李素姣，朱華瑞，胡冰山△，喻洪流，蘇穎兵

(1.上海理工大學康復工程與技術研究所，上海200093；2.上?？祻推餍倒こ碳夹g研究中心，上海200093)

1 引 言

據全國老齡辦統(tǒng)計數據顯示，截至2019年末，我國60周歲及以上的老人為25 388萬人，占總人口的18.1%，而需要長期臥床的失能或部分失能老人約為4 000萬人。此外，由疾病及事故造成的殘障人士的護理康復需求也日益凸顯。老齡化的嚴重加劇和龐大的臥床患者數量給醫(yī)療資源和護理工作帶來嚴峻挑戰(zhàn)，進而導致護理質量的不足及護理效率低下[1]。護理床作為一種最主要的康復護理設備，有效緩解了護理人員對臥床患者的護理壓力。但是，傳統(tǒng)護理床遠不能滿足不同程度的失能臥床患者的日常需求，因此，多功能智能護理床已成為國內外眾多康復器械研究機構和企業(yè)的研究熱點，一系列適用于各類應用場景和不同患者需求的多功能智能護理床產品被相繼開發(fā)。

與傳統(tǒng)護理床相比，多功能護理床可以根據患者實際需求提供相應輔助功能，如坐臥姿態(tài)轉換、輔助翻身、溫度檢測等，這為臥床患者自行處理日常生活提供了極大方便，增加了患者自主護理能力[2]。多功能護理床智能技術的發(fā)展和應用大大緩解了護理人員的工作壓力，也讓患者護理工作變得數字化、智能化。

我們在查閱國內外大量文獻的基礎上，分析多功能護理床智能控制技術的研究發(fā)展，基于功能類型將護理床分為基礎功能型、二便護理型和自主移動型，重點闡述護理床智能控制中最為關鍵的自動對接技術及其原理，并進一步總結目前多功能智能護理床的發(fā)展現狀及技術趨勢。

2 基礎功能型

基礎功能型護理床主要針對需要臥床康復的術后患者或存在運動障礙不能獨立坐臥、曲腿伸展、翻身等一般臥床患者。護理床發(fā)展之初，僅在木制或鋼制的普通病床上增設護欄、輸液桿、腳輪、接便盆等。90年代后隨著機電和計算機技術的發(fā)展，電動護理床逐漸取代傳統(tǒng)護理床[3]。經過近三十年的發(fā)展，起背、抬腿已成為多功能護理床的基本功能，其床體結構見圖1。通過連桿鉸鏈結構和直線推桿結構來幫助患者實現姿態(tài)變換，部分護理床還能實現床體左右側翻和側平[4]，可以更好地降低和預防褥瘡等并發(fā)癥的發(fā)病率。其中各姿態(tài)變換模塊具體參數參照國家標準GB10000-88《中國成年人人體尺寸》，外形設計等遵循人機工程學，符合大多數使用者的日常習慣[5]。

美國Hill-Rom公司推出的Care Assist系列多功能護理床及Centrella電動護理床均將床體與輪椅功能融為一體。前者見圖2[6]，可完成抬腿、起背、空間轉移等，而后者還可以調整床面高度，并能夠通過配備的充氣床墊達到預防褥瘡的效果，但該類型護理床體積大，占用較大空間，且笨重的床體不利于推行轉移，難以適用大眾家庭及普通病房狹小的空間，因此，多應用于醫(yī)療機構。

基礎型護理床能夠滿足普通患者術后臥床康復和存在運動障礙的一般失能患者的日常生活，而既能完成臥床護理，又有較好移動能力的護理床還需進一步開發(fā)改進[7-8]。

圖2 Care Assist護理床Fig.2 Care assist nursing bed

圖3 新松坐便輪椅

3 二便護理型

除了幫助患者改變臥床姿態(tài)，二便問題同樣是護理工作中較為繁瑣的環(huán)節(jié)，如何保證患者或失能老人便捷舒適地完成大小便是護理設備研發(fā)的重點之一[9]。針對不同程度失能患者大小便處理需求，護理床技術發(fā)展經歷階段見表1。

表1 護理技術發(fā)展

技術發(fā)展促進護理工作由純人工輔助到全自動智能處理的轉變。圖3為日本新松坐便椅，患者被轉移至坐便椅后，護理人員將坐便椅移至馬桶上方，調整高度使底部貼合馬桶坐墊圈，完成患者大小便[10]，該設計缺點在于其轉移患者的過程繁瑣、費時費力，且無法完全實現普通輪椅的功能；而國產魚躍輪椅采用一體化設計思路，將輪椅與坐便椅相結合，與前者相比，在保留了輪椅所有正常功能的前提下，增加了坐便椅的如廁功能，可在室內配合馬桶使用，也可以在戶外使用抽式便盆。但二者在解決長期臥床患者的二便問題上仍顯得過于繁瑣。

為避免患者在轉移過程中受到二次傷害，降低醫(yī)護人員工作強度，市面上多采用嵌入式便袋或電動升降盆幫助患者在臥床狀態(tài)完成二便護理，該方式因其結構簡單、價格便宜，在各種護理場景下得到廣泛應用。采用此方式的問題在于便后處理相對麻煩，極易污染床體，因此，全自動二便護理機器人的設計研發(fā)得到了國內外研究人員的密切關注。

日本自2008年起連續(xù)開發(fā)了四種二便護理機器人[11-14]，其中Ever Care全自動護理機器人，見圖4。該裝置內部包含二便自動感應器和各種噴嘴(沖洗噴嘴、清潔噴嘴、烘干噴嘴)，患者穿戴后便可以全天候、全自動處理大小便，設備自行感應、自動沖洗、自動暖烘干、自動消毒除臭，整個使用環(huán)境無異味。蘇州伊利諾護理機器人的產品結構和當前國際主流產品基本相同，見圖5，設備分為主機、軟管和工作頭三個部分，并基于現有智能護理技術對產品用料作出創(chuàng)新，如護理機器人工作頭與人體連接處包褲采用Clear Max特種抗菌纖維制成，穿戴方便透氣性好可水洗，大大提升患者舒適度并在一定程度上有效預防褥瘡。高度智能伴隨著高昂價格，普通家庭難以承擔。

圖4 Ever Care護理機器人 Fig.4 Ever Care nursing robot

由上可知，從最初將患者轉移至輪椅輔助排便到二便裝置基于護理床的嵌入式設計，護理人員均需要提前做準備工作，嵌入式設計帶來的便后處理工作同樣繁瑣。全自動護理機器人將二便裝置作為獨立模塊置于床旁與護理床配合使用，不僅提高了護理人員工作效率也保證了患者二便舒適度，但高昂的價格使其在普通護理場景下難以普及。

注：1.機器人主機；2.連接軟管；3.工作頭

4 自主移動型

護理人員照看患者時，尤其對于術后或是身體需要保持相對穩(wěn)定的患者，轉移難度極大[15]，因此，床椅一體化護理床開始被設計研發(fā)，該類產品旨在開發(fā)一款兼具床和輪椅功能的護理床，可以省去患者由床體至輪椅的轉移過程，并具備一定的自主移動功能[16-17]。

傳感器技術的發(fā)展，促進了自主移動設備在醫(yī)學和空間探索等領域的廣泛應用[18]，而在多功能護理床研發(fā)方面，基于現有的自主移動機器人技術，多功能護理床的分離對接和自主移動功能逐漸趨于成熟。分離對接基于護理床功能模塊化概念，即將護理床分為床體和智能輪椅兩個模塊，患者可根據自身需求使用相應功能。如對接態(tài)時，護理床具備輔助患者抬腿、起背、翻身等基本功能；分離態(tài)時，患者可使用智能輪椅自主移動，解決轉移出行問題。

4.1 分離對接方式

基于可分離式護理床的研究，床椅分離對接方式可分為側向分離式和中央嵌入式。

4.1.1側向分離式 側方位對接分離是當前較為常見的分離對接方式，醫(yī)護人員需提前將患者轉移至輪椅一側，再進行床椅分離，移動對接?；诖搀w結構大體可分為單邊結構和雙邊結構。

單邊結構床體對接側預留對接豁槽，輪椅通過自身傳感器及運動控制器經過相關算法融合和運動校準，從床體預留對接豁槽側橫向移動至床體內，再由坐姿轉換為平躺姿態(tài)，從而完成對接，見圖6。胡木華等[19]開發(fā)了模塊化、多姿態(tài)變換的E-Bed系統(tǒng)。采用多類傳感器如激光雷達、碰撞傳感器等采集輪椅位姿數據，并結合電機控制最終實現床椅自動對接。雙邊結構則是將對接側床體設計成折疊開合式，輪椅先由平躺姿態(tài)轉換為坐姿，待對接側完全打開后移出床體，在收到對接指令后，對接側床體保持打開狀態(tài)，輪椅進入床體后再自動合上，此時輪椅轉換回平躺姿態(tài)，完成分離和對接。同單邊結構相比，雙邊結構較為復雜，床體占地面積大且對接過程對空間要求較高，但對患者安全性更佳。

圖6 E-Bed系列[19]

4.1.2中央嵌入式 中央嵌入式護理床輪椅位于床體中部，由床尾部完成分離和對接，同側向分離式相比，解決了智能輪椅水平橫移的難題。

上世紀90年代，Mascaro便提出可重構的輪椅床系統(tǒng)，床體采用雙邊結構，輪椅位于床體中部，并通過姿態(tài)變換實現床椅系統(tǒng)的重構[20]。其控制原理同側向分離式基本相同，輪椅轉換為坐姿后由床尾部向前駛出，收到對接指令后，輪椅在床體附近任意位置逐步調整位姿至背對床體尾部并向后駛入床體實現床椅對接，最終由坐姿轉換為平躺姿態(tài)。見圖7，由王海濤等[21]設計研發(fā)的分體式多功能護理床，床椅對接采用中央嵌入式，輪椅采用翻身電機、導桿配合安裝架和翻身輪實現翻身功能，床體雙邊結構可有效防止臥床患者滑落。同側向分離式相比，雙邊結構無需提前將患者由床體側轉移至輪椅側，而中央嵌入式結構為患者翻身問題預留了解決空間，結合自動翻身機構可有效預防患者褥瘡。

(a) 實物圖 (b) 翻身功能示意圖

4.2 分離對接原理

智能輪椅自主移動問題多基于自主導航機器人的研究，早期大都基于商用電動輪椅進行改裝[22-24]，而自主導航功能基于機器人的感知、定位、規(guī)劃與運動控制等技術[25]，其中定位不僅是智能輪椅實現自主移動的核心與前提，也是實現與床體對接的基礎。

移動機器人的定位技術可分為局部定位與全局定位兩種[26]。局部定位是指機器人通過自身航跡推算或通過特征匹配獲取自身與環(huán)境中目標物的相對位姿，常見方法有模板匹配及局部特征提取等。全局定位技術則指對機器人在運動環(huán)境的定位，如室外的全局定位實現常借助全球定位系統(tǒng)GPS，而室內常見的定位技術有超寬帶(ultra wideband，UWB)定位技術[27]、紅外室內定位技術、基于視覺的定位技術和激光雷達室內定位技術等。無論使用哪種技術，研究人員及市場在定位精度、抗環(huán)境干擾能力、成本問題等方面，根據應用場景有所側重[28]，以獲取最佳方案?；谧o理床應用場景，常見自動對接技術有基于紅外與超聲波對接、激光雷達定位對接和基于視覺定位對接。

4.2.1紅外與超聲波定位對接 紅外定位主要有兩種實現方法，第一種是紅外織網，通過多對發(fā)射器和接收器制成的紅外線網絡直接對運動目標進行定位；另一種是通過安裝多個紅外傳感器測量信號源的距離和角度，從而計算出定位對象所在位置。單獨使用紅外定位成本頗高，此外，紅外在室內易被障礙物遮擋，且易受熱源燈光等干擾導致定位效果不佳。超聲波定位的實現基于超聲波測距，常見的方法有單向測距法和反射測距法，后者在室內物體定位中最為常見，即發(fā)射超聲波并接收回波，根據回波與發(fā)射波的延時時差計算出目標物距離。超聲波傳感器的檢測結果受障礙物表面材料反射率的影響，當障礙物表面材料不可反射或反射效果不理想時，可能會導致定位偏差。因此，在實際應用中多采用紅外與超聲波融合定位方式，其測距原理見圖8。

圖8 紅外超聲測距原理圖Fig.8 Schematic diagram of infrared ultrasonic ranging

圖8中，接收端根據紅外接收信號、超聲波接受信號測量得時差為t2，考慮紅外接收端本身延時為t1，再考慮超聲波接收電路本身延時t0，實際超聲波在空氣介質傳播的時間T為：

T=t-t0=t1+t2-t0

(1)

再考慮接收端采樣頻率有限造成的量化誤差，可以把超聲波在空氣介質傳播的時間進一步估算為：

(2)

則距離D估算為：

(3)

其中fT為計數器技術頻率。

該技術應用到移動設備(如輪椅)上時，安裝于輪椅的信號發(fā)射端同時發(fā)出紅外與超聲波信號，由于紅外信號傳播速度遠大于超聲波，可以基本忽略紅外信號的延時，床體接收端的多路接收電路一旦收到紅外信號，立即進行超聲波定時計數，直到接收到各路超聲波信號立即停止計數，并將多路采集數據通過相關的定位算法，實現對床體的精確定位。由于患者所處室內環(huán)境動態(tài)性較低，室內面積有限且溫度變化不大，在合理控制環(huán)境因素的前提下，紅外超聲波融合定位技術的優(yōu)勢得到明顯展現。

同時定位與地圖共建(simultaneous localization and mapping，SLAM)一直是移動機器人研究領域的熱門技術[29]，它通過從外部傳感器接收感知信息來更新移動機器人的定位及周邊環(huán)境信息[30]。目前已有很多感知工具、方法和相關算法[31]，其中激光雷達和視覺傳感器在SLAM中最為常用[32]。

4.2.2激光雷達定位對接 相對視覺傳感器，激光雷達能夠提供更加魯棒、準確和噪聲水平穩(wěn)定的測量信息，且對光照條件相對不敏感。目前激光雷達的測量原理主要有脈沖法、相干法和三角法，前兩種因其對硬件水平要求高，測量精度高，多用于高精尖領域，如國防軍事，而三角法成本低且精度滿足大部分商用及民用需求，故廣泛應用于民用場景?；谌欠ㄔ淼募す饫走_測量原理見圖9。

按入射光束與被測物體表面法線的角度關系可以分為直角式和斜射式，激光發(fā)射器以一定的角度發(fā)射激光照射被測目標，激光在目標表面發(fā)生反(散)射后利用透鏡對反射激光匯聚成像，光斑成像在感光耦合組件(charge-coupled device，CCD)位置傳感器上。以斜射式為例，AB為激光發(fā)射器中心與CCD中心的距離，BC為透鏡焦距f，C′為被測目標距離基線無窮遠處時反射光線在光敏單元上成像的極限位置，C′D′為光斑在光敏單元上偏離極限位置的位移，記為x′，當系統(tǒng)光路確定時，α、AB與f均為已知參數，由幾何關系知△ABO1′～△C′D′B，可知：

圖9 激光雷達三角法光路圖

(4)

(5)

(6)

可將CCD位置傳感器的軸與AB平行假設為坐標y軸，則通過算法得到的激光點像素坐標為(M，N)，從而得到x′的值為：

x′=CellSize·M+DeviationValue

(7)

其中CellSize是光敏單元上單個像素的尺寸，DeviationValue是通過像素點計算的投影距離和實際距離x′的偏差值。

當被測目標與AB產生相對位移時，x變?yōu)閤1′，則可得被測目標運動距離y為：

(8)

激光雷達采集的數據信息傳輸至搭載機器人操作系統(tǒng)( robot operating system，ROS)的主機，并進行相應濾波處理及算法優(yōu)化，從而對移動設備進行精準的位姿測算。因此，對于主機的計算能力有一定的要求。以輪椅為例，激光雷達一般安裝于輪椅前端距離地面5～10cm處，通過激光雷達掃描室內環(huán)境和床體輪廓完成對室內地圖的構建及床體標定，當輪椅移動至可對接范圍時，激光雷達檢測到床體輪廓信息，與創(chuàng)建的床體地圖進行匹配完成初始定位。而后通過ROS導航系統(tǒng)將輪椅導航至對接目標處，開始緩慢對接。在運動過程中輪椅部分與床體部分會存在一定的角度差，而導航系統(tǒng)會實時計算出當前二者位姿，并不斷調整姿態(tài)，使得輪椅與床體保持相對水平固定，直至完全進去床體，完成自動對接。激光雷達自主導航與對接廣泛應用于自動充電，自主泊車等領域，家用掃地機器人則是最典型的應用實例，其對接精度極大依賴于傳感器的參數。

4.2.3視覺定位對接 隨著視覺傳感器的不斷發(fā)展，基于視覺的定位方法近年來得到了深入研究，主要分為三種方式：基于特征匹配的方法、基于場景坐標回歸的方法和基于全局位姿回歸的方法。

在室內有限空間內往往采用較為簡便的圖像匹配算法，圖像匹配是指通過提取圖像中比較顯著的點構成數據信息，然后與其他圖像的信息進行對比，從而找到多幅圖像間的相關性。目前，圖像配準技術搭配相應優(yōu)化算法在各領域的應用已較為成熟[33]。而在圖像匹配方法中，基于特征點的方法因其在尺度變換或環(huán)境因素變化時抗干擾能力強而最為流行。研究者通過設計具有明顯特征的人工標志或QR碼進行簡化定位工作，再通過圖像處理技術進行特征提取或是模板匹配，從而完成對機器人位姿獲取[34]。

Zou等[35]提出基于中央嵌入式的護理床自動對接方式[36]，見圖10。采用安裝于輪椅上方的視覺傳感器，通過傳感器提取床體框架的U形特征及直線與角點數據并進行濾波融合，獲取輪椅及床體的相對位姿信息。圖11同樣采用中央嵌入式，而對接方式則采用預置人工標志的方式，通過預設在床體底部的T型人工標志，獲取更加明確的直線與角點數據，同樣能夠獲取輪椅與床體的相對位姿信息，

圖10 U形可對接護理床 Fig.10 U-shaped docking nursing bed

圖11 T形標志可對接護理床

從而完成對接[37]。但基于視覺的對接方法對環(huán)境光線要求較高，環(huán)境因素影響較大。

5 總結與展望

多功能護理床的功能研發(fā)隨著硬件水平及軟件技術的發(fā)展而趨于多樣化。本文基于護理床技術類型的發(fā)展對多姿態(tài)變換技術、二便護理技術作簡單介紹并闡述其原理，分析了目前自主移動機器人技術在護理床端的應用，各項技術方案優(yōu)缺點見表2。

表2 定位技術對比

由上可知，單一技術無法很好地滿足應用需求，多技術融合如紅外超聲波技術既可降低功耗，又避免了超聲波傳輸距離有限的問題，實現單一技術相互交叉、優(yōu)勢互補。國內外研究人員也在大力開發(fā)基于激光技術與視覺技術融合定位，可有效解決測算范圍、測算精度及成本問題。

智能護理是全球產業(yè)競爭的焦點領域，而全自動智能輔助更是該領域的技術核心。護理床功能研發(fā)已不僅僅圍繞解決患者日常生活需求，各類傳感器的融合使得護理床具備生理參數檢測功能，如體溫、血壓、血氧等，此外，搭載在護理床上的影音設備為患者帶來娛樂，可有效緩解臥床心理壓力。目前，我國大多數醫(yī)院和養(yǎng)老院仍在使用造價較低、功能單一的護理床，主要因為國內相關產業(yè)基礎薄弱，產業(yè)鏈體不完善，產業(yè)品牌和競爭力弱，雖然研發(fā)水平趕超國際前沿，但在產品綜合性能和可靠性上仍存在差距。國內智能護理床發(fā)展應遵循當前智能設備多技術融合趨勢，實現真正意義上的智能護理、智慧養(yǎng)老。