基于SolidWorks Simulation的人體轉運機器人研究

歐陽葉，胡國清，陳鎮國

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641)

2016-2018年，我國醫療機構住院手術人次分別為5 082.2萬、5 595.7萬、6 171.6萬，年均增長率在10%以上[1]。目前，國內醫療衛生機構手術室保有量巨大，手術人次增長迅速，但是在手術過程中，病人的轉運主要是由病人家屬協助醫護人員用人工的方式將病人從手術臺轉運至病床。該轉運方案主要依靠人力完成，勞動強度大，且容易引發患者二次損傷。因此，越來越多的研究學者提出了利用機械裝置來協助醫護人員完成病人轉運的設想，一方面有助于提高醫療機構的工作效率，另一方面可以減輕醫護人員的勞動強度。

2000年以來，日本、瑞典等老齡化嚴重、人力成本高昂的國家和地區已經對轉運護理機器人有過諸多探索，包括大阪變壓器株式會社推出的病人轉運裝置C-Pam(Careful Patient Mover)、日本理化研究所和住友理化株式會社共同研發的護理機器人ROBEAR、日本松下電器產業株式會社生產的集成式護理輪椅床Resyone和瑞典ArjoHuntleigh公司生產的頂部升降式病人移位系列護理設備等。目前，國內高校在病人輔助移位機器人的轉運方案設計上，基本參考了C-Pam的雙層傳送帶結構，依靠病人與傳送帶之間的靜摩擦力作用實現轉運。

針對手術室病人轉運這一特定場景，人體轉運護理機器人的設計需要符合2項基本原則：1)轉運過程盡量不改變病人的姿勢，避免二次損傷；2)該機器人的布置不需要更改手術室原有布局，具有普遍適用性。為此，本文提出一種采用對稱的機械手結構對病人進行抓取，利用升降機來實現病人升降的人體轉運機器人設計方案，并對關鍵零部件進行有限元分析，在確保安全性的基礎上對其進行優化，可以有效降低升降部分的重量，提升樣機的輕便性。

1 人體轉運護理機器人研究現狀

1.1 基于傳送帶轉運原理的轉運裝置

2008年大阪變壓器株式會社與燕山大學王洪波教授合作研發了病人轉運裝置C-Pam(見圖1)，該裝置集成了上下兩層傳送帶和控制器，每層傳送帶由4個獨立的子模塊組成，其中下層傳送帶負責該裝置在病床到轉運床之間的運動，上層傳送帶負責病人的轉運[2-3]。該裝置為了消除子模塊轉速不一致所導致的病人皮膚拉扯，開發了一種新的伺服系統，可以獨立測量上下兩層傳送帶每個子模塊電動機的位置、速度和扭矩，并由主控制器在接收到控制命令后向電動機驅動器輸出脈寬調制(PWM)信號[4]。軍事醫學科學院侍才洪設計的傷員換乘轉運機器人和江南大學劉華設計的醫療輔助移位機器人在病人的轉運上均采用了該結構，并在此基礎上設計了升降機構、姿態變換機構、移動底盤和控制系統，使得轉運機器人不僅可以對病人進行轉運，而且可以對病人進行姿態變換，用作日常護理[5-7]。

圖1 C-Pam工作原理

該類裝置的傳送帶由于尺寸限制需要采用多個子模塊共同組成，但是每個子模塊配備的電動機無法完全同步，需要開發伺服控制系統解決該問題，增加了裝置的復雜性，且應用過多的電動機和控制器并不具備經濟性。

1.2 擬人形態的轉運護理機器人

2007年日本理化研究所仿生控制研究中心開發了一款名為RI-MAN的機器人，該機器人具有類似于人類的外形，并配備視覺傳感器、聽覺傳感器、觸覺傳感器和氣味傳感器，通過融合視頻和音頻信息來實時搜索特定的人，并基于聲音識別功能來理解人的語音，在利用雙臂抱起病人時會根據觸覺傳感器反饋的受力信息與人類進行身體上的互動，此外氣味傳感器使得RI-MAN可以識別常見的氣味，如尿液[8]。

2009年，日本理化研究所(RIKEN)與東海橡膠工業公司(TRI)聯合建立的人機交互機器人研究合作中心在RI-MAN機器人的基礎上開發了輔助護理機器人RIBA(交互式人體輔助機器人)，該機器人可以利用雙臂將61 kg的病人從床搬運至輪椅上。2011年，RIKEN-TRI推出了RIBA-II，該機器人在底部和下背部添加的新關節使得它可以蹲下將地面上的病人抱起，且機器人的負重提升至80 kg。2015年，日本理化研究所(RIKEN)與住友理化株式會社(SRK)合作推出了第3代ROBEAR機器人(見圖2)，該機器人的質量從RIBA-II的230 kg降低至140 kg，更加輕巧方便。

圖2 第3代ROBEAR機器人

該類機器人的限制在于結構過于復雜，生產成本太高，且目前技術尚不成熟，無法勝任復雜的病人護理任務，但是僅用于完成病人轉運任務并不具有經濟性，因此在2015年3月RIKEN-SRK人機交互機器人研究合作中心已經關閉。

1.3 吊帶升降機

瑞典ArjoHuntleigh公司生產的病人移位系列護理設備采用吊機的結構，配合特制的符合人體工程學的吊帶，在病人穿上網狀吊帶后，通過升降機的掛鉤鉤住網狀吊帶外沿的繩套，利用電缸的動力將網狀吊帶和病人整體抬升起來(見圖3)。該升降機底部安裝有腳輪，使得醫護人員可以推動該升降機對病人進行移動，且升降機掛鉤可以搭配環形吊帶、擔架吊帶等不同樣式的特制吊帶，從而對病人完成不同姿勢的轉運以適應病房轉運、家庭轉運等復雜的場景。

圖3 Minstrel升降機

該類升降機的限制在于需要使用公司特制的吊帶，且吊帶會跟隨病人進出手術室，因此吊帶重復使用需要經歷復雜的消毒流程，使得該類設備并不適用于手術室環境的病人轉運。

2 機器人總體方案設計

轉運機器人結構圖如圖4所示。該人體轉運護理機器人的結構包括機器人框架、蝸輪絲桿升降機構、升降工作臺、滾珠絲杠滑臺和機械手轉運機構等5個部分，其中機器人框架采用80 mm×80 mm的鋁型材通過角碼連接組成，長、寬、高尺寸為2 000 mm×1 360 mm×1 800 mm；渦輪絲桿升降機構具有傳動比大、可以自鎖的特點，廣泛應用于大載荷、低速的工作場合，在樣機制作中可以用于機械手工作臺的升降；滾珠絲杠滑臺底座為30 mm×150 mm的鋁型材，配合直徑為20 mm的絲杠負載可以達到200 kg，可以用于承載機械手爪和病人。

在實際工作過程中，根據轉運場景可以由醫護人員將轉運機器人移動至手術床或病床的正上方固定，或者固定機器人的位置將轉運床移動至機器人的正下方，再由醫護人員從一側抄起病人傾斜一定角度，控制該側的機械手爪平行移動至病人下方，醫護人員松手后病人會自然平躺在單側的機械手爪上，升降機帶動機械手爪向上移動一定距離使得病人懸空，再由另一側的機械手爪平行移動至合攏，以合抱的姿勢將病人抱起離開床面。將該過程反轉即可將病人轉運至其他病床上，從而實現對病人的轉運。

圖4 轉運機器人結構圖

3 關鍵零部件的優化

3.1 機械手工作臺安裝板的有限元優化

機械手工作臺的安裝板兩側可以視作2根450 mm×150 mm的梁，用于安裝滾珠絲杠滑臺，安裝板的厚度為10 mm，中心有深度為10 mm的凹槽，用于與升降機的法蘭相連接。根據SolidWorks Simulation的仿真結果[9]，在不添加支承的情況下，該安裝板需要采用45鋼加工才能達到強度和剛度要求，具體承受的最大應力σmax=274.9 MPa，最大形變為16.18 mm。

在對安裝板兩側增加厚度為40 mm的加強筋后，該安裝板采用6061-T6鋁合金即可滿足強度和剛度要求，且最大應力σmax=270.6 MPa，最大形變為23.32 mm(見圖5和圖6)。相比于采用45鋼的安裝板質量為32.249 kg，使用加強筋的6061-T6鋁合金安裝板質量降低為12.715 kg。機械手工作臺有限元分析結果見表1。

圖5 機械手工作臺安裝板應力云圖

圖6 機械手工作臺安裝板形變云圖

表1 機械手工作臺有限元分析結果

3.2 機械手爪抓鉤連接板的有限元優化

根據病人的身高，選擇1 500 mm×300 mm×15 mm的鋁合金板材作為基礎加工抓鉤連接板，并間隔120 mm布置2個M8沉孔用于安裝抓鉤，兩側的抓鉤連接板分別有12和13組沉孔。而在機器人實際工作中單側機械手爪將病人抱起時抓鉤連接板需要承受的最大力矩約為350 N·m。

在應用SolidWorks Simulation對抓鉤連接板進行有限元分析后，可以得知最大應力點在抓鉤連接板與抓鉤擺臂的連接處，且最大應力σmax=141.4 MPa，小于6061-T6鋁合金的屈服強度σmax=275 MPa，且該連接板的最大形變為1.254 mm，可以忽略不計，故該零件采用6061-T6鋁合金加工符合強度與剛度要求。但此時該連接板質量達到17.848 kg，出于控制機器人升降部分質量的角度考慮，決定對連接板中間部分進行切除。

在對連接板沿對稱軸切除600 mm×100 mm的部分后，重新進行有限元分析(見圖7和圖8)，最大應力σmax=161.5 MPa，最大形變為1.411 mm，符合強度與剛度要求，且該連接板的質量降低至15.418 kg。機械手爪抓鉤連接板有限元分析結果見表2。

表2 機械手爪抓鉤連接板有限元分析結果

3.3 機械手爪抓鉤的有限元校核

根據抓鉤連接板預留的安裝孔位，兩側機械手爪分別安裝12和13個抓鉤，抓鉤的厚度、寬度和長度分別為20、50和600 mm，抓鉤自末端開始有長度為500 mm的微小角度斜面。當單側的機械手爪將病人抱起時，由該側機械手爪的抓鉤共同承受病人的重量，以病人的極限質量100 kg計算抓鉤承受的極限應力，12個抓鉤在斜面上分別承受約83.3 N的豎直向下方向的力。

圖7 機械手爪抓鉤連接板應力云圖

圖8 機械手爪抓鉤連接板形變云圖

應用SolidWorks Simulation對抓鉤進行有限元分析(見圖9和圖10)，抓鉤的最大應力點在抓鉤背面的凹槽處，且最大應力σmax=26.96 MPa，小于6061-T6鋁合金的屈服強度σmax=275 MPa，且該抓鉤末端的最大形變為3.053 mm，可以滿足承載病人的要求，故該零件采用6061-T6鋁合金加工符合強度與剛度要求。

圖9 機械手爪抓鉤應力云圖

圖10 機械手爪抓鉤形變云圖

4 結語

本文針對手術室病人轉運的工作場景，提出了一種區別于目前主流的傳送帶運輸的轉運方案，并應用三維設計軟件SolidWorks建立了數字模型。通過仿真軟件SolidWorks Simulation對關鍵零部件進行有限元分析，確定了合適的加工材料，并對機械手工作臺安裝板和抓鉤連接板的結構進行優化，使得零部件的質量從67.953 kg下降35.9%至43.559 kg，有效降低了機器人的質量，兼顧了方案的安全性與輕便性。