基于SolidWorks Simulation的人體轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人研究

歐陽(yáng)葉，胡國(guó)清，陳鎮(zhèn)國(guó)

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641)

2016-2018年，我國(guó)醫(yī)療機(jī)構(gòu)住院手術(shù)人次分別為5 082.2萬(wàn)、5 595.7萬(wàn)、6 171.6萬(wàn)，年均增長(zhǎng)率在10%以上[1]。目前，國(guó)內(nèi)醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)手術(shù)室保有量巨大，手術(shù)人次增長(zhǎng)迅速，但是在手術(shù)過(guò)程中，病人的轉(zhuǎn)運(yùn)主要是由病人家屬協(xié)助醫(yī)護(hù)人員用人工的方式將病人從手術(shù)臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)至病床。該轉(zhuǎn)運(yùn)方案主要依靠人力完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且容易引發(fā)患者二次損傷。因此，越來(lái)越多的研究學(xué)者提出了利用機(jī)械裝置來(lái)協(xié)助醫(yī)護(hù)人員完成病人轉(zhuǎn)運(yùn)的設(shè)想，一方面有助于提高醫(yī)療機(jī)構(gòu)的工作效率，另一方面可以減輕醫(yī)護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2000年以來(lái)，日本、瑞典等老齡化嚴(yán)重、人力成本高昂的國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人有過(guò)諸多探索，包括大阪變壓器株式會(huì)社推出的病人轉(zhuǎn)運(yùn)裝置C-Pam(Careful Patient Mover)、日本理化研究所和住友理化株式會(huì)社共同研發(fā)的護(hù)理機(jī)器人ROBEAR、日本松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的集成式護(hù)理輪椅床Resyone和瑞典ArjoHuntleigh公司生產(chǎn)的頂部升降式病人移位系列護(hù)理設(shè)備等。目前，國(guó)內(nèi)高校在病人輔助移位機(jī)器人的轉(zhuǎn)運(yùn)方案設(shè)計(jì)上，基本參考了C-Pam的雙層傳送帶結(jié)構(gòu)，依靠病人與傳送帶之間的靜摩擦力作用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)。

針對(duì)手術(shù)室病人轉(zhuǎn)運(yùn)這一特定場(chǎng)景，人體轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要符合2項(xiàng)基本原則：1)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程盡量不改變病人的姿勢(shì)，避免二次損傷；2)該機(jī)器人的布置不需要更改手術(shù)室原有布局，具有普遍適用性。為此，本文提出一種采用對(duì)稱的機(jī)械手結(jié)構(gòu)對(duì)病人進(jìn)行抓取，利用升降機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)病人升降的人體轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，在確保安全性的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，可以有效降低升降部分的重量，提升樣機(jī)的輕便性。

1 人體轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人研究現(xiàn)狀

1.1 基于傳送帶轉(zhuǎn)運(yùn)原理的轉(zhuǎn)運(yùn)裝置

2008年大阪變壓器株式會(huì)社與燕山大學(xué)王洪波教授合作研發(fā)了病人轉(zhuǎn)運(yùn)裝置C-Pam(見(jiàn)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(gè)獨(dú)立的子模塊組成，其中下層傳送帶負(fù)責(zé)該裝置在病床到轉(zhuǎn)運(yùn)床之間的運(yùn)動(dòng)，上層傳送帶負(fù)責(zé)病人的轉(zhuǎn)運(yùn)[2-3]。該裝置為了消除子模塊轉(zhuǎn)速不一致所導(dǎo)致的病人皮膚拉扯，開(kāi)發(fā)了一種新的伺服系統(tǒng)，可以獨(dú)立測(cè)量上下兩層傳送帶每個(gè)子模塊電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)[4]。軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院侍才洪設(shè)計(jì)的傷員換乘轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人和江南大學(xué)劉華設(shè)計(jì)的醫(yī)療輔助移位機(jī)器人在病人的轉(zhuǎn)運(yùn)上均采用了該結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了升降機(jī)構(gòu)、姿態(tài)變換機(jī)構(gòu)、移動(dòng)底盤和控制系統(tǒng)，使得轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人不僅可以對(duì)病人進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，而且可以對(duì)病人進(jìn)行姿態(tài)變換，用作日常護(hù)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(gè)子模塊共同組成，但是每個(gè)子模塊配備的電動(dòng)機(jī)無(wú)法完全同步，需要開(kāi)發(fā)伺服控制系統(tǒng)解決該問(wèn)題，增加了裝置的復(fù)雜性，且應(yīng)用過(guò)多的電動(dòng)機(jī)和控制器并不具備經(jīng)濟(jì)性。

1.2 擬人形態(tài)的轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人

2007年日本理化研究所仿生控制研究中心開(kāi)發(fā)了一款名為RI-MAN的機(jī)器人，該機(jī)器人具有類似于人類的外形，并配備視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器和氣味傳感器，通過(guò)融合視頻和音頻信息來(lái)實(shí)時(shí)搜索特定的人，并基于聲音識(shí)別功能來(lái)理解人的語(yǔ)音，在利用雙臂抱起病人時(shí)會(huì)根據(jù)觸覺(jué)傳感器反饋的受力信息與人類進(jìn)行身體上的互動(dòng)，此外氣味傳感器使得RI-MAN可以識(shí)別常見(jiàn)的氣味，如尿液[8]。

2009年，日本理化研究所(RIKEN)與東海橡膠工業(yè)公司(TRI)聯(lián)合建立的人機(jī)交互機(jī)器人研究合作中心在RI-MAN機(jī)器人的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了輔助護(hù)理機(jī)器人RIBA(交互式人體輔助機(jī)器人)，該機(jī)器人可以利用雙臂將61 kg的病人從床搬運(yùn)至輪椅上。2011年，RIKEN-TRI推出了RIBA-II，該機(jī)器人在底部和下背部添加的新關(guān)節(jié)使得它可以蹲下將地面上的病人抱起，且機(jī)器人的負(fù)重提升至80 kg。2015年，日本理化研究所(RIKEN)與住友理化株式會(huì)社(SRK)合作推出了第3代ROBEAR機(jī)器人(見(jiàn)圖2)，該機(jī)器人的質(zhì)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(jī)器人

該類機(jī)器人的限制在于結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，生產(chǎn)成本太高，且目前技術(shù)尚不成熟，無(wú)法勝任復(fù)雜的病人護(hù)理任務(wù)，但是僅用于完成病人轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)并不具有經(jīng)濟(jì)性，因此在2015年3月RIKEN-SRK人機(jī)交互機(jī)器人研究合作中心已經(jīng)關(guān)閉。

1.3 吊帶升降機(jī)

瑞典ArjoHuntleigh公司生產(chǎn)的病人移位系列護(hù)理設(shè)備采用吊機(jī)的結(jié)構(gòu)，配合特制的符合人體工程學(xué)的吊帶，在病人穿上網(wǎng)狀吊帶后，通過(guò)升降機(jī)的掛鉤鉤住網(wǎng)狀吊帶外沿的繩套，利用電缸的動(dòng)力將網(wǎng)狀吊帶和病人整體抬升起來(lái)(見(jiàn)圖3)。該升降機(jī)底部安裝有腳輪，使得醫(yī)護(hù)人員可以推動(dòng)該升降機(jī)對(duì)病人進(jìn)行移動(dòng)，且升降機(jī)掛鉤可以搭配環(huán)形吊帶、擔(dān)架吊帶等不同樣式的特制吊帶，從而對(duì)病人完成不同姿勢(shì)的轉(zhuǎn)運(yùn)以適應(yīng)病房轉(zhuǎn)運(yùn)、家庭轉(zhuǎn)運(yùn)等復(fù)雜的場(chǎng)景。

圖3 Minstrel升降機(jī)

該類升降機(jī)的限制在于需要使用公司特制的吊帶，且吊帶會(huì)跟隨病人進(jìn)出手術(shù)室，因此吊帶重復(fù)使用需要經(jīng)歷復(fù)雜的消毒流程，使得該類設(shè)備并不適用于手術(shù)室環(huán)境的病人轉(zhuǎn)運(yùn)。

2 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該人體轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)理機(jī)器人的結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人框架、蝸輪絲桿升降機(jī)構(gòu)、升降工作臺(tái)、滾珠絲杠滑臺(tái)和機(jī)械手轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)等5個(gè)部分，其中機(jī)器人框架采用80 mm×80 mm的鋁型材通過(guò)角碼連接組成，長(zhǎng)、寬、高尺寸為2 000 mm×1 360 mm×1 800 mm；渦輪絲桿升降機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)比大、可以自鎖的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大載荷、低速的工作場(chǎng)合，在樣機(jī)制作中可以用于機(jī)械手工作臺(tái)的升降；滾珠絲杠滑臺(tái)底座為30 mm×150 mm的鋁型材，配合直徑為20 mm的絲杠負(fù)載可以達(dá)到200 kg，可以用于承載機(jī)械手爪和病人。

在實(shí)際工作過(guò)程中，根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)場(chǎng)景可以由醫(yī)護(hù)人員將轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人移動(dòng)至手術(shù)床或病床的正上方固定，或者固定機(jī)器人的位置將轉(zhuǎn)運(yùn)床移動(dòng)至機(jī)器人的正下方，再由醫(yī)護(hù)人員從一側(cè)抄起病人傾斜一定角度，控制該側(cè)的機(jī)械手爪平行移動(dòng)至病人下方，醫(yī)護(hù)人員松手后病人會(huì)自然平躺在單側(cè)的機(jī)械手爪上，升降機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手爪向上移動(dòng)一定距離使得病人懸空，再由另一側(cè)的機(jī)械手爪平行移動(dòng)至合攏，以合抱的姿勢(shì)將病人抱起離開(kāi)床面。將該過(guò)程反轉(zhuǎn)即可將病人轉(zhuǎn)運(yùn)至其他病床上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)病人的轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖4 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

3 關(guān)鍵零部件的優(yōu)化

3.1 機(jī)械手工作臺(tái)安裝板的有限元優(yōu)化

機(jī)械手工作臺(tái)的安裝板兩側(cè)可以視作2根450 mm×150 mm的梁，用于安裝滾珠絲杠滑臺(tái)，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(jī)的法蘭相連接。根據(jù)SolidWorks Simulation的仿真結(jié)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(dá)到強(qiáng)度和剛度要求，具體承受的最大應(yīng)力σmax=274.9 MPa，最大形變?yōu)?6.18 mm。

在對(duì)安裝板兩側(cè)增加厚度為40 mm的加強(qiáng)筋后，該安裝板采用6061-T6鋁合金即可滿足強(qiáng)度和剛度要求，且最大應(yīng)力σmax=270.6 MPa，最大形變?yōu)?3.32 mm(見(jiàn)圖5和圖6)。相比于采用45鋼的安裝板質(zhì)量為32.249 kg，使用加強(qiáng)筋的6061-T6鋁合金安裝板質(zhì)量降低為12.715 kg。機(jī)械手工作臺(tái)有限元分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5 機(jī)械手工作臺(tái)安裝板應(yīng)力云圖

圖6 機(jī)械手工作臺(tái)安裝板形變?cè)茍D

表1 機(jī)械手工作臺(tái)有限元分析結(jié)果

3.2 機(jī)械手爪抓鉤連接板的有限元優(yōu)化

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

在應(yīng)用SolidWorks Simulation對(duì)抓鉤連接板進(jìn)行有限元分析后，可以得知最大應(yīng)力點(diǎn)在抓鉤連接板與抓鉤擺臂的連接處，且最大應(yīng)力σmax=141.4 MPa，小于6061-T6鋁合金的屈服強(qiáng)度σmax=275 MPa，且該連接板的最大形變?yōu)?.254 mm，可以忽略不計(jì)，故該零件采用6061-T6鋁合金加工符合強(qiáng)度與剛度要求。但此時(shí)該連接板質(zhì)量達(dá)到17.848 kg，出于控制機(jī)器人升降部分質(zhì)量的角度考慮，決定對(duì)連接板中間部分進(jìn)行切除。

在對(duì)連接板沿對(duì)稱軸切除600 mm×100 mm的部分后，重新進(jìn)行有限元分析(見(jiàn)圖7和圖8)，最大應(yīng)力σmax=161.5 MPa，最大形變?yōu)?.411 mm，符合強(qiáng)度與剛度要求，且該連接板的質(zhì)量降低至15.418 kg。機(jī)械手爪抓鉤連接板有限元分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 機(jī)械手爪抓鉤連接板有限元分析結(jié)果

3.3 機(jī)械手爪抓鉤的有限元校核

根據(jù)抓鉤連接板預(yù)留的安裝孔位，兩側(cè)機(jī)械手爪分別安裝12和13個(gè)抓鉤，抓鉤的厚度、寬度和長(zhǎng)度分別為20、50和600 mm，抓鉤自末端開(kāi)始有長(zhǎng)度為500 mm的微小角度斜面。當(dāng)單側(cè)的機(jī)械手爪將病人抱起時(shí)，由該側(cè)機(jī)械手爪的抓鉤共同承受病人的重量，以病人的極限質(zhì)量100 kg計(jì)算抓鉤承受的極限應(yīng)力，12個(gè)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(jī)械手爪抓鉤連接板應(yīng)力云圖

圖8 機(jī)械手爪抓鉤連接板形變?cè)茍D

應(yīng)用SolidWorks Simulation對(duì)抓鉤進(jìn)行有限元分析(見(jiàn)圖9和圖10)，抓鉤的最大應(yīng)力點(diǎn)在抓鉤背面的凹槽處，且最大應(yīng)力σmax=26.96 MPa，小于6061-T6鋁合金的屈服強(qiáng)度σmax=275 MPa，且該抓鉤末端的最大形變?yōu)?.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(qiáng)度與剛度要求。

圖9 機(jī)械手爪抓鉤應(yīng)力云圖

圖10 機(jī)械手爪抓鉤形變?cè)茍D

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)手術(shù)室病人轉(zhuǎn)運(yùn)的工作場(chǎng)景，提出了一種區(qū)別于目前主流的傳送帶運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)運(yùn)方案，并應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks建立了數(shù)字模型。通過(guò)仿真軟件SolidWorks Simulation對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，確定了合適的加工材料，并對(duì)機(jī)械手工作臺(tái)安裝板和抓鉤連接板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得零部件的質(zhì)量從67.953 kg下降35.9%至43.559 kg，有效降低了機(jī)器人的質(zhì)量，兼顧了方案的安全性與輕便性。