于模块化思想，本文设计时将护理机器人的工作端分为上下两层，上层工作端叫做上层转运模块，主要是用于对病人进行垂直方向的抬升和放置；
下层工作端叫做下层行走模块，主要是用于对病人进行水平方向的移动。上层转运模块分为6 个部分，并通过一个电机带动3 个部分，中间4 个部分对应着人体的躯干，两端的部分对应人体的头部和脚部。其中对应躯干的4 个转运模块，每部分长度均为340mm，两端模块长度为225mm。
如图2 所示，当人体正常平躺时，由于颈椎本身具有一个弧度，直接躺下会产生不舒服的感觉，因此需要在头部放置一个枕头或者其他物品，将头部抬高。对此，本文基于人体本身的生理特性，再结合电机、驱动器、控制器、电源等硬件设施自身的厚度，将硬件设施置于护理机器人的两侧，使两端的厚度为55mm，中间躯干处的厚度为35mm。这既满足了人体颈椎的生理构造，又可以将机器人中间的厚度降低，减少插入病人身体时的不适感。
护理机器人在整个转运过程中仅需要1 名护理人员协助，即可完成病人在病床与担架车之间的往返转运，并且保证病人在转运过程中的体姿不发生改变，避免了病人产生不舒适的感觉，同时也避免了对病人的二次伤害。整个转运过程分3 个步骤：第一步是抬升病人，将病人平稳地放在护理机器人上面；
第二步是搬移病人，将护理机器人及上面病人移动到担架车上；
第三步是放置病人，通过护理机器人的移动，将病人安全、舒适地放置在担架车上。每个步骤都通过上下模块电机配合驱动完成，其中上模块通过上层传送带与人体产生的静摩擦力进行人体的移动，下模块通过下层同步带与床面产生的摩擦力进行整个设备的移动。
图3 所示为护理机器人进行病人抬升的过程。首先是机器人向病人靠近，此时下模块电机带动同步带进行顺时针转动，上模块电机保持不动，机器人整体向右侧移动。当机器人紧靠病人时，此时上模块电机带动传送带进行逆时针转动，通过调整上下两个电机的转速配比，保证在整个抬升病人的过程中人体的体姿不发生改变。
护理机器人搬移病人过程如图4 所示。此时病人完全处于机器人上面，上模块电机停止转动，只有下模块电机带动同步带进行逆时针转动，机器人整体向左运动，直到到达担架车上停止转动。
如图5 所示，当病人到达担架车上时，护理机器人开始进行放置病人的过程。此时上模块开始工作，带动上层传送带进行逆时针旋转，同时下模块电机带动同步带进行顺时针旋转，设备整体向右移动，病人平稳、舒适地到达担架车上，完成了整个的安全转运过程。
护理机器人完成上述过程需要具备以下要求：
1）护理机器人的上下层电机可以同时、同速度地转动，根据机械结构的设计可以进行不同速度的设定，保证电机速度比，从而保证上下层传送带速度的一致，确保病人转运过程的顺利进行；
2）护理机器人的下层电机可以单独转动，确保设备移动过程中病人不会发生移动。
为了实现精准转动，护理机器人选取电气驱动作为设备的驱动方式，因此，选取合适的电机极为重要，同时考虑到护理机器人需要实现对电机的同步控制以及快速的响应，通过数学计算，笔者最终选择了北京博创集团的直流伺服电机，型号为36SYK62，其具体参数如表1 所示。
表1 电机参数
为了节省结构空间，考虑人体安全因素，护理机器人选用电压为24V 的锂电池作为动力源，具体参数如表2所示。
表2 锂电池规格参数
通过上文的内容分析，本文确定了护理机器人的总体尺寸以及电机驱动方式等关键技术指标，如表3 所示。
表3 护理机器人参数
本文主要介绍双向转运护理机器人的整体设计方案，根据人体生理结构的特点和模块化思想，确定了护理机器人的总体尺寸以及各个模块的基本尺寸，分析了护理机器人的工作原理及电机运行情况，并进行了上层电机和下层电机及对应减速器的选型，确定了电源的型号，得到了护理机器人的技术参数，为后续机械和电控的设计奠定了基础。
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