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《中国人民解放军军事医学科学院》 2010年
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一种伤员换乘转运机器人的设计研究

侍才洪  
【摘要】: 长期以来,战争、大规模突发事件造成的重伤员,以及住院重病患者,特别是脊柱脊髓损伤等危重伤员的检查、挪动、转床、手术前后的接送是一个非常危险的工作,用力不慎或配合不当,会造成伤员的二次损伤,重者截瘫,甚至威胁生命。本文设计和研制了一种适合医院狭窄工况工作的伤员换乘转运机器人,全自动化遥控操作,取代医护人员的“伤员搬运”工作,实现伤病员无缝连接的救治,为伤病员安全换乘、转运提供一种新的方法,避免医护人员因“徒手”操作给伤病员带来的继发性损伤。为战场、灾难现场、核生化污染等特殊场合的伤员救治、换乘、转运的新一代智能化、信息化的医疗卫生装备—救援机器人的研制进行前期预研和提供技术储备。 本文所研制的伤员换乘转运机器人由换乘手臂执行机构、全方位移动底盘、升降机构、无线遥控器以及控制系统五大部分组成。采用理论分析、数学建模、软件仿真和样机试验相结合的方法进行研究。首先分析研究换乘过程中最直接受力作用的人体皮肤及皮下软组织的生理特性,通过ANSYS有限元软件构建简化的人体模型,仿真分析换乘过程中人体的总变形及应力分布情况,仿真结果显示,在换乘手臂与人体接触前端的应力集中现象比较明显,主要与换乘手臂倾斜角度的大小及接触方式有关;人体底部的变形会向全身扩散,影响其它部位的伤口或手术刀口等,影响程度主要和人体的绝对位移大小有关。仿真分析结果为换乘手臂的机械结构及电控策略的设计提供理论依据和指导。换乘手臂的结构为整体直插式设计,采用了接触点相对静止技术和传送带技术,传送带在换乘手臂与人体之间形成隔离层,其运动方向与换乘手臂运动方向相反,速度大小相同,通过传送带的自运动消除换乘手臂的相对运动,上层带和伤病员相对于换乘手臂的相对运动速度相同,上层带和伤病员保持静止状态,不受滑动摩擦力作用,使伤员在无需移动身体的情况下,实现安全、无痛换乘。全向移动底盘采用四轮独立驱动的Mecanum轮设计,通过四个轮子转向及速度大小的合成实现前进、后退、横移及绕自身旋转的平面全部三自由度的移动,使机器人具有高机动性、灵活性及精确定位功能。换乘手臂及全向移动底盘的电控策略采用选择器—观测器—自组织模糊控制器相结合的架构设计,选择器能根据不同的运行工况加载对应的控制参数及变量;观测器在换乘手臂中的应用能很好的估测出人体的绝对位移偏差,将人体变形控制在生理范围内,避免引起伤员的不适;自组织模糊控制器能不断的自我学习,完善系统性能,使得电机具有良好的跟随特性,随基准电机变动,抑制系统的超调,减小调整时间,提高换乘手臂、全向移动底盘的精度及动态稳定性;全向移动底盘采用非均匀的等级调速和对操纵手柄信号采用A/D可编程监控中断,有效提高了低速运动精度及消除了高速运动时操纵手柄带来的人为抖动干扰。为了适合机器人与病床、手术台等之间的精确定位,系统设计了点动运行程序,使得机器人的控制更加简单和人性化。 在理论分析和结构设计基础之上,设计机器人的机械结构及布局电控系统,通过SolidWorks三维设计软件辅助完成伤员换乘转运机器人的所有零部件的三维立体图及工程图纸的绘制,将零部件装配成机器人装配体,并通过软件内置模块进行重量计算、碰撞测试、干涉检查、单个零部件的受力分析及小型装配体的运动模拟。计算驱动电机的功率、传送带尺寸及预紧弹簧的弹力等,选择元件型号,实现机器人的设计原理,达到机器人的设计指标和功能。软件设计遵循软件设计规范,突出了实用性及针对性,不仅要实现机器人的功能及提高运行精度,还要考虑到程序的可测试性、可扩展性、易维护性,注重系统的安全性及可靠性设计,加强系统冲突及故障的监控和处理能力。 系统实验主要依照装机前软硬件联机调试、分体功能实验、人体模型实验、人体实验及实验评价这种递进方式进行。软硬件联机调试主要是在装机实验前解决可能存在的硬件故障或软件冲突;分体实验主要是验证机器人换乘手臂、升降机构及全向移动底盘各部分的工作原理、数学模型及控制策略的可行性;人体模型实验主要验证机器人的整机性能、安全性和可靠性;人体实验选择不同体重、不同年龄、不同性别的受试者,他们来自于长期从事临床手术的骨科医生、妇产科医生、护士及从事卫生装备研究的科研人员等,通过对100人次人体实验前后的“信任度”、“舒适度”及“心理感受”的调查发现,实验前,受试者对于换乘转运机器人表现出一种程度不一的心理紧张情绪或怀疑态度,通过亲身体验后,大部分受试者消除了这些顾虑,并肯定了伤员换乘转运机器人的换乘和转运功能,具有一定的实用性。 创新点:(1)采用Mecanum轮全向行走系统和整体直插式换乘手臂研制成功了伤员换乘转运机器人,具有高机动性、灵活性及精确定位功能;(2)通过有限元软件构建了人体模型,初步仿真分析了换乘转运过程中人体的总变形及应力分布情况,为换乘手臂的机械结构及电控策略的设计提供理论依据;(3)采用接触点相对静止技术和传送带技术设计伤病员的整体直插式换乘手臂,使伤病员在无需移动身体的情况下,实现安全、无痛换乘转运。 结论:在保持伤病员静卧的情况下,无需人工辅助,只需一键即可完成伤病员的无痛换乘、自动升降、全方位移动及精确定位,达到了原理样机的设计目标。
【学位授予单位】:中国人民解放军军事医学科学院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP242

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 曲云霞,郭兰申,李向东;基于单片机的频率计数器的设计[J];河北工业大学学报;1999年06期
2 闫国荣,张海兵;一种新型轮式全方位移动机构[J];哈尔滨工业大学学报;2001年06期
3 李小艳;;PWM控制技术在直流无刷电机调速系统中的应用[J];火控雷达技术;2006年04期
4 彭商贤,刘斌,龚进峰,谢少荣;履带式管道机器人及侧倾问题的研究[J];机器人;2000年04期
5 杜志江,孙立宁,富历新;医疗机器人发展概况综述[J];机器人;2003年02期
6 赵冬斌,易建强,邓旭玥;全方位移动机器人结构和运动分析[J];机器人;2003年05期
7 王红兵;带式输送机的国际标准计算法[J];矿山机械;1996年01期
8 李岩;杨向东;陈恳;;履带式移动机器人动力学模型及其反馈控制[J];清华大学学报(自然科学版);2006年08期
9 潘筱;刘永;杨爱军;;ADAMS在汽车动力学仿真中的应用研究[J];轻型汽车技术;2006年10期
10 李炜,郑靖,屈树新,周仲荣;关于皮肤摩擦学特性的研究[J];润滑与密封;2004年02期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 郭志国;带式输送机大扭矩滚筒的力学分析研究[D];煤炭科学研究总院;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李伟;;覆膜机在开发彩涂家电板中的应用[J];四川有色金属;2010年01期
2 雷开贵,邓子辰;多层粘钢加固钢筋混凝土梁的有限元静力分析[J];四川建筑科学研究;2003年01期
3 李一松;李国强;崔大光;;型钢混凝土中高剪力墙正截面受弯的开裂荷载和极限荷载的计算方法[J];四川建筑科学研究;2011年03期
4 王凡;王侠;李龙澍;;RoboCup仿真平台中NAO模型正运动学研究[J];合肥师范学院学报;2011年03期
5 汤伟;工控机在预熔颗粒保护渣物料配比中的应用[J];鞍钢技术;2001年03期
6 华贵山;;基于单片微机测控系统中的数字滤波技术研究[J];安徽电子信息职业技术学院学报;2006年05期
7 段永霞;李君;杨红英;;单片机在工业现场的抗干扰技术[J];安徽电子信息职业技术学院学报;2010年02期
8 吴新胜,方祥圣;计算机综合监控热处理系统[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2003年03期
9 江明,王龙明,夏晓珍;PROFIBUS总线接口在智能仪表中的应用[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2003年04期
10 邢景虎;陈进;;模糊控制在二级倒立摆系统中的应用[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2010年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 彭道勇;刘春和;朱三可;齐俊臣;;电磁环境与电磁兼容简介及最新进展[A];第五届电子产品防护技术研讨会论文集(续)[C];2006年
2 何青;杜冬梅;;基于C8051F的便携式双通道振动测试分析仪[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
3 何子睿;何青;;多通道振动信号智能处理系统研究[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
4 曾庆军;王捍兵;徐晶晶;;基于软组织环境的遥操作机器人系统预测控制研究[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
5 张豫南;王双双;张健;宋杰;;基于虚拟样机的全方位移动平台运动控制研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
6 殷强;鲜斌;张垚;于琰平;李浩涛;曾伟;;四旋翼无人机可视化仿真系统研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
7 曾庆军;刘海霞;陈孝凯;;遥操作机器人系统H_∞鲁棒控制器设计与实验研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
8 陈益广;;永磁同步电机分数槽集中绕组的槽极数配合及磁动势[A];第十一届全国永磁电机学术交流会论文集[C];2011年
9 王泷;刘刚;刘兆祥;孟庆宽;刘寅;杨飞;;拖拉机智能导航转向控制方法研究与应用[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
10 刘佳君;陈强;孙振国;;水轮机叶片坑内修焊机器人机械臂控制[A];第十六次全国焊接学术会议论文摘要集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 董九志;带有主被动关节的辅助腹腔镜手术机器人研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
2 刘飞;四足机器人步态规划与平衡控制研究[D];中国科学技术大学;2010年
3 张娜;面向脊柱微创手术机器人的图像处理与虚拟现实技术研究[D];南开大学;2010年
4 李奇南;钢板磁悬浮系统控制[D];浙江大学;2010年
5 周巍;煤矿井下搜救探测机器人的路径规划及轨迹跟踪控制研究[D];太原理工大学;2011年
6 常胜;半挂汽车列车动态特性分析与鲁棒控制[D];吉林大学;2011年
7 李正义;机器人与环境间力/位置控制技术研究与应用[D];华中科技大学;2011年
8 尹晓红;自动引导车运动分段控制技术研究[D];合肥工业大学;2011年
9 邵杰;基于学习分类器的多机器人路径规划关键技术研究[D];南京理工大学;2011年
10 赵忠民;颈型颈椎病的症状与软组织的变化研究[D];中国中医科学院;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张良清;基于嵌入式技术的高精度程控直流电源的研究[D];安徽工程大学;2010年
2 杨亮;基于DSP的交流异步电动机变频调速技术研究[D];安徽工程大学;2010年
3 汪步云;水下作业机械手抓取力伺服控制的研究[D];安徽工程大学;2010年
4 雷云云;基于被动式四足机器人的运动学及动力学分析[D];山东科技大学;2010年
5 苏鹏;带式输送机起动制动一体化自动控制系统的研究[D];山东科技大学;2010年
6 刘鲁艳;基于PJR-2X型喷浆机器人的开放式算法平台研究与设计[D];山东科技大学;2010年
7 徐国栋;智能压力变送器的研究[D];山东科技大学;2010年
8 杨列坤;基于运动控制的虚拟样机技术的研究[D];山东科技大学;2010年
9 檀庭跃;智能控制算法在倒立摆系统中的应用研究[D];山东科技大学;2010年
10 刘强;基于ARM9的机器人远程控制系统研究[D];山东科技大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 奉华成,皮佑国,吴效明;MC68HC908GP32在无刷无传感器型直流电机控制中的应用[J];电子技术;2002年12期
2 赵言正,门广亮,阎国荣,王炎;具有全方位移动功能的爬壁机构研究[J];高技术通讯;1995年06期
3 潘志娟;纤维及湿度对织物与皮肤间摩擦力的影响[J];国外丝绸;1995年04期
4 景扶苇,王伯华;医用手术机器人[J];机器人技术与应用;2001年04期
5 周勇刚,黄瀛,毛增荣,卢范;大鼠坐骨神经损伤后的生物力学研究[J];解剖学杂志;1991年03期
6 李海,师江明,李国樑;人的周围神经拉伸强度测定[J];解剖学杂志;1991年03期
7 田宇,吴镇炜,柳长春;开放式三自由度全方位移动机器人实验平台[J];机器人;2002年02期
8 赵冬斌,易建强,邓旭玥;全方位移动机器人结构和运动分析[J];机器人;2003年05期
9 黄永志,陈卫东;两轮移动机器人运动控制系统的设计与实现[J];机器人;2004年01期
10 田兰图,杨向东,赵建东,赖庆文,陈恳;油罐检测爬壁机器人结构与控制系统设计[J];机器人;2004年05期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 曾立;;提高弧焊机器人控制系统可靠性的措施[J];电气自动化;1996年04期
2 贺红林;赵淳生;;机器人的超声电机驱动及其控制研究[J];压电与声光;2005年06期
3 袁军民;;结构光传感器在机器人焊接中的应用[J];金属加工(热加工);2008年10期
4 谢瑞霞;;模糊神经网络在机器人控制中的应用[J];计算机系统应用;2008年10期
5 胡晏如,常文森;机器人的分散控制[J];国防科技大学学报;1988年02期
6 李志;解慧;裴宏昌;;ROBOT—Ⅰ型机器人操作控制系统分析[J];河北理工学院学报;1989年03期
7 石玉秋;孙炜;孙洪淋;;一种三关节机器人视觉伺服系统研究[J];装备制造技术;2006年02期
8 王立权;刘秉昊;吴健荣;韩金华;卢正宇;;6R关节型机器人运动学建模[J];智能系统学报;2010年02期
9 韩珂;李耀通;;机器人在任务空间的变结构跟踪控制[J];自动化学报;1992年03期
10 李洪儒,齐保华,齐晓慧,冯振声;一种应用DSP的集中式机器人控制器[J];微计算机应用;1996年05期
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1 唐矫燕;赵群飞;黄杰;杨汝清;;基于两足步行椅机器人的人在环中的助残机器人控制系统[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
2 王明辉;王楠;李斌;;面向灾难救援的机器人控制站系统设计[A];中国仪器仪表学会第十二届青年学术会议论文集[C];2010年
3 张国伟;李斌;龚海里;王聪;郑怀兵;;废墟洞穴搜救机器人控制软件设计与实现[A];中国仪器仪表学会第十二届青年学术会议论文集[C];2010年
4 康惠春;王建军;马春庆;王卫星;贾天义;闫立峰;尹德秀;范巧变;谷书伟;杨文娟;杨大芳;;大型拖拉机底盘机器人自动喷涂集成系统[A];第十五届全国涂料与涂装技术信息交流会暨商用车、工程机械、轨道交通涂装技术研讨会论文集[C];2012年
5 田冬英;王明辉;李斌;;水陆两栖可变形机器人控制系统设计与实现[A];中国仪器仪表学会第十三届青年学术会议论文集[C];2011年
6 屈菊红;李小坚;;基于LabVIEW的机器人远程控制系统的研究与实现[A];中国计量协会冶金分会2010年会论文集[C];2010年
7 丁金婷;朱丹奇;;基于LabVIEW的机器人微控制器设计[A];第九届全国信息获取与处理学术会议论文集Ⅰ[C];2011年
8 罗亦彪;赖旭芝;吴敏;;平面欠驱动机器人Acrobot的位置控制策略[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年
9 李卫红;霍伟;;基于滑模原理的自适应模糊控制器在机器人中的应用[A];1997中国控制与决策学术年会论文集[C];1997年
10 霍伟;马保离;;带反作用轮空间机器人的变结构控制算法[A];1994中国控制与决策学术年会论文集[C];1994年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 张奇锋;救援机器人——“戴着镣铐在跳舞”[N];广东科技报;2011年
2 特约记者 杨保国;中国科大“蓝鹰”称雄机器人世界杯[N];大众科技报;2007年
3 记者 解悦;坐着听课学生也能发电[N];南京日报;2007年
4 予言;现代重工加大船用新品研发力度[N];中国船舶报;2009年
5 徐玢;除了立标准还立什么?[N];科技日报;2010年
6 本报记者 王怡舟;等待腾飞[N];电脑报;2001年
7 本报记者诸巍;“黑客帝国”:喧闹的伪哲学?[N];解放日报;2003年
8 骆蔚(西门子管理学院);了解日本人的“制胜方式”[N];中国图书商报;2006年
9 通讯员 朱凤芹;宗锦耀司长考察纽荷兰英国拖拉机工厂[N];中国农机化导报;2007年
10 顾钢;德国实用技术集锦(八)[N];科技日报;2004年
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1 张典;大鼠机器人遥控遥测系统与行为模式研究[D];电子科技大学;2013年
2 孙太任;机器人对环境边界的跟踪控制[D];华南理工大学;2011年
3 Dioubate Mamady I;基于进化免疫系统理论的多机器人协作和机器人目标探索研究[D];中南大学;2009年
4 高妍南;基于变形仿生鳍的机器人减摇控制策略研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
5 张峥炜;基于生物启发的群机器人系统群体搭建机制研究[D];山东大学;2012年
6 林广栋;人工内分泌系统新机制及应用研究[D];中国科学技术大学;2012年
7 刘荣;广义脉码调制液压伺服控制的理论和应用研究[D];浙江大学;2003年
8 周宗锡;刚体姿态控制及其在机器人控制中的应用研究[D];西北工业大学;2002年
9 朱欣志;两轮车的稳定性分析与控制研究[D];西北工业大学;2003年
10 罗熊;机器人轨迹规划算法及其在虚拟环境下的投射式实现研究[D];中南大学;2004年
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1 陈旭;无线网络环境下的机器人动态跟踪随机LQG算法[D];北京交通大学;2011年
2 邹治辉;基于传感器的煤矿救援机器人局部路径规划[D];西安科技大学;2010年
3 王坤;多机器人控制及其虚拟仿真[D];西安电子科技大学;2010年
4 刘敏;矿业机器人设计与实现[D];中国地质大学(北京);2011年
5 梁文君;机器人动态路径规划与协作路径规划研究[D];浙江大学;2010年
6 董健;腹腔微创手术机器人控制系统设计与实现[D];哈尔滨工业大学;2010年
7 胡振邦;输电线路除冰机器人控制策略研究[D];兰州理工大学;2011年
8 曹俊琴;一种基于思维进化算法的神经网络求解机器人逆运动学问题[D];太原理工大学;2005年
9 王伟;基于机器视觉的机器人二维曲线静态跟踪[D];山东大学;2005年
10 张中英;基于遗传算法的机器人神经网络控制系统[D];太原理工大学;2005年
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