護理機器人技術發展綜述

李奇林 曹宇 茆寧 俞成濤 劉凱磊

摘? ?要：隨著人口老齡化問題的凸顯，護理機器人市場需求呈現上升趨勢，其技術發展也十分迅速。介紹了助餐機器人、衛生護理機器人、復健機器人和智能護理床式機器人的特點及代表性型號，分析得出當前護理機器人的研究熱點主要集中在機構優化創新設計、人工智能控制及安全性等方面。認為國內護理機器人的研究和應用與西方發達國家相比仍存在較大差距，今后的發展應該圍繞突出護理機器人的特色功能、與人工智能相結合、提高護理機器人的安全性與可靠性等方面加以改進。

關鍵詞：護理機器人;助餐機器人;衛生護理機器人;復健機器人;智能護理床式機器人

中圖分類號： TP242 文獻標識碼： A ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2020）04-0062-09

第六次全國人口普查數據顯示，我國60歲以上的人口已高達1.85億，占總人口的13.9%。根據聯合國對人口年齡類型的劃分，目前我國已經進入“老年型國家”，且老齡化的速度還在不斷加快。預計從2020年開始，我國將步入老齡化嚴重階段，老齡化水平將達到17.17%;到2050年，我國將步入超高老齡化國家行列，60歲及以上人口將占到30%[1]。與此同時，由于人們對生活品質追求的提高，使得醫療護理不管在質上還是量上都需要滿足更高水準的要求。醫療、護理和康復需求的不斷增加，以及相對缺乏的醫護人力，使得醫療及健康服務機器人市場具有巨大的發展潛力。

護理機器人作為一種特殊的醫用機器人，一般是指為需護理人的身體功能和生活提供支援，或者為護理人員提供支援的機器，它服務的對象主要為失能老年人或者殘疾人。荷蘭、美國、日本等國從20世紀80年代就開始重視護理機器人的研發價值和社會意義，目前，這些發達國家的護理機器人技術已走在世界前列[2]。我國發展服務機器人產業已被列為“863”計劃重點項目并引起相關部門和科研單位的重視，但與上述發達國家相比，我國在護理機器人技術方面仍存在比較明顯的差距[3]。

1? ? 護理機器人的分類及研究進展

1.1? 助餐機器人

助餐機器人是用來幫助行動不便的使用者進行日常飲食護理的一種機器人。1987年，英國的Mike Topping公司開發了一款Handy 1型助餐機器人，旨在幫助一名11歲的腦癱男孩完成進食[4]。而美國Sammons Preston公司研發的助餐機器人包含了開關、手腳控制器、轉盤、托盤、推送器等裝置，其結構如圖1所示。該類助餐機器人由數臺直流伺服電動機驅動，擁有較大的工作空間，可應對不同體型和年齡段的使用者。

助餐機器人的控制大致可以通過三種途徑實現[5]：一是腳踏開關。使用者只需要踩踏相應腳踏開關即可獲得進餐幫助，其缺點是自動化程度較低。第二種是語音識別。將特定功能的語音信號存入模板庫中，當使用者發出聲音指令時，將其與模板庫中的原有信號進行匹配與識別。其缺點是由于不同人的發音存在差異，會導致不能識別或者誤識別的情況出現。第三種是識別頭部姿勢。其硬件由視頻采集卡和高精度攝像頭組成，通過頭部的動作，如搖頭、低頭等識別使用者的需求，并產生相應的操作命令。其缺點是系統組成較為復雜，軟件控制上也容易出現誤動作。

如何取餐是開發助餐機器人的難點。如圖2所示，目前最成功的是半勺式取餐機構，該機構自由度僅為1，通過直流伺服電動機驅動絲杠螺母前后運動來實現勺子的張合[6]。美國在2009年開發出世界上首個四軸飲食護理機器人Meal Buddy，它包含一個3自由度的機械臂和配套的餐盤和餐桌[7]。該機器人在餐盤的設計上，充分考慮到在喂給有湯汁的食物時可能造成的湯汁滴落問題，采用了磁力吸附的原理以及特殊的機械結構。我國哈爾濱工程大學在助餐機器人設計[8]與進餐時餐勺軌跡規劃[9]等領域進行了長期深入的研究，取得了一定的成果;但其目前研制的助餐機器人還處于功能樣機階段，亟需改進以實現產品化。

近年來，針對助餐機器人還開發了化妝、刷牙、刮胡須等功能，使其成為更加完善的護理機器人[10]，從而提高了被護理者的自理能力和自信心。

1.2? ?衛生護理機器人

面對無法獨自完成個人衛生清潔工作的人群，傳統的人工衛生護理工作量大且效率低下，衛生護理機器人的出現即可有效解決這些問題。其中，應用最廣泛的是站立式衛生護理機器人，該類護理機器人包含輔助站立系統和清潔系統兩大部分[11]。典型的輔助站立系統結構方案如圖3所示，依靠扶手的垂直向上提升帶動人體重心向上移動，由此減小下肢的受力。清潔系統包含背部清潔、臀部清潔、腿部清潔、頭部清潔等。其中：背部、臀部、腿部清潔系統通過支撐板上的圓形塑料搓頭模擬人工搓澡，還有一些智能型的個人衛生護理機器人甚至可以根據被護理者的性別、年齡和皮膚特性，設置搓澡力度;頭部清潔系統主要采用由主轉臂、自轉臂、俯仰支撐臂組成的3自由度定位裝置，以伺服電動機驅動，搓頭安裝在半圓形帽殼上[12-13]。

浴缸式自動洗浴機器人可以實現自動洗頭、洗澡、按摩、干身、生命體征監測等功能，被護理者可以不必站立而完成個人衛生的清潔。由于浴缸式自動洗浴機器人存在被護理者進出不方便的問題，因此出現了看護輪椅式洗澡機器人，如日本的Bishamon看護用輪椅洗澡機器人，如圖4所示。它采用了角度可調的浴缸和上下可分離的輪椅緊密結合的模式，輪椅即為整個機器人的一部分，這樣，被護理者進出浴缸非常方便，機器人使用效率較高。

如圖5所示為我國洛陽圣瑞機電技術有限公司與河南科技大學等聯合開發的輪椅式洗澡機器人[14]，它采用半封閉臥式艙體結構，分為固定、移動兩部分，其中移動部分采用座椅結構，以方便洗浴者入艙。

1.3? 復健機器人

中風或腦血管損傷可能會引起永久神經性損傷，導致患者無法靈活控制一部分肢體，進而嚴重危害人體健康。由于人體大腦的中樞神經有可塑性，因此，如果在發病初期及時治療，完全可以在一定程度上重組和重建大腦神經功能。例如，對于由腦卒中造成的偏癱患者，相關研究結果表明，康復訓練在神經系統功能發生障礙后的3個月內具有比較顯著的效果，而超過6個月后神經系統功能恢復的可能性就相對較小[15]。助行復健機器人（亦稱為康復機器人）就是以此為目的進行設計的，它主要用于幫助老年人、傷殘病人等站立、行走、活動，以恢復他們的患側肢體運動功能，改善其日常活動能力，從而提高生活質量。國外先后有美國麻省理工學院KREBS H I等研制了末端式上肢康復機器人MIT-MANUS[16]，斯坦福大學BURGAR C G等開發了擁有上肢鏡像功能的MIME[17]，如圖6所示;國內華中科技大學吳軍等研發了一種氣動肌肉雙向拉伸的外骨骼康復機器人[18]，如圖7所示，這種機器人關節的運動通過氣動肌肉來實現。

在下肢康復機器人的研究方面：瑞士蘇黎世聯邦理工學院研制的 Lokomat[19]，其新的下肢機構增加了骨盆的側向運動和髖關節的內收/外展運動，以實現更加接近人體行走的自然步態;美國特拉華大學研制的ALEX[20]下肢康復機器人包含12個自由度，能適應各種動作;國內清華大學、中國科學院自動化研究所、上海交通大學、南京理工大學、浙江大學以及哈爾濱工程大學等，也在下肢康復機器人領域做了初步研究[21-22]。

近幾十年來，國內研究者在上肢康復機器人技術領域的研究成果較多，尤其是在主動訓練、柔順性控制、康復評價等領域的技術研究工作已經開展得比較深入，并開始逐步應用于臨床[23]。然而，制作成本高、應用普及受限以及康復效果有限等，是現有上肢康復機器人應用研究中面臨的主要問題;而下肢康復機器人的研究和臨床應用尚處于初步階段，仍然存在諸多問題有待深入研究解決[24]。

1.4? ?智能護理床式機器人

智能護理床式機器人主要服務于空巢家庭中的老人、失去自理能力的病人等。國外護理床研究起步早、技術比較成熟，早在20世紀90年代，相關電動護理床就已經在醫療護理領域得到應用，其中具有代表性的是日本八樂夢公司的KQ-86330和KR-C7320E[25]，如圖8所示。該護理床采用電機驅動，根據使用者要求調整靠背、大腿板、小腿板的角度，可以改變睡姿和坐姿。美國 Hill-Rom 公司研發了CareAssist 系列多功能電動護理床[26]，如圖9所示，該護理床采用創新性機械結構將床體與輪椅融合為一體，通過機構的運動即可將床體變為一個輪椅，以便于患者在不離開護理床的條件下完成位置轉移和坐、臥姿態的轉換;但該護理床存在體積較大、輪椅狀態時行駛不便等不足之處，因此該類護理床目前多應用于醫療機構。目前，國內的一些科研機構也開展了智能護理床的相關研究工作，并取得了一定的進展[27-28]，但投入實際生產的仍然很少。

對于失能人群，解決其長期臥床的大小便問題是護理工作中最為繁瑣的環節，因此，如何保證失能人群可以便捷且舒適地完成大小便是護理設備研發的重點之一[29]。針對這一問題，目前比較常見的是一次性便袋和升舉式便盆[30]兩種方案，如圖10所示。由于以上兩種方案均需要由護理人員對被護理者進行便后身體清潔工作，所以實際使用中護理人員的工作強度仍然比較大。

如圖11所示，日本松永和國產魚躍品牌將輪椅與家用坐便器結合，在一定程度上解決了使用者的大小便護理問題，但在解決長期臥床患者的大小便問題時，仍顯得過于繁瑣。此外，日本還研發了Ever Care全自動排泄處理系統[31]，該產品由床體集便器、凈水污水箱、水循環系統以及嵌入式計算機系統組成，可自動完成對患者的大小便護理工作，如圖12所示。由于患者臀部需要長時間包裹于床體集便器內，使其舒適性受到很大影響，因此，該產品的使用者主要是生活完全不能自理的人群。

綜上，目前市場上主流的護理床式機器人在功能上，尤其是在大小便護理功能的完善方面，還有很大的提升空間。新一代的護理床式機器人可以將智能馬桶技術與移動機器人技術融入其中，開發出在機械結構上與床體相對獨立的移動式智能馬桶，一方面，可提供溫水沖洗和暖風烘干功能;另一方面，結合智能調度和導航系統，可與多個床體進行對接，從而提高護理質量并改善護理人員的工作環境。此外，通過進一步融入各種智能傳感器，新一代護理床式機器人還可以對呼吸、體溫和血壓等生命體征進行實時監控，并通過網絡共享給護理人員，從而在使用者生命體征數值出現異常時發出警報。

2? ? 護理機器人的研究熱點

2.1? 機構優化創新設計

機構性能的優化和提升對于護理機器人功能的改善有著重要作用。目前，助餐機器人的喂食機構還無法達到人類手指的靈活性，因此，如何通過機構創新設計，使助餐機器人滿足多種類型食物，如流質、半流質和固體食物的喂食需求，是當前需要解決的關鍵技術之一[32]。護理床式機器人從最原始的純手動方式，發展到目前的全自動智能化，每一代機器人的革新都伴隨著機構的優化創新。目前，市場上的護理床大多具備起背、屈腿、側翻身以及大小便護理等功能，然而，功能越全面的護理床機械結構越復雜、體積亦更加龐大;因此，通過機構優化創新，在實現多功能的同時進一步縮小體積，從而提高其便攜性能，是護理床式機器人研發中的關鍵技術之一。此外，將近些年來出現的新型軟體機器人[33]技術思想融合到護理行業，可有效提高護理機器人的柔順性、安全性和適應性。新型軟體機器人在人機交互、復雜易碎品抓持和狹小空間作業等方面具有不可比擬的優勢，據報道，國外已研發相關產品來輔助腦中風患者或骨折病人做上肢康復訓練。

2.2? 傳感器與智能控制技術

人工智能是全世界的研究熱點之一，因此，智能化必然是未來機器人技術發展的重要方向，而護理機器人的智能水平又依賴于傳感器以及智能控制技術的發展。傳感器如同人類的“五官”，機器人若需要感知外部的環境變化并做出反應，就需要依靠傳感器來采集外界的環境信息并進行綜合處理。早期的護理機器人主要依靠機械結構來實現其各項護理功能，隨著技術的發展，目前的護理機器人使用了大量的傳感器并結合智能控制算法來提高其自動化和智能化水平。例如：用于檢測位移和角位移量的傳感器，以及測量速度和加速度的傳感器;檢測接觸力、把握力、荷重、發布壓力、力矩的觸覺傳感器;檢測平面位置、距離、形狀的視覺傳感器;檢測聲音、超聲波的聽覺傳感器;檢測氣體成分和味道的嗅覺味覺傳感器;等等[22]。

為了克服單一傳感器只能給出環境的部分或側面信息的局限性，逐步產生了多傳感器信息融合技術，它通過對多種傳感器獲得的關于未知環境特征信息的分析和綜合，得到對該環境全面、一致的估計[34]。例如：天津大學設計的一款用于識別語音指令的智能語音系統，其裝載了微音器和攝像機，以人發音時的面部表情變化為指示信號，干擾信號是其他各種聲音組成的噪音，通過傳感器的信息融合，可以從駁雜的噪音中檢出目標聲音[35]。

2.3? 可靠性和安全性

盡管國內外關于工業機器人可靠性和安全性的相關研究成果較多[36-38]，但針對護理機器人可靠性和安全性的研究仍相對較少，目前僅在康復機器人等領域有少量的研究報道[39]。護理機器人不同于一般的工業機器人，它是直接作用于人的系統，需要具備高的可靠性和安全性以保護使用者的生命安全;因此，為了使其能夠長期可靠地運行，做好可靠性設計是關鍵環節。

在實際應用中，將容錯技術、故障診斷技術等多種技術引入護理機器人中，采用不同的冗余配置方式，可以實現規劃級和控制級計算機系統高可靠性設計[40]。而在可靠性設計的基礎上，按照各子系統的重要程度來進行可靠性分配，如采取不降低產品性能前提下的簡化設計、降低元件實際承受的應力、增加冗余的并聯結構等措施，可以防止因為串行零部件可靠性低而導致的全體結構失效[41]。

為了保證護理機器人的安全性，采用ISO 13482-2014標準對個人護理機器人安全問題產生原因及相應的處理措施進行分析。目前，國內外許多學者在機械結構設計、控制算法以及評估方法等領域開展了比較廣泛的研究[42]，例如：用故障樹形圖分析法來分析，從而對機器人的安全性進行評估[43];使用安全地板，當有人靠近時自動關閉機器;安裝安全敏感系統，檢測是否有進入機器人工作區的人員或者物體;等等。

3? ?總結與展望

隨著人們生活水平的提高和科技的快速發展，在應對全世界范圍內人口老齡化問題的過程中，護理機器人的需求正逐漸增大。上述個人衛生護理機器人、助餐機器人、復健機器人以及智能護理床式機器人等型號多樣、功能迥異的護理機器人的出現，改善了老年人和殘障人士的生活質量，緩解了老齡化社會所帶來的巨大壓力。

總體而言，我國對護理機器人的研究和應用起步較晚，與西方發達國家之間仍存在較大差距。在今后的發展中，應該從突出護理機器人的特色功能、與人工智能相結合、提高護理機器人的安全性與可靠性等方面加強改進，從而在該領域形成獨特的競爭力。

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