传染病房护理机器人的应用现状与展望

龚道雄， 裴梦瑶， 于建均

(1.北京工业大学信息学部， 北京 100124； 2.计算智能与智能系统北京市重点实验室， 北京 100124)

烈性传染病具有传染性强、致死率高的特点. 即使是在科学高度发展的今天，烈性传染病仍然会频繁爆发. 近20年来，传染性非典型肺炎(SARS, 2002)、中东呼吸综合征(MERS, 2012)、禽流感(H7N9, 2013)、埃博拉(Ebola, 2014)、新冠病毒(COVID- 19, 2019)等多种烈性传染病接踵而至，对人民的生命健康和社会的经济发展带来了极大的危害. 防控传染病蔓延的重中之重在于保护医护人员的健康. 医护人员奋战在抗疫最前线, 时刻暴露在高浓度的病毒之下，被病毒感染的概率极大. 一旦医护人员短缺，传染病患者就得不到充分和及时的救治，相应的康复速度和治愈率就会大受影响，从而带来灾难性的后果[1].

采用机器人代替人进行传染病房的医疗和护理工作，可以有效地减轻医护人员的工作负担，减少医护人员暴露感染的风险，提高医护工作的效率和质量，从而最终提高感染病人的生存概率. 因此，传染病房护理机器人的研究和应用具有非常重要的社会意义和医疗价值. 本文拟就各国医护机器人的应用和研究进行综述.

1 传染病房护理机器人的应用研究现状

护理机器人的研究引起了世界各国的重视. 美国国家自然科学基金从2014年起资助以护理为中心的机器人(nursing-centered robotics)研究项目[2]，在2016年又发布机器人路线图计划，特别强调了发展医疗机器人的重要性[3]. 中国在2016年发布“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划，医疗康复机器人是主要内容之一. 在日本经济产业省(The Ministry of Economy, Trade and Industry，METI) 委托下，日本医学研究开发署(Japan Agency for Medical Research and Development)推出护理机器人开发和标准化(The Development and Standardization of Robotic Devices for Nursing Care)研究计划[4]，提出要促进护理机器人的研发工作，在2018—2021年期间对辅助转移机器人(transfer aids)、辅助行走机器人(mobility aids)、辅助监控机器人(monitoring aids),以及辅助护理机器人(assist in nursing care services)等进行重点研究.

1.1 护理机器人在烈性传染病疫情中的重要应用

根据各国新闻媒体报道，世界各国有多款护理机器人投入到此次抗击新冠疫情的一线，在医院的隔离病房、ICU、手术室、发热门诊中承担病房消毒、药品和食物运输，以及体温、血压等重要病征信号的监测工作.

美国斯坦福健康中心(Stanford Health Care)采用Xenex机器人消杀新冠病毒、诺如病毒、流感病毒、埃博拉病毒及抗药性细菌MRSA等多种危险的病原体，可以对传统方法达不到的一些地方进行消毒，从而有效地消除院内感染的风险[5]；华盛顿州的Providence Regional Medical Center采用Vici护理机器人参与美国第一例新冠患者的治疗过程[6-8]，代替护理人员与患者近距离接触和交流，辅助完成对患者重要生理指标的测量和病情诊断.

在中国，武汉中心医院等主要医院采用TMiRob机器人通过喷洒双氧水和照射紫外灯的方式进行全天候病区消毒[9]；上海的CloudMinds机器人结合5G技术完成咨询、消毒、清洁和药品派送等任务；OrionStar机器人被用于辅助病情诊断、传递药品和化验结果等；深圳第三人民医院采用AIMBOT自主移动机器人执行消毒任务；中国科学院沈阳自动化所与钟南山院士团队、新松公司合作研制了咽拭子采样智能机器人，可以代替护士进行危险的咽拭子采样工作，该机器人已经在广州医科大学附属第一医院和中国医科大学第一附属医院分别投入使用[10].

这些护理机器人的有效应用，显著地减轻了医护人员的工作负担和心理压力，降低了人际接触传染和交叉感染的概率[7,11]，在抗疫救灾中发挥了重大作用. 因此，上海交通大学的杨广中教授在疫情期间特别提出要在传染科ICU病房中配置遥操作机器人，让机器人在医疗团队控制下完成特定的护理任务(比如咽拭子采样[10])，甚至由机器人完全自主地完成一些任务[11].

1.2 传染病房护理机器人的主要功能

SARS爆发之后，Sun等[12]就提出要研究传染病房护理机器人. 传染病房护理机器人用于代替传染病防控病房的护士承担护理职责[13], 执行肮脏、危险、枯燥、繁重的3Ds(dirty, dangerous, and dull)任务，密切接触患者，处理污染物，减少护理人员感染的危险，以便医护人员能够腾出精力从事以护理(care)为主的工作. 特别的工作环境决定了传染病房护理机器人的特别的功能和特点. 根据机器人与患者之间的距离、机器人的核心技术、承担的任务和具备功能不同，可以将传染病房护理机器人分为如下4类.

1.2.1 物流和消杀机器人

物流和消杀类护理机器人不直接与病人接触，主要负责在病房外的物资配送工作以及病区内的消毒工作[14]，其核心技术是自主定位和导航.

传染病房划分为不同的功能区(缓冲区、隔离区、清洁区等)，并严格执行消毒和隔离措施[15]. 物流和消杀类机器人在防护物资、食物、药品、检验标本等的派送过程中发挥重要作用[16-19]，Moxi和TUG是其中最有代表性的2款病房物流机器人.

Moxi机器人能够自主导航，用柔性机械臂和精密机械手进行抓取和放置等操作，主要负责运送物资，将检测样品从病房安全地运送到实验室，或者从供应室领取物品送到指定的病房. 4家医院的测试结果表明，Moxi承担的这些单调重复的工作，占到护士日常工作量的30%[20]. Moxi机器人一个突出的特点是具有社会智能(social intelligence)[20]，它不仅能够学习并理解护士工作的例行规程，当一名病人出院后，它能够自动地派送供新病人用的标准物资包，拿来干净床单替换弄脏的床单，而且还能够移动头部和LED眼睛和人类示意交流，使人们知道它正在做或将要做的事情，让人感到很舒适并放心地让它执行任务[21].

TUG是一种医院用自主运输机器人，它通过一个触摸屏接收医护人员的指令，能够将重达453 kg的物品运送到指定地点，并在完成任务后回到指定位置进行充电以等待下一次任务[22-23]. 目前TUG已经在140家医院中应用，每周可执行约5万次药物运送任务.

病房物流和消杀是一项非常重要且耗费精力的工作. 传染病房是高传染区域，每日需要进行多次例行消毒. 采用机器人来完成此类任务，不仅可以显著减少护士的工作负担，让其有更多的精力投入到更为重要的照料病人的工作中去[2,24-25]，而且可以减少人员在不同功能区之间的流动，从而减少院内传染，减少病人留院时间，挽救更多的生命[26-28].

1.2.2 监测和诊断机器人

在综合护理服务系统(integrated nursing care services, INCS)的11项主要护理职责中，检测/监测(measuring/monitoring)职能排在第一位[29]，是最为重要的护理职责. 监测和诊断机器人的核心技术是远程呈现.

监测和诊断机器人在病房内和病人近距离进行信息交互，一方面可以作为医生和患者之间远程交流的工具，实现半自主远程诊断功能，另一方面还可以根据设置好的程序执行例行病房巡视和支持任务，检测传染病人每天的临床感染症候，比如发炎指标(C反应蛋白和白血球数量)、脓毒症指标(体温升高、血压变化和呼吸频率)、体温、血压、心率、血氧浓度等生理参数，以及临床微生物学检查等实验室指标的变化，记录电子医疗档案并将检测结果及时通知医生[30].

Broadbent等[31]采用iRobi机器人对慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者的状况进行长达4个月的远程监控，机器人每周进行病情临床问卷调查，通过语音提问、触摸屏答复的方式获得病人的反馈，75%的参与者给出了积极的评价. Boumans等[32]采用Pepper人形机器人和病患交流，能够可靠地获取有用的信息. Guide和Cafero机器人能够监测病人的重要生理指标，包括血压、心率、血氧等，并显示这些重要信号的趋势[33]. 无人机机器人Lucy通过遥操作控制在病房内飞行，悬停在大约病人眼睛的高度帮助医生和病人交互[34]. 护士遥操作控制ReMeDi机器人通过远程诊断界面进行远程医学检查，其安全性得到了医患双方的认可[35]. Kraft等[1]研究了Ebola隔离病房中病人对遥操作护理机器人的心理生理学反应(psychophysiological responses)以提高机器人的工作效率.

这些应用和研究证明，临床护理机器人在监测和诊断方面的应用可以显著减少护理人员负担，提高医护工作效率[29,36]. 据统计，每12 h一次换班的护士进行查房平均需要走约8 km[37]. 监测和诊断机器人不仅对于护理人员而言是非常有价值的工具，而且对病患来说它也是一种可以接受的诊察方式.

1.2.3 病患转移机器人

病患转移通常需要2名护理人员完成，是病房护理中最为繁重的体力劳动. 病患转移机器人在病房内和病人密切接触，负责在担架、病床、轮椅之间转移病人. 这就要求病患转移机器人具有很大的输出力(需要承担患者的质量)和安全性，其核心技术是遥操作控制和力控制[16].

根据Mesquita等的研究，全球各国护理机器人相关的发明专利中，辅助转运病人的发明占比达到40%[38]，是最受关注、应用最为广泛的研究领域[39-40]. 知名的病患转移机器人系统包括Care-O-Bot、RI-MAN[41]、SerBot[42]、TransCar[43]等. 日本在此项研究中处于领先地位，其中最有代表性的病患转移机器人是RIBA(robot for interactive body assistance)和Robear系统.

RIBA通过2个摄像头获取环境信息，通过2个麦克风接受操作者的指令，在双臂上装有先进的压敏橡胶柔性触觉传感器以检测识别机械臂与病人的接触状态，同时综合运用人工神经网络模型辨识、滑模控制、阻抗控制等构成新型运动控制策略[44-45]，达到防止病人在手臂间滑落[46]、提高系统安全性的目的. RIBA采用了基于触觉信息的“触觉导引”(tactile guidance)人机接口技术[45]，护理人员可以通过触觉导引给出直观的操作指令或对机器人的运动轨迹进行修正，从而在机器人和护理人员的密切配合下，确保能够准确、快速、安全地完成病人转移任务. RIBA每天能够40次搬运80 kg的病人，帮助其在床上翻身、从床上坐起到站立，以及从病床移动到轮椅，或从轮椅移动到病床[22,47-50].

病患转移机器人承担了护理工作最为繁重的体力劳动，因此对于提高护理效率、减少医护人员工作负担的作用最为突出[51]. 德国的一项研究表明，每台病患转移机器人在病房中平均每天可以为医护人员节省至少2 h的工作时间[52]. 在病患转移过程中，机器人系统的安全性和病人的舒适性要求是此类机器人研发必须重点关注和研究的地方[53].

1.2.4 护理作业机器人

此类护理机器人承担最为细致的护理任务，需要在病房内和病人进行密切的物理接触，特别是和一些特定的人体组织和器官进行物理交互，执行一些精细专业的护理操作. 完成此类任务需要考虑到医学作业规范、患者的安全和舒适度、遥操作控制人员的工作压力和操作难度等多个方面，对遥操作机器人的位置控制、速度控制、力控制、触觉反馈等提出了非常高的要求. 护理作业机器人的核心技术是精细的遥操作控制、力控制和触觉反馈.

护理作业机器人的典型代表包括前述咽拭子采样机器人和Veebot护理机器人. Veebot进行抽血和静脉注射，能够以83%的精确性正确地找到最好的静脉血管，在1 min之内完成抽血，水平相当于一名有经验的人类抽血护士[22]. 此外，临床医生还采用遥操作机器人(移动平台+灵巧机械臂)治疗Ebola病毒感染者[1]. Kapusta等[54]研究了通过移动机械臂和机器人床(robotic bed)Autobed协同作业，为有严重运动障碍的病人提供床边帮助的方案.

传染病房中的危重病人往往需要进行插管治疗[13]，包括导路尿管、静脉导管、透析导管、呼吸机插管等，是一件十分危险的工作. 在新冠肺炎重症患者的插管急救过程中，病人的呼吸道会喷出浓度极高的新冠病原体，万不得已的情况下医护人员甚至组织敢死队对病人进行插管抢救，不少医护人员因此感染了新冠病毒. 因此，开展面向此类任务的遥操作机器人系统研究具有十分重要的意义.

2 传染病房遥操作护理机器人关键技术

传染病房护理人员的工作职责是非常复杂和繁重的. 虽然传染病房是一个半结构化的工作空间，但由于病房护理工作流程的复杂性、专业性，以及物理人机交互(physical human-robot interaction)的密切性，以当前自主机器人的技术水平，无论是运动能力还是环境感知和决策能力都达不到独立胜任传染病房护理任务的要求. 比如，为了将病人从病床上抱起，机器人就需要在变化的病房环境中检测病人的位置和姿态，从病人的面部表情理解病人的身体和精神状态，根据病人的身体姿势规划一个舒适安全的抱起动作，此外还要根据传感信息预见危险和意外状况并采取预防措施.

在理想情况下，人们希望传染病房护理机器人具备像人一样的感知、推理和操作能力，而不是像前述几种机器人那样只是偏重于某一类型的工作，而是作为医护人员的代理或替身(surrogate body)在隔离病房中承担各项日常护理任务[55-58]，一台护理机器人负责一个传染病房，和患者共存合作(coexisting-cooperative)地完成护理治疗过程. 对于目前的自主机器人而言，上述工作还是一件不可能完成的任务. 因此，面对传染病房尽量使传染病患和医护人员隔离的迫切需求，遥操作机器人就成了唯一合理的选择[1].

采用遥操作护理机器人方案，通过“人在环中”的策略，由医护人员作为主端操作者承担认知环境和智能决策任务，遥操作护理机器人在从端承担繁重单调的体力劳动，完成大量的传染病房护理作业. 这样有利于落实传染病房的病区管理规范，通过病种隔离、病床隔离的方法避免人员流动引起的院内感染，达到既保护医护人员安全，又提高护理治疗效率的目的. 遥操作护理机器人还必须具备高度的操作灵巧性(dexterity)、丰富的传感能力、与任务有关的先验知识，以及较强的学习能力和环境感知能力[59-60]，以确保其完成作业任务的可靠性和动态稳定性、所提供护理服务的专业性，以及人(患者)- 机(机器人自身)- 物(病房环境)的安全性[51].

Li等[61]在杜克大学(Duke University)研究了一种遥操作智能护理机器人TRINA(tele-robotic intelligent nursing assistant). TRINA配备有全向移动平台、Rethink Baxter双臂机器人和ReFlex三指机械手，设计目标是在隔离病房中通过遥操作执行轻度到中度体力强度的护理任务(承担质量小于10 kg)，特别是自主/半自主地完成一些烦琐和易于出错的护理操作. Li等总结出了26项频繁执行的护理任务，通过模拟病房实验验证TRINA在专业操作人员控制下能够完成包括物资派送、设备整理、垃圾清理、信息检测、照料病人等在内约60%的常规护理任务. 但是TRINA不能很好地完成对灵巧度和协调性要求较高的精细作业任务，包括将导管插入容器和从容器中拔出、将管嘴插入管子或从管子中拔出、撕开消毒物品的包装袋、按下按钮以启动设备、转动手柄以控制设备等，这导致该机器人完成任务的总时间长达人类护士用时的20倍[61-62].

综合分析目前TRINA以及其他护理机器人系统研究和应用中反映出来的问题，认为下一代传染病房护理机器人应该是同时具有类人运动特性和触觉感知能力，能随时切换遥操作控制和自主控制模式以完成护理任务的机器人系统，其研究和应用有如下3个急需解决的关键技术.

2.1 机器人的类人运动和直观遥操作控制

人体运动数据分析和最优控制理论2个方面的研究表明，人手运动存在着一种独特的模式. 由于运动时间(movement time)在神经运动控制(neural motor control)中的作用，在人手臂的运动过程中存在一个运动速度和运动精度之间的折中问题，时间成本(cost of time)函数系统地表现出符合最优控制的最小加加速度模型，其手部的运动轨迹符合Logistic方程曲线，运动速度变化是一条钟形曲线.

传感病房护理机器人需要和患者进行密切的交互协作. 对于患者而言，希望该机器人不仅物理上是安全的，而且心理上是舒适的. 即在任何时候，患者需要感觉到护理机器人的运动形态是自然的，并因此确信他们理解护理机器人的意图，对其与护理机器人之间的交互协作感到亲切、舒适和友好. 有关工人和装配机器人在生产线工位上的协作研究表明，机器人运动的类人程度越高，工人对机器人的信任度就越高，工人的工作量将显著降低，人机协同作业的效率也就越高. 病房护理机器人更加强调病人与机器人之间的互动协作，因此类人运动控制是护理机器人的一种内在的基本要求：采用类人运动控制赋予护理机器人在运动学层面上的类人行为模式，可以让病人觉得机器人的行为意图在直觉上和经验上是容易理解和预测的，从而更加自然和高效地促进病人和护理机器人的协同配合，提高护理工作的效率和安全性.

传染病房的护理规范都是根据人类护理人员的操作方式制定的. 遥操作护理机器人要在病房中代替护理人员完成这些工作，就必须具有类人的作业能力. 直接用双手(臂)进行各种操作是最为直观和最符合人们生活习惯的. 为了实现从端护理机器人的类人作业能力，人们通常采用主从同构设计或主从异构运动映射的方法，使得操作者可以忽略主从两端的运动学差异和约束，完全根据自己的习惯和直觉(通过双手运动和运动捕捉系统)进行遥操作控制，不需要经过特殊的专业训练就可以很好地实现高质量的遥操作运动控制，使遥操作控制人员的工作压力达到最小，熟练进行遥操作作业的培训时间达到最短.

在主从异构的遥操作系统方案中，主端采用符合人的操作习惯的人- 机接口系统，从端采用面向特定环境和任务的机器人系统，其难度在于主从异构带来的运动映射算法的复杂性. 以前述TRINA机器人系统为例，它具有多达28个独立控制的自由度，在其双臂结构中，Baxter机械臂有7个自由度但不具有拟人化的特征，ReFlex三指机械手和人手在形态上也有很大差异. 这种显著的主从异构特点，给提高该机器人系统作业能力和遥操作控制的直观程度带来了极大的难度[67]，这是TRINA机器人难以完成一些对人而言很简单任务的一个直接原因. 研究主从异构遥操作系统的运动映射算法，从而实现从端机器人的协调控制和类人灵巧操作，是一个值得重点研究的关键技术.

在主从同构的遥操作系统方案中，需要设计具有高度仿生特性的仿人机械臂和灵巧手等执行机构(manipulators)[63-64]，通过主从端高度相似的运动学结构来增强系统的灵巧操作能力，提高系统的护理作业效率[65-66]. 此类系统的优点是：1) 主从同构的运动映射算法简单；2) 传染病房现有的各种医疗设备和工具都是为医护人员所设计的，同构的机械从臂(手)可以方便地使用这些工具，从而提高护理工作的效率；3) 同构的仿人机器人系统可以给患者带来更多的亲切感和信任度，容易实现机器人和患者之间的配合和交流，有利于护理过程的实施. 其缺点是机器人的机构精巧而复杂，系统的制作难度很大并且成本高昂.

因为人体肌肉的本质柔顺性，人手的运动过程也体现出柔顺的特点. 通常的工业机械臂运动控制以快速性和准确性为目标. 因为需要和人体频繁交互的原因，护理机器人的运动控制必须以柔顺性和安全性为目标. 为了在护理机器人平台上实现机械臂(手)的类人柔顺运动和灵巧操作[68]，类似Shadow机械手那样采用气动人工肌肉驱动的仿生机械臂和仿生灵巧手将发挥重要作用. 气动人工肌肉不仅具有类似人体肌肉的出力特性，有利于实现机器人的类人运动模式，而且可以通过和鲍登线的结合使用，模拟人体肌肉- 肌腱- 韧带组织的驱动形式，便于驱动方案的实现和关节运动的解耦，是一种理想的仿人机器人驱动器. 气动人工肌肉所具有的本质柔顺性也非常有利于增强该机器人系统在护理作业过程中“人- 机- 物”的安全性. 此外，在机械臂(手)的关节结构中设置串联弹性驱动器(series-elastic-actuation，SEA)也是一种获得操作柔顺性和系统安全性的方法[69].

仿生设计和控制是机器人研究的重要组成部分. 相关研究表明[70]，人体的变刚度控制机理可以分为以下2种：第1种是反应式的刚度调节，即人体在应对外界环境的突然扰动或者一些不确定性的环境变化时，运动神经元通过主动肌/拮抗肌的共同收缩，自适应地改变人体内在的肌肉- 骨骼刚度(阻抗)，从而在外部环境变化时自然地提高抗干扰能力；第2种是主动式的刚度调节，即人体在运动(比如行走)过程中，主动实时调节关节(比如踝关节)刚度，可以避免动作僵硬，提高操作的灵巧性. 人体的这种变阻抗/刚度控制能力是完成灵巧作业任务的关键, 对实现机械臂的灵巧控制、改善机器人的操作技能具有重要启示作用. 因此，通过类人运动控制，赋予护理机器人这种类人的变刚度控制策略，从而提升护理机器人的作业性能，是一个值得关注的研究方向.

2.2 类人触觉感知和力控制

不论是病患转移机器人，还是护理作业机器人，都必须在不确定性环境中和病人直接接触. 触觉感知对人手的灵巧操作能力具有重要的意义[67]. 为了确保接触交互过程中人- 机- 物的安全，除了在机器人结构和驱动方式上引入柔性特征之外，类人触觉传感和力控制也是必不可少的[71].

护理机器人需要在病房中完成一系列的护理作业任务，比如帮助病人翻身和坐起、帮助病人饮食、为病人进行静脉注射等. 这就要求护理机器人必须具备精确协调的双手操作能力，能够运用其全部作业空间和运动能力来操控具有不同形状、质量、柔软度和表面粗糙度的对象，包括举起质量分布不平衡的重物(比如抱起并转移病人)，能够分离紧密接触的物体(比如撕开包装袋、处理床单和绷带等纺织品)，能够抓取细小和不规则物品(比如处理散乱堆放的物品), 能够通过柔顺的手指来操作临床护理设备中大量存在的操作按钮或连接细长柔软的物品(比如将输液管连接到输液瓶和病人手上的针头进行静脉滴注)等[61]. 从前述TRINA机器人难以完成的一些简单任务可以看出，这些任务往往要求机器人在物体表面通过紧密接触实现灵巧的操作，而完成这些操作要求机器人具有毫米级的操作精度和低于牛顿级的触觉感知和力控制能力[61].

实现上述类人触觉感知功能的一个途径是仿生机器人皮肤. 研究模拟人手皮肤的触觉信息传递和处理系统，构建仿生的人体触觉感知系统，通过集成力传感器、滑动觉传感器、关节运动的本体感受器等信息，进行信息融合处理，可以较为准确地感知机械手和操作对象之间的作用力和相对滑动，以及通过“主动感知”(action for perception)获得关于操作对象柔软度和粗糙度等物理特征等信息，并通过“根据感知采取行动”(perception for action)的决策推理模型实现机器人系统的智能护理操作. 在机器人的自主控制模式下，上述触觉感知信息是实现机器人精确运动控制和力控制必不可少的状态反馈信息；在机器人的遥操作控制模式下，上述触觉感知信息是增强遥操作的临场感和透明性(transparency)，确保遥操作控制人员上层决策的正确性，以及提高遥操作控制质量的重要决策信息.

因此，研究护理机器人的类人触觉感知和精细的位置控制和力控制算法，赋予机器人精准的双手协同操作能力、毫米级的操作精度和低于牛顿级的触觉感知和力控制能力，结合机械手关节内置传感器的本体感受(proprioception)信息，通过多传感器信息融合的方法，提高护理机器人的精细作业性能，这是另一个值得关注的研究方向.

2.3 护理技能的模仿学习和人机技能传递

传染病医院的清洁区和污染区有着明确的划分，传染病房有着严格的消毒和隔离制度，需要执行严格而又烦琐的消毒规范和医疗垃圾处理规程. 根据《医院感染管理办法》、《消毒技术规范》以及三级甲等医院的感染管理标准，传染病房的消毒规范和医疗垃圾处理规程包括：对病人的生活垃圾、医疗废品和污染物品等必须及时进行垃圾分类，用黄色垃圾袋双层装袋、包扎密封并贴上红色标签；这些医疗垃圾一律放在专用污物桶内并定时喷洒药液消毒；用过的一次性注射器和输液器需要做毁坏处理，连同棉签、安瓿一起放入空废弃的消毒液瓶内，装满加盖后再放入垃圾袋内包装和密封，标记传染科及日期，由病房专人负责送至指定回收点检查登记废物的数量和种类，最后交给专业处置技术人员进行后续的消毒处理. 像处理污染物和机器人自身消毒一类既具有严格规程，又需要频繁执行的作业任务，如果通过遥操作完成，对于主端操作人员来说将是一件很枯燥、烦琐和劳累的工作. 可以将这些程式化的操作过程定制成特定的任务流程，在控制人员给出操作指令信号(任务名称、作业对象、任务的起始点和目的地等)之后，由机器人自主或半自主地完成.

如前所述，TRINA机器人能够完成约60%的常规护理任务，但对于一些灵巧度和协调性要求较高的精细作业任务则效率很低或者难以完成. 事实上，这些精细作业任务虽然对机器人的灵巧度和协调性要求很高，但对于临床护理人员而言都是很普通的操作. 以护理人员向患者递送药品为例，这对护理人员是很简单的任务，但用机器人实现时就很不容易，因为该任务涉及到患者姿态的视觉感知、机器人系统的多关节协调控制、机械手的路径规划、交接点和交接时机的选择与控制等问题. 每一个环节的处理都关系到双方交互的密切和协调程度，以及交互的工作负担甚至任务的成败，不能通过编程和轨迹规划的方法实现. 这就涉及到一个重要问题：如何高效地将人类的操作技能传授给机械臂(手)，使得机器人具备类人化的作业技能.

人- 机器人技能传递(human-robot skill transfer, HRST)，即机器人示教学习(learning from demonstration, LfD)或模仿学习(imitation learning)是当前机器人领域的研究热点之一. Fischinger等[72]研究护理机器人如何习得一些重要技能，特别是在人的帮助下让机器人学习新的物体，包括学习物体的名称和特点，以及操作方法(抓取点和抓取方式的选择)，从而让机器人根据特定的目的在环境中安全地移动以完成物体抓取和物品传递任务. Moxi机器人采用有人指导的学习(human-guide learning)方法，在半结构化环境中观察重复的任务，通过记录人示教过程中的关键信息来了解操作对象，并记忆抓取等操作知识[20]. 这些面向通用机器人完成一些基本作业任务的研究成果，虽然还不能直接应用于病房机器人完成专门的护理作业任务，但是可以为病房机器人的护理技能学习研究提供重要的参考借鉴.

人们还希望护理机器人能够对护理过程中出现的一些意外事件做出应急响应，并根据人类专家的判断进行处置操作[73]. 这种特定场合下的程序化处理方式和技能都可以通过模仿学习的方法实现.

因此，开展模仿学习或强化学习算法研究，使机器人掌握一些特定操作的要领，提高护理机器人获取人的操作技能的能力，这是又一个值得关注的研究方向.

3 结论

1) 在传染病房中采用机器人代替医护人员为病人提供医疗护理服务，特别是承担护理工作中最为繁重、枯燥、危险和重复的任务，从而减轻医护人员的工作压力和感染危险，使医护人员得以将更多的精力投入到照料和关怀病人的工作中去. 此项研究和应用受到了广泛重视和持久关注，美国、欧洲、日本、韩国、中国等都先后推出了研究计划来推动这项工作. 因此，护理机器人多年来一直是机器人和人工智能领域的研究热点之一，具有十分重要的研究和应用价值.

2) 下一代传染病房医疗护理机器人系统应该是具有遥操作和自主作业2种工作模式的同构遥操作护理机器人，既能在机械臂上实现较大输出力控制和柔顺运动控制以完成安全的病患转移任务，又能在灵巧手指上实现灵敏的触觉感知和微小的输出力控制以完成精细的护理作业任务. 在遥操作模式下，该系统在主端以遥操作控制人员的手臂作为通用主臂，通过穿戴式运动捕捉系统获取操作者的控制指令；在从端采用类人肌肉驱动、具有类人触觉感知和类人运动模式的仿生机械臂和灵巧手系统. 在自主工作模式下，该系统根据预设流程或医护人员的指令执行一些涉及特定的作业对象、需要特定的操作技能、遵循特定的操作流程的护理作业任务(比如传染病房医疗垃圾的归类、封装和处理). 虽然现有的医疗护理机器人技术水平还远达不到这样的水平，但这是一个非常值得投入的应用和研究方向，具有重大的社会和经济价值.

3) 面向传染病房环境的医疗护理机器人系统的研究和应用具有不可估量的社会价值. 根据世界卫生组织2015年的报告，预计到2035年全球将有1 290万护理人员短缺，而在现有的护士工作量中，只有1/3是在对病人进行直接护理，其他琐碎的工作消耗了医护人员大量的时间和精力[16]. 传染病房护理机器人的研发和运用可以有效地缓解医护人员的短缺，减轻医护人员工作负担，特别是在针对前述各种烈性传染病的抗疫工作中，可以有效地提高医护人员的工作效率，保护医护人员的健康，让传染病人得到更好的治疗和康复，挽救更多的生命[74-76].

4) 面向传染病房环境的医疗护理机器人的研究和应用具有十分重要的经济价值. 世界各国的多家智库都对未来的护理机器人市场给出积极的预测. McKinsey Global Institute 的研究认为，一场护理领域的机器人技术革命已经开始，更加安全高效的护理机器人是领域发展的必然趋势，很快将付诸实现[77-78]. 根据Grand View Research的研究报告，全球护理机器人的市场规模2018年已达到3.89亿美元，并将以19.9%的复合年增长率(compound annual growth rate，CAGR)增长，到2026年全球护理机器人的市场规模将达到16亿美金，护理机器人的采用将为医院和诊所增收1.8亿美金[4,79]，而日本和韩国已经在国际护理机器人(主要是个人护理机器人)研发竞赛中处于领先地位[41,80].

5) 有必要更加重视医疗护理机器人的应用和研究工作，特别是借助“共融机器人”重大研究计划的展开，决策者给与更多的重视和资助，研究者给与更多的关注和投入，共同推动护理机器人(特别是传染病房护理机器人)的研发工作，促进我国医疗护理机器人产业的发展，在国际护理机器人领域的科技竞争中取得有利的地位.