沪ICP备06058754号-1
医院病房辅助换水机器人研究

张晴 陈世栋

2019-12-06

用户体验 文集

2018年学术论文欣赏

本文段落精选

 

 

技术的发展已经让智能医疗机器人逐渐被运用到我们的生活中,去除重复性的操作,提高护士工作效率,使她们腾出更多的时间对医疗领域进行更深的钻研,这也是我们所研究设计的这款机器人最大的优势。

 

本课题通过对护士的工作场景和病房输液流程进行深入的调研,采用观察法、访谈法、线上问卷等方法提炼用户需求。通过设计一款机器人进行中间过程辅助换水工作,减轻护士工作负担,提升了护士人员的工作效率。

 

 

 

医院病房辅助换水机器人研究

张晴 陈世栋

扬州大学

 

 

摘要  

本课题针对医院住院部护士每天进行大量重复性工作,造成身心疲劳,工作效率下降的现状展开研究,通过对护士的工作场景和病房输液流程进行深入的调研,采用观察法、访谈法、线上问卷等方法得到充分的数据,并结合文献研究,聚焦用户的痛点问题,提炼用户需求。在深入研究的基础上,提出设计方案:通过设计一款机器人进行中间过程辅助换水工作,减轻护士工作负担,缓解工作造成的情绪压力,同时,在整体上提升了护士人员的工作效率。

 

关键词:病房辅助换水机器人;医护人员;工作环境;需求

 

1. 引言:

住院部日常的输液工作量非常繁重,护士高频度的往返于配药室和病区从事重复性的换水工作,会造成身心的疲劳,还可能导致出错率的升高。从技术层面看,一些低技术含量,高重复性和低风险的操作步骤,可以利用智能机器人技术替代人工劳动,让护士从繁重的体力劳动中解放出来[],从事更加重要的、技术含量更高的工作,更好的服务患者。本课题基于以上背景,研究并设计一款智能机器人,辅助住院部完成输液过程中的重复性换水工作。

 

2. 调查与研究

2.1 医疗机器人的发展

近年来随着人工智能的发展、技术的突破及应用领域的逐渐广泛化,医疗发展备受关注。医疗机器人能够有效帮助医生缓解医疗资源紧张,推动医疗信息化的发展。其运用领域大致分为手术、制药、外骨骼康复、医院消毒、远程医疗和陪伴。现阶段医疗机器人产业链上游为机器人零部件;下游主要供给于智慧医疗市场的需求端,大多应用于医疗手术、康复护理、移送病人、运输药品等领域,下游需求较旺盛。

 

2.1.1 国际现状

目前世界医疗机器人的发展以美国企业为引领,手术机器人以美国达芬奇手术系统为代表,占据行业绝对优势;制药机器人和外骨骼机器人中,德国企业占据一定优势;外骨骼机器人和远程医疗机器人的研发方面,日本以Cyberdyne和Honda Robotics两家公司在行业中起到引领作用。

2016年,全球医疗机器人销售数量为1600台,均较2015年有较大幅度增长。2017年,医疗机器人在各应用领域不断落地。

 

2.1.2 国内现状

在政策利好、老龄化加剧、消费群体增加、产业化发展提速等综合因素影响下,我国医疗机器人市场也在高速发展。2014年医疗机器人市场规模约为0.65亿美元,占全球行业市场份额的4.96%;2016年,市场规模达到0.79亿美元。在国际医疗市场技术改革发展的推动下,国内技术及医疗机构纷纷涉足医疗机器人的研发和落地,有效减轻地区资源分配不均、医疗差异化的社会问题,缓解医疗矛盾;远程医疗机器人的发展更能为分级诊疗的发展提供助力。

目前国内医疗机器人的代表企业以新松机器人、楚天科技等为代表;无论是《中国制造2025》、《国家标准化体系建设发展规划(2016-2020年)》,还是《机器人产业发展规划(2016-2020年)》均对医疗机器人行业的发展做出了明确的规划与指导,促进产业的快速发展。

 

2.1.3 总结

技术使机器人与医疗不断接触、融合并产生新的研究成果,医疗机器人的发展也处于上升期。从目前的各项研究案例来看,人们对于医疗各领域的机器人研究主要都集中在手术等临床治疗方面,重在解决医疗资源和差异化的社会问题,对于医护人员的关注度相对较少。

因此,我们将转换以往的视角,由对医疗技术的研究转向医护人员的工作研究,使技术能更好的服务于人们的生活。

 

2.2 住院部工作场景概述

为进行相关的场景研究,我们首先锁定了扬州市第一人民医院、苏北人民医院、广陵区中医院、扬州市中医院,采用观察法等尝试着了解护士们的工作场景。住院部每天极大的人员流动率使医护人员的工作量加重,虽然住院部24小时都有值班,但她们一般采取轮班制,每人都会有不同时间段的工作,白班夜班轮流进行。这里的工作不仅仅只是我们看到的帮病人挂水,还有每天的巡房、记录、换药等等,非常辛苦。

 

2.3 输液工作流程分析

我们观察了来往的护士们并将详细的换水过程进行了记录,主要有以下几点,如图1:

 

图1 换水过程记录

 

针对以上记录我们进行总结:

①  目前住院部挂水确认身份的这一环节基本上采取机器辅助;

②  换水操作主要落实在取下旧水袋,装上新水袋,基本上接触对象就是输液装置;

③  状态的记录依旧采用人工方法,较为耗时。

 

2.4 用户调研

针对护士的工作日常以及住院病人平时挂水时的情况,我们进行了线上问卷调查,并将调查数据进行SPSS分析,得到频数统计和百分比计算,如图2和图3:

 

图2 线上调查问卷

 

图3 部分数据比较

 

图中可以直观地看到人们对护士的工作观察情况以及住院病人挂水的一些感受,我们再次进行总结:

①  一天下来护士查房的次数不少于3次。假设我们取一个平均值4,那么这部分的工作耗时计算t1需从护士站开始,轮流经过、进入、检查、出来一层楼的每一个病房,然后回到护士站,一天的时间总量t总=t1+t2+t3+t4。

②  多数调查对象都不约而合地在数据中体现了这样一种现象:护士走路都比较快,在病人按铃呼叫时大部分情况下60秒内就能赶到现场,并且会多次碰见同一个护士。

③  人们在挂水的时候最希望知道自己还有多久能挂完这袋水,并且希望即使有机器人来帮忙,插针拔针还是由护士来完成比较好。

 

根据观察法与问卷调查法进行的两次总结,我们进行以下提问:

①  诸如确认身份、状态记录、查房这样技术含量很低但重复性很高的工作是否可以直接由机器人来代替?

②  每当住院部遇上高峰期,是否会出现人手不够、护士来回奔波不能停歇的现象?

③  我们目前对医院输液机器人的关注较少,尝试将机器人运用到中间的换水操作上,设定输液装置为直接接触对象是否可以大幅度降低机器人工作难度?

 

为了能够搜集到更多真实的信息,我们锁定了从护士长、护师到实习护士等不同级别的8个人,将观察到的信息和收集到的数据进行描述,从而进行相关的访谈,把问题写在便签纸上,在对话中记录被采访者的关键词,以便后面的产品方案研究。我们记录到的现象主要有:

①  某病房的A病人一袋水挂完并更换完毕,护士刚回护士站,该病房的B病人就开始按铃;

②  实习的护士,在工作同时还要争分夺秒的进行职称考试的复习,没有午觉睡的时间;

③  住院部实行的是24小时轮班制,即每个护士会不断地更换工作的时间段,分为白天、前半夜和后半夜。

 

最后,我们针对五个方面、详细描述以及造成的后果绘制有关用户痛点的表格:

 

4 用户痛点分析

 

2.4 用户需求分析

通过对现场观察、问卷分析和访谈调查结果的对比分析,用户的痛点问题越来越清晰。

①  换水的高重复性对护士有一定的体力要求和精力要求,而生物钟的频繁更换势必又会对她们造成很大的影响;

②  为了配合病人的换水需要,护士们总是先放下自己手中的事情,导致她们无法灵活安排时间,没有机会在更深的领域去钻研,充分体现自身价值;

③  每次完成换水的操作后还要进行记录,技术含量低,较为耗时。

 

综上所述,护士们希望:

a) 将输液过程中的换水操作进行替换,以提高工作效率;

b) 提供可视化的定时巡视病房的服务;

c) 病人能准确了解到自己挂水的相关情况;

d) 腾出更多时间进行自我安排,实现自身价值;

e) 减轻工作压力、健康的负担。

 

3. 产品设计分析

3.1 功能规范

3.1.1 储存并运输新的药水袋和空袋子

    机器人工作的出发点是配药室,目标地点是某病房的某个床位。那么在机器人主系统中就要进行工作路线的预设,然后开始执行操作。护士在调制完新鲜的药水袋后可开启仓库进行储存,类似的,机器人在换水完成后需将空袋子一并带回。

 

3.1.2 扫描、捕捉进而锁定目标对象

    离开配药室进行工作的过程中,机器人进行系统扫描,通过环境感知功能及时作出反应,不断移动和定位,最终锁定目标,进入对应的病房。

 

3.1.3 进行输液过程的换水操作

    进入病房,来到目标病人身边,首先确认与该病人对应的药水袋,开仓,机器手臂开始工作。医护人员可对智能系统进行预设,使得机器人能够独立完成调节滴速至0、取下旧的水袋、拔针并插入新的水袋等操作。

 

3.2 结构设计

关于机器人的整体结构设计,应遵循这三个的原则,即与之相对应的静力学、动力学和运动学;机器人空间及结构尺寸的相关性;整机设计的原则及设计方法。

 

3.2.1 机器人的静力学、动力学、运动学

我们主要研究机器人关节变量与其末端执行器位置和姿态的关系,并且建立机器人运动方程,重点研究手部的位置和运动。接着去关注机器人静止或缓慢运动的状态以研究相对应的静力学,特别是当手部与输液装置进行接触时,各关节与力(矩)的关系,主要体现在机器人进行换水操作的工作状态下。

除此之外,对机器人的动力学所要研究的问题则集中在给定它运动的要求,求应加于机器人之上的驱动力(矩),即我们预设一个工作运动的模式,使机器人进行执行,这个过程可借助拉格朗日方程法、高斯原理法等方式进行具体分析。

 

3.2.2 机器人空间及结构尺寸的相关性

机器人在正常工作时,末端执行器坐标的原点能在空间活动的最大范围被我们视为它的工作空间,进一步细化,可得灵活工作空间与次工作空间。通过解析法、几何法,我们可以具体确定换水机器人具体的工作空间。尤其是几何法,将其中一个量设为变量,其他关节变量则进行固定,从而以几何作图的方式可以画出工作空间的部分边界,以此类推,改变其他关节变量则可以得到新的边界,最后得到完整的、直观的工作空间。

而根据活动关节的差异性,参考点也在不在发生着变化,我们着重关注腕关节以及前后臂之间的衔接点处。

 

3.2.3 整机设计原则及方法

这部分的设计可以参考最小运动惯性量原则。因为工作的过程中运动状态会经常改变,为了增加操作机运动的平稳性,提高其动力学特性,就需要尽量减少运动部件质量,并进行整体的尺寸最优化以选定最小的臂杆尺寸,进一步降低运动惯量,同时恰当地选择杆件剖面形状和尺寸,提高支承刚度和接触刚度,减少杆件的弯曲变形。

在对机器人进行具体设计的时候,首先要确定其负载、速度、精度的具体参数,绝大多数非直接驱动机器人运动时,前臂的运动会引起后面关节的附加运动,因而产生运动耦合效应,所以还要进行相应的耦合分析。

机器人的手臂要做到平衡,并且免除在自重下落下伤人的危险。我们对其进行强度校核和刚度校核,尽可能采用轻型材料以减少运动惯量。臂部作用是连接身体与腕部,实现空间运动,于是我们将手臂分为伸缩型结构、旋转伸缩型结构和屈伸型结构;腕部一般是用来连接手臂与末端执行器的,并决定了末端执行器在空间里的状态,因此一般有2-3个自由度,结构要紧凑,各运动轴采用分离传动。

 

3.2 工作流程规范

根据对住院部辅助换水机器人的功能定义和规范,我们可以对其工作路线进行具体的可实施的规划,并对巡视时发现情况进行换水操作的流程进行规划:

 

5 操作流程及路线规划

 

4. 产品成果展示

机器人采用蓄电模式,可自由移动,进行工作区域内的巡视工作,并独立完成换水操作,在行走和停靠的过程中要保持平稳,拥有较小的转向半径,以便遇到狭窄的空间依然能够顺利工作[];机械手要有力学反馈,用适度的力将目标物体抓起或托起[];除此之外,图像识别还要具有主导和判断能力[],以及人机交互系统(如界面操作)的完善等方面。

其整体形态如图6所示:机器人的界面可以显示一些日常信息,比如时间和当前室内温度,以及天气等(机器人未发现目标时可切换显示),将软件功能模块进行集成,形成医院智能空间平台操作界面[],而移动机器人在这样的环境下可以顺利完成自己的任务:

 

6 整体形象

 

与机器人自身系统相呼应的,还有一个设置在护士站的PC端,在机器人对目标对象进行图像采集时,PC端亦可查看,以便随时了解机器人的工作情况和病人的治疗状况。图7是机器人巡视时进行定位扫描发现目标对象并到达相应病床前进行换水的状态:

 

7 扫描定位及换水的状态

 

在此过程中,机器人会提示请您稍等一会,马上就换好药水。除此之外,也会告知病人当前换水所需要的预计时间和剩余时间,以及机器人本身的工作状态、输液装置的设备状态等;有了这些感应显示测评,一来可以保证工作的正常进行,二来也可以给病人带来很大的安全感,无需任何担心。

在换水的过程中,机器人左手抓取药水袋,进行药水袋的“公转”和“自转”运动[],“公转”指的是药水袋离开原本针口的运动,“自转”则是在离开针之后在机器关节的驱动下到达目的仓库的运动。左手从侧面看中间为曲线轮廓,因为新的药水袋是满的,这样上面小下面大可以降低药水袋的中心,避免掉落;而右手则进行更换操作,卡口处负责固定管子的一端并且通过整体的旋转动作将其拧下,同理再把新的药水袋装上去。

完成换水工作后,机器人把旧的药水袋放在后背的临时仓库中,以便最后一起处理。日常巡视中,界面可以切换显示仓库存储的剩余百分比,随着换水工作的进行,百分数会逐渐将至0。

 

图8 机器人背面&仓库剩余量显示

 

当机器人发现库存剩余为0,会自动返回到配药室,护士触摸开启仓库门,以下是仓库旋转开启的过程,同时后背临时仓库也会开启,护士将旧的空药水袋取出,等仓库两层门完全开启后开始放置新的药水袋,这是新的一轮工作开始的标志,也就意味着开始了新的存储过程,本课题所研究的应属于用户自定义存储系统,机器人在这个过程中接受护士提供给它的数据,给出反馈显示,即界面的仓库剩余百分比,这样可以极大提高工作效率,缩短双方信息传输量[]

 

9 双重仓门开启过程

 

10 工作场景

 

5. 总结与展望

5.1 主要研究结果

  本文主要针对住院部护士的工作痛点,对整个输液过程的换水操作进行研究,探讨出有效减轻护士工作负担的方法。

1. 基于目前医院机器人的发展情况,构建适合于住院部环境下使用的操作系统,通过对机器人单个任务的排列组合来完成复杂的任务;

2. 通过用户调研和问卷调查聚焦用户需求,定位机器人的最终功能以及操作顺序;

3. 针对住院部走廊与病房室内两个不同的工作区域,构建适用于机器人进行巡视和工作的路线[],以提高机器人本身工作的精准度;

4. 为实现对动态障碍的实时反应处理,机器系统进行智能化设计根据不同的角度划分不同的运动方式,使机器人在运转轨迹平滑。

 

5.2 未来展望

技术的发展已经让智能医疗机器人逐渐被运用到我们的生活中,从当下主要研究热点来看,为满足机器人复杂环境下的适应性、可靠性,医疗方面的机器人都朝着智能化、自主化的方向发展[],从而帮助用户解决问题。去除重复性的操作,提高护士工作效率,使她们腾出更多的时间对医疗领域进行更深的钻研,这也是我们所研究设计的这款机器人最大的优势。

目前能够尽量做到减轻护士们的工作负担,接下来我们将继续针对病房输液这项工作进行深入研究,寻求能够彻底解决护士工作痛点的方法,更多的对人为操作进行研究,将其行替代。

 

 

参考文献:

 

[1] 郭耀煌, 钟小鹏. 动态车辆路径问题排队模型分析[J]. 管理科学学报, 2006, 9(1):33-37.

[2] 刘俊飞. 基于双目视觉的护理机器人抱取功能的实现[D]. 南京理工大学, 2012.

[3] 周勐. 医院病房巡视机器人导航系统设计与实现[D]. 山东大学, 2012.

[4] 白建军. 多功能护理服务机器人的设计与研究[D]. 南昌大学, 2010.

[5] 李荣宽. 医院巡视机器人智能空间异构网络设计及应用[D]. 山东大学, 2011.

[6] 王家超. 医院病房巡视机器人定位与避障技术研究[D]. 山东大学, 2012.

[7] 张凯. 病房巡视机器人系统综合管理平台的设计与实现[D]. 山东大学, 2012.

[8] 周勐. 医院病房巡视机器人导航系统设计与实现[D]. 山东大学, 2012.

[9] 倪自强, 王田苗, 刘达. 医疗机器人技术发展综述[J]. 机械工程学报, 2015, 51(13):45-52.

 

UXPA中国会员登录

记住我

第三方登录

×

微信登录

×
请使用微信扫描二维码登录 “UXPA中国官网”

下雨的春天

已使用微信登录(更换账号)

×

会员密码找回

×