一種傷員換乘轉(zhuǎn)運機器人的設(shè)計研究.pdf

1、長期以來，戰(zhàn)爭、大規(guī)模突發(fā)事件造成的重傷員，以及住院重病患者，特別是脊柱脊髓損傷等危重傷員的檢查、挪動、轉(zhuǎn)床、手術(shù)前后的接送是一個非常危險的工作，用力不慎或配合不當，會造成傷員的二次損傷，重者截癱，甚至威脅生命。本文設(shè)計和研制了一種適合醫(yī)院狹窄工況工作的傷員換乘轉(zhuǎn)運機器人，全自動化遙控操作，取代醫(yī)護人員的“傷員搬運”工作，實現(xiàn)傷病員無縫連接的救治，為傷病員安全換乘、轉(zhuǎn)運提供一種新的方法，避免醫(yī)護人員因“徒手”操作給傷病員帶來的繼發(fā)性損傷

2、。為戰(zhàn)場、災(zāi)難現(xiàn)場、核生化污染等特殊場合的傷員救治、換乘、轉(zhuǎn)運的新一代智能化、信息化的醫(yī)療衛(wèi)生裝備一救援機器人的研制進行前期預(yù)研和提供技術(shù)儲備。
　　 本文所研制的傷員換乘轉(zhuǎn)運機器人由換乘手臂執(zhí)行機構(gòu)、全方位移動底盤、升降機構(gòu)、無線遙控器以及控制系統(tǒng)五大部分組成。采用理論分析、數(shù)學(xué)建模、軟件仿真和樣機試驗相結(jié)合的方法進行研究。首先分析研究換乘過程中最直接受力作用的人體皮膚及皮下軟組織的生理特性，通過ANSYS有限元軟件構(gòu)建簡化的

3、人體模型，仿真分析換乘過程中人體的總變形及應(yīng)力分布情況，仿真結(jié)果顯示，在換乘手臂與人體接觸前端的應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，主要與換乘手臂傾斜角度的大小及接觸方式有關(guān)；人體底部的變形會向全身擴散，影響其它部位的傷口或手術(shù)刀口等，影響程度主要和人體的絕對位移大小有關(guān)。仿真分析結(jié)果為換乘手臂的機械結(jié)構(gòu)及電控策略的設(shè)計提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。換乘手臂的結(jié)構(gòu)為整體直插式設(shè)計，采用了接觸點相對靜止技術(shù)和傳送帶技術(shù)，傳送帶在換乘手臂與人體之間形成隔離層，其運

4、動方向與換乘手臂運動方向相反，速度大小相同，通過傳送帶的自運動消除換乘手臂的相對運動，上層帶和傷病員相對于換乘手臂的相對運動速度相同，上層帶和傷病員保持靜止狀態(tài)，不受滑動摩擦力作用，使傷員在無需移動身體的情況下，實現(xiàn)安全、無痛換乘。全向移動底盤采用四輪獨立驅(qū)動的Mecanum輪設(shè)計，通過四個輪子轉(zhuǎn)向及速度大小的合成實現(xiàn)前進、后退、橫移及繞自身旋轉(zhuǎn)的平面全部三自由度的移動，使機器人具有高機動性、靈活性及精確定位功能。換乘手臂及全向移動底盤

5、的電控策略采用選擇器—觀測器—自組織模糊控制器相結(jié)合的架構(gòu)設(shè)計，選擇器能根據(jù)不同的運行工況加載對應(yīng)的控制參數(shù)及變量:觀測器在換乘手臂中的應(yīng)用能很好的估測出人體的絕對位移偏差，將人體變形控制在生理范圍內(nèi)，避免引起傷員的不適:自組織模糊控制器能不斷的自我學(xué)習(xí)，完善系統(tǒng)性能，使得電機具有良好的跟隨特性，隨基準電機變動，抑制系統(tǒng)的超調(diào)，減小調(diào)整時間，提高換乘手臂、全向移動底盤的精度及動態(tài)穩(wěn)定性:全向移動底盤采用非均勻的等級調(diào)速和對操縱手柄信號采

6、用A/D可編程監(jiān)控中斷，有效提高了低速運動精度及消除了高速運動時操縱手柄帶來的人為抖動干擾。為了適合機器人與病床、手術(shù)臺等之間的精確定位，系統(tǒng)設(shè)計了點動運行程序，使得機器人的控制更加簡單和人性化。
　　 在理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)之上，設(shè)計機器人的機械結(jié)構(gòu)及布局電控系統(tǒng)，通過SolidWorks三維設(shè)計軟件輔助完成傷員換乘轉(zhuǎn)運機器人的所有零部件的三維立體圖及工程圖紙的繪制，將零部件裝配成機器人裝配體，并通過軟件內(nèi)置模塊進行重量計算

7、、碰撞測試、干涉檢查、單個零部件的受力分析及小型裝配體的運動模擬。計算驅(qū)動電機的功率、傳送帶尺寸及預(yù)緊彈簧的彈力等，選擇元件型號，實現(xiàn)機器人的設(shè)計原理，達到機器人的設(shè)計指標和功能。軟件設(shè)計遵循軟件設(shè)計規(guī)范，突出了實用性及針對性，不僅要實現(xiàn)機器人的功能及提高運行精度，還要考慮到程序的可測試性、可擴展性、易維護性，注重系統(tǒng)的安全性及可靠性設(shè)計，加強系統(tǒng)沖突及故障的監(jiān)控和處理能力。
　　 系統(tǒng)實驗主要依照裝機前軟硬件聯(lián)機調(diào)試、分體功能

8、實驗、人體模型實驗、人體實驗及實驗評價這種遞進方式進行。軟硬件聯(lián)機調(diào)試主要是在裝機實驗前解決可能存在的硬件故障或軟件沖突:分體實驗主要是驗證機器人換乘手臂、升降機構(gòu)及全向移動底盤各部分的工作原理、數(shù)學(xué)模型及控制策略的可行性；人體模型實驗主要驗證機器人的整機性能、安全性和可靠性；人體實驗選擇不同體重、不同年齡、不同性別的受試者，他們來自于長期從事臨床手術(shù)的骨科醫(yī)生、婦產(chǎn)科醫(yī)生、護士及從事衛(wèi)生裝備研究的科研人員等，通過對100人次人體實驗前

9、后的“信任度”、“舒適度”及“心理感受”的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實驗前，受試者對于換乘轉(zhuǎn)運機器人表現(xiàn)出一種程度不一的心理緊張情緒或懷疑態(tài)度，通過親身體驗后，大部分受試者消除了這些顧慮，并肯定了傷員換乘轉(zhuǎn)運機器人的換乘和轉(zhuǎn)運功能，具有一定的實用性。
　　 創(chuàng)新點:(1)采用Mecanum輪全向行走系統(tǒng)和整體直插式換乘手臂研制成功了傷員換乘轉(zhuǎn)運機器人，具有高機動性、靈活性及精確定位功能:(2)通過有限元軟件構(gòu)建了人體模型，初步仿真分析了換乘轉(zhuǎn)運