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(hù)理機(jī)器人市場需求呈現(xiàn)上升趨勢，其技術(shù)發(fā)展也十分迅速。介紹了助餐機(jī)器人、衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人、復(fù)健機(jī)器人和智能護(hù)理床式機(jī)器人的特點(diǎn)及代表性型號，分析得出當(dāng)前護(hù)理機(jī)器人的研究熱點(diǎn)主要集中在機(jī)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計、人工智能控制及安全性等方面。認(rèn)為國內(nèi)護(hù)理機(jī)器人的研究和應(yīng)用與西方發(fā)達(dá)國家相比仍存在較大差距，今后的發(fā)展應(yīng)該圍繞突出護(hù)理機(jī)器人的特色功能、與人工智能相結(jié)合、提高護(hù)理機(jī)器人的安全性與可靠性等方面加以改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：護(hù)理機(jī)器人;助餐機(jī)器人;衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人;復(fù)健機(jī)器人;智能護(hù)理床式機(jī)器人

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

第六次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，我國60歲以上的人口已高達(dá)1.85億，占總?cè)丝诘?3.9%。根據(jù)聯(lián)合國對人口年齡類型的劃分，目前我國已經(jīng)進(jìn)入“老年型國家”，且老齡化的速度還在不斷加快。預(yù)計從2020年開始，我國將步入老齡化嚴(yán)重階段，老齡化水平將達(dá)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(zhì)追求的提高，使得醫(yī)療護(hù)理不管在質(zhì)上還是量上都需要滿足更高水準(zhǔn)的要求。醫(yī)療、護(hù)理和康復(fù)需求的不斷增加，以及相對缺乏的醫(yī)護(hù)人力，使得醫(yī)療及健康服務(wù)機(jī)器人市場具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

護(hù)理機(jī)器人作為一種特殊的醫(yī)用機(jī)器人，一般是指為需護(hù)理人的身體功能和生活提供支援，或者為護(hù)理人員提供支援的機(jī)器，它服務(wù)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(jì)80年代就開始重視護(hù)理機(jī)器人的研發(fā)價值和社會意義，目前，這些發(fā)達(dá)國家的護(hù)理機(jī)器人技術(shù)已走在世界前列[2]。我國發(fā)展服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已被列為“863”計劃重點(diǎn)項(xiàng)目并引起相關(guān)部門和科研單位的重視，但與上述發(fā)達(dá)國家相比，我國在護(hù)理機(jī)器人技術(shù)方面仍存在比較明顯的差距[3]。

1? ? 護(hù)理機(jī)器人的分類及研究進(jìn)展

1.1? 助餐機(jī)器人

助餐機(jī)器人是用來幫助行動不便的使用者進(jìn)行日常飲食護(hù)理的一種機(jī)器人。1987年，英國的Mike Topping公司開發(fā)了一款Handy 1型助餐機(jī)器人，旨在幫助一名11歲的腦癱男孩完成進(jìn)食[4]。而美國Sammons Preston公司研發(fā)的助餐機(jī)器人包含了開關(guān)、手腳控制器、轉(zhuǎn)盤、托盤、推送器等裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該類助餐機(jī)器人由數(shù)臺直流伺服電動機(jī)驅(qū)動，擁有較大的工作空間，可應(yīng)對不同體型和年齡段的使用者。

助餐機(jī)器人的控制大致可以通過三種途徑實(shí)現(xiàn)[5]：一是腳踏開關(guān)。使用者只需要踩踏相應(yīng)腳踏開關(guān)即可獲得進(jìn)餐幫助，其缺點(diǎn)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(dāng)使用者發(fā)出聲音指令時，將其與模板庫中的原有信號進(jìn)行匹配與識別。其缺點(diǎn)是由于不同人的發(fā)音存在差異，會導(dǎo)致不能識別或者誤識別的情況出現(xiàn)。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(chǎn)生相應(yīng)的操作命令。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)組成較為復(fù)雜，軟件控制上也容易出現(xiàn)誤動作。

如何取餐是開發(fā)助餐機(jī)器人的難點(diǎn)。如圖2所示，目前最成功的是半勺式取餐機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)自由度僅為1，通過直流伺服電動機(jī)驅(qū)動絲杠螺母前后運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)勺子的張合[6]。美國在2009年開發(fā)出世界上首個四軸飲食護(hù)理機(jī)器人Meal Buddy，它包含一個3自由度的機(jī)械臂和配套的餐盤和餐桌[7]。該機(jī)器人在餐盤的設(shè)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(jī)械結(jié)構(gòu)。我國哈爾濱工程大學(xué)在助餐機(jī)器人設(shè)計[8]與進(jìn)餐時餐勺軌跡規(guī)劃[9]等領(lǐng)域進(jìn)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(jī)器人還處于功能樣機(jī)階段，亟需改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

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

1.2? ?衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人

面對無法獨(dú)自完成個人衛(wèi)生清潔工作的人群，傳統(tǒng)的人工衛(wèi)生護(hù)理工作量大且效率低下，衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人的出現(xiàn)即可有效解決這些問題。其中，應(yīng)用最廣泛的是站立式衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人，該類護(hù)理機(jī)器人包含輔助站立系統(tǒng)和清潔系統(tǒng)兩大部分[11]。典型的輔助站立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)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(wèi)生護(hù)理機(jī)器人甚至可以根據(jù)被護(hù)理者的性別、年齡和皮膚特性，設(shè)置搓澡力度;頭部清潔系統(tǒng)主要采用由主轉(zhuǎn)臂、自轉(zhuǎn)臂、俯仰支撐臂組成的3自由度定位裝置，以伺服電動機(jī)驅(qū)動，搓頭安裝在半圓形帽殼上[12-13]。

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

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

1.3? 復(fù)健機(jī)器人

中風(fēng)或腦血管損傷可能會引起永久神經(jīng)性損傷，導(dǎo)致患者無法靈活控制一部分肢體，進(jìn)而嚴(yán)重危害人體健康。由于人體大腦的中樞神經(jīng)有可塑性，因此，如果在發(fā)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(jīng)功能。例如，對于由腦卒中造成的偏癱患者，相關(guān)研究結(jié)果表明，康復(fù)訓(xùn)練在神經(jīng)系統(tǒng)功能發(fā)生障礙后的3個月內(nèi)具有比較顯著的效果，而超過6個月后神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復(fù)的可能性就相對較小[15]。助行復(fù)健機(jī)器人（亦稱為康復(fù)機(jī)器人）就是以此為目的進(jìn)行設(shè)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(fù)他們的患側(cè)肢體運(yùn)動功能，改善其日?；顒幽芰Γ瑥亩岣呱钯|(zhì)量。國外先后有美國麻省理工學(xué)院KREBS H I等研制了末端式上肢康復(fù)機(jī)器人MIT-MANUS[16]，斯坦福大學(xué)BURGAR C G等開發(fā)了擁有上肢鏡像功能的MIME[17]，如圖6所示;國內(nèi)華中科技大學(xué)吳軍等研發(fā)了一種氣動肌肉雙向拉伸的外骨骼康復(fù)機(jī)器人[18]，如圖7所示，這種機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動通過氣動肌肉來實(shí)現(xiàn)。

在下肢康復(fù)機(jī)器人的研究方面：瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研制的 Lokomat[19]，其新的下肢機(jī)構(gòu)增加了骨盆的側(cè)向運(yùn)動和髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)更加接近人體行走的自然步態(tài);美國特拉華大學(xué)研制的ALEX[20]下肢康復(fù)機(jī)器人包含12個自由度，能適應(yīng)各種動作;國內(nèi)清華大學(xué)、中國科學(xué)院自動化研究所、上海交通大學(xué)、南京理工大學(xué)、浙江大學(xué)以及哈爾濱工程大學(xué)等，也在下肢康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域做了初步研究[21-22]。

近幾十年來，國內(nèi)研究者在上肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究成果較多，尤其是在主動訓(xùn)練、柔順性控制、康復(fù)評價等領(lǐng)域的技術(shù)研究工作已經(jīng)開展得比較深入，并開始逐步應(yīng)用于臨床[23]。然而，制作成本高、應(yīng)用普及受限以及康復(fù)效果有限等，是現(xiàn)有上肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用研究中面臨的主要問題;而下肢康復(fù)機(jī)器人的研究和臨床應(yīng)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(hù)理床式機(jī)器人

智能護(hù)理床式機(jī)器人主要服務(wù)于空巢家庭中的老人、失去自理能力的病人等。國外護(hù)理床研究起步早、技術(shù)比較成熟，早在20世紀(jì)90年代，相關(guān)電動護(hù)理床就已經(jīng)在醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域得到應(yīng)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(hù)理床采用電機(jī)驅(qū)動，根據(jù)使用者要求調(diào)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(fā)了CareAssist 系列多功能電動護(hù)理床[26]，如圖9所示，該護(hù)理床采用創(chuàng)新性機(jī)械結(jié)構(gòu)將床體與輪椅融合為一體，通過機(jī)構(gòu)的運(yùn)動即可將床體變?yōu)橐粋€輪椅，以便于患者在不離開護(hù)理床的條件下完成位置轉(zhuǎn)移和坐、臥姿態(tài)的轉(zhuǎn)換;但該護(hù)理床存在體積較大、輪椅狀態(tài)時行駛不便等不足之處，因此該類護(hù)理床目前多應(yīng)用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)。目前，國內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)也開展了智能護(hù)理床的相關(guān)研究工作，并取得了一定的進(jìn)展[27-28]，但投入實(shí)際生產(chǎn)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(hù)理工作中最為繁瑣的環(huán)節(jié)，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(hù)理設(shè)備研發(fā)的重點(diǎn)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(hù)理人員對被護(hù)理者進(jìn)行便后身體清潔工作，所以實(shí)際使用中護(hù)理人員的工作強(qiáng)度仍然比較大。

如圖11所示，日本松永和國產(chǎn)魚躍品牌將輪椅與家用坐便器結(jié)合，在一定程度上解決了使用者的大小便護(hù)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(fā)了Ever Care全自動排泄處理系統(tǒng)[31]，該產(chǎn)品由床體集便器、凈水污水箱、水循環(huán)系統(tǒng)以及嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)組成，可自動完成對患者的大小便護(hù)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(nèi)，使其舒適性受到很大影響，因此，該產(chǎn)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(hù)理床式機(jī)器人在功能上，尤其是在大小便護(hù)理功能的完善方面，還有很大的提升空間。新一代的護(hù)理床式機(jī)器人可以將智能馬桶技術(shù)與移動機(jī)器人技術(shù)融入其中，開發(fā)出在機(jī)械結(jié)構(gòu)上與床體相對獨(dú)立的移動式智能馬桶，一方面，可提供溫水沖洗和暖風(fēng)烘干功能;另一方面，結(jié)合智能調(diào)度和導(dǎo)航系統(tǒng)，可與多個床體進(jìn)行對接，從而提高護(hù)理質(zhì)量并改善護(hù)理人員的工作環(huán)境。此外，通過進(jìn)一步融入各種智能傳感器，新一代護(hù)理床式機(jī)器人還可以對呼吸、體溫和血壓等生命體征進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并通過網(wǎng)絡(luò)共享給護(hù)理人員，從而在使用者生命體征數(shù)值出現(xiàn)異常時發(fā)出警報。

2? ? 護(hù)理機(jī)器人的研究熱點(diǎn)

2.1? 機(jī)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計

機(jī)構(gòu)性能的優(yōu)化和提升對于護(hù)理機(jī)器人功能的改善有著重要作用。目前，助餐機(jī)器人的喂食機(jī)構(gòu)還無法達(dá)到人類手指的靈活性，因此，如何通過機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，使助餐機(jī)器人滿足多種類型食物，如流質(zhì)、半流質(zhì)和固體食物的喂食需求，是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一[32]。護(hù)理床式機(jī)器人從最原始的純手動方式，發(fā)展到目前的全自動智能化，每一代機(jī)器人的革新都伴隨著機(jī)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新。目前，市場上的護(hù)理床大多具備起背、屈腿、側(cè)翻身以及大小便護(hù)理等功能，然而，功能越全面的護(hù)理床機(jī)械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、體積亦更加龐大;因此，通過機(jī)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)新，在實(shí)現(xiàn)多功能的同時進(jìn)一步縮小體積，從而提高其便攜性能，是護(hù)理床式機(jī)器人研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外，將近些年來出現(xiàn)的新型軟體機(jī)器人[33]技術(shù)思想融合到護(hù)理行業(yè)，可有效提高護(hù)理機(jī)器人的柔順性、安全性和適應(yīng)性。新型軟體機(jī)器人在人機(jī)交互、復(fù)雜易碎品抓持和狹小空間作業(yè)等方面具有不可比擬的優(yōu)勢，據(jù)報道，國外已研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品來輔助腦中風(fēng)患者或骨折病人做上肢康復(fù)訓(xùn)練。

2.2? 傳感器與智能控制技術(shù)

人工智能是全世界的研究熱點(diǎn)之一，因此，智能化必然是未來機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要方向，而護(hù)理機(jī)器人的智能水平又依賴于傳感器以及智能控制技術(shù)的發(fā)展。傳感器如同人類的“五官”，機(jī)器人若需要感知外部的環(huán)境變化并做出反應(yīng)，就需要依靠傳感器來采集外界的環(huán)境信息并進(jìn)行綜合處理。早期的護(hù)理機(jī)器人主要依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)護(hù)理功能，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前的護(hù)理機(jī)器人使用了大量的傳感器并結(jié)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(fā)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(huán)境的部分或側(cè)面信息的局限性，逐步產(chǎn)生了多傳感器信息融合技術(shù)，它通過對多種傳感器獲得的關(guān)于未知環(huán)境特征信息的分析和綜合，得到對該環(huán)境全面、一致的估計[34]。例如：天津大學(xué)設(shè)計的一款用于識別語音指令的智能語音系統(tǒng)，其裝載了微音器和攝像機(jī)，以人發(fā)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(biāo)聲音[35]。

2.3? 可靠性和安全性

盡管國內(nèi)外關(guān)于工業(yè)機(jī)器人可靠性和安全性的相關(guān)研究成果較多[36-38]，但針對護(hù)理機(jī)器人可靠性和安全性的研究仍相對較少，目前僅在康復(fù)機(jī)器人等領(lǐng)域有少量的研究報道[39]。護(hù)理機(jī)器人不同于一般的工業(yè)機(jī)器人，它是直接作用于人的系統(tǒng)，需要具備高的可靠性和安全性以保護(hù)使用者的生命安全;因此，為了使其能夠長期可靠地運(yùn)行，做好可靠性設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在實(shí)際應(yīng)用中，將容錯技術(shù)、故障診斷技術(shù)等多種技術(shù)引入護(hù)理機(jī)器人中，采用不同的冗余配置方式，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)劃級和控制級計算機(jī)系統(tǒng)高可靠性設(shè)計[40]。而在可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)上，按照各子系統(tǒng)的重要程度來進(jìn)行可靠性分配，如采取不降低產(chǎn)品性能前提下的簡化設(shè)計、降低元件實(shí)際承受的應(yīng)力、增加冗余的并聯(lián)結(jié)構(gòu)等措施，可以防止因?yàn)榇辛悴考煽啃缘投鴮?dǎo)致的全體結(jié)構(gòu)失效[41]。

為了保證護(hù)理機(jī)器人的安全性，采用ISO 13482-2014標(biāo)準(zhǔn)對個人護(hù)理機(jī)器人安全問題產(chǎn)生原因及相應(yīng)的處理措施進(jìn)行分析。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制算法以及評估方法等領(lǐng)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(jī)器人的安全性進(jìn)行評估[43];使用安全地板，當(dāng)有人靠近時自動關(guān)閉機(jī)器;安裝安全敏感系統(tǒng)，檢測是否有進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)的人員或者物體;等等。

3? ?總結(jié)與展望

隨著人們生活水平的提高和科技的快速發(fā)展，在應(yīng)對全世界范圍內(nèi)人口老齡化問題的過程中，護(hù)理機(jī)器人的需求正逐漸增大。上述個人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人、助餐機(jī)器人、復(fù)健機(jī)器人以及智能護(hù)理床式機(jī)器人等型號多樣、功能迥異的護(hù)理機(jī)器人的出現(xiàn)，改善了老年人和殘障人士的生活質(zhì)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(hù)理機(jī)器人的研究和應(yīng)用起步較晚，與西方發(fā)達(dá)國家之間仍存在較大差距。在今后的發(fā)展中，應(yīng)該從突出護(hù)理機(jī)器人的特色功能、與人工智能相結(jié)合、提高護(hù)理機(jī)器人的安全性與可靠性等方面加強(qiáng)改進(jìn)，從而在該領(lǐng)域形成獨(dú)特的競爭力。

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