移動(dòng)機(jī)器人在醫(yī)療場景的研究與應(yīng)用進(jìn)展

深圳市人民醫(yī)院 設(shè)備科，廣東 深圳 518020

引言

高效且優(yōu)質(zhì)的物流配送服務(wù)是醫(yī)院后勤運(yùn)營管理的核心內(nèi)容之一，是醫(yī)院提供優(yōu)質(zhì)醫(yī)療服務(wù)的基礎(chǔ)保障。近年來在信息化、智慧化醫(yī)院建設(shè)的浪潮下，部分醫(yī)院嘗試引入現(xiàn)代化物流系統(tǒng)。其中，基于無人駕駛技術(shù)的機(jī)器人（Automated Guided Vehicle，AGV）所組成的物流系統(tǒng)成為一種極具特色的解決方案[1]。AGV物流系統(tǒng)以醫(yī)院智慧物流配送為核心使命，結(jié)合目前不斷發(fā)展成熟的人工智能、自動(dòng)駕駛、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)院內(nèi)后勤物流配送體系的高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。在應(yīng)對日益增加的物資配送工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)醫(yī)院的智慧化、自動(dòng)化、信息化管理，提升物品配送效率，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院后勤精細(xì)化管理，并且通過解放醫(yī)務(wù)工作者配送負(fù)擔(dān)，使其更專注于為患者提供專業(yè)且快捷的醫(yī)療服務(wù)，提升醫(yī)院品牌形象，提高社會(huì)影響力。

機(jī)器人物流是一個(gè)相對較新的概念，目前國內(nèi)的企業(yè)還不多，在醫(yī)療場景中的應(yīng)用尚處于初期但發(fā)展迅速的階段，本文旨在梳理移動(dòng)機(jī)器人在醫(yī)療場景中應(yīng)用的必要性以及當(dāng)前的現(xiàn)狀，為醫(yī)療服務(wù)信息化建設(shè)提供參考。

1 AGV在醫(yī)療場景應(yīng)用的必要性

1.1 醫(yī)療機(jī)構(gòu)物流運(yùn)輸現(xiàn)狀

醫(yī)院后勤工作中物流管理工作對醫(yī)院各部門事務(wù)開展有著直接或間接的影響，如何實(shí)現(xiàn)高效、統(tǒng)一的物流配送管理是現(xiàn)代醫(yī)院后勤工作中重要的問題。

醫(yī)療機(jī)構(gòu)物流運(yùn)輸?shù)男枨蠓浅４?，物流運(yùn)輸內(nèi)容包括藥品、器械、耗材、標(biāo)本、被服、餐食、醫(yī)療垃圾等，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)醫(yī)院將大約46%的預(yù)算花費(fèi)在與物流有關(guān)的地方，其中19%花費(fèi)在了人力勞動(dòng)上。而傳統(tǒng)人力物流配送工作效率受到8 h工作時(shí)間、人體體力限制、配送協(xié)調(diào)不均、配送失誤等問題影響，常常達(dá)不到院內(nèi)物品配送時(shí)效要求，因此需要占用醫(yī)務(wù)人員相當(dāng)大部分時(shí)間來輔助物品送遞，從而影響了醫(yī)務(wù)人員的護(hù)理工作。除此之外，在配送過程中涉及配送管理、物品管理、人員管理問題又給醫(yī)院后勤管理帶來新的挑戰(zhàn)。

醫(yī)院精益化管理要求將院內(nèi)的人、事、物有效地聯(lián)動(dòng)管理起來，傳統(tǒng)人力配送無法有效實(shí)現(xiàn)物品在運(yùn)輸過程中進(jìn)行記錄、追溯、監(jiān)督；護(hù)工的高流動(dòng)性也引起護(hù)工招聘越來越困難，培訓(xùn)與考核的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)成本越來越高。醫(yī)院整個(gè)運(yùn)營效率降低、管理成本提高的矛盾日益尖銳，急需更加靈活、有效、方便、高效、安全的現(xiàn)代化物流系統(tǒng)。

實(shí)際上，我國醫(yī)院現(xiàn)代化物流系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了人力配送、機(jī)械化物流系統(tǒng)配送、人工智能機(jī)器人配送三個(gè)階段[2-3]，見表1。

表1 醫(yī)院現(xiàn)代物流系統(tǒng)發(fā)展歷程

1.2 AGV及其特點(diǎn)

AGV是指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車。AGV最早出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代，美國Basrrett電子公司成功研發(fā)了世界上第一臺(tái)AGV，70年代開始在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

國內(nèi)對AGV的研究和應(yīng)用工作開展則相對比較遲緩。國內(nèi)是從20世紀(jì)60年代開始自主研發(fā)AGV[4]。直到近幾年，中國人口紅利有所下降，人工成本不斷上升，AGV市場的價(jià)值才逐漸被挖掘。目前在國內(nèi)還處于AGV的研發(fā)應(yīng)用推廣期，主要應(yīng)用于工廠物流與倉儲(chǔ)物流領(lǐng)域。在汽車、電商等行業(yè)為AGV物流機(jī)器人鏖戰(zhàn)不休的時(shí)候，醫(yī)院正成為AGV移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的又一大熱門領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)的醫(yī)療運(yùn)輸方式相比，AGV機(jī)器人具有工作效率高、成本費(fèi)用較低、節(jié)省管理精力、可靠性高、較好的柔性和系統(tǒng)拓展性等優(yōu)勢[5]，在人口紅利消失的背景下，AGV將在醫(yī)療物流運(yùn)輸中發(fā)揮越來越突出的作用。

（1）工作效率高。AGV實(shí)現(xiàn)上下料及來回運(yùn)輸工作，實(shí)行不停機(jī)換料，縮短人工換料時(shí)間，提前做好物料準(zhǔn)備，避免原始換料所產(chǎn)生的各種因素，保障了流水線的流暢性。AGV小車可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電功能，從而達(dá)到48 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工作，大大提高了工作效率。

（2） 成本費(fèi)用較低。隨著國內(nèi)AGV技術(shù)的發(fā)展與成熟，AGV的性價(jià)比越來越高，與人力相比較，少人化、無人化的改革的工業(yè)轉(zhuǎn)型升級優(yōu)勢日益明顯。

（3）節(jié)省管理精力。AGV機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)全智能化管理，從而提高智能化管理水平，有效規(guī)避人員因素。

（4）可靠性高。相對于人工搬運(yùn)，AGV的行駛路徑和速度可控、定位停車精準(zhǔn)，從而大大提高了物料搬運(yùn)的效率。同時(shí)，AGV管理系統(tǒng)可以對AGV小車全程監(jiān)控，可靠性得到極大提高。

（5）較好的柔性和系統(tǒng)拓展性。醫(yī)療AGV配置的中央管理系統(tǒng)可自動(dòng)規(guī)劃AGV行駛路線，具有較好的靈活性。同時(shí)，AGV系統(tǒng)已成為工藝流程中的一部分，可作為如上層存儲(chǔ)空間等眾多工藝連接的紐帶，具有較高的可擴(kuò)展性。

（6）人流物流分離。傳統(tǒng)的醫(yī)院物流方式的人、物流交叉情況較為嚴(yán)重，存在各類人員交叉感染的潛在可能性以及物品受污染、受損、丟失的現(xiàn)象，AGV可以有效解決這些問題。

對于醫(yī)院物流的升級來說，一方面其在現(xiàn)代醫(yī)院管理中的戰(zhàn)略意義重大，另一方面現(xiàn)有醫(yī)院物流體系低效率、高成本、費(fèi)人工的缺點(diǎn)越來越顯著。因此，隨著人口紅利的消失，在人工成本不斷上漲和軌道物流、氣動(dòng)物流等穩(wěn)定不足的現(xiàn)實(shí)下，利用AGV機(jī)器人實(shí)現(xiàn)醫(yī)療物資的無人物流配送正變得必要且可行，醫(yī)院引進(jìn)AGV物流系統(tǒng)是適應(yīng)醫(yī)院發(fā)展規(guī)律的客觀需要。

2 醫(yī)療AGV的核心技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

AGV機(jī)器人是一種集成了動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等多種系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)備（圖1）[6]。在醫(yī)療AGV的研發(fā)和應(yīng)用過程中，導(dǎo)航技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)等是影響產(chǎn)品用戶體驗(yàn)的核心，也是AGV企業(yè)的競爭優(yōu)勢和技術(shù)壁壘所在。

圖1 醫(yī)療AGV的組成系統(tǒng)

具體而言，醫(yī)療AGV產(chǎn)品在以下技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，并將持續(xù)研發(fā)和動(dòng)態(tài)更新。

2.1 醫(yī)療AGV的導(dǎo)航技術(shù)

AGV之所以能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛，導(dǎo)航和導(dǎo)引對其起到了至關(guān)重要的作用。導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展是AGV產(chǎn)品更新發(fā)展的最主要方向，當(dāng)前醫(yī)療AGV產(chǎn)品的導(dǎo)航技術(shù)主要有直接坐標(biāo)導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、磁帶導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、圖像識(shí)別導(dǎo)航等[7-10]，總結(jié)如表2所示。

表2 醫(yī)療AGV導(dǎo)航技術(shù)總結(jié)

2.2 醫(yī)療AGV的路徑規(guī)劃技術(shù)

在醫(yī)療應(yīng)用場景中，AGV并不是單臺(tái)作業(yè)的，而是多設(shè)備協(xié)同工作。隨著柔性制造系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和物流自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，多AGV的物流系統(tǒng)成為重要的研究方向，這其中，路徑規(guī)劃是直接影響多AGV系統(tǒng)整體性能的重要部分，格外受到學(xué)者關(guān)注，并提出了多種計(jì)算模型和策略[11]。

圖2 AGV路徑規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)

（1）靜態(tài)環(huán)境中的AGV路徑規(guī)劃。靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃，是研究AGV在環(huán)境信息相對固定的情形下如何規(guī)劃最合理的路徑，這種情況應(yīng)用的醫(yī)療場景，主要是在醫(yī)療建筑物中障礙物已知且不變的情形，比如醫(yī)院里某一相對固定的場景。對于靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，其路徑規(guī)劃的難度和合理性，取決于路徑的平滑程度，路徑越趨于平緩，則AGV系統(tǒng)越容易實(shí)現(xiàn)[12]。全局路徑的靜態(tài)規(guī)劃關(guān)注AGV設(shè)備的實(shí)時(shí)性、安全性和送達(dá)性指標(biāo)。

（2）動(dòng)態(tài)環(huán)境中的AGV路徑規(guī)劃。動(dòng)態(tài)環(huán)境下，行進(jìn)路途中的環(huán)境信息會(huì)動(dòng)態(tài)變化，難以提前掌握，這導(dǎo)致路徑規(guī)劃問題變得尤其復(fù)雜，靜態(tài)環(huán)境下的最優(yōu)路徑在動(dòng)態(tài)環(huán)境中是不適用的，這就需要有更為先進(jìn)的算法。在規(guī)劃AGV路徑時(shí)，AGV小車受到目標(biāo)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)安全性和時(shí)間要求的約束，考量的最重要因素是在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的前提下，對安全性和時(shí)間性進(jìn)行合理的平衡。

在動(dòng)態(tài)環(huán)境AGV路徑規(guī)劃的算法研究中，早期的局部路徑規(guī)劃方法有模擬退火算法、人工勢場法和模糊邏輯法等，近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法、蟻群優(yōu)化算法和粒子群算法等算法被逐步引入，基于兩階段交通控制策略的Petri網(wǎng)、Tabu Search算法、時(shí)間窗方法等也成為解決本問題的思路和方案[13-16]。

2.3 醫(yī)療AGV的系統(tǒng)調(diào)度技術(shù)

如前文所述，在醫(yī)療應(yīng)用場景中，AGV是多臺(tái)設(shè)備協(xié)同工作的，因此，對AGV的調(diào)度控制直接影響到AGV的工作效率。AGV調(diào)度控制系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)控制不同AGV車輛的工作服務(wù)計(jì)劃，由一系列軟硬件組成。

醫(yī)療AGV的系統(tǒng)調(diào)度技術(shù)也是AGV產(chǎn)品的核心技術(shù)之一，當(dāng)前國內(nèi)學(xué)術(shù)界和實(shí)務(wù)界尚處于初級階段[17]，但該技術(shù)發(fā)展較為迅速，如滴滴打車等的系統(tǒng)調(diào)度技術(shù)逐漸被國內(nèi)AGV廠商所引入，越來越多的AGV廠商研發(fā)了或正在研發(fā)自己的調(diào)度系統(tǒng)。

除此之外，AGV控制系統(tǒng)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電池解決方案等技術(shù)的穩(wěn)定性和先進(jìn)性，對醫(yī)療AGV的質(zhì)量也有顯著影響，也是當(dāng)前研發(fā)和應(yīng)用中在著力解決的重要問題。

3 AGV的應(yīng)用進(jìn)展

3.1 AGV在非醫(yī)療場景的應(yīng)用進(jìn)展

AGV小車的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，隨著信息、電子電工、機(jī)械設(shè)計(jì)制造等技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，AGV正以更好的性能和更低的成本向大家走來?？偨Y(jié)來講，除了醫(yī)療場景之外，AGV機(jī)器人還在以下場景中有著廣泛的應(yīng)用[18-21]。

（1）貨物搬運(yùn)。在工廠、倉庫、車間的貨物、物料搬運(yùn)過程中，隨著人口紅利的消失，人工成本逐年增長，AGV的使用在各行各業(yè)流行起來。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年底，全世界大約有2萬多種不同類型的AGV在2100個(gè)大型和小型倉庫中運(yùn)行。

（2）生產(chǎn)線流水作業(yè)。傳統(tǒng)的生產(chǎn)線一般由連續(xù)的剛性傳動(dòng)設(shè)備組成，短則數(shù)米長則幾千米。自從AGV小車的出現(xiàn)，完全改變了這個(gè)格局，不僅是一個(gè)自動(dòng)引導(dǎo)車輛使用，也可作為移動(dòng)式裝配站處理平臺(tái)使用，它們可以獨(dú)立自由、獨(dú)立工作，并能準(zhǔn)確無誤地有序組合,雖然沒有物理分區(qū)的形成，但可以發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，完全媲美之前動(dòng)態(tài)高度靈活的生產(chǎn)線，成本一下子就下降很多，從而企業(yè)可以更多投入到產(chǎn)品研發(fā)上。

（3）特殊的應(yīng)用場景。AGV無人駕駛自動(dòng)處理解決了一些不適合人們生產(chǎn)或工作的特殊環(huán)境問題，主要在一些危險(xiǎn)行業(yè)，比如核材料、危險(xiǎn)品（農(nóng)藥、有毒物質(zhì)、腐蝕性物品、生物制品、易燃易爆物品）等。在核電站和用于儲(chǔ)存的核輻射場所，AGV被用來運(yùn)輸貨物和避免危險(xiǎn)的輻射。還有就是強(qiáng)度大、有安全要求的行業(yè)，在鋼鐵工廠中，AGV用于輸送爐料，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。再就是人類不適合的作用，比如黑暗環(huán)境下的工作等，一個(gè)典型例子就是電影倉庫中，AGV可以在黑暗的環(huán)境中提供材料和半成品，這是人類所不能及的。

3.2 AGV在醫(yī)療場景的應(yīng)用進(jìn)展

相對于傳統(tǒng)的工業(yè)場景應(yīng)用，醫(yī)療行業(yè)用AGV起步較晚，目前生產(chǎn)醫(yī)療AGV產(chǎn)品的公司還不多，且大部分為創(chuàng)業(yè)型公司，市場還處于萌芽期。由于醫(yī)療應(yīng)用場景的特殊性，當(dāng)前在投入醫(yī)院使用的AGV大多采用SLAM自主導(dǎo)航技術(shù)，這樣不需要在地面進(jìn)行鋪設(shè)，不會(huì)破壞地面的整潔，適用于醫(yī)院使用[22-23]。

國外如德國、新加坡、日本等國家將AGV機(jī)器人引入醫(yī)療領(lǐng)域的時(shí)間較早，一方面這些國家的技術(shù)相對比較成熟，另一方面這些國家的人力成本更高，因此在醫(yī)療AGV的應(yīng)用方面已經(jīng)比較成熟，實(shí)現(xiàn)了在病人餐食、衣物、醫(yī)院垃圾、供應(yīng)室消毒物品等多個(gè)醫(yī)療場景上的有效應(yīng)用。

我國AGV機(jī)器人的應(yīng)用最主要的領(lǐng)域還是在工業(yè)生產(chǎn)和物流行業(yè)，在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用總體而言還處于起步階段。從2014年開始，國內(nèi)逐漸涌現(xiàn)出了一批醫(yī)療AGV研發(fā)制造企業(yè)，逐漸讓我國的研發(fā)工作和市場化發(fā)展有了一定起色。在應(yīng)用方面，深圳人民醫(yī)院、武漢協(xié)和醫(yī)院、南京鼓樓醫(yī)院、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院等已經(jīng)配置了醫(yī)療AGV，而且大部分產(chǎn)品是國產(chǎn)產(chǎn)品。這些醫(yī)院主要將醫(yī)療AGV運(yùn)用在消毒供應(yīng)中心、藥物配置中心、護(hù)士站、住院部、手術(shù)室、庫房等6大場景之中，普遍取得了一定的實(shí)踐成果。

深圳市某AGV生產(chǎn)廠家2019年度在深圳市布局了22余家醫(yī)院，共41臺(tái)AGV設(shè)備，包括深圳市人民醫(yī)院、廣東省第二人民醫(yī)院、南方醫(yī)科大深圳醫(yī)院、北京中醫(yī)藥大學(xué)深圳醫(yī)院、深圳市坪山婦幼保健院等。筆者所在的深圳市人民醫(yī)院布局了6臺(tái)AGV設(shè)備，對該院的AGV工作進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如下：平均每臺(tái)AGV每日的任務(wù)數(shù)為82次，每臺(tái)AGV平均每日的配送里程數(shù)為10760 m，每臺(tái)AGV平均每次的配送距離為131.23 m，每次配送平均耗時(shí)為3.22 min（含裝載卸載貨品時(shí)間）。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和使用情況來看，AGV設(shè)備的使用率較高，日均配送里程較長，展示出了對人力配送的良好替代性。

3.3 AGV在醫(yī)療場景應(yīng)用中存在的不足

雖然AGV設(shè)備在醫(yī)療場景中的應(yīng)用越來越廣泛，但是不可忽視的是，作為一個(gè)新生事物，其于醫(yī)療場景的融合當(dāng)中，在醫(yī)生或護(hù)士的使用與交互當(dāng)中，也暴露出了一些不足[24-26]，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）價(jià)格相對較高。作為一項(xiàng)融合了多項(xiàng)尖端技術(shù)的高科技產(chǎn)品，AGV產(chǎn)品的價(jià)格仍處于相對較高的位置。例如：2016年武漢協(xié)和醫(yī)院引進(jìn)了兩臺(tái)智能物流機(jī)器人，每臺(tái)AGV的造價(jià)達(dá)到了200萬元，這樣的價(jià)格對于中小醫(yī)院而言太過昂貴。盡管從長遠(yuǎn)來看，醫(yī)院使用AGV將有助于降低運(yùn)營成本，但前期的投入巨大對于很多中小醫(yī)院導(dǎo)入來說還是有些困難。

（2） 技術(shù)的成熟程度有待提高。相比于傳統(tǒng)的工業(yè)場景，醫(yī)院的環(huán)境更加復(fù)雜，人員流動(dòng)性更大，對AGV的導(dǎo)航系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)等技術(shù)要求也就更加嚴(yán)格，場景更加復(fù)雜，技術(shù)的成熟度與產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)和產(chǎn)品質(zhì)量直接相關(guān)。

（3）功能性能與醫(yī)療人員的期望存在差異。人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛傳播，導(dǎo)致作為非研發(fā)人員的醫(yī)護(hù)人員等使用者對人工智能技術(shù)充滿了較高的期待，如實(shí)現(xiàn)自然語義多輪交互等，然而實(shí)際上人工智能技術(shù)還存在一定的局限性，智能機(jī)器人能提供的功能與性能與醫(yī)療人員的期待還存在一定差距，這是AI技術(shù)發(fā)展階段決定的。

4 結(jié)語

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和AGV技術(shù)的不斷成熟，AGV的應(yīng)用場景也在不斷擴(kuò)大，其中，以AGV為核心的現(xiàn)代物流系統(tǒng)為醫(yī)療服務(wù)行業(yè)帶來了嶄新的變化。本文概述了AGV的特點(diǎn)優(yōu)勢，研究認(rèn)為AGV應(yīng)用于醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域是可行且必要的；然后本文從導(dǎo)航技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)和系統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)三項(xiàng)核心技術(shù)解析了AGV機(jī)器人的研究進(jìn)展，認(rèn)為在導(dǎo)航技術(shù)方面、多機(jī)調(diào)度等方面還有較大的技術(shù)研發(fā)空間。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了國內(nèi)醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用AGV的現(xiàn)狀情況，認(rèn)為在價(jià)格、產(chǎn)品穩(wěn)定性、產(chǎn)品性能等方面還存在一定的不足。AGV廠商一方面要深入開展技術(shù)研發(fā)，在導(dǎo)航技術(shù)等方面進(jìn)一步突破，不斷提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性與實(shí)用性，同時(shí)也要注重培養(yǎng)用戶認(rèn)知，讓醫(yī)療AGV真正融入醫(yī)療服務(wù)場景，為醫(yī)院切實(shí)提供高效、優(yōu)質(zhì)的物流配送服務(wù)。