护理机器人技术发展综述

李奇林 曹宇 茆宁 俞成涛 刘凯磊

摘   要：随着人口老龄化问题的凸显，护理机器人市场需求呈现上升趋势，其技术发展也十分迅速。介绍了助餐机器人、卫生护理机器人、复健机器人和智能护理床式机器人的特点及代表性型号，分析得出当前护理机器人的研究热点主要集中在机构优化创新设计、人工智能控制及安全性等方面。认为国内护理机器人的研究和应用与西方发达国家相比仍存在较大差距，今后的发展应该围绕突出护理机器人的特色功能、与人工智能相结合、提高护理机器人的安全性与可靠性等方面加以改进。

关键词：护理机器人;助餐机器人;卫生护理机器人;复健机器人;智能护理床式机器人

中图分类号： TP242 文献标识码： A        文章编号：2095-7394（2020）04-0062-09

第六次全国人口普查数据显示，我国60岁以上的人口已高达1.85亿，占总人口的13.9%。根据联合国对人口年龄类型的划分，目前我国已经进入“老年型国家”，且老龄化的速度还在不断加快。预计从2020年开始，我国将步入老龄化严重阶段，老龄化水平将达到17.17%;到2050年，我国将步入超高老龄化国家行列，60岁及以上人口将占到30%[1]。与此同时，由于人们对生活品质追求的提高，使得医疗护理不管在质上还是量上都需要满足更高水准的要求。医疗、护理和康复需求的不断增加，以及相对缺乏的医护人力，使得医疗及健康服务机器人市场具有巨大的发展潜力。

护理机器人作为一种特殊的医用机器人，一般是指为需护理人的身体功能和生活提供支援，或者为护理人员提供支援的机器，它服务的对象主要为失能老年人或者残疾人。荷兰、美国、日本等国从20世纪80年代就开始重视护理机器人的研发价值和社会意义，目前，这些发达国家的护理机器人技术已走在世界前列[2]。我国发展服务机器人产业已被列为“863”计划重点项目并引起相关部门和科研单位的重视，但与上述发达国家相比，我国在护理机器人技术方面仍存在比较明显的差距[3]。

1    护理机器人的分类及研究进展

1.1  助餐机器人

助餐机器人是用来帮助行动不便的使用者进行日常饮食护理的一种机器人。1987年，英国的Mike Topping公司开发了一款Handy 1型助餐机器人，旨在帮助一名11岁的脑瘫男孩完成进食[4]。而美国Sammons Preston公司研发的助餐机器人包含了开关、手脚控制器、转盘、托盘、推送器等装置，其结构如图1所示。该类助餐机器人由数台直流伺服电动机驱动，拥有较大的工作空间，可应对不同体型和年龄段的使用者。

助餐机器人的控制大致可以通过三种途径实现[5]：一是脚踏开关。使用者只需要踩踏相应脚踏开关即可获得进餐帮助，其缺点是自动化程度较低。第二种是语音识别。将特定功能的语音信号存入模板库中，当使用者发出声音指令时，将其与模板库中的原有信号进行匹配与识别。其缺点是由于不同人的发音存在差异，会导致不能识别或者误识别的情况出现。第三种是识别头部姿势。其硬件由视频采集卡和高精度摄像头组成，通过头部的动作，如摇头、低头等识别使用者的需求，并产生相应的操作命令。其缺点是系统组成较为复杂，软件控制上也容易出现误动作。

如何取餐是开发助餐机器人的难点。如图2所示，目前最成功的是半勺式取餐机构，该机构自由度仅为1，通过直流伺服电动机驱动丝杠螺母前后运动来实现勺子的张合[6]。美国在2009年开发出世界上首个四轴饮食护理机器人Meal Buddy，它包含一个3自由度的机械臂和配套的餐盘和餐桌[7]。该机器人在餐盘的设计上，充分考虑到在喂给有汤汁的食物时可能造成的汤汁滴落问题，采用了磁力吸附的原理以及特殊的机械结构。我国哈尔滨工程大学在助餐机器人设计[8]与进餐时餐勺轨迹规划[9]等领域进行了长期深入的研究，取得了一定的成果;但其目前研制的助餐机器人还处于功能样机阶段，亟需改进以实现产品化。

近年来，针对助餐机器人还开发了化妆、刷牙、刮胡须等功能，使其成为更加完善的护理机器人[10]，从而提高了被护理者的自理能力和自信心。

1.2   卫生护理机器人

面对无法独自完成个人卫生清洁工作的人群，传统的人工卫生护理工作量大且效率低下，卫生护理机器人的出现即可有效解决这些问题。其中，应用最广泛的是站立式卫生护理机器人，该类护理机器人包含辅助站立系统和清洁系统两大部分[11]。典型的辅助站立系统结构方案如图3所示，依靠扶手的垂直向上提升带动人体重心向上移动，由此减小下肢的受力。清洁系统包含背部清洁、臀部清洁、腿部清洁、头部清洁等。其中：背部、臀部、腿部清洁系统通过支撑板上的圆形塑料搓头模拟人工搓澡，还有一些智能型的个人卫生护理机器人甚至可以根據被护理者的性别、年龄和皮肤特性，设置搓澡力度;头部清洁系统主要采用由主转臂、自转臂、俯仰支撑臂组成的3自由度定位装置，以伺服电动机驱动，搓头安装在半圆形帽壳上[12-13]。

浴缸式自动洗浴机器人可以实现自动洗头、洗澡、按摩、干身、生命体征监测等功能，被护理者可以不必站立而完成个人卫生的清洁。由于浴缸式自动洗浴机器人存在被护理者进出不方便的问题，因此出现了看护轮椅式洗澡机器人，如日本的Bishamon看护用轮椅洗澡机器人，如图4所示。它采用了角度可调的浴缸和上下可分离的轮椅紧密结合的模式，轮椅即为整个机器人的一部分，这样，被护理者进出浴缸非常方便，机器人使用效率较高。

如图5所示为我国洛阳圣瑞机电技术有限公司与河南科技大学等联合开发的轮椅式洗澡机器人[14]，它采用半封闭卧式舱体结构，分为固定、移动两部分，其中移动部分采用座椅结构，以方便洗浴者入舱。

1.3  复健机器人

中风或脑血管损伤可能会引起永久神经性损伤，导致患者无法灵活控制一部分肢体，进而严重危害人体健康。由于人体大脑的中枢神经有可塑性，因此，如果在发病初期及时治疗，完全可以在一定程度上重组和重建大脑神经功能。例如，对于由脑卒中造成的偏瘫患者，相关研究结果表明，康复训练在神经系统功能发生障碍后的3个月内具有比较显著的效果，而超过6个月后神经系统功能恢复的可能性就相对较小[15]。助行复健机器人（亦称为康复机器人）就是以此为目的进行设计的，它主要用于帮助老年人、伤残病人等站立、行走、活动，以恢复他们的患侧肢体运动功能，改善其日常活动能力，从而提高生活质量。国外先后有美国麻省理工学院KREBS H I等研制了末端式上肢康复机器人MIT-MANUS[16]，斯坦福大学BURGAR C G等开发了拥有上肢镜像功能的MIME[17]，如图6所示;国内华中科技大学吴军等研发了一种气动肌肉双向拉伸的外骨骼康复机器人[18]，如图7所示，这种机器人关节的运动通过气动肌肉来实现。

在下肢康复机器人的研究方面：瑞士苏黎世联邦理工学院研制的 Lokomat[19]，其新的下肢机构增加了骨盆的侧向运动和髋关节的内收/外展运动，以实现更加接近人体行走的自然步态;美国特拉华大学研制的ALEX[20]下肢康复机器人包含12个自由度，能适应各种动作;国内清华大学、中国科学院自动化研究所、上海交通大学、南京理工大学、浙江大学以及哈尔滨工程大学等，也在下肢康复机器人领域做了初步研究[21-22]。

近几十年来，国内研究者在上肢康复机器人技术领域的研究成果较多，尤其是在主动训练、柔顺性控制、康复评价等领域的技术研究工作已经开展得比较深入，并开始逐步应用于临床[23]。然而，制作成本高、应用普及受限以及康复效果有限等，是现有上肢康复机器人应用研究中面临的主要问题;而下肢康复机器人的研究和临床应用尚处于初步阶段，仍然存在诸多问题有待深入研究解决[24]。

1.4   智能护理床式机器人

智能护理床式机器人主要服务于空巢家庭中的老人、失去自理能力的病人等。国外护理床研究起步早、技术比较成熟，早在20世纪90年代，相关电动护理床就已经在医疗护理领域得到应用，其中具有代表性的是日本八乐梦公司的KQ-86330和KR-C7320E[25]，如图8所示。该护理床采用电机驱动，根据使用者要求调整靠背、大腿板、小腿板的角度，可以改变睡姿和坐姿。美国 Hill-Rom 公司研发了CareAssist 系列多功能电动护理床[26]，如图9所示，该护理床采用创新性机械结构将床体与轮椅融合为一体，通过机构的运动即可将床体变为一个轮椅，以便于患者在不离开护理床的条件下完成位置转移和坐、卧姿态的转换;但该护理床存在体积较大、轮椅状态时行驶不便等不足之处，因此该类护理床目前多应用于医疗机构。目前，国内的一些科研机构也开展了智能护理床的相关研究工作，并取得了一定的进展[27-28]，但投入实际生产的仍然很少。

对于失能人群，解决其长期卧床的大小便问题是护理工作中最为繁琐的环节，因此，如何保证失能人群可以便捷且舒适地完成大小便是护理设备研发的重点之一[29]。针对这一问题，目前比较常见的是一次性便袋和升举式便盆[30]两种方案，如图10所示。由于以上两种方案均需要由护理人员对被护理者进行便后身体清洁工作，所以实际使用中护理人员的工作强度仍然比较大。

如图11所示，日本松永和国产鱼跃品牌将轮椅与家用坐便器结合，在一定程度上解决了使用者的大小便护理问题，但在解决长期卧床患者的大小便问题时，仍显得过于繁琐。此外，日本还研发了Ever Care全自动排泄处理系统[31]，该产品由床体集便器、净水污水箱、水循环系统以及嵌入式计算机系统组成，可自动完成对患者的大小便护理工作，如图12所示。由于患者臀部需要长时间包裹于床体集便器内，使其舒适性受到很大影响，因此，该产品的使用者主要是生活完全不能自理的人群。

综上，目前市场上主流的护理床式机器人在功能上，尤其是在大小便护理功能的完善方面，还有很大的提升空间。新一代的护理床式机器人可以将智能马桶技术与移动机器人技术融入其中，开发出在机械结构上与床体相对独立的移动式智能马桶，一方面，可提供温水冲洗和暖风烘干功能;另一方面，结合智能调度和导航系統，可与多个床体进行对接，从而提高护理质量并改善护理人员的工作环境。此外，通过进一步融入各种智能传感器，新一代护理床式机器人还可以对呼吸、体温和血压等生命体征进行实时监控，并通过网络共享给护理人员，从而在使用者生命体征数值出现异常时发出警报。

2    护理机器人的研究热点

2.1  机构优化创新设计

机构性能的优化和提升对于护理机器人功能的改善有着重要作用。目前，助餐机器人的喂食机构还无法达到人类手指的灵活性，因此，如何通过机构创新设计，使助餐机器人满足多种类型食物，如流质、半流质和固体食物的喂食需求，是当前需要解决的关键技术之一[32]。护理床式机器人从最原始的纯手动方式，发展到目前的全自动智能化，每一代机器人的革新都伴随着机构的优化创新。目前，市场上的护理床大多具备起背、屈腿、侧翻身以及大小便护理等功能，然而，功能越全面的护理床机械结构越复杂、体积亦更加庞大;因此，通过机构优化创新，在实现多功能的同时进一步缩小体积，从而提高其便携性能，是护理床式机器人研发中的关键技术之一。此外，将近些年来出现的新型软体机器人[33]技术思想融合到护理行业，可有效提高护理机器人的柔顺性、安全性和适应性。新型软体机器人在人机交互、复杂易碎品抓持和狭小空间作业等方面具有不可比拟的优势，据报道，国外已研发相关产品来辅助脑中风患者或骨折病人做上肢康复训练。

2.2  传感器与智能控制技术

人工智能是全世界的研究热点之一，因此，智能化必然是未来机器人技术发展的重要方向，而护理机器人的智能水平又依赖于传感器以及智能控制技术的发展。传感器如同人类的“五官”，机器人若需要感知外部的环境变化并做出反应，就需要依靠传感器来采集外界的环境信息并进行综合处理。早期的护理机器人主要依靠机械结构来实现其各项护理功能，随着技术的发展，目前的护理机器人使用了大量的传感器并结合智能控制算法来提高其自动化和智能化水平。例如：用于检测位移和角位移量的传感器，以及测量速度和加速度的传感器;检测接触力、把握力、荷重、发布压力、力矩的触觉传感器;检测平面位置、距离、形状的视觉传感器;检测声音、超声波的听觉传感器;检测气体成分和味道的嗅觉味觉传感器;等等[22]。

为了克服单一传感器只能给出环境的部分或侧面信息的局限性，逐步产生了多传感器信息融合技术，它通过对多种传感器获得的关于未知环境特征信息的分析和综合，得到对该环境全面、一致的估计[34]。例如：天津大学设计的一款用于识别语音指令的智能语音系统，其装载了微音器和摄像机，以人发音时的面部表情变化为指示信号，干扰信号是其他各种声音组成的噪音，通过传感器的信息融合，可以从驳杂的噪音中检出目标声音[35]。

2.3  可靠性和安全性

尽管国内外关于工业机器人可靠性和安全性的相关研究成果较多[36-38]，但针对护理机器人可靠性和安全性的研究仍相对较少，目前仅在康复机器人等领域有少量的研究报道[39]。护理机器人不同于一般的工业机器人，它是直接作用于人的系统，需要具备高的可靠性和安全性以保护使用者的生命安全;因此，为了使其能够长期可靠地运行，做好可靠性设计是关键环节。

在实际应用中，将容错技术、故障诊断技术等多种技术引入护理机器人中，采用不同的冗余配置方式，可以实现规划级和控制级计算机系统高可靠性设计[40]。而在可靠性设计的基础上，按照各子系统的重要程度来进行可靠性分配，如采取不降低产品性能前提下的简化设计、降低元件实际承受的应力、增加冗余的并联结构等措施，可以防止因为串行零部件可靠性低而导致的全体结构失效[41]。

为了保证护理机器人的安全性，采用ISO 13482-2014标准对个人护理机器人安全问题产生原因及相应的处理措施进行分析。目前，国内外许多学者在机械结构设计、控制算法以及评估方法等领域开展了比较广泛的研究[42]，例如：用故障树形图分析法来分析，从而对机器人的安全性进行评估[43];使用安全地板，当有人靠近时自动关闭机器;安装安全敏感系统，检测是否有进入机器人工作区的人员或者物体;等等。

3   总结与展望

随着人们生活水平的提高和科技的快速发展，在应对全世界范围内人口老龄化问题的过程中，护理机器人的需求正逐渐增大。上述个人卫生护理机器人、助餐机器人、复健机器人以及智能护理床式机器人等型号多样、功能迥异的护理机器人的出现，改善了老年人和残障人士的生活质量，缓解了老龄化社会所带来的巨大压力。

总体而言，我国对护理机器人的研究和应用起步较晚，与西方发达国家之间仍存在较大差距。在今后的发展中，应该从突出护理机器人的特色功能、与人工智能相结合、提高护理机器人的安全性与可靠性等方面加强改进，从而在该领域形成独特的竞争力。

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