顧綺芳

摘 要：在行動(dòng)不便病人的轉(zhuǎn)運(yùn)和護(hù)理問題上，現(xiàn)有醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)涉獵不深，醫(yī)療成果轉(zhuǎn)化程度也較低。目前廣泛沿用傳統(tǒng)的手抱肩抬的方式，給病人帶來二次傷害的同時(shí)，也加重和提升了醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)和風(fēng)險(xiǎn)。轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人可以使老人和病人的過床轉(zhuǎn)運(yùn)過程輕松簡(jiǎn)單，它具有轉(zhuǎn)運(yùn)過程舒適、使用者姿態(tài)變化小、護(hù)理人員勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。文章在現(xiàn)有轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究基礎(chǔ)之上，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的各項(xiàng)功能，首先對(duì)電控系統(tǒng)整體進(jìn)行研究，然后設(shè)計(jì)了一款主控制器并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人產(chǎn)品的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人；電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的發(fā)展朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展[1-3]，在國(guó)外的一些科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)成功研發(fā)出了操作簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)運(yùn)舒適的機(jī)電一體化設(shè)備。美國(guó)Sherrow等[4]就開發(fā)出一種轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，需要多次改變病人位姿，患者舒適性差并未獲得大眾的認(rèn)可。日本研發(fā)出RIBA護(hù)理機(jī)器人[5]通過機(jī)械手臂抬抱的方式將病人從一個(gè)床體轉(zhuǎn)運(yùn)到另一個(gè)床體。但這種方式不適用于脊柱損傷或者骨折的病人。MOBILIZER 3由意大利的SA.VIR公司研制[6]。這種病人轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備由電氣控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)化程度高、轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)無位姿變化，只需要一個(gè)操作人員即可完成轉(zhuǎn)運(yùn)過程。然而國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度較低。廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科的研究人員設(shè)計(jì)了一種利用滾珠進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的折疊式轉(zhuǎn)運(yùn)床板[7]。這種整體式的轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)品，僅需一個(gè)工作人員即可完成對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)需求不高的病人轉(zhuǎn)運(yùn)。

本文提出了一種新型轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人，進(jìn)行了轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括電控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、主控器設(shè)計(jì)、無線遙控器的設(shè)計(jì)以及整體出行方案的驗(yàn)證。

1 電控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的正常、高效運(yùn)行是建立在一個(gè)穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏的控制系統(tǒng)之上，機(jī)器人系統(tǒng)的主要?jiǎng)幼饔校荷迪到y(tǒng)的升高和降低、轉(zhuǎn)運(yùn)模塊將使用者從床搬移到戶外模塊、轉(zhuǎn)運(yùn)模塊從戶外模塊運(yùn)動(dòng)到床面、折疊系統(tǒng)的折疊和展開。上述轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的動(dòng)作需要有序進(jìn)行才能完成，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)使用者從床到戶外，要求轉(zhuǎn)運(yùn)模塊和戶外模塊的功能具有較高的集成度，為此轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)結(jié)構(gòu)可分離、功能集成化的系統(tǒng)。系統(tǒng)的集成主要是通過一款自助研發(fā)的遙控器來實(shí)現(xiàn)的。

轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的電控系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、折疊系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、無線遙控器、主控板以及傳感器系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的操作主要是通過無線遙控器來實(shí)現(xiàn)的，無線遙控器可以控制轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的所有動(dòng)作。主控板用于解算不同的操作指令和處理相關(guān)的傳感器檢測(cè)信息，根據(jù)相關(guān)原理計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向、推桿和升降柱的啟停等。主控板將計(jì)算的信息發(fā)送給繼電器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，繼電器用來驅(qū)動(dòng)推桿的收縮和升降柱的升降，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用來控制電機(jī)的運(yùn)行。傳感器系統(tǒng)用于采集推桿和升降柱的長(zhǎng)度值、電機(jī)的轉(zhuǎn)速值以及其他相關(guān)位置信息值，并將采集的信息反饋給各自的主控制器，實(shí)現(xiàn)各模塊的閉環(huán)控制。

轉(zhuǎn)運(yùn)模塊配備有8套電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，直流電機(jī)采用H橋式電路驅(qū)動(dòng)。無線遙控器將轉(zhuǎn)運(yùn)模塊的動(dòng)作指令發(fā)送給主控制器，主控制器將解算指令發(fā)送給控制器，控制器向直流電機(jī)輸出脈沖寬度調(diào)制（Pulse-Width Modulation，PWM）信號(hào)，并由電池組向其提供電源。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝有變頻功率傳感器，可以將電流的變化情況反饋給驅(qū)動(dòng)器芯片，驅(qū)動(dòng)器芯片根據(jù)電流變化進(jìn)行運(yùn)算微調(diào)。電機(jī)配有分辨率為200 ppi線的M3-2光電編碼器，驅(qū)動(dòng)器將編碼器的反饋信息做對(duì)比處理，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

戶外模塊采用電動(dòng)推桿和升降柱實(shí)現(xiàn)折疊和升降功能，通過無線遙控器來控制升降系統(tǒng)的升降和折疊系統(tǒng)的折疊操作。在無線遙控器和戶外模塊上分別安裝具有收發(fā)功能的無線數(shù)據(jù)傳送模塊，無線遙控器通信模塊將指令信息傳遞給了戶外模塊的主控制器，主控器將解算后的子指令發(fā)送給折疊升降控制系統(tǒng)的繼電器，通過IO口輸出高低電平信號(hào)控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制電動(dòng)推桿和升降柱電源的通斷。主控器負(fù)責(zé)了整個(gè)折疊升降控制系統(tǒng)的運(yùn)行和反饋信息的處理。推桿和升降柱上安裝有電位計(jì)，可以實(shí)時(shí)的將長(zhǎng)度反饋給主控器，形成閉環(huán)控制。

2 主控制器設(shè)計(jì)

主控制器作為轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，其主要功能有：與無線遙控器進(jìn)行性通信和指令解算、控制折疊推桿和升降柱的伸縮、與電機(jī)控制器通信、與傳感器通信等。轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主控制器的控制板采用TMS320F2810處理器，主頻最高可達(dá)150 MHz，板載2 MB Nor Flash。控制板具有傳感器接口，RS232串行口，I2C總線接口等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制與精確控制，滿足轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的功能需求。

除以上所需模塊外，無線遙控器通信采用的是串口232通信協(xié)議，傳感器的通信采用串行總線通信，因此我們?cè)O(shè)計(jì)的主控制器應(yīng)具備控制局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）控制器模塊和UART串口通信模塊。

3 無線遙控器的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人無線遙控器對(duì)于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)模塊和戶外模塊的功能整合具有重要的意義，本文主要通過無線遙控器將轉(zhuǎn)運(yùn)模塊的抬放、搬移功能和戶外模塊的折疊、升降功能集成為一體，成功地解決了使用者出行困難的問題。如圖2所示，無線遙控器面板將同一系列功能鍵放置在相同底色區(qū)域，黑色區(qū)域?yàn)榘嵋乒δ軈^(qū)，黃色區(qū)域?yàn)檎郫B功能區(qū)，藍(lán)色區(qū)域?yàn)樯倒δ軈^(qū)。

該無線遙控器的設(shè)計(jì)包括：（1）按鍵響應(yīng)指令發(fā)送；（2）下位機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)檢查；（3）通信異常檢測(cè)。為充分利用stm32芯片資源，需要對(duì)板上定時(shí)器資源進(jìn)行分配。使用定時(shí)器TIM3定時(shí)30 ms掃描按鍵狀態(tài)，按鍵響應(yīng)指令發(fā)送控制流程如圖3所示。

為解決在操作過程中經(jīng)常出現(xiàn)的兩種失控現(xiàn)象：（1）發(fā)送運(yùn)行指令下位機(jī)無響應(yīng)未運(yùn)行；（2）發(fā)送停止指令下位機(jī)無響應(yīng)未停止，使用定時(shí)器TIM2定時(shí)100 ms向下位機(jī)發(fā)送狀態(tài)查詢指令，查詢戶外模塊運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)為了解決通信異常問題，比如無線通信斷開，使用TIM4定時(shí)3 s，TIM4發(fā)生定時(shí)中斷時(shí)視為通信異常。遙控實(shí)時(shí)狀態(tài)查詢和通信異常檢測(cè)控制流程如圖4所示。

同時(shí)，為了使遙控正常工作中串口和各個(gè)定時(shí)器正常工作不發(fā)生沖突，需要對(duì)串口中斷和定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分級(jí)。為保證串口讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，串口在接收數(shù)據(jù)時(shí)不應(yīng)被其他中斷所打斷，因此，串口中斷的優(yōu)先級(jí)要高于其他中斷。其次，為保證按鍵響應(yīng)的快速性和靈敏性，TIM3應(yīng)具有較高的優(yōu)先級(jí)。TIM4用于檢測(cè)通信是否發(fā)生異常，定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)遙控操作的安全性、準(zhǔn)確性影響較小，可以分配較低的優(yōu)先級(jí)。

4 出行方案實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的設(shè)計(jì)研發(fā)是為了解決臥床使用者出行困難的問題，下面將對(duì)先前提出的出行方式進(jìn)行驗(yàn)證，臥床使用者智能出行的步驟如下。

（1）操作者將轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人推到使用者床邊，按下戶外模塊升高按鈕，轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器進(jìn)行一鍵自動(dòng)尋位，當(dāng)戶外模塊變形面與床處于同一高度時(shí)停止，

（2）操作者按下前行操作按鈕，轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的轉(zhuǎn)運(yùn)模塊與戶外模塊分離，當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)模塊插入端前端運(yùn)動(dòng)到人體處時(shí)此過程結(jié)束。操作者按下運(yùn)人操作按鈕，轉(zhuǎn)運(yùn)模塊上下兩層皮帶同步運(yùn)動(dòng)，插入端慢慢滑動(dòng)到使用者下面，該過程實(shí)現(xiàn)了使用者從床面到轉(zhuǎn)運(yùn)模塊上表面。

（3）操作者按下后退操作按鈕，承載有人的轉(zhuǎn)運(yùn)模塊慢慢地退回到戶外模塊上，轉(zhuǎn)運(yùn)模塊上安裝有懸崖傳感器，可以防止過操作導(dǎo)致掉落。操作者按下放人操作按鈕，轉(zhuǎn)運(yùn)模塊緩慢地將使用者放到戶外模塊的變形面上。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)模塊逐步退回到了病床.

（4）操作者按下坐姿模式按鈕，戶外模塊背板和腿板繞各自的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，逐漸變成坐姿模式。根據(jù)每個(gè)人坐姿習(xí)慣的不同可以通過背板折疊和背板平展按鍵對(duì)背板的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（5）操作者按下戶外模塊降低按鈕，戶外模塊高度逐漸降低，較低的重心提高了坐姿模式下戶外模塊的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要提出了轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的總體控制方案、轉(zhuǎn)運(yùn)模塊控制方式和戶外模塊控制方式；根據(jù)機(jī)器人的功能需求選用適當(dāng)模塊，自主設(shè)計(jì)了一款可以滿足轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人使用的主控制器；設(shè)計(jì)了用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)模塊和戶外模塊功能集成的無線遙控器；最后，對(duì)本文提出的出行方案進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以滿足轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人功能需要，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人以及其他康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)具有參考價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]朱弘波.歐姆龍健康醫(yī)療（中國(guó)）有限公司競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2011.

[2]楊龍.國(guó)產(chǎn)醫(yī)療器械可滲透高端領(lǐng)域[EB/OL].（2016-02-15）[2018-06-07].http：//blog.sina.com.

[3]侯小麗，馬明所.醫(yī)療機(jī)器人的研究與進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2013（1）：48-50.

[4]SHERROW G. Patient Transfer Device： 5022810[P].1991-06-11.

[5]ONISHI M，LUO Z W，ODASHIMA T，et al. Generation of human care behaviors by human-interactive robot RI-MAN[C].Roma：IEEE International Conference on Robotics & Automation，Conference on Networking，Robotics and Automation，2007：3128-3129.

[6]意大利SA.VIR有限責(zé)任公司.Mobilizer 3 -safe patient handling[EB/OL].（2012-05-10）[2018-06-15].http：//www.savir.it/en/mobilizer.php.

[7]郭赤，蘭天飚，李濤，等.滾珠折疊式手術(shù)轉(zhuǎn)運(yùn)床板的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2014（11）：46.