一種傷員換乘轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究.pdf

1、長(zhǎng)期以來，戰(zhàn)爭(zhēng)、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(dòng)、轉(zhuǎn)床、手術(shù)前后的接送是一個(gè)非常危險(xiǎn)的工作，用力不慎或配合不當(dāng)，會(huì)造成傷員的二次損傷，重者截癱，甚至威脅生命。本文設(shè)計(jì)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(yùn)機(jī)器人，全自動(dòng)化遙控操作，取代醫(yī)護(hù)人員的“傷員搬運(yùn)”工作，實(shí)現(xiàn)傷病員無縫連接的救治，為傷病員安全換乘、轉(zhuǎn)運(yùn)提供一種新的方法，避免醫(yī)護(hù)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(chǎng)、災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)、核生化污染等特殊場(chǎng)合的傷員救治、換乘、轉(zhuǎn)運(yùn)的新一代智能化、信息化的醫(yī)療衛(wèi)生裝備一救援機(jī)器人的研制進(jìn)行前期預(yù)研和提供技術(shù)儲(chǔ)備。
　　 本文所研制的傷員換乘轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人由換乘手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)、全方位移動(dòng)底盤、升降機(jī)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(jī)試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)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(jiǎn)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(huì)向全身擴(kuò)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(duì)位移大小有關(guān)。仿真分析結(jié)果為換乘手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電控策略的設(shè)計(jì)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(jì)，采用了接觸點(diǎn)相對(duì)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(yùn)

4、動(dòng)方向與換乘手臂運(yùn)動(dòng)方向相反，速度大小相同，通過傳送帶的自運(yùn)動(dòng)消除換乘手臂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，上層帶和傷病員相對(duì)于換乘手臂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相同，上層帶和傷病員保持靜止?fàn)顟B(tài)，不受滑動(dòng)摩擦力作用，使傷員在無需移動(dòng)身體的情況下，實(shí)現(xiàn)安全、無痛換乘。全向移動(dòng)底盤采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的Mecanum輪設(shè)計(jì)，通過四個(gè)輪子轉(zhuǎn)向及速度大小的合成實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、橫移及繞自身旋轉(zhuǎn)的平面全部三自由度的移動(dòng)，使機(jī)器人具有高機(jī)動(dòng)性、靈活性及精確定位功能。換乘手臂及全向移動(dòng)底盤

5、的電控策略采用選擇器—觀測(cè)器—自組織模糊控制器相結(jié)合的架構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇器能根據(jù)不同的運(yùn)行工況加載對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)及變量:觀測(cè)器在換乘手臂中的應(yīng)用能很好的估測(cè)出人體的絕對(duì)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(jī)具有良好的跟隨特性，隨基準(zhǔn)電機(jī)變動(dòng)，抑制系統(tǒng)的超調(diào)，減小調(diào)整時(shí)間，提高換乘手臂、全向移動(dòng)底盤的精度及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性:全向移動(dòng)底盤采用非均勻的等級(jí)調(diào)速和對(duì)操縱手柄信號(hào)采

6、用A/D可編程監(jiān)控中斷，有效提高了低速運(yùn)動(dòng)精度及消除了高速運(yùn)動(dòng)時(shí)操縱手柄帶來的人為抖動(dòng)干擾。為了適合機(jī)器人與病床、手術(shù)臺(tái)等之間的精確定位，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行程序，使得機(jī)器人的控制更加簡(jiǎn)單和人性化。
　　 在理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及布局電控系統(tǒng)，通過SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件輔助完成傷員換乘轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)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(jī)器人裝配體，并通過軟件內(nèi)置模塊進(jìn)行重量計(jì)算

7、、碰撞測(cè)試、干涉檢查、單個(gè)零部件的受力分析及小型裝配體的運(yùn)動(dòng)模擬。計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率、傳送帶尺寸及預(yù)緊彈簧的彈力等，選擇元件型號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理，達(dá)到機(jī)器人的設(shè)計(jì)指標(biāo)和功能。軟件設(shè)計(jì)遵循軟件設(shè)計(jì)規(guī)范，突出了實(shí)用性及針對(duì)性，不僅要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的功能及提高運(yùn)行精度，還要考慮到程序的可測(cè)試性、可擴(kuò)展性、易維護(hù)性，注重系統(tǒng)的安全性及可靠性設(shè)計(jì)，加強(qiáng)系統(tǒng)沖突及故障的監(jiān)控和處理能力。
　　 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要依照裝機(jī)前軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試、分體功能

8、實(shí)驗(yàn)、人體模型實(shí)驗(yàn)、人體實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)這種遞進(jìn)方式進(jìn)行。軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試主要是在裝機(jī)實(shí)驗(yàn)前解決可能存在的硬件故障或軟件沖突:分體實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證機(jī)器人換乘手臂、升降機(jī)構(gòu)及全向移動(dòng)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(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證機(jī)器人的整機(jī)性能、安全性和可靠性；人體實(shí)驗(yàn)選擇不同體重、不同年齡、不同性別的受試者，他們來自于長(zhǎng)期從事臨床手術(shù)的骨科醫(yī)生、婦產(chǎn)科醫(yī)生、護(hù)士及從事衛(wèi)生裝備研究的科研人員等，通過對(duì)100人次人體實(shí)驗(yàn)前

9、后的“信任度”、“舒適度”及“心理感受”的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)前，受試者對(duì)于換乘轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)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(yàn)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(yùn)機(jī)器人的換乘和轉(zhuǎn)運(yùn)功能，具有一定的實(shí)用性。
　　 創(chuàng)新點(diǎn):(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(yùn)機(jī)器人，具有高機(jī)動(dòng)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(yùn)