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(lái)，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(wú)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(lái)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(pán)、升降機(jī)構(gòu)、無(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)需移動(dòng)身體的情況下，實(shí)現(xiàn)安全、無(wú)痛換乘。全向移動(dòng)底盤(pán)采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的Mecanum輪設(shè)計(jì)，通過(guò)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(pán)

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(pán)的精度及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性:全向移動(dòng)底盤(pán)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(lái)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(guò)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(guò)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(pán)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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)