护理机器人技术的研究和发展

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1.上海理工大学 医疗器械与食品学院(上海，200093)2.上海健康医学院 医疗器械学院(上海，201318)

【关键字】 人口老龄化； 护理机器人； 机器人技术； 老年护理

0 引言

联合国人口老龄化和可持续发展报告指出，全球在未来十年将加速老龄化进程[1-2]，伴随着患有慢性疾病人群对医疗服务需求的增加，机器人便被提出作为一种辅助工具提供医疗服务以弥合日益扩大的需求，缓解医疗人员和资源短缺[3-4]。机器人产品分为工业机器人和服务机器人，而护理机器人便是服务机器人的一种[5]。

护理机器人，即一类旨在促进或监测健康的机器，能协助患者完成因健康问题而难以执行的任务，能实时监测患者生理参数并做出预警，防止健康状况进一步恶化[6]，履行护理任务，以减轻护理人员的工作。

目前护理机器人可按如下方式进行分类： ①按照功能用途可分为个人卫生护理﹑饮食护理和转运护理等机器人； ②按照工作方式可分为工作站式、移动式和搭载式[7]； ③按照结构类型可分为仿人式﹑轮椅式和护理床式等； ④按照使用场景可分为医用型和家用型等。本文就围绕目前护理机器人领域的发展状况，对国内外研究现状进行描述，并分析当前护理机器人的关键技术，总结护理机器人的发展趋势及未来展望。

1 护理机器人发展现状

随着人口老龄化状况持续加剧，世界各国都相继致力于护理机器人的研究。以下就围绕护理机器人的发展历程，列举各国代表性的护理机器人产品，综述国内外护理机器人的发展现状。

1.1 国外现状

早在20世纪80年代，美国TRC公司设计了一款移动式护理机器人——HelpMate。HelpMate集成了多种传感器，拥有避障和自主导航等功能，能有效完成医用物品等运送任务。第一台原型HelpMate机器人于1989年在美国一家医院安装使用[8]，负责将餐盘从餐厅送到护理站，并于1998年在美国70多家医院推广商用，取得了巨大的成功。HelpMate的问世为机器人自主移动的设计提供了参考。如德国斯图加特的自动化研究院，设计出的第二代机器人家庭助理Care-O-botⅡ[9]，能在室内环境中检测避障和自主导航，辅助用户行走； 以及自主移动护理机器人ARTOS[10]，配有激光测距仪和超声波传感器等，能自主移动，能实时通信，在保障隐私的同时达到有效监护。

护理机器人还致力于解决患者生活方面的问题，如饮食护理机器人和个人卫生护理机器人。1987年英国Mike Topping公司开发的饮食护理机器人——Handy1，最初是为帮助一名十一岁的脑瘫男孩进食，该系统能通过更换托盘配件为患者提供喂食﹑刷牙﹑洗脸等日常生活护理[11]。2002年日本Secom公司研发的My Spoon[12]，通过机械手臂控制勺子和叉子抓住食物并送到患者嘴里，实现喂食功能。能够提供个人卫生护理功能的护理机器人有： 日本松下公司研制出的能帮助患者洗发的橡胶手指洗发机器人[13]； 意大利BioRobotics研究所设计的柔性淋浴臂[14]； 欧盟资助的iToilet项目研发的一种固定式的多模态交互智能机器人厕所系统[15]。

此外，医院中的一些重病患者在进行离床性的活动时，需要从床上转移到床下，由此人们开始进行转运护理机器人的研发。早期的转运护理机器人有日本人机交互机器人研究中心研发的医用搬运护理机器人RI—MAN以及它的第二代升级版本——RIBA护士机器人[16]，其主要功能是将患者从床上搬到轮椅上。这种机器人属于仿人式机器人，其表面有一层柔性有机材料，上肢覆盖了触觉传感器，能提供良好的交互性。还有日本松下公司设计的Resyone机器人[17]，能实现床椅分离，方便患者到医院外界活动。

随着相关技术的进步，护理工作逐渐从医院转移到养老院﹑社区甚至是家庭，这就给护理机器人的研发提供了新思路，于是个人综合护理机器人被设计出来。1999年，意大利的MOVAID项目，推出了一款用于日常生活中的个人护理机器人，该MOVAID系统由一个分布式机器人系统组成，包括一个移动机器人单元和一些固定工作站，以及标准厨房设备的专用接口。MOVAID会用微波炉加热食物﹑清洁厨房以及拆卸床单等[18]，能极大地提高使用者在家中的独立性。之后的产品有欧洲的CompanionAble项目创建的Hector护理机器人，Hector能记录日常生活，控制家庭环境，进行认知训练，药物提醒以及审查日常议程，还具有跌倒检测能力，可与智能家居和远程控制中心协同工作； 以及澳大利亚的一款护理机器人Hobbit[19]，能成为老年人家居生活中的优质伴侣。

总之，随着一代又一代研究的深入，如今的护理机器人越来越向着全面综合护理方向发展，为广大患者提供了一个全方位的护理保障。

1.2 国内现状

我国在护理机器人方面的研究起步较晚，但经过我国学者的不懈努力，也研发出了一些可比肩国外水平的机器人产品。

我国科学院自动化研究所于2000年成功研制出了我国第一台多模态交互式智能轮椅[20]，该轮椅加入了机器视觉﹑语音识别等技术，可进行人机对话，可语音控制行走。在卫生护理方面，国内首台产品是由洛阳圣瑞公司主导设计的个人卫生护理机器人床[21]，能实现洗发﹑清洁的自动化，还能实时测量生理参数。2008年，台湾交通大学研发了适用于家庭环境的护理机器人——ROLA[22]，其显著的特点是能识别所处的室内环境，并且能够避障，能起到时刻陪护的作用。2009年，台湾大学和交大组成的研发团队研制出一款护士机器人——Monika，Monika整合了看护﹑保全及护士等多种功能，可以协助居家看护，也可以提供远程医疗服务。2012年,中国科学院合肥研究所研制出了一款老人服务机器人，其不仅有递送物品等常用功能，也有跌倒检测和远程报警等功能。

有资料表明，国内的护理机器人研发主要都以开发样机为主，没有转入大规模的量产，并且护理机器人的研制大部分都造价高昂，难于普及。因而开发成本低﹑可靠性高的护理机器人将是未来的开发趋势，有巨大的潜力。

2 护理机器人的关键技术

护理机器人一般由机械结构﹑感知系统和控制系统组成。机械结构是机器人的框架基础，是执行机构，保障整个系统的性能及稳定； 感知系统是机器人的五官，为机器人提供外部环境信息； 控制系统则相当于大脑，存储数据和发布命令。护理机器人种类繁多，横跨多个学科领域，可归纳其应用到的关键技术有： 人体生理参数无感检测﹑数据采集和分析﹑语音识别和路径规划。

2.1 生理参数无感检测

患者的生理参数是反应其身体状况的重要指标之一，生理参数检测功能通过如光电传感器﹑红外传感器等采集包括： 心率﹑血压和血氧饱和度等生理参数，并将所采集的数据和正常数值进行比对，判断患者的身体状况并做出预警。

生理参数检测技术，是一个护理设备的必备功能。目前大多数机构仍然使用传统的外接设备，直接将电极粘贴在患者皮肤上工作，整个检测过程繁琐，并且一定程度上限制了患者活动，长时间使用也会对患者心理上产生影响。因此，研发无感低负荷的生理参数检测技术，突破线材制约，无中断地监测患者身体状况，对护理工作有很大的帮助。

目前已经出现一些解决方案，如用于检测睡眠质量的床垫式睡眠检测仪[23]： 通过压敏电阻传感器，能在患者毫无察觉的情况下检测出心率﹑呼吸率等参数； 以及利用成像式光电容积描记法[24]，通过摄像头就能进行人体参数的检测。

2.2 数据采集和分析

数据采集是获取数据的方式之一，通过传感器等设备对外部资源进行接收和处理，而数据分析是运用统计学方法，通过计算机工具，从数据中获取价值信息的过程。数据采集和分析，通过软硬件结合，能高效﹑准确地处理大量数据。

上述说到的生理参数检测，就是一种数据采集方式，而检测出的大量数据都是宝贵的研究资料，这就对数据的采集和分析技术提出了较高的要求，数据种类不同，所用到的采集和分析技术也有差异，如何从中提取如生理状态﹑病理发展趋势等有用信息，并应用到护理设备上，是该技术所要解决的问题，也是目前医疗大数据领域[25]研究的热点之一。

2.3 语音识别

目前机器人设备都倡导人机交互，人与机器进行交流的主流手段就是借助语音识别技术，机器人通过采集﹑获取人的语音输入，经过数字化处理对其进行特征提取，再与预先训练好的声学模型库进行比对配准，匹配识别后得出结果并输出。

语音识别技术从最开始只能识别孤立词，到对多个词汇﹑连续语音的识别，语音技术经过长足的发展，已经能达到相当高的准确率。但考虑到区域化的语言差异，尤其是国内各个地域语言差异显著，方言现象严重，护理对象又多是老人，因此在语音信号的采集上，声学库模板的训练上还需多做研究[26]。

2.4 路径规划

路径规划技术在护理机器人的自主移动﹑自动导航﹑检测避障等方面都有重要应用。任意两点之间有多条路径，对于护理机器人来说，如何选择最优的路径以达到最高效率，这就需要路径规划技术。

路径规划技术有局部路径规划和全局路径规划[27]，广泛应用于移动式护理机器人上。路径规划技术能极大地提高机器人的移动效率，尤其在是医院﹑养老院等大型护理场景，机器人要具有快速处理突发障碍物的能力。甚至，在多机器人场景中如何处理路线冲突的情况，如何合理分配路径资源以保证路径的安全，需要规划策略和优化算法等共同发挥作用。

3 总结与展望

综合国内外护理机器人的发展状况来看，护理机器人技术在不断的发展与精进，越来越贴合日常生活的使用。我国的护理机器人方面，在国家相关政策的支持下，也取得了巨大的进步。但同时要注意的是，我国的一些前沿技术仍就处在一个试验阶段，从试验转化成实用的产品，还有很长的路要走，护理机器人的发展有以下四个方向。

(1)人工智能 护理机器人不仅仅只是充当搬运的工具，它还应融入人工智能技术，朝着智能化的方向发展，能灵活地接受用户指令，能有效地融入用户的生活。

(2)远程监控 远程技术是未来医疗领域极其重要的实施手段之一，对于护理也是一样。如今的护理更偏向社区化﹑家庭化，如果能通过远程技术，实时近距离进行护理，将提高医院乃至护理机构的护理效率。

(3)模块自由组合 目前的护理机器人，功能繁多，成本高昂。但从实际使用情况来看，大部分人只需要其中的一部分功能，却要承受其它功能部件带来的高额费用。因此，护理机器人模块化设计，能很大程度上降低使用成本，也避免闲置浪费。

(4)人性化设计 如今的设计理念都遵循以人为中心，未来的护理更是倡导关注患者的个人需求﹑隐私和尊严等因素，因此护理机器人这一类与人密接触的机器，更需要结合人因工程学，进行合理的﹑人性化的设计。

综上，护理机器人有巨大的发展潜力，随着护理机器人技术的进步，广大学者的深入研究，必定会开发出令患者受用的产品，使护理机器人成为患者生活中的得力帮手。