護(hù)理機(jī)器人起、坐輔助系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法探討

徐心儀++張春偉

摘 要：現(xiàn)階段我國(guó)人口老齡化發(fā)展迅速，社會(huì)空巢老人不斷增加，如何提升老年群體的生活質(zhì)量成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用已逐漸涉及醫(yī)療、康復(fù)和服務(wù)等領(lǐng)域。本文筆者以解決老年群體或下肢功能障礙患者存在的起立困難，以及難以持續(xù)站立等問題為目的，主要分析人體自然站立的相關(guān)機(jī)體反應(yīng)過程，探討護(hù)理機(jī)器人起、坐輔助系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：護(hù)理；機(jī)器人；起、坐輔助系統(tǒng)；機(jī)械設(shè)計(jì)方法

當(dāng)前，我國(guó)人口老齡化發(fā)展迅速，老年群體所占的比重越來越大。老年群體因其機(jī)體功能衰退，生活自理能力相對(duì)低下，嚴(yán)重影響著老年群體的生活質(zhì)量，而人工護(hù)理不但費(fèi)用高、護(hù)理工作量大、難度高，也存在著較大的局限性，如何提升老年群體的生活質(zhì)量成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。老年群體普遍存在著起立困難和難以持續(xù)站立的問題，因此，護(hù)理機(jī)器人起、坐輔助系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)老年群體、下肢功能障礙患者、下肢殘疾患者等發(fā)揮著不可忽視的重要意義。

一、人體自然站立的相關(guān)機(jī)體反應(yīng)過程分析

人體自然站立的相關(guān)機(jī)體反應(yīng)過程是指人體主要通過下肢力量的方式改變自身重心的一個(gè)由靜止向動(dòng)態(tài)平衡轉(zhuǎn)換的連續(xù)過程，該過程主要包含三個(gè)階段：其一：人體由坐立到向前傾過渡，即站立的準(zhǔn)備階段，該階段人體的重心幾乎未發(fā)生改變；其二：人體膝、髖關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)角度接近峰值，下肢肌肉收縮，臀部離開左立面，即站立過渡階段，該階段人體重心緩慢向上移動(dòng)；其三：人體站立，即站穩(wěn)階段，該階段重心升至最高[1]。由此可見，人體成功自然站立的過程中最主要的機(jī)體反應(yīng)在于膝、髖關(guān)節(jié)的反應(yīng)。

二、護(hù)理機(jī)器人起、坐輔助系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)

護(hù)理機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)理念應(yīng)當(dāng)遵循價(jià)格相對(duì)低下、使用便捷、占用空間位置較小等原則，以符合大多數(shù)人的使用需求，同時(shí)，為了促進(jìn)護(hù)理機(jī)器人的起、坐輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效益最大化發(fā)揮，應(yīng)結(jié)合人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)理論基礎(chǔ)，擴(kuò)展護(hù)理機(jī)器人的實(shí)用功能。根據(jù)《人體結(jié)構(gòu)學(xué)》和相關(guān)醫(yī)學(xué)理論體系表明，人體自然站立的過程中，膝關(guān)節(jié)的主動(dòng)力矩達(dá)到最大值。因此，若人體在自然站立的過程中，膝關(guān)節(jié)的主動(dòng)力矩沒有達(dá)到最大值或主動(dòng)力矩不足，則會(huì)導(dǎo)致人體大腿力量不足。膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)是相互連接的支點(diǎn)，在此過程中，髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)也將受到限制，其運(yùn)動(dòng)角度無法達(dá)到峰值，最終造成起立困難或者無法站立的現(xiàn)象。另外，人體自然站立是重心逐漸上升的過程，適當(dāng)抬高座椅高度，為人體提供上肢支撐物有利于人體的站立[2]。因此，在機(jī)器人起、坐輔助系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使其重心變化的頻率與人體自然站立的重心變化頻率相協(xié)調(diào)，在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)當(dāng)側(cè)重考慮使用的舒適度。同時(shí)，設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)當(dāng)注重輔助增強(qiáng)使用者的膝關(guān)節(jié)的主動(dòng)力矩，為使用者提供上肢使力的支撐物[3]。另外，因不能自然站立的群體患者下肢功能障礙患者能持續(xù)站立的時(shí)間相對(duì)低下，因此，在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)當(dāng)考慮使用者在戰(zhàn)立后減輕其重力對(duì)腿、足的壓力，應(yīng)當(dāng)注重加入具有反饋反應(yīng)的減重裝置，以達(dá)到穩(wěn)住使用者的重心，解決其下肢力量不足的問題，如：在腳踏板位置加入稱重傳感器設(shè)備。因使用者的身高、體型、體重等都存在較大的差別，故在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注重加入自動(dòng)調(diào)節(jié)器，以方便使用者的正常使用。另外，機(jī)器人起、坐輔助系統(tǒng)中的各個(gè)裝置設(shè)置都應(yīng)當(dāng)滿足機(jī)器人設(shè)置的各項(xiàng)相關(guān)要求和總體要求。

三、起、坐輔助的控制系統(tǒng)

機(jī)器人的起、坐輔助的控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)和設(shè)備敲定，應(yīng)當(dāng)全面、綜合考慮使用者在使用的過程中需要輔助機(jī)器人的兩軸來進(jìn)行重心變化的運(yùn)動(dòng)。因此，起、坐輔助的控制系統(tǒng)的上位機(jī)可以選用PC機(jī)，下位機(jī)可選用兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)的控制器，其裝置如下圖所示。這樣，便形成以PC機(jī)為主的軌跡規(guī)劃，以達(dá)到編寫機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的程序，并通過利用運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫中的相關(guān)專用指令向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出起或坐的重心變化運(yùn)動(dòng)指令的目的[4]。在此過程中，運(yùn)動(dòng)控制器收到發(fā)出起或坐的相關(guān)運(yùn)動(dòng)指令后，會(huì)自動(dòng)將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖控制信號(hào)，并傳遞給各個(gè)下級(jí)伺服驅(qū)動(dòng)器，最終各個(gè)裝置統(tǒng)一、協(xié)調(diào)完成機(jī)械輔助起、坐的運(yùn)動(dòng)。

四、總結(jié)

老年人由于生活自理能力下降，行走不便，加上健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)在我國(guó)正迅猛發(fā)展，老年群體所占的比重越來越大，為解決老年群體或者下肢功能障礙患者存在的起立困難和難以持續(xù)站立的問題，本文以護(hù)理機(jī)器人的視角對(duì)起、坐輔助系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)，通過對(duì)人體自然站立的相關(guān)機(jī)體反應(yīng)過程進(jìn)行分析，可以有效掌握起、坐運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，以增強(qiáng)設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性。同時(shí)，以人體自然站立為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)注重增加具有反饋反應(yīng)的減重裝置和自動(dòng)調(diào)節(jié)器，側(cè)重提升使用者在使用過程中的舒適度，只有這樣，才能促進(jìn)起、坐輔助系統(tǒng)模擬人體自然站立的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并投入使用。

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