吸痰機器人運動單元的改良設計

袁力蓉，羅 禹，朱皓陽,，史愛華，申存毅，譚文君,，馬 濤,，董鼎輝,，吳榮謙，呂 毅,

1 陜西省再生醫學與外科工程研究中心；2 西安交通大學第一附屬醫院肝膽外科， 西安 710061

在臨床工作中，吸痰是挽救危重患者生命的重要手段，也是護理人員必須掌握的基礎操作。對于分泌物多的患者，需要頻繁進行吸痰，占用護理人員大量的工作時間。面對現今護理人力資源短缺的現狀[1-3]，急需有效的替代方案將護士從繁重、重復性的簡單技術操作中解放出來，使護士有更多時間為患者提供人文關懷、進行復雜的護理操作。經人工氣道吸痰因為有人工氣道的保護，使得采用機械設備實施吸痰操作，實現吸痰管的送入及吸引動作更為安全和順暢。隨著計算機技術、人工智能技術、機器人學等多方面高新技術不斷發展，醫療服務機器人成為機器人研究領域的熱點[4-7]。國內外研究團隊也曾研發過吸痰裝置。2013年日本ULVAC機工株式會社研制了一種人工呼吸吸痰系統[8]；山東大學齊魯醫院急診科在2013年申請了一份名為自動吸痰型人工氣道及其構成的吸痰系統的專利[9]，但無法實現吸痰操作的完整替代。

筆者所在研究團隊從臨床需求與實用環境著眼，采用仿生設計的方式完成了吸痰機器人運動單元機械手方案的設計。機械手方案采用舵機控制板實施機械臂的程序控制，根據吸痰操作中的速度及力學要求選擇金屬齒輪舵機TR213作為驅動機構。6自由度機械臂可完成吸痰管的夾取、送管、回退保護以及旋轉退管動作，實現吸痰操作的模擬。在后期實驗驗證中，發現機械手對吸痰管夾取成功率為55%，有待于提高。因此，我們分析了吸痰機器人運動單元機械手方案存在的不足，從驅動方式及機械結構上進行改進，更新設計了直線導軌式吸痰機器人運動單元樣機。

1 吸痰機器人運動單元機械手存在問題及改進措施

1.1 機械手的加持面積過小以及摩擦力不足，導致夾持難度增加

為了增加機械手的有效夾持面積，我們在機械手夾持面增加擴展板；針對夾持面摩擦力過小的問題，采用更換機械手夾持面外附材料的方法，在機械手夾持面增加橡膠及紗布等表面材料，增加摩擦力(如圖1所示)。

圖1 直線導軌式吸痰機器人運動單元機械手改進方案

1.2 吸痰管位置不相對固定，導致機械手夾持吸痰管成功率低

吸痰管位置不相對固定，導致機械手夾持吸痰管時，易產生無效夾持，不能有效完成吸痰管推送或回退操作。針對吸痰管位置不固定問題，我們通過增加支架，固定吸痰管及人工氣道位置(如圖2所示)。通過測量人工氣道外露部分距離患者所躺平面高度范圍，研制直線導軌式吸痰機器人樣機支架及外殼，支架內外套管固定高度可調，覆蓋不銹鋼外殼，在預留機械手運行路徑的同時，對核心驅動結構進行覆蓋保護。在外殼的兩端焊接支架，一端用于固定氣管插管，另一端用于將吸痰管限定于同一水平面及正垂面內的同一直線上。為提升吸痰管所處位置的精度，減少吸痰管的左右晃動，在機械手夾持面中間增加一個橡膠環，吸痰管路從橡膠環中穿過(如圖1所示)。當機械手呈現開合狀態時，橡膠環呈松弛狀態不與吸痰管相互接觸，機械手開合狀態的運動不帶動吸痰管路的運動；當機械手閉合狀態時，橡膠環不影響機械手夾持吸痰管動作的實施。機械手夾持面中間增加橡膠環能夠有效限制吸痰管位于中立位，且能確保機械手閉合時吸痰管位于機械手夾持范圍內。

圖2 直線導軌式吸痰機器人樣機

1.3 改進運動模式：用直線導軌代替云臺轉動

隨著吸痰管的位置固定，吸痰動作的運動方向與角度隨之簡化，無需多自由度來調節機械手的高度。機械手的運動也演變為單一方向的前后運動，對于吸痰機器人運動單元的活動度要求降低。因此，將模仿手臂肘關節的機械臂模式轉變為前后運動的直線導軌方案將有效簡化實施方案的復雜程度。直線導軌可按照給定的前后方向做往返直線運動，角度固定、方向往返運作穩定。將機械臂設計方案中云臺旋轉而帶動機械手的前后運動，改變為與機械手處于同一水平面的步進電機帶動直線滑軌的前后運動，吸痰管的旋轉動作仍然采用舵機帶動機械手的擺動完成。

2 吸痰機器人的改良及效果

2.1 改良過程

按上述改進方案，組裝完成步進電機、直線滑軌的組裝實現吸痰管的前后運動；通過L形支架將直線滑軌與舵機相連接，通過舵盤及L形支架將機械手固定于舵機舵盤之上實現機械手的擺動動作完成；通過亞克力多孔位支架板將Arduino 控制板固定于直線導軌之中；樣機核心驅動結構組裝完成(如圖3所示)。最后將該核心驅動結構固定于定制的樣機支架中，不銹鋼外殼對電機、電路及Arduino控制板進行覆蓋保護，完成直線導軌式吸痰機器人樣機組裝(如圖2所示)。

圖3 直線導軌式吸痰機器人樣機核心驅動結構

采用Arduino IDE編輯吸痰機器人吸痰動作程序，需要控制三個電機的運動：一個步進電機、一個舵機和一個實現機械手開合夾閉的機械手的直流電機。通過驅動機構參數設定及送管動作代碼、回退保護動作代碼、退管動作代碼的編寫，完成程序編程(如圖4所示)，實現對吸痰機器人運動單元樣機的步進電機、舵機及機械手的控制，完成吸痰動作及功能。

圖4 直線導軌式吸痰機器人運動單元樣機部分程序代碼

2.2 改良效果

吸痰機器人運動單元直線導軌方案，在使用吸痰練習模型所搭建的仿真模擬試驗臺中實施驗證(見圖3)。第一步：設定各驅動機構起始狀態：步進電機控制機械手回到尾端起始部位；舵機處于中立位90°位置；機械手呈現開合不碰觸吸痰管狀態；固定起始狀態為程序的啟動做準備工作。第二步：步進電機帶動機械手前進20 cm至距離人工氣道口5 cm位置(模擬人工操作中用物準備齊全，準備插入吸痰管)。第三步：直流電機啟動，閉合機械手夾取吸痰管；步進電機帶動機械手再前進5 cm，實現所夾的吸痰管向前運動5 cm(模擬人工操作中首次夾取并插入吸痰管 5 cm)。第四步：直流電機啟動，機械手開合不再與吸痰管接觸；步進電機帶動機械手回退5 cm至上一次機械手夾取吸痰管的位置(模擬人工操作中手退后，準備再次夾取吸痰管)。第五步：循環進行機械手閉合送管及開合回退，至完成吸痰管送管動作(連續插管動作)。第六步：在完成最后一次閉合送管動作后，機械手不進行開合回退，而是在閉合狀態下回退1 cm，使所夾的吸痰管同步回退1 cm，起到保護呼吸道粘膜的作用(完成插管后退管1 cm，避免負壓損傷呼吸道粘膜)。第七步：此時開啟吸引器負壓，機械手閉合狀態下舵機擺動并步進電機反轉，吸痰管自氣道緩緩退出，同時痰液被吸出(模擬人工操作中旋轉退出吸痰管)。機械手回退至吸痰管完全退出，機械手開合不再與吸痰管相接觸。至此，一次完整的吸痰動作結束，返回至起始狀態。課題組共進行吸痰動作20次，順利完成操作16次，送管過程中吸痰管打折失敗4次，送管成功率達到80%。

3 討論與結論

直線導軌式吸痰機器人樣機使用支架固定吸痰管，簡化了吸痰機器人機械臂方案用于調節機械手高度及位置的三個自由度，減少了舵機數量，有效減少了操作及運作的復雜度。用直線導軌的運動機構代替了原有的云臺轉動帶動機械手的前后運動模式。直線導軌的線性運動模式更加穩定，可重復性高。且直線滑軌結構所占用空間位置相對于云臺轉動角度帶動機械手而呈現的近似直線的弧線運動，所需活動范圍更小，直線導軌式吸痰機器人樣機能放置的位置更加靈活。從機械結構上進一步優化了機械手的設計、并限制了吸痰管的可動范圍，吸痰管的運動位置固定越精準，吸痰機器人的運動方式越簡捷方便。

直線導軌式吸痰機器人運動單元樣機設計中，吸痰管的旋轉動作仍通過機械手的擺動來實現，機械手擺動幅度加大，需占用的活動空間也隨之擴大，但吸痰管有效旋轉角度有限。在后續的設計中，針對實施吸痰管旋轉動作的機械結構及驅動方式需要運作效率更高的設計方案，使得吸痰管的旋轉動作更加切實有效。

該研究針對吸痰機器人運動單元機械臂實施方案中的機械手夾持面過小以及摩擦力不足，吸痰管位置相對不固定導致的吸痰機器人運動單元夾持吸痰管成功率低，以及機械臂自由度多，控制及活動動作過于復雜的問題，從驅動方式及機械結構上進行改進，更新設計了吸痰機器人運動單元樣機。改進后的樣機運動穩定，能夠順利完成吸痰管的夾取、送管、回退保護以及旋轉退管動作，從而確保吸痰操作運動的可靠性和有效性。