焦 潔

(武漢華夏理工學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖北 武漢 430060)

目前我國正面臨著人口老齡化帶來的種種社會問題，其中最為突出的是養(yǎng)老和醫(yī)療保障問題，有關(guān)住院患者的陪護(hù)管理問題還有待進(jìn)一步完善[1]。各大醫(yī)院普遍存在醫(yī)護(hù)人員配置不足的問題。我國病情嚴(yán)重的患者在住院期間普遍需要家屬陪護(hù)或者雇傭護(hù)工，患者對陪護(hù)的現(xiàn)實(shí)需要和醫(yī)護(hù)人員配置不足形成了矛盾。因此，衍生出了“機(jī)器助人”的需求。

1 智能陪護(hù)機(jī)器人的設(shè)計目標(biāo)與功能

國內(nèi)大部分病房沒有配備系統(tǒng)的智能陪護(hù)設(shè)備，陪護(hù)設(shè)備缺少規(guī)范化管理，醫(yī)院病區(qū)存在探視人員、陪護(hù)人員過多的情況。在醫(yī)療陪護(hù)管理中存在的主要問題包括：①醫(yī)患間的溝通交流有待加強(qiáng)；②普通病房患者的陪護(hù)管理工作需要更加智能化、更加系統(tǒng)規(guī)范?；诖酥悄芘阕o(hù)機(jī)器人的目標(biāo)要求如下：①加強(qiáng)醫(yī)患間的信息溝通交流，讓醫(yī)護(hù)人員實(shí)時遠(yuǎn)程了解住院患者的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)不同住院患者的具體情況，醫(yī)護(hù)人員可以將患者需要了解的病情發(fā)展、治療注意事項等信息通過智能陪護(hù)機(jī)器人讓患者了解；②讓住院患者的飲食起居更加方便安全；③提高醫(yī)護(hù)人員、陪護(hù)人員的工作效率，減輕工作負(fù)擔(dān)。

機(jī)器人使用于住院病房內(nèi)，主要活動于患者床周。使用人群包括醫(yī)院工作的醫(yī)護(hù)人員、住院患者和陪護(hù)人員。機(jī)器形態(tài)以直線為主結(jié)合輪式移動有利于清潔消毒以及移動。機(jī)器人的色彩定位為中性顏色作為主色調(diào)，顏色種類簡單，使產(chǎn)品可以融入大部分醫(yī)院環(huán)境的設(shè)計之中[2-3]。

智能陪護(hù)機(jī)器人要具備6大功能：①智能監(jiān)測功能是指可以通過外掛設(shè)備監(jiān)測患者血壓、血氧飽和度、心電、呼吸、輸液、體溫6項數(shù)據(jù)[4]。②醫(yī)患信息共享功能是將監(jiān)測到的患者信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)结t(yī)護(hù)人員設(shè)備端，醫(yī)護(hù)人員根據(jù)不同患者的情況需求將病情發(fā)展、治療注意事項、治療方案利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸顯示在智能陪護(hù)機(jī)器人的顯示屏上讓患者查看。③床旁提醒功能是指智能陪護(hù)機(jī)器人可以提醒患者服藥、提醒患者做檢查的項目與時間、對于有要求控制睡眠時間的患者設(shè)置鬧鈴提醒、輸液結(jié)束時會發(fā)聲提醒。④提供共享陪護(hù)床供陪護(hù)人員休息使用。⑤機(jī)器人可以攙扶患者行走和起立。⑥對于需要進(jìn)行飲食控制的患者，機(jī)器人可以稱重。

2 智能陪護(hù)機(jī)器人方案設(shè)計

智能陪護(hù)類機(jī)器人主要由三大組成部分，每個組成部分包含兩個子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 智能陪護(hù)機(jī)器人的基本組成

機(jī)械系統(tǒng)包括智能陪護(hù)機(jī)器人的機(jī)身、行走機(jī)構(gòu)、手腕、手臂等部件[5-6]，機(jī)械系統(tǒng)的基本部件都是可以活動的。部件組合在一起可以進(jìn)行多角度自由活動。傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動器都屬于驅(qū)動系統(tǒng)，在機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計中與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)所發(fā)揮的作用和人體的肌肉作用相似。機(jī)器人中的人機(jī)交互系統(tǒng)是使用者與機(jī)器人之間進(jìn)行聯(lián)系的裝置，當(dāng)使用者想操控機(jī)器人時可以通過人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)是通過作業(yè)指令及反饋信息支配執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成規(guī)定動作的處理單元。傳感器屬于感知系統(tǒng)，機(jī)器人上安裝的傳感器需要把采集的信息傳輸給控制部分。如果要完成智能陪護(hù)機(jī)器人與其他設(shè)備的聯(lián)系、協(xié)調(diào)，就要通過機(jī)器人的人機(jī)交互系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。智能機(jī)器人就是通過這些子系統(tǒng)的運(yùn)作完成各類服務(wù)功能的。

3 智能陪護(hù)機(jī)器人的參數(shù)化設(shè)計

3.1 參數(shù)化設(shè)計流程規(guī)劃

參數(shù)化產(chǎn)品的設(shè)計與常規(guī)產(chǎn)品設(shè)計的過程有所區(qū)別，其過程注重邏輯推導(dǎo)。設(shè)計者根據(jù)構(gòu)思目標(biāo)，確定相關(guān)影響因素并將因素進(jìn)行轉(zhuǎn)化，設(shè)定出確定變量。產(chǎn)品投入使用的病房可活動范圍與病床高度、床間距是智能陪護(hù)機(jī)器人的主要影響因素，因此將智能陪護(hù)機(jī)器人的臺面高度、陪護(hù)床長度、整機(jī)寬度和厚度的數(shù)據(jù)編輯設(shè)為變量。利用算法構(gòu)建參數(shù)關(guān)系并生成設(shè)計原型[7]，修改關(guān)鍵關(guān)聯(lián)變量，對造型進(jìn)行約束的同時生成大量系列方案，評估后確定最佳形態(tài)，其執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計流程

3.2 機(jī)器人關(guān)鍵參數(shù)確定

參數(shù)化設(shè)計可以通過計算機(jī)生成規(guī)范的三維模型，并且可以在已經(jīng)搭建好的數(shù)據(jù)中改變參數(shù)，得出適合于不同需求的不同規(guī)格模型。尤其對于有數(shù)控加工要求的產(chǎn)品，可以提高模型生成效率，減少設(shè)計師不斷重復(fù)修改模型外觀的時間，將時間投入到技術(shù)研發(fā)、交互信息、運(yùn)動結(jié)構(gòu)等方面的研究。參數(shù)化設(shè)計利用程序化的參數(shù)對產(chǎn)品的造型進(jìn)行約束后就可以根據(jù)需求生成不同外殼和零件，從而加快更新速度也更好地適應(yīng)陪護(hù)機(jī)器人的多樣化要求。針對不同病房環(huán)境的空間尺寸和不同陪護(hù)人員的需求，可以利用變量驅(qū)動各個部件的尺寸。由于不同病房的病床高度、床間距和可活動范圍都有所不同，因此智能陪護(hù)機(jī)器人的臺面高度和整機(jī)寬度需要根據(jù)不同的空間進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人在病房內(nèi)的活動空間和使用人員的使用感，陪護(hù)機(jī)器人外形的長寬高可以通過參數(shù)化設(shè)計，設(shè)置為可調(diào)節(jié)的變量，以適應(yīng)不同病房的空間要求。

國內(nèi)病房中病床的床間距與陪護(hù)床所需最小寬度，是設(shè)置機(jī)器人外形尺寸的重要依據(jù)。國內(nèi)使用率最高的多為兩人病房與3人病房，經(jīng)過調(diào)研武漢市5家醫(yī)院的兩人病房與三人病房的空間尺寸，病床間的間距在80～100 cm之間；根據(jù)《中國成年人人體尺寸》中統(tǒng)計的我國成年人身高、最大肩寬，陪護(hù)床的最小寬度須達(dá)到50 cm。因此，使用參數(shù)化設(shè)計平臺對智能陪護(hù)機(jī)器人的外形尺寸范圍進(jìn)行初步設(shè)定，將X1、X2、X3設(shè)置為變量，可以根據(jù)具體病房空間大小進(jìn)行一定范圍內(nèi)的修改，如圖3所示。

圖3 智能陪護(hù)機(jī)器外觀設(shè)計中的變量數(shù)值

根據(jù)調(diào)研所得的機(jī)器人外形尺寸依據(jù)，在參數(shù)化建模平臺中將機(jī)器人外形寬度X1、厚度X2、臺面高度X3作為參數(shù)化模型中的變量數(shù)值，X1、X2、X3的變化范圍分別為60 cm≤X1≤100 cm、65 cm≤X2≤80 cm、80 cm≤X3≤100 cm，如圖4所示。在參數(shù)化建模平臺中在給定范圍調(diào)整各項變量數(shù)值，即可根據(jù)不同病房的空間尺寸，生成出更為人性化的機(jī)器尺寸。

圖4 參數(shù)化模型中的變量數(shù)值范圍

3.3 參數(shù)化邏輯建立與優(yōu)化

使用“Rhino+Grasshopper”組成的參數(shù)化設(shè)計平臺[8]，進(jìn)行智能陪護(hù)機(jī)器人的參數(shù)化設(shè)計。Grasshopper插件是在Rhino環(huán)境下運(yùn)行并采用程序算法生成模型，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為樹狀數(shù)據(jù)，將指定命令輸入到“電池”狀的運(yùn)算器中就可以生成出數(shù)據(jù)，再連接到下一個“電池”運(yùn)算器中環(huán)環(huán)迭代，計算機(jī)生成出最終模型形態(tài)，并且輸出的結(jié)果模型具有一定的可調(diào)性?；趯χ悄芘阕o(hù)機(jī)器人外觀尺寸設(shè)置的變量數(shù)值X1、X2、X3的變化范圍，進(jìn)行進(jìn)一步的模型優(yōu)化，完成智能陪護(hù)機(jī)器人的參數(shù)化建模，其效果圖如圖5所示。

圖5 智能陪護(hù)機(jī)器人模型效果圖

4 智能陪護(hù)機(jī)器人的3D打印

4.1 3D打印材料選擇

PLA塑料是使用可再生的植物資源所提取的淀粉原料制成。由于人們對生活品質(zhì)和健康的追求，以及市場對塑料的安全、環(huán)保要求的提高，人們將PLA材料作為生產(chǎn)產(chǎn)品的選擇之一。與同等數(shù)量的石油基聚合物相比，PLA 材料的生產(chǎn)過程最高能減少70%以上的二氧化碳排放。廚房、餐廳中的許多產(chǎn)品可以使用PLA塑料制作。

光敏樹脂也是3D打印的可用材料，其中硬性樹脂材質(zhì)有更強(qiáng)硬、耐用的特性[9-10]。光硬化樹脂一般采用光聚合成型打印機(jī)打印。柔性樹脂的性能表現(xiàn)為中硬度、耐磨、可反復(fù)拉伸，被用作鉸鏈和摩擦裝置較多。彈性樹脂在高強(qiáng)度擠壓和反復(fù)拉伸下表現(xiàn)出優(yōu)秀的彈性。

3D打印金屬材料的狀態(tài)常為粉末狀、絲狀等，如金屬粉末、金屬絲以及金屬箔等。材料種類包括鈦合金、鋁合金、鋼鐵材料等。使用較多的金屬材料有316L不銹鋼、AlSi10Mg鋁合金材料、Ti6Al4V鈦合金材料。金屬類材料的打印成本較高。

根據(jù)3D打印材料的性能以及本文智能陪護(hù)機(jī)器人的打印要求選擇光敏樹脂作為打印材料。

4.2 3D打印工藝的選擇

3D打印的過程總的來說分為三步，首先進(jìn)行三維模型設(shè)計，然后打印機(jī)進(jìn)行切片處理，最后完成打印。切片處理時打印機(jī)需要讀取三維模型的橫截面信息，然后將模型進(jìn)行逐層分割并打印，利用各種方式將每個截面間粘合起來，就可以形成實(shí)體模型。由于3D打印可以采用的材料多種多樣，因此3D打印的工藝技術(shù)也有多種類型。使用較多的包括熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)成型、光固化3D打印成型等。

熔融沉積成型是制作3D打印產(chǎn)品模型較多的工藝，將一些絲狀材料，如蠟、ABS、尼龍等材料加熱熔化后成形的方法。此類工藝的原理是由計算機(jī)控制，噴頭進(jìn)行運(yùn)動，絲材被加熱到融化后從噴頭擠出，如圖6所示。現(xiàn)今的新型設(shè)備增設(shè)了雙噴頭，其中一個用于沉積模型材料，另一個用于沉積支撐材料。這種方法有效的加快了制作效率。熔融沉積成型工藝的特點(diǎn)在于打印速度快，并且由于沒有化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)在模型打印的過程中，因此成型的模型變形率小。但熔融沉積成型工藝打印出的物品表面較為粗糙，需要進(jìn)行拋光處理。

圖6 熔融沉積成型工藝

選擇性激光燒結(jié)工藝的原材料為各類粉末材料，設(shè)備是利用激光分層燒結(jié)原材料固體粉末，工作臺在一層截面燒結(jié)完成以后會下降一部分，然后由輔料棍疊加粉末后繼續(xù)燒結(jié)。層層疊加形成堅固的材料。工藝操作流程涉及軟件建模、數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)和加工等。選擇性激光燒結(jié)工藝制作的模型表面有分層狀感覺，后期需要進(jìn)行打磨處理，并不適合生產(chǎn)尺寸過大的產(chǎn)品模型。

光固化成型技術(shù)使用的材料是液態(tài)的光敏樹脂，機(jī)器對材料照射一定波長和強(qiáng)度的紫外光，使材料由點(diǎn)到線,由線到面凝固，然后逐層疊加后形成模型整體。該工藝的優(yōu)勢在于穩(wěn)定性與效率高，成型的模型表面較為光滑，對于本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型也可以進(jìn)行打印。缺點(diǎn)在于使用的原材料價格和機(jī)器的維護(hù)較為昂貴，以及最終成型模型的強(qiáng)度有限，當(dāng)模型承受重量過大時會出現(xiàn)一定程度的變形。形體較小并且結(jié)構(gòu)精致的模型可以采用光固化成型技術(shù)，但大型模型并不適合采用光固化成型技術(shù)。

4.3 智能陪護(hù)機(jī)器人的3D打印實(shí)踐

通過在Grasshopper軟件中的數(shù)據(jù)邏輯構(gòu)建與計算機(jī)運(yùn)算，驗證參數(shù)化建模的智能陪護(hù)機(jī)器人方案具有一定的可行性。根據(jù)前期對3D打印不同工藝特點(diǎn)的調(diào)查分析，選擇熔融沉積成型工藝進(jìn)行打印加工，在完成模型造型打印的同時使模型也具有一定的承壓能力，但打印出的模型表面仍需要進(jìn)行打磨處理。將三維模型導(dǎo)出STL文件格式后進(jìn)行打印實(shí)驗。參數(shù)化智能陪護(hù)機(jī)器人的模型打印效果如圖7所示。陪護(hù)床結(jié)構(gòu)為8折，達(dá)到折疊收納要求。機(jī)身各個部件的大小比例可行。

圖7 3D打印效果

5 結(jié)論

參數(shù)化設(shè)計提高了設(shè)計師在進(jìn)行方案設(shè)計時的工作效率，通過3D 打印模型對設(shè)計方案進(jìn)行驗證，檢測結(jié)構(gòu)模型的可行性。此外，3D打印的材料和工藝還有待進(jìn)一步的探索，通過對打印技術(shù)和材料的探索研究減少制作成本，將會增大參數(shù)化設(shè)計和3D打印產(chǎn)品的發(fā)展空間。后疫情時代在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)幼⒅匕踩婪?，需要繼續(xù)優(yōu)化智能陪護(hù)機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，保障衛(wèi)生安全的同時加強(qiáng)醫(yī)患間的交流溝通。