智能移乘護(hù)理機(jī)器人設(shè)計(jì)

倪忠園 劉夢(mèng)飛 周磊

摘 要：為了幫助護(hù)理人員對(duì)下肢行動(dòng)不便的病人進(jìn)行空間上的位置轉(zhuǎn)移，設(shè)計(jì)出一款智能移乘護(hù)理機(jī)器人，可以在護(hù)理工的幫助使用下對(duì)病人實(shí)現(xiàn)抱起，移動(dòng)，放下等動(dòng)作。文章重點(diǎn)介紹了該智能移乘護(hù)理機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)方面主要分為三大模塊：伸縮機(jī)構(gòu)，胸部支承和驅(qū)動(dòng)裝置；液壓傳動(dòng)系統(tǒng)部分主要是對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖進(jìn)行了說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：智能移乘；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；液壓傳動(dòng)；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(xué)技術(shù)跨時(shí)代的巨變，加上老齡化人口與日俱增，2015年全國(guó)1%人口抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，60歲以上人口為2.2億，65歲及以上人口占總?cè)丝诘谋壤秊?0.47%，這說(shuō)明我國(guó)老齡化形勢(shì)十分嚴(yán)峻[1]。近年來(lái)，各國(guó)對(duì)老年人和一些肢體有殘疾的弱勢(shì)群體有了更多的關(guān)注。我國(guó)在逐漸崛起成為經(jīng)濟(jì)大國(guó)的同時(shí)，人們對(duì)精神上的要求也逐漸提高，希望能通過(guò)現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)改善現(xiàn)有的生活質(zhì)量。醫(yī)療護(hù)理，生活照料等行業(yè)將迎來(lái)發(fā)展的黃金時(shí)期，使用機(jī)器人輔助治療既有利于病人的身心健康發(fā)展，又有利于激發(fā)護(hù)理工作者的工作熱情[2-4]。

日本機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，越來(lái)越多的護(hù)理機(jī)器人已經(jīng)投入到使用當(dāng)中，例如有Robear機(jī)器人，TEMLX2的機(jī)器人，twendy-one護(hù)理機(jī)器人等[5]。國(guó)內(nèi)，河北工業(yè)大學(xué)的“白澤”機(jī)器人正式發(fā)布，這是中國(guó)護(hù)理機(jī)器人研發(fā)的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，是年老體弱者和下肢不便者人群的福音，但還處于實(shí)驗(yàn)室階段。因此本文研究設(shè)計(jì)了一種以液壓為驅(qū)動(dòng)力的智能移乘護(hù)理機(jī)器人，可以在護(hù)理工無(wú)需彎腰的情況下對(duì)被護(hù)理者進(jìn)行空間上的移位。

2 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)中的智能移乘護(hù)理機(jī)器人主要用于醫(yī)院和理療機(jī)構(gòu)，主要能對(duì)下肢癱瘓或者下肢運(yùn)動(dòng)不便的人員進(jìn)行抱起和移動(dòng)。在設(shè)計(jì)時(shí)假定被轉(zhuǎn)移者的最大體重為100kg，通過(guò)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(chǔ)來(lái)參考設(shè)計(jì)該移乘裝置。當(dāng)智能移乘護(hù)理機(jī)器人用于實(shí)際中時(shí)，主要考慮的應(yīng)該是運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)問(wèn)題和被移乘者的舒適程度。由于液壓系統(tǒng)具有輸出力矩大、調(diào)速范圍廣、操作簡(jiǎn)單、緩沖減震而且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)[6]，因此在設(shè)計(jì)中采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)時(shí)，該智能移乘機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)的就是抱緊，抱起，移位和放下的動(dòng)作。根據(jù)這些所要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)完成該裝置各個(gè)部件的設(shè)計(jì)。例如抱緊這個(gè)動(dòng)作主要是通過(guò)胸部支承內(nèi)部的雙活塞液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的；抱起主要是通過(guò)伸縮機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)支承臂的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)三維軟件建模，可以得到圖1所示的立體模型：

智能移乘機(jī)器人的工作原理概述：首先由控制部分發(fā)出指令，智能移乘機(jī)器人移動(dòng)到被護(hù)理者的前方，胸部支承將人抱緊，接著支承臂在伸縮機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下將人抱起，抱起至最高點(diǎn)時(shí)，移乘機(jī)器人開(kāi)始移動(dòng)至目的地，到達(dá)目的地之后將人緩緩地放下來(lái)，完成此次移乘的過(guò)程。為了更加清楚地?cái)⑹鲞@個(gè)移乘過(guò)程，繪制二維平面運(yùn)行軌跡如圖2所示。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 伸縮機(jī)構(gòu)

在該支援裝置中，伸縮機(jī)構(gòu)其實(shí)是單活塞液壓缸，利用單活塞桿液壓缸的伸出或者收縮來(lái)帶動(dòng)支承臂的擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)將人抱起的動(dòng)作。通過(guò)對(duì)支援裝置的簡(jiǎn)化，以及各個(gè)初始參數(shù)以及受力分析可以得到單活塞液壓缸的最大負(fù)載力，具體分析過(guò)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(jī)構(gòu)主要起到支承人體上身和抱緊上身的作用。假設(shè)當(dāng)壓力傳感器測(cè)得的力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，可以視為兩個(gè)突出支承此時(shí)已經(jīng)將人抱緊。

3.3 驅(qū)動(dòng)裝置

該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)力的，因此該部分需要對(duì)電機(jī)，液壓泵，液壓控制閥，過(guò)濾器，油箱和管接頭進(jìn)行設(shè)計(jì)或者選型，在設(shè)計(jì)的最后對(duì)液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率進(jìn)行估算和溫升驗(yàn)算，通過(guò)這些過(guò)程就完成了液壓站的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 液壓控制系統(tǒng)

該移乘護(hù)理機(jī)器人在工作時(shí)主要分為以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：抱緊，抱起，移動(dòng)，放下，現(xiàn)在逐一根據(jù)圖6的液壓控制系統(tǒng)原理圖來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

抱緊：當(dāng)智能移乘機(jī)器人靠近被護(hù)理者時(shí)，當(dāng)人緊貼在胸靠上，此時(shí)遠(yuǎn)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(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的數(shù)值時(shí)，則視為智能移乘護(hù)理機(jī)器人已經(jīng)將人抱緊，此時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，使得電液比例換向閥處于中位，并在一定的時(shí)間內(nèi)保持這一狀態(tài)。

抱起：胸靠上裝有柔性壓力傳感器，當(dāng)檢測(cè)到預(yù)設(shè)的壓力值時(shí)，可以認(rèn)為被護(hù)理者已經(jīng)緊貼胸靠，可以對(duì)病人進(jìn)行抱起。這時(shí)在控制系統(tǒng)的作用下，電液比例換向閥4的右端接入電路中，此時(shí)液壓缸的活塞收縮，支撐臂向左旋轉(zhuǎn)，將人抱起至目標(biāo)的高度。

移動(dòng)：當(dāng)支承臂的角位移旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)值時(shí)，角位移傳感器將位移的信息反饋至控制系統(tǒng)，此時(shí)電液比例換向閥4的中位接入到回路中，被護(hù)理者保持這個(gè)姿勢(shì)，智能移乘機(jī)器人載著被護(hù)理人向目標(biāo)地移動(dòng)。

放下：當(dāng)?shù)竭_(dá)控制系統(tǒng)所設(shè)置的目的地時(shí)，此時(shí)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(zhǎng)，從而將人放到椅子上或者是護(hù)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(gè)活塞桿伸出，將人松開(kāi)，這樣就完成了整個(gè)移位的過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的智能移乘護(hù)理機(jī)器人主要是用來(lái)協(xié)助護(hù)理工對(duì)被護(hù)理者進(jìn)行移位，減輕護(hù)理工的工作強(qiáng)度，能夠有更多的精力與被護(hù)理者進(jìn)行情感上的交流。本文主要是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)，雖然平穩(wěn)性較好，動(dòng)作靈敏，但是液壓油容易受到溫度的影響，采用自動(dòng)化的溫控技術(shù)可以取得更好的效果，另外增加自動(dòng)升降的結(jié)構(gòu)可以增加使用范圍。

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