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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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