病人搬移设备的机电一体化设计和应用.pdf

机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 45 卷第 7 期 2009 年 7 月 Vol.45 No.7 Jul.2009 DOI：10.3901/JME.2009.07.068 病人搬移设备的机电一体化设计和应用*王洪波1,2 笠上文男2(1.燕山大学机械工程学院 秦皇岛 066004；2.DAIHEN 公司事业开发本部 大阪 532-8512 日本)摘要：针对在医院里多数采用人工方法搬移受伤、瘫痪或手术前后病人的状况，提出一种新型的病人搬移设备，介绍了病人搬移设备的机电一体化设计和应用。应用这种设备，护士能独自把病人从病床搬移到担架车上或从担架车搬移到病床上而不改变病人的姿态，减轻了护士的劳动强度,增加了病人的安全感和舒适度。介绍该设备的开发理念、机械设计和控制系统。基于开发理念，采用了模块化机械结构和嵌入式控制系统的机电一体化设计思想。整体机构由四个模块组成，每个模块又包括上、下两部分皮带驱动单元，共有八个电机驱动。所有控制系统全部安装在设备内部，使得搬移设备和担架车相互独立。提出整体设计和机构组成的方法，并对关键部件进行了计算。设计开发了一种用于该设备的嵌入式新型伺服系统，提出其控制原理和控制算法。同步控制试验和在医院的临床应用试验表明该系统是安全有效的。关键词：病人搬移 机电一体化设计 机械设计 控制系统 伺服系统 中图分类号：TH-39 TP271 Mechatronic Design and Application of a Patient Transfer Apparatus WANG Hongbo1,2 FUMIO Kasagami2(1.College of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004;2.Business Development Division,DAIHEN Corporation,Osaka 532-8512,Japan)Abstract：In view of the situation that the injured,paralyzed or pre-and postoperative patients are mostly transferred by using manual method in hospital,a new patient transfer apparatus is presented,and the mechatronics design and application are described.Using this apparatus,one nurse can transfer the patient from a bed to a wheeled stretcher or from a wheeled stretcher to a bed without changing the patients posture,which eases the labor intensity of the nurse,and increases the patients safety sense and comfort.The development idea,mechanical design and the control system of the apparatus are described.Based on the development idea,the mechatronics design ideas of the modular mechanical construction and embedded control systems are adopted.The apparatus driven by eight motors consists of four modules and every module can be divided into upper and lower belt drive units.All control systems are installed in the apparatus,so that the apparatus and wheeled stretcher are independent of each other.The method of integrated design and constitution of mechanism are presented,and the key components are calculated.A new embedded servo system used in this apparatus is developed,and its control principle and algorithm are proposed.The experimental results of the synchronous control and the validation trials in hospital indicate that this system is safe and effective.Key words：Patient transfer Mechatronics design Mechanical design Control system Servo system 0 前言*目前，在医院里搬移受伤、瘫痪或手术前后病人时通常采用多人抬抱的方法，这样既费人力又不 20080722 收到初稿，20090311 收到修改稿 安全。为了把一位不能独自行走的病人从病床搬移到担架车上或从担架车搬移到病床上，至少需要三位护士才能完成。搬移病人时，护士要付出比搬送同等重量的物体更繁重的体力劳动，而且如果稍微粗心还可能加重病人的痛苦，甚至导致意外事故。随着世界范围内老龄化社会的加速到来，需要外界辅助才能移动的病人数量正逐步增加。因此，研究月 2009 年 7 月 王洪波等：病人搬移设备的机电一体化设计和应用 69 和开发既可以减轻护士的负担，又有利于病人安全的病人搬移设备，在现代化的医疗护理中是非常必要的1。在医院，有时候要求在不改变病人姿态的前提下，把病人从集中治疗室或检查室搬移到病床上，例如：手术后连接着输液管和静脉导管等导管的病人、股骨骨折的老年病人、手术后还处于麻醉状态的病人、透析后需要休息的病人等等。人们已经开发了各种用于搬移病人的辅助工具，如滑行垫、滑动板和滑动担架等2-3。但是使用这些工具时需要使病人倾斜，因此很难获得推广应用。如果病人需要被水平地搬移，则只能依靠人工来完成，这对护士来说是很大的体力负担。为了解决上述问题，人们研究并开发了各种用于辅助搬移病人的机电设备。其典型设备是 FUJIDA4提出的“Torancemover”。该设备由上、下两个金属板和皮带组成，主驱动电动机和控制器安装在担架车上，通过上、下部皮带的旋转来搬移病人。TAKAOKA等5和 KAKUTANI 等6开发了一种助力搬移设备。该系统包括三个用于搬移的金属板，它们各自有一个控制杆。搬移病人时，操作者必须通过操纵控制棒将金属板插入到病人身体下。日本 DAIHEN 公司开发了两种类型的病人搬移设备。与前述的搬移设备相比，其最大的特点是：搬移设备和担架车是分开的，相互独立。驱动电源采用 24 V 的电池，使用范围广。病人的姿态和设备的方向可以调节。KASAGAMI 等7提出了一种插入板较厚但可以两面搬移的设备。本文介绍一种插入板较薄的新型病人搬移设备。基于模块化机械结构和嵌入式控制系统的机电一体化设计思想，提出了整体设计和机构组成的方法，开发了一种嵌入式新型伺服系统，提出其控制原理和控制算法。该病人搬移设备研发的主要目的是减轻护士的劳动强度，消除病人被搬移时的不安和痛苦，提高病人搬移的安全性、可靠性和工作效率。1 开发理念 该病人搬移设备的开发理念是减轻护士的体力负担，并使病人觉得更安全、可靠、放松和舒适，从而提高医疗服务的水平和质量，如图 1 所示。为了实现上述目标，采用了模块化结构设计、嵌入式控制系统和人机和谐共处的机电一体化设计思想。(1)模块化结构设计。模块化设计有利于提高系统的稳定性和可靠性8，提出的病人搬移设备由四个模块组合而成，每个模块又包括模块化的上、下两部分，便于安装、易于拆卸，具有互换性。(2)嵌入式控制系统。嵌入式系统以其本身体积小、功能多、高智能等优点而逐渐地被引入到机器人技术领域9。病人搬移设备采用小型直流电机和嵌入式伺服系统，从而使得搬移设备和担架车相互独立。(3)人机和谐共处。搬移设备是和病人接触的，护士、病人和设备需要人机和谐共处。在设计过程中注重考虑了安全问题，设备具有负载异常检测、落下防止和语音提示等安全功能。开发了一种特殊的新颖机构，使病人在搬移过程中能够保持姿态不变，从而确保需要水平躺着的病人感到安全。图 1 病人搬移装置的开发理念 基于上述的开发理念和设计思想，开发了该用于搬移病人的新型辅助设备，如图 2 所示。由于电动机、控制器、主控计算机和电池组安装在设备的一侧，插入板只有 35 mm，因此在搬移过程中，病人没有太大的倾斜。另外，该设备具有成本低、重量轻的特点，其基本参数如表 1 所示。图 2 设备外形 表 1 设备参数 参数 数值 设备型号 Rb011 本体尺寸长宽高 lbh/mm 1 820650160 插入板厚度 d/mm 35 本体质量 m/kg 35 驱动电源电压 UD/V 24 充电器电压 UA/V 100 移动速度 v/(mms1)70 搬移患者身高 h/cm 180 搬移患者体重 W/kg 100 机 械 工 程 学 报 第 45 卷第 7 期期 702 机械设计 2.1 整体设计 如图 3 所示，病人搬移设备由四个模块组成，每个模块又包括上、下两部分，共有八个电动机驱动。采用嵌入式控制系统，电动机、控制器、驱动器、主控微机和电池组等全部安装在设备内部。图 3 整体系统的组成 2.2 机构组成 图 4 表示其中一个模块的截面。该模块包括上、下两层机械装置，各自驱动环绕其四周的皮带。上、下两部分的内部均设计有皮带张紧装置，驱动滚筒通过与皮带的外表面接触来带动皮带转动。整个驱动装置由驱动滚筒、减速器和电动机组成。图 4 机构组成 驱动机构的大部分载荷被用于驱动皮带旋转。为了减少皮带传动的负载并使该装置的结构更加紧凑，采取了以下措施。(1)开发了一种具有光滑内表面和粗糙外表面的环形皮带。(2)利用内表面光滑的特性，当皮带与机械装置相互作用时，能够降低接触载荷，从而减小电机的功率。(3)利用外表面粗糙的特性，当皮带与驱动辊相接触时，可以降低皮带张紧力并使该设备的结构更加紧凑。另外，皮带的粗糙外表面与病人接触，可以避免病人和皮带之间的相对打滑。(4)上部机构的前端有一伸长臂，伸长臂端部一直倾斜到移动面上，这使得该装置更容易滑移到病人身下。此外，通过伸长臂末端的自由旋转滚筒，可以减少皮带旋转时的摩擦。(5)在伸长臂下部，安装了一个两面光滑的金属板，从而使伸长臂很容易插入到病人身下并能将病人平稳地移动到该设备上。此外，这种结构还有助于减轻接触压力，从而提高了电机的负载能力。2.3 关键部件的选择 在搬移设备的设计中，电机和皮带是关键部件。下面对电动机和皮带的选择进行说明。(1)电动机功率估算。皮带传动机构的各参数取值如下：驱动滚轮的旋转摩擦因数=0.05；每 1 m 长的搬运物体质量GW=25 kg/m(每个模块承受的平均质量为 100/4=25 kg)；每 1 m 长的皮带质量1W=1 kg/m；每 1 m 长的驱动滚轮质量2W=3 kg/m；每 1 m 长的回转滚轮质量3W=2 kg/m；伸长臂部分皮带传动水平长度l=0.15 m，垂直高度h=0.035 m。根据皮带有效张力的计算公式可计算出皮带的有效张力为 G1213G()()FWWW lWW lW h=+=10.9 N 由 于 设 备 的 最 大 搬 移 速 度 为v=70 mm/s=4.2 m/min，假定=0.6，则电动机输出功率为 M1 0006 120FvP=12.5 W 式中6 120为一常数。根据计算可选用小于20 W 的电机。(2)皮带的选择。从松弛侧张力计算出的最大张力为 M1FFK=18.5 N 式中的系数K=1.7。由于皮带宽度b=416 mm，初始张力TcF=1.5 N/cm，所以从初始张力计算出的最大张力为 M2TcFFbF=+=73.3 N 根据M1F和M2F，计算出的容许应力为 M1M2FFbb=0.18 kg/cm 选择日本三星皮带NS41UF0/2W，该型号皮带的容许应力为c=4 kg/cm，大于上述计算值，满足要求。2.4 其他特点(1)病人一般并不会处在完全平直的位置，其身体往往是弯曲的或者与搬移设备成一定的角度。该设备通过改变各个模块的运行速度并使其有效配合，即可使该装置旋转到与病人平行的位置，然后沿直线方向滑移到病人身体下。(2)应用一种新的伺服系统，通过不断检测电机的转速和电流，从而使四个模块同步协作。另外，当出现某些异常时，如检测到某些异物卡在上下机月 2009 年 7 月 王洪波等：病人搬移设备的机电一体化设计和应用 71 构之间，设备将自动停止运行。(3)用于向下检测的光学传感器安装在设备底部的四个角落，实现安全保护。只要其中任何一个传感器检测到空隙，设备就会自动停止运行，并且在该方向运动的操作无效，以防止设备落下。(4)在设备运行过程中，还有一个语音报警系统用来防止意外事故，保护病人安全。一旦发现电机的监测功能、传感器的安全功能等检测到异常，该语音报警系统将发出提示。3 控制系统 3.1 控制系统的组成 如图5所示，在该设备的一侧配备有八个电动机驱动器用于驱动电机，四个小型控制器直接向驱动器输出脉宽调制(Pulse width modulation，PWM)信号，又由主控微机控制这些控制器，并由电池组向其提供电源。图 5 控制系统的组成 图6表示一个电机驱动器和一个带有美国Microchip公司生产的RISC芯片的电机控制器。主控微机采用的是日立公司生产的单片机(SH2)。设备运行时，由语音系统向护士发出操作提示，并能够使病人有心理准备。电源采用镍金属氢化物电池，一次充电可以搬移病人40次。(a)控制器 (b)驱动器 图 6 电机驱动器和控制器 3.2 新型伺服系统 开发了一种新型的伺服控制系统，可以随时检测负载的变化。伺服系统的软件安装在控制器内，其控制原理如图7所示。位置、速度、转矩(电流)三种控制模式可以随时切换。当控制器接收到来自主计算机的指令后，通过一系列的运算和平滑处理，对电动机驱动器输出一个PWM 信号。电动机的位置、速度和转矩能实时测量并送到主计算机。图 7 伺服控制原理 3.3 控制算法 在每一个控制周期，位置、速度和转矩三种控制模式独立计算，计算结果作为PWM的操作变量输出。转矩控制的操作变量Pr_T可用式(1)表示 ()motsptsmtsritsm1Pr_()dkRnTTKTTK VKTTt=+(1)式中，sT为指定转矩，mT为测量转矩，motR为电动机的电阻，ptK为转矩控制的比例常数，itK为转矩控制的积分常数，tK为力矩常数，srV为伺服电压，n为一个控制周期划分的处理模块数。速度控制的操作变量Pr_V可用式(2)给出 ()sratedpvsmratedsrivsm1Pr_()dlvVnVKvvnVKvvt=+(2)式中，sv为指定速度，mv为测量速度，ratedV为额定电压，nrated为额定转速，pvK为速度控制的比例常数，ivK为速度控制的积分常数。位置控制的操作变量Pr_P表示如下 ()ppsmipsm1Pr_()dmPKPPKPPt=+(3)式中，sP为指定位置，mP为测量位置，ppK为位置控制的比例常数，ipK为位置控制的积分常数。3.4 通信 主控微机通过RS485与控制器连接，通信速度为38 400 bit/s。所有指令见表2。控制器的通信 指令包括：控制指令、设定指令、查询指令和其他指令。机 械 工 程 学 报 第 45 卷第 7 期期 72表 2 通信指令 指令 代码 类别 功能 说明 数据数n 1 位置控制 运动到指定位置 3 2 速度控制 以指定速度运动 1 3 电流控制 以指定电流运动 1 4 位置速度复合控制 指定速度的位置控制6 5 全轴停止 所有电机停止 0 6 控制 指令 原点复归 原点复归 6 7 系统设定 伺服系统设定 1 8 比例积分常数设定 增益设定 6 9 设定 指令 运动范围设定 运动范围设定 6 10 位置询问 位置值询问 0 11 速度询问 速度值询问 0 12 电流询问 电流值询问 0 13 询问 指令 系统询问 系统状态询问 0 14 I/O 控制指令 I/O 输入输出操作 1 15 读/写指令 内部状态信息读/写 1 0 其他 扩展 用户使用 6 3.5 设备操作过程 搬移病人的原理可分为抬升、移动和放下三个步骤。在抬升病人时，上下两部分机构同时运动。图8a指出了抬升病人时的搬移原理。设备下部机 构的皮带逆时针旋转，带动设备向图的左部移动。同时通过协调控制，上部机构的皮带顺时针方向旋转。上下机构的同时运动，使得该设备慢慢滑动到病人身下，将病人从病床移动到设备上部。在抬升过程中，病人在水平方向没有相对运动。当病人被搬移到该设备上面时，上部机构的电机停止运行，通过控制下部装置的电动机来移动病人，如图8b。与抬升病人的过程相同，通过上下装置的协调控制，可以把病人从设备慢慢放到病床，如图8c。搬移病人的过程如图9所示。可以分为以下几步：图9a将担架车移动到病床前；图9b操作设备将其从担架车移动到病床上；图9c把病人抬升到该设备上；图9d把设备上的病人从病床移动到担架车上；图9e推动担架车到另外一张病床；图9f将 担架车移动到该病床前；图9g操作设备将其从担架车移动到病床上；图9h把病人从设备上放到病床；图9i把设备从病床上移动到担架车上；图9j整个搬移过程结束。3.6 同步运动控制 在病人搬移过程中，分别对设备上部和下部机械装置的四个电动机指定了相同的速度。然而由于实际工作中不同的电机承受的负载不同，它们的实际运行速度并不相同。为了使上下部的电动机在搬移过程中保持相同的速度，采用了同步控制的方法。同步控制方法的研究很多，国庆鼎等10研究了基于 图 8 病人搬移原理 (a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)图 9 病人在两个病床之间的搬移过程 月 2009 年 7 月 王洪波等：病人搬移设备的机电一体化设计和应用 73 自适应控制的双电动机同步传动控制技术，提出了系统结构、控制方案的设计原理和自适应律设计。本文根据病人搬移设备系统的特点，提出一种简单的控制方法。该方法可具体描述如下。(1)对上下单元，分别比较四个电动机的位置，找出最小位置minjP min1234min,jjjjjPPPPP=1,2j=式中j表示上部或下部单元，jiP(1,2,3,4)为四个电动机的位置。(2)计算最小位置电动机和其他电机之间的位置误差 minjjjiiePP=1,2,3,4i=(3)如果指定的速度是sjv，可用下式求得每一个电动机的速度 s(1/)jjjiivvec=式中c是一个通过试验获得的常数。应用上述同步运动控制方法，每一个电动机的运行速度可以根据自身的位置自动调节，从而使得上部或下部皮带能够在外部载荷变动下保持同样的实际速度。4 试验和临床应用 4.1 同步控制的位置精度 本文评价了同步控制的精确性。将40 kg的负载依次施加到四个上部单元，当负载施加到第一个单元时，其电流和速度的变化如图10所示，该单元的电流上升，速度下降，由于采用了同步控制方法，同时其他三个单元的速度也随之下降。图 10 外部载荷作用下速度和电流的变化 当负载施加到某一个单元时，关注的是皮带之间的位置误差。以第一个单元的电动机为基准，皮带之间位置误差可以通过其他三个电动机的同步性来评价。结果显示其他三个皮带相对于第一个皮带的位置误差在3.5 mm之间浮动(图11)。图 11 外部载荷作用下同步运动控制的位置误差 4.2 临床试验 该病人搬移装置在大阪府立医疗中心进行了应用试验。不仅进行了搬移病人的临床试验，还检验了该设备在实际医疗应用中的可行性。共有12位病人参与临床试验，其基本资料如表3所示。与病人连接的导管类型如表4所示。表 3 患者的基本信息 男性人数女性人数年龄 身高 H/cm 体重 W/kg9 3 2787 152175 4080 表 4 导管的类型 与病人连接的导管类型 病人数目 外周静脉营养管 3 中央静脉管 2 心电图监护线 1 气管内插管 2 输尿管 3 通风管 3 其他 1 临床试验的评价项目包括安全性，护士的可操作性，病人的舒适度。评价结果如图1214所示。(1)安全性。患有各种疾病的病人在手术后，身体上往往连接着各种导管，这些导管很容易被卷入设备。为了解决这一问题，防止卷入的发生，在伸长臂下安装了一个金属板。一旦发生卷入现象，该设备可以自动或手动停止。自动停止是通过伺服系统检测到的电流变化来执行的，手动停止操作则是基于人为的判断。图12显示了安全性的评价结果。图 12 安全性(2)护士的可操作性。护士的可操作性的评价依据主要是能否减轻其体力负担并缩短搬移时间。虽然应用该设备搬移病人比人力搬移较慢一些，但 机 械 工 程 学 报 第 45 卷第 7 期期 74可以显著地减轻护士的体力负担，半数以上的护士都愿意使用该设备来辅助搬移病人，如图13所示。图 13 护士的可操作性(3)病人的舒适度。当病人接触到一台机械设备时，不可避免会有一种潜在的恐惧感。即使搬移过程中舒适安全，病人依然可能有恐惧或紧张感。在临床搬移试验中，作者认真调查询问了病人在被搬移过程中的感觉。由于该设备只是慢慢移动到病人身下，然后轻轻地抬起病人，而且没有改变他们的姿态，30%的病人没有任何紧张或恐惧感，60%的病人仅仅稍微有些紧张，不适应的患者仅有10%，如图14所示。图 14 病人的舒适度 5 结论(1)介绍一种新型病人搬移设备的机电一体化设计。采用模块化结构设计、嵌入式伺服系统和同步协调的控制方法。具有负载检测、落下防止等安全保护措施和语音提示系统。(2)该设备具有在不改变病人姿态的前提下搬移病人的特点。应用这种设备，不仅能够减轻护士的劳动强度，而且能够增加病人的安全感和舒适度。(3)在大阪府立医疗中心对设备的安全性、护士的可操作性和病人的舒适度进行了临床应用试验，获得了护士和患者的一致好评。参 考 文 献 1 喻洪流，张意彬，葛斌，等.一种新型多功能急救担架车的研制J.医疗卫生装备,2006,27(1)：93-94.YU Hongliu,ZHANG Yibin,GE Bin,et al.Development of a novel multifunctional first-aid stretcher cart J.Chinese Medical Equipment Journal,2006,27(1)：93-94.2 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