罗健
哈尔滨思哲睿智能医疗设备有限公司 150000
【摘要】由于人民生活水平的不断提高以及医疗公共卫生事业的迅速发展，我国正在进入老龄化社会，老年人在总人口中所占的比例不断增加。但是，老年人的自我护理能力低，主要体现在：护理费用高，劳动强度高，家庭护理任务重。而卫生护理机器人对于解决这些问题，改善老年人和残疾人的生活质量以及确保社会的稳定发展至关重要。但是，老年人和残疾人在洗澡时不能像普通人那样站立或坐着，而且由于衰老或意外伤害，下肢的关节不足以支撑自己的体重。同时，用于个人卫生保健机器人的空间是有限的，并且擦洗装置需要连接到座椅，从而允许人体在站立和坐着时进行擦洗，这需要特殊的辅助站立装置。
【关键词】站立支撑；医疗机器人；运动控制；实验调试
引言
辅助站立系统的总体设计方案是整个系统的灵魂，是整体设计工作成败的关键。作为整个系统的基础部分，机械结构的设计直接影响控制系统获得预期的结果，也直接影响整个系统的功能。
1人机工程学基础
国际人体工程学会（IEA）是将人体工程学定义为研究人在特定工作环境中中的解剖学，心理学和生理学等方面，将人和机器以及环境的相互作用作为该主题的研究，其目的是为了在生活和假期中提高工作效率，健康，安全和舒适。研究表明，人体工程学原理在设计和制造中的原理是必要且有效的。人体工程学的研究主要有两个方面：理论和应用，但是总的趋势是将重点放在应用研究上。本文详细介绍了与本主题相关的老年人人体尺寸分析和人体尺寸数据的应用原则问题。
1.1老年人人体尺寸分析
因为医疗保健机器人针对的是老年人和下肢运动障碍的人，所以衰老和意外伤害会减缓新陈代谢并导致身体各个部位（尤其是身高）相对收缩。但是，现有的人体工程学材料很少描述老年人的身材。因此，在进行辅助站立系统的主要结构设计之前，有必要对我国老年人的体型进行分析和总结。
1.2人体尺寸数据应用原则
由于人体具有不同的身材，例如高，矮，胖和瘦，因此很难设计出一种使许多人舒服并且仅通过应用平均身材就能满足所有使用者的设计。因此，在使用人体尺寸数据时，请根据实际情况做出选择，并尝试为更多的用户设计。利用人体尺寸数据时的使用原则如下：当设计一些包括人体（人体某要素）的物体时，应根据95％的百分位尺寸设计。例如，（1）在设计诸如门，床，过道和维护工作区之类的对象时，需要针对大型人体进行设计，以便小型人体可以自然使用。（2）设计包含在两个人体（或人体的某些元素）中的多个对象时，应根据第5个百分位数大小设计。例如，当设计诸如椅子表面高度，柜台高度，手柄厚度等对象时，设计应基于小尺寸人体。（3）当设计一些可调整大小的对象时，调整范围必须满足从第5个百分位数到第95个百分位数的所有人体的使用。（4）开关，门铃，方向盘等的位置，第50个百分位数据将满足大多数人达到最佳位置的需求，辅助站立装置的设计是基于上述老年人的体重分析数据，基于人体大小数据的应用原理，考虑到老年人和下肢人群的特殊生理和心理需求，更加关注运动障碍，系统安全性，便利性，实用性和舒适性，以满足大多数人的需求。
2辅助站立系统总体设计方案
2.1总体系统要求
辅助站立系统是卫生护理机器人的关键部分，是人与机器的结合，这与典型的工业自动化系统不同，因此在设计过程中必须首先考虑人为因素。结合个人卫生护理机器人的总体功能要求和人体工程学原理，我们提出了辅助站立系统的总体要求。（1）满足个人卫生护理机器人的总体功能要求，并实现与护理机器人其他部件的无缝对接。（2）作为人机集成产品，需要充分利用人机工程学原理来最大化人机环境系统的整体性能。（3）实现了站立时完成老年人和下肢运动障碍者的运动以及支持站立后自动减重等基本功能。（4）本产品用于老年人和下肢残疾人士等特殊人群，因此必须要确保安全。（5）作为卫生护理产品，它必须满足系统的清洁度和不污染的要求。
2.2驱动模式
当前，机器人驱动方法有三种基本类型：液压驱动，气动驱动和电驱动。液压驱动器的主要优点是输出功率高，无级调速，结构简单，响应速度快以及驱动器精度高。主要缺点是噪音大，对温度变化敏感以及油温度过高有燃烧和爆炸的危险，并且容易引起漏油污染。因此，液压驱动器目前主要用于大功率机器人系统。气动驱动器以空气为工作介质，能源和结构简单。与液压驱动相比，它具有价格低廉，安全性高的优点。缺点是控制精度不高，有很多噪音，没有足够的功力，如果想要获得较大的动力，则需要加大装置体积。因此，它主要用于控制精度较低的小型机器人。电驱动器具有控制灵活，机构简单，位置和速度精度高，噪声低，无污染，标准化程度高，易于自动化的优点。根据所选择的电动机和驱动器，将其分为步进电动机驱动系统，DC伺服电动机驱动系统和AC伺服电动机驱动系统，目前，AC伺服电动机是机器人系统的主要驱动系统。通过以上分析，该系统采用了电动机驱动器，同时考虑了卫生保健机器人的清洁性和无污染要求以及未来的优化和升级要求。
2.3总体方案设计
基于目前国内外对辅助站立的出色研究成果，我们提出了基于护理机器人总体方案的辅助站立系统的总体设计方案。总体计划包括两个主要部分：机械系统和控制系统。机械系统主要由辅助站立机构，自动减重机构和适应不同身体形状的调节机构组成。辅助站立机制主要用于帮助老年人和下肢运动障碍的人完成站立运动。自动减重机制主要帮助人体完成站立后减重要求，在较长的时间内适应人体形状的差异，调节机构用于满足不同身材的需求。控制系统由硬件和软件组成，系统硬件主要由PC，运动控制器，体重检测系统，交流伺服系统和控制电路面板组成。该系统软件使用Windows XP操作系统和Visual C ++ 6.0开发工具来调运动控制器功能的特殊指令，并使用几种运动控制算法在控制系统的硬件平台上进行开发。
3机械结构设计
3.1设计要求
研究表明，站立时膝关节的有效扭矩最大，而膝关节的有效扭矩不足会导致大腿力量不足和臀部运动受限。有下肢疾病的人，提高座椅高度并增加上肢支撑可显著降低下肢关节扭矩。同时，本文设计的设备，考虑到老年人和下肢活动能力较弱的人不能长时间站立，并且该设备必须满足大多数人的身体形状的要求，必须满足以下要求：1.站在此设备上的人具有身体重心，自然站立时的轨迹与重心的轨迹基本相同，并且必须满足舒适性要求。2.站立以降低下肢关节的强度；3.提供舒适的上肢支撑以进一步降低下肢关节的扭矩；4.力反馈以解决老年人和运动障碍者无法做到的问题，自动调节适应人体形状差异的设备。6.该设备必须符合卫生管理机器人程序的总体设计。
3.2确定自由度
自由度是指机器人的独立坐标轴运动的次数，自由度反映了机器人的灵活性，自由度越高，机构越灵活，控制起来就越困难。本论文提出了在自由度协调中向后站立的设计思想，但同时认为辅助站立系统需要满足减重和适应人体体型差异的要求。
3.3总体结构和工作原理
将人体工程学原理与对国内外辅助站立的出色研究相结合，以满足设计要求。
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结束语
本章主要介绍辅助站立系统的总体设计方案和机械结构设计，辅助站立系统的工作原理，老年人体型参数的分析，自动调节装置的设计，开发符合人体工程学的自动减重装置，为下一步控制试验奠定良好的基础。
参考文献：
[1]张琪.我国老龄化社会的人口安全问题[J].科技法制与政策研究.2016,23(4):56-58.
[2]王俊涛,肖慧,高冲.为老年人而设计[R].工业设计国际会议.中国武汉:湖北机械工程学会,中国机械工程学会湖北工业设计研究所,武汉科技大学,湖北科技大学.2015,84-89.
[3]柳清瑞,金刚.人口红利转变、老龄化与提高退休年龄[J].人口与发展.2018,(4):39-47,63.