基于SolidWorks Simulation的人体转运机器人研究 欧阳叶，胡国清，陈镇国
(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510641)
摘要：人体转运机器人是协助医护人员对手术后病人等不具备行动能力的对象进行转运的机器人，可以完成病人在手术台、转运床、病床之间的换乘。介绍了人体转运机器人的研究历程及应用现状，根据转运原理和结构特点将该领域机器人进行分类，对其中具有代表性的案例进行归纳总结。针对目前手术室病人转运自动化程度低、医护人员工作强度大的问题，参考码垛机器人提出一种新的病人转运方案，应用三维设计软件SolidWorks建立了人体转运机器人的数字模型，并利用集成的仿真软件Simulation对关键零部件进行有限元分析。在样机选取合适的铝合金材料加工的情况下，可以实现对体重在100kg以内的病人的转运，并在满足强度和刚度要求的前提下将关键零部件的重量降低了35.9%，兼顾了方案的安全性与轻便性。 等离子体刻蚀关键词：转运机器人；三维设计；有限元分析；SolidWorks
中图分类号:TH69;TH122文献标志码：A
Research on Human Transfer Robot based on SolidWorks Simulation
OUYANG Ye,HU Guoqing,CHEN Zhenguo
(College of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou510641,China) Abstract:The human transfer robot was a robot that assists medical staff to transfer objects that had no mobility,such aspostoperativepatients!whichcouldcompletethetransferofpatientsbetweenoperatingtables!transferbeds!andhospital beds Itwasintroducedthattheresearchprocessandapplicationstatusofhumantransferrobots Robotsinthisfieldwere classifiedaccordingtotransferprinciplesandstructuralcharacteristics!andrepresentativecasesweresummarized Inview of the low automation of patient transfer in the operating room and the high work intensity of medical sta f!a new patient transfersolutionwasproposedwithreferencetothepa l etizingrobots Thedigitalmodelofthehumantransferrobotwases-tablishedbyusingthe3DdesignsoftwareSolidWorks!and wefinishedfiniteelementanalysisonkeycomponentswiththe integratedsoftwareSimulationperforms Undertheconditionthattheprototypewasprocessedwithsuitablealuminuma l oy materials,it could realize the transfer of patients weighing less than100kg,and reduced the weight of key parts by35.9% on the premise of meeting the requirements of strength and rigidity,it took into account the plans safety and portability.
Keywords：transfer robot,three-dimensional design,finite element analysis,SolidWorks
2016—2018年，我国医疗机构住院手术人次分别为5082.2万、5595.7万、6171.6万，年均增长率在10%以上%1〕。目前，国内医疗卫生机构手术室保有量巨大，手术人次增长迅速，但是在手术过程中，病人的转运主要是由病人家属协助医护人员用人工的方式将病人从手术台转运至病床。该转运方案主要依靠人力完成，劳动强度大，且容易引发患者二次损伤。因此，越来越多的研究学者提出了利用机械装置来协助医护人员完成病人转运的设想，一方面有助于提高医疗机构的工作效率，另一方面可以减轻医护人员的劳动强度。
2000年以来，日本、瑞典等老龄化严重、人力成本高昂的国家和地区已经对转运护理机器人有过诸多探索，包括大阪变压器株式会社推出的病人转运装置C-Pam(Careful Patient Mover)、日本理化研究所和住友理化株式会社共同研发的护理机器人ROBEAR、日本松下电器产业株式会社生产的集成式护理轮椅床Resyone和瑞典ArjoHuntleigh公司生产的顶部升降式病人移位系列护理设备等。目前，国内高校在病人辅助移位机器人的转运方案设计上，基本参考了C-Pam的双层传送带结构，依靠病人与传送带之间的静摩擦力作用实现转运。
针对手术室病人转运这一特定场景，人体转运护理机器人的设计需要符合2项基本原则：1)转运过程尽量不改变病人的姿势，避免二次损伤;2)该机器人的布置不需要更改手术室原有布局，具有普遍适用性。
为此，本文提出一种采用对称的机械手结构对病人进行抓取，利用升降机来实现病人升降的人体转运机器人设计方案，并对关键零部件进行有限元分析，在确保安全性的基础上对其进行优化，可以有效降低升降部分的重量，提升样机的轻便性。 1人体转运护理机器人研究现状
1.1基于传送带转运原理的转运装置
2008年大阪变压器株式会社与燕山大学王洪 波教授合作研发了病人转运装置C-Pam （见图1）, 该装置集成了上下两层传送带和控制器，每层传送
带由4个独立的子模块组成，其中下层传送带负责 该装置在病床到转运床之间的运动，上层传送带负
干式油底壳
责病人的转运「2切。该装置为了消除子模块转速不 一致所导致的病人皮肤拉扯，开发了一种新的伺服
系统，可以独立测量上下两层传送带每个子模块电 动机的位置、速度和扭矩，并由主控制器在接收到控 制命令后向电动机驱动器输出脉宽调制（PWM ）信
号⑷。军事医学科学院侍才洪设计的伤员换乘转运 机器人和江南大学刘华设计的医疗辅助移位机器人 在病人的转运上均采用了该结构，并在此基础上设 计了升降机构、姿态变换机构、移动底盘和控制系
统，使得转运机器人不仅可以对病人进行转运，而且 可以对病人进行姿态变换，用作日常护理％「7& '
©
病人装载模式
©
空载运行模式
运动方向
载人运行模式
运动方向
-----►
病人卸载模式
运动方向
运动方向
—
—图1 C-Pam 工作原理
该类装置的传送带由于尺寸限制需要采用多个
子模块共同组成，但是每个子模块配备的电动机无 法完全同步，需要开发伺服控制系统解决该问题，增
加了装置的复杂性，且应用过多的电动机和控制器 并不具备经济性。
1. 2拟人形态的转运护理机器人
2007年日本理化研究所仿生控制研究中心开
发了一款名为RI-MAN 的机器人，该机器人具有类
似于人类的外形，并配备视觉传感器、听觉传感器、 触觉传感器和气味传感器，通过融合视频和音频信
息来实时搜索特定的人，并基于声音识别功能来理 解人的语音，在利用双臂抱起病人时会根据触觉传 感器反馈的受力信息与人类进行身体上的互动，此 外气味传感器使得RI-MAN 可以识别常见的气味，
如尿液「8&。
2009年，日本理化研究所（RIKEN ）与东海橡胶 工业公司（TRI ）联合建立的人机交互机器人研究合
作中心在RI-MAN 机器人的基础上开发了辅助护 理机器人RIBA （交互式人体辅助机器人），该机器
人可以利用双臂将61 kg 的病人从床搬运至轮椅
上。2011 年，RIKEN -TRI 推出了 RIBA--I ，该机器 人在底部和下背部添加的新关节使得它可以蹲下将 地面上的病人抱起，且机器人的负重提升至80 kg 。
2015年，日本理化研究所（RIKEN ）与住友理化株式
会社（SRK ）合作推出了第3代ROBEAR 机器人 （见图2），该机器人的质量从RIBA--I 的230 kg 降
低至140 kg，更加轻巧方便。
图2第3代ROBEAR 机器人
该类机器人的限制在于结构过于复杂，生产成 本太高，且目前技术尚不成熟，无法胜任复杂的病人
护理任务，但是仅用于完成病人转运任务并不具有
经济性，因此在2015年3月RIKEN-SRK 人机交互
机器人研究合作中心已经关闭。
1.3吊带升降机
瑞典ArjoHuntleigh 公司生产的病人移位系列
护理设备采用吊机的结构，配合特制的符合人体工 程学的吊带，在病人穿上网状吊带后，通过升降机的
挂钩钩住网状吊带外沿的绳套，利用电缸的动力将
网状吊带和病人整体抬升起来（见图3）。该升降机
底部安装有脚轮，使得医护人员可以推动该升降机
对病人进行移动，且升降机挂钩可以搭配环形吊带、
挤压爆破
担架吊带等不同样式的特制吊带，从而对病人完成不同姿势的转运以适应病房转运、家庭转运等复杂的场景。
图3Minstrel升降机
该类升降机的限制在于需要使用公司特制的吊带，且吊带会跟随病人进出手术室，因此吊带重复使用需要经历复杂的消毒流程，使得该类设备并不适用于手术室环境的病人转运。
2机器人总体方案设计
转运机器人结构图如图4所示。该人体转运护理机器人的结构包括机器人框架、蜗轮丝杆升降机构、升降工作台、滚珠丝杠滑台和机械手转运机构等5个部分，其中机器人框架采用80mmX80mm的铝型材通过角码连接组成，长、宽、高尺寸为2000 mmX1360mmX1800mm；涡轮丝杆升降机构具有传动比大、可以自锁的特点，广泛应用于大载荷、低速的工作场合，在样机制作中可以用于机械手工作台的升降；滚珠丝杠滑台底座为30mmX150mm 的铝型材，配合直径为20mm的丝杠负载可以达到200kg，可以用于承载机械手爪和病人。
在实际工作过程中，根据转运场景可以由医护人员将转运机器人移动至手术床或病床的正上方固定，或者固定机器人的位置将转运床移动至机器人的正下方，再由医护人员从一侧抄起病人倾斜一定角度，
控制该侧的机械手爪平行移动至病人下方，医护人员松手后病人会自然平躺在单侧的机械手爪上，升降机带动机械手爪向上移动一定距离使得病人悬空，再由另一侧的机械手爪平行移动至合拢，以合抱的姿势将病人抱起离开床面。将该过程反转即可将病人转运至其他病床上，从而实现对病人的转运。柴油抗磨剂
图4转运机器人结构图
3关键零部件的优化
3.1机械手工作台安装板的有限元优化
机械手工作台的安装板两侧可以视作2根450 mmX150mm的梁，用于安装滚珠丝杠滑台，安装板的厚度为10mm，中心有深度为10mm的凹槽，用于与升降机的法兰相连接。根据SolidWorks Simulation的仿真结果，在不添加支承的情况下，该安装板需要采用45钢加工才能达到强度和刚度要求，具体承受的最大应力$max=274.9MPa，最大形变为16.18mm。
在对安装板两侧增加厚度为40mm的加强筋后，该安装板采用6061-T6铝合金即可满足强度和刚度要求，且最大应力$max=270.6MPa，最大形变为23.32mm"见图5和图6）。相比于采用45钢的安装板质量为32.249kg，使用加强筋的6061-T6铝合金安装板质量降低为12.715kg。机械手工作台有限元分析结果见表1'
图5机械手工作台安装板应力云图
图6机械手工作台安装板形变云图表1机械手工作台有限元分析结果
零件名称材料屈服强
度/MPa
最大应
力/MPa
最大形
变/mm
质量/kg
机械手
工作台
45钢530274.9#6.#832.249
安装板606#-T6
铝合金
275270.623.32#2.7#5
根据病人的身高，选择1500mmX300mm X 15mm的铝合金板材作为基础加工抓钩连接板，并间隔120mm布置2个M8沉孔用于安装抓钩，两侧的抓钩连接板分别有12和13组沉孔。而在机器人实际工作中单侧机械手爪将病人抱起时抓钩连接板需要承受的最大力矩约为350N・m o
在应用SolidWorksSimulation对抓钩连接板进行有限元分析后，可以得知最大应力点在抓钩连接板与抓钩摆臂的连接处，且最大应力$_=141.4MPa，小于6061-T6铝合金的屈服强度$心=275MPa，且该连接板的最大形变为1254mm，可以忽略不计，故该零件采用6061-T6铝合金加工符合强度与刚度要求o但此时该连接板质量达到17.848kg，出于控制机器人升降部分质量的角度考虑!决定对连接
板中间部分进行切除。
在对连接板沿对称轴切除600mm X100mm 的部分后，重新进行有限元分析（见图7和图8），最大应力$m ax=161.5MPa，最大形变为1.411mm，符合强度与刚度要求且该连接板的质量降低至15.418kg o机械手爪抓钩连接板有限元分析结果见表2。
表2机械手爪抓钩连接板有限元分析结果
零件名称状态屈服强
度/MPa
最大应
力/MPa
最大形
变/mm
质量/kg
机械手爪抓钩切除前275
#4#.4125417.848连接板切除后275#6#.5#.4###5.4#8 3.3机械手爪抓钩的有限元校核
根据抓钩连接板预留的安装孔位，两侧机械手
图8机械手爪抓钩连接板形变云图
爪分别安装12和13个抓钩，抓钩的厚度、宽度和长度分别为20、50和600mm，抓钩自末端开始有长度为500mm的微小角度斜面。当单侧的机械手爪将病人抱起时!由该侧机械手爪的抓钩共同承受病
人的重量，以病人的极限质量100kg计算抓钩承受的极限应力，12个抓钩在斜面上分别承受约83.3N 的竖直向下方向的力。
应用SolidWorks Simulation对抓钩进行有限元分析（见图9和图10），抓钩的最大应力点在抓钩背面的凹槽处，且最大应力$_=26.96MPa，小于6061-T6铝合金的屈服强度$心=275MPa，且该抓钩末端的最大形变为3.053mm，可以满足承载病
图9机械手爪抓钩应力云图
人的要求，故该零件采用6061-T6铝合金加工符合强度与刚度要求。
von Mises(N/m A2)
2.696e+007
2.471e+CO7
2.246e+0O7
_2.022e+007
_1.797e+007
r1.573e+007
1.348e+OO7
1.123e+OO7
-8,986亡+006
6.739e+OO6
4.493e+006
2.246e+OO6
3.428e+CCO
—►屈服力：2.750e+008
液化气燃烧器图10机械手爪抓钩形变云图
4结语
本文针对手术室病人转运的工作场景，提出了一种区别于目前主流的传送带运输的转运方案，并应用三维设计软件SolidWorks建立了数字模型o 通过仿真软件SolidWorks Simulation对关键零部件进行有限元分析，确定了合适的加工材料，并对机械手工作台安装板和抓钩连接板的结构进行优化，使得零部件的质量从67.953kg下降35.9%至43.559kg，有效降低了机器人的质量，兼顾了方案的安全性与轻便性。
参考文献
%1&中华人民共和国统计局.中国统计年鉴［M&.北京：中国统计出版社,019.[2&Wang H B,Kasagami F.Careful-patient mover used for patient transfer in hospital%C&//IEEE/ICME International Conference on Complex Medical Engineering.IEEE：2007. [3&Wang H B,Kasagami F.A patient transfer apparatus between bed and stretcher[J&.IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics,Part B(Cybernetics),2008, 38(1)：60-67.
[4&王洪波，笠上文男.病人搬移设备的机电一体化设计和应用[J&.机械工程学报,2009,45(7):6874.
广告宣传栏制作[5&侍才洪，张西正，张燕，等.伤病员转运车的研究进展[J&.医疗卫生装备,2008,29(9):277279.
侍才洪，康少华，段秀兵，等.伤病员搬运机器人换乘手臂的设计研究[J&.军事医学科学院院刊，2010,34(1)：55-57
[7&刘华，张秋菊.一种八连杆坐卧姿态变换机构的模型构建及参数优化[J&.机械传动,2018,42(8):4650.
[8&Onishi M,Luo Z W,Odashima T,et al.Generation of human care behaviors by human-interactiverobot RI-MAN [C&//Proceedings of IEEE International Conference on Net-working!Roboticsand Automation IEEE：2007
陈超祥，胡其登.SOLIDWORKS Simulation基础教程(2016版)[M&.北京：机械工业出版社，2016.
作者简介：欧阳叶(1997-)，男，硕士研究生，主要从事机器视觉、转运护理机器人等方面的研究。
收稿日期：20201209
责任编辑郑练
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议