智能移乘護理機器人設計

倪忠園 劉夢飛 周磊

摘 要：為了幫助護理人員對下肢行動不便的病人進行空間上的位置轉移，設計出一款智能移乘護理機器人，可以在護理工的幫助使用下對病人實現抱起，移動，放下等動作。文章重點介紹了該智能移乘護理機器人的機械結構和液壓傳動系統，機械結構方面主要分為三大模塊：伸縮機構，胸部支承和驅動裝置；液壓傳動系統部分主要是對液壓傳動系統原理圖進行了說明。

關鍵詞：智能移乘；結構設計；液壓傳動；控制系統

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）28-0104-03

Abstract： In order to help the nursing staff to carry on the spatial position shift to the lower limb movement inconvenient patient， this paper designs a kind of intelligent moving nursing robot， which can lift， move， and lay down the patient with the help of the nursing worker. This paper mainly introduces the mechanical structure and hydraulic transmission system of the intelligent moving and multiplying nursing robot. The mechanical structure is mainly divided into three modules： telescopic mechanism， chest support and driving device. Hydraulic transmission system is the main part of the hydraulic transmission system schematic diagram were described.

Keywords： intelligent transfer and multiplication； structural design； hydraulic transmission； control system

1 概述

隨著科學技術跨時代的巨變，加上老齡化人口與日俱增，2015年全國1%人口抽樣調查數據顯示，60歲以上人口為2.2億，65歲及以上人口占總人口的比例為10.47%，這說明我國老齡化形勢十分嚴峻[1]。近年來，各國對老年人和一些肢體有殘疾的弱勢群體有了更多的關注。我國在逐漸崛起成為經濟大國的同時，人們對精神上的要求也逐漸提高，希望能通過現代的科學技術改善現有的生活質量。醫療護理，生活照料等行業將迎來發展的黃金時期，使用機器人輔助治療既有利于病人的身心健康發展，又有利于激發護理工作者的工作熱情[2-4]。

日本機器人技術發展迅速，越來越多的護理機器人已經投入到使用當中，例如有Robear機器人，TEMLX2的機器人，twendy-one護理機器人等[5]。國內，河北工業大學的“白澤”機器人正式發布，這是中國護理機器人研發的重要轉折點，是年老體弱者和下肢不便者人群的福音，但還處于實驗室階段。因此本文研究設計了一種以液壓為驅動力的智能移乘護理機器人，可以在護理工無需彎腰的情況下對被護理者進行空間上的移位。

2 總體設計方案

本設計中的智能移乘護理機器人主要用于醫院和理療機構，主要能對下肢癱瘓或者下肢運動不便的人員進行抱起和移動。在設計時假定被轉移者的最大體重為100kg，通過一些普通的病床尺寸和一些病人用的輪椅的尺寸的收集，以此為基礎來參考設計該移乘裝置。當智能移乘護理機器人用于實際中時，主要考慮的應該是運行過程中的平穩問題和被移乘者的舒適程度。由于液壓系統具有輸出力矩大、調速范圍廣、操作簡單、緩沖減震而且可以實現無級調速的優點[6]，因此在設計中采用液壓傳動系統。

在設計時，該智能移乘機器人主要實現的就是抱緊，抱起，移位和放下的動作。根據這些所要實現的功能來完成該裝置各個部件的設計。例如抱緊這個動作主要是通過胸部支承內部的雙活塞液壓缸來實現的；抱起主要是通過伸縮機構來帶動支承臂的旋轉來實現的。通過三維軟件建模，可以得到圖1所示的立體模型：

智能移乘機器人的工作原理概述：首先由控制部分發出指令，智能移乘機器人移動到被護理者的前方，胸部支承將人抱緊，接著支承臂在伸縮機構的帶動下將人抱起，抱起至最高點時，移乘機器人開始移動至目的地，到達目的地之后將人緩緩地放下來，完成此次移乘的過程。為了更加清楚地敘述這個移乘過程，繪制二維平面運行軌跡如圖2所示。

3 機械結構設計

3.1 伸縮機構

在該支援裝置中，伸縮機構其實是單活塞液壓缸，利用單活塞桿液壓缸的伸出或者收縮來帶動支承臂的擺動，從而實現將人抱起的動作。通過對支援裝置的簡化，以及各個初始參數以及受力分析可以得到單活塞液壓缸的最大負載力，具體分析過程如下：

胸部支承主要是由壓力傳感器，突出支承，支承主體，柔性扶手，雙活塞液壓缸等組成。該機構主要起到支承人體上身和抱緊上身的作用。假設當壓力傳感器測得的力達到預設值時，可以視為兩個突出支承此時已經將人抱緊。

3.3 驅動裝置

該機構的驅動裝置主要是液壓站，如圖5所示。抱緊裝置和伸縮裝置都是由液壓油提供動力的，因此該部分需要對電機，液壓泵，液壓控制閥，過濾器，油箱和管接頭進行設計或者選型，在設計的最后對液壓系統發熱功率進行估算和溫升驗算，通過這些過程就完成了液壓站的機械結構設計。

4 液壓控制系統

該移乘護理機器人在工作時主要分為以下幾個步驟進行：抱緊，抱起，移動，放下，現在逐一根據圖6的液壓控制系統原理圖來進行說明。

抱緊：當智能移乘機器人靠近被護理者時，當人緊貼在胸靠上，此時遠程控制電液比例換向閥7的右端接入電路，使得雙出桿活塞桿收縮，抱緊病人，胸靠上的突出支撐部裝有壓力傳感器，當達到預設的數值時，則視為智能移乘護理機器人已經將人抱緊，此時，控制系統發出信號，使得電液比例換向閥處于中位，并在一定的時間內保持這一狀態。

抱起：胸靠上裝有柔性壓力傳感器，當檢測到預設的壓力值時，可以認為被護理者已經緊貼胸靠，可以對病人進行抱起。這時在控制系統的作用下，電液比例換向閥4的右端接入電路中，此時液壓缸的活塞收縮，支撐臂向左旋轉，將人抱起至目標的高度。

移動：當支承臂的角位移旋轉至目標值時，角位移傳感器將位移的信息反饋至控制系統，此時電液比例換向閥4的中位接入到回路中，被護理者保持這個姿勢，智能移乘機器人載著被護理人向目標地移動。

放下：當到達控制系統所設置的目的地時，此時電液比例控制閥4的左端接入回路中，液壓缸的活塞桿伸長，從而將人放到椅子上或者是護理床上，電液比例控制閥7的左端接入電路，雙活塞液壓缸的兩個活塞桿伸出，將人松開，這樣就完成了整個移位的過程。

5 結束語

本次設計的智能移乘護理機器人主要是用來協助護理工對被護理者進行移位，減輕護理工的工作強度，能夠有更多的精力與被護理者進行情感上的交流。本文主要是對機械結構和傳動系統進行了設計，采用液壓系統進行傳動，雖然平穩性較好，動作靈敏，但是液壓油容易受到溫度的影響，采用自動化的溫控技術可以取得更好的效果，另外增加自動升降的結構可以增加使用范圍。

參考文獻：

[1]藺軻，謝俊卿，孔桂蘭.老年健康護理機器人的需求[J].中國信息界，2018：90-93.

[2]張向穎.重障者洗浴輔具設計-移乘裝置的設計[D].天津：天津科技大學，2012：1-2.

[3]孫岳.基于設計事理學的老年人護理機器人設計探究[D].河北：燕山大學，2016：1-2.

[4]楊清哲.人口老齡化背景下中國農村老年人養老保障問題研究[D].吉林：吉林大學，2013：1-2.

[5]張曉玉.智能輔具與機器人技術[N].機器人技術與應用，2011-9-30.

[6]張桐.船用減搖起重機液壓系統設計與仿真研究[D].遼寧：大連海事大學，2018：11-13.