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1.上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院(上海，200093)2.上海健康醫(yī)學院 醫(yī)療器械學院(上海，201318)

【關鍵字】 人口老齡化； 護理機器人； 機器人技術； 老年護理

0 引言

聯合國人口老齡化和可持續(xù)發(fā)展報告指出，全球在未來十年將加速老齡化進程[1-2]，伴隨著患有慢性疾病人群對醫(yī)療服務需求的增加，機器人便被提出作為一種輔助工具提供醫(yī)療服務以彌合日益擴大的需求，緩解醫(yī)療人員和資源短缺[3-4]。機器人產品分為工業(yè)機器人和服務機器人，而護理機器人便是服務機器人的一種[5]。

護理機器人，即一類旨在促進或監(jiān)測健康的機器，能協助患者完成因健康問題而難以執(zhí)行的任務，能實時監(jiān)測患者生理參數并做出預警，防止健康狀況進一步惡化[6]，履行護理任務，以減輕護理人員的工作。

目前護理機器人可按如下方式進行分類： ①按照功能用途可分為個人衛(wèi)生護理﹑飲食護理和轉運護理等機器人； ②按照工作方式可分為工作站式、移動式和搭載式[7]； ③按照結構類型可分為仿人式﹑輪椅式和護理床式等； ④按照使用場景可分為醫(yī)用型和家用型等。本文就圍繞目前護理機器人領域的發(fā)展狀況，對國內外研究現狀進行描述，并分析當前護理機器人的關鍵技術，總結護理機器人的發(fā)展趨勢及未來展望。

1 護理機器人發(fā)展現狀

隨著人口老齡化狀況持續(xù)加劇，世界各國都相繼致力于護理機器人的研究。以下就圍繞護理機器人的發(fā)展歷程，列舉各國代表性的護理機器人產品，綜述國內外護理機器人的發(fā)展現狀。

1.1 國外現狀

早在20世紀80年代，美國TRC公司設計了一款移動式護理機器人——HelpMate。HelpMate集成了多種傳感器，擁有避障和自主導航等功能，能有效完成醫(yī)用物品等運送任務。第一臺原型HelpMate機器人于1989年在美國一家醫(yī)院安裝使用[8]，負責將餐盤從餐廳送到護理站，并于1998年在美國70多家醫(yī)院推廣商用，取得了巨大的成功。HelpMate的問世為機器人自主移動的設計提供了參考。如德國斯圖加特的自動化研究院，設計出的第二代機器人家庭助理Care-O-botⅡ[9]，能在室內環(huán)境中檢測避障和自主導航，輔助用戶行走； 以及自主移動護理機器人ARTOS[10]，配有激光測距儀和超聲波傳感器等，能自主移動，能實時通信，在保障隱私的同時達到有效監(jiān)護。

護理機器人還致力于解決患者生活方面的問題，如飲食護理機器人和個人衛(wèi)生護理機器人。1987年英國Mike Topping公司開發(fā)的飲食護理機器人——Handy1，最初是為幫助一名十一歲的腦癱男孩進食，該系統(tǒng)能通過更換托盤配件為患者提供喂食﹑刷牙﹑洗臉等日常生活護理[11]。2002年日本Secom公司研發(fā)的My Spoon[12]，通過機械手臂控制勺子和叉子抓住食物并送到患者嘴里，實現喂食功能。能夠提供個人衛(wèi)生護理功能的護理機器人有： 日本松下公司研制出的能幫助患者洗發(fā)的橡膠手指洗發(fā)機器人[13]； 意大利BioRobotics研究所設計的柔性淋浴臂[14]； 歐盟資助的iToilet項目研發(fā)的一種固定式的多模態(tài)交互智能機器人廁所系統(tǒng)[15]。

此外，醫(yī)院中的一些重病患者在進行離床性的活動時，需要從床上轉移到床下，由此人們開始進行轉運護理機器人的研發(fā)。早期的轉運護理機器人有日本人機交互機器人研究中心研發(fā)的醫(yī)用搬運護理機器人RI—MAN以及它的第二代升級版本——RIBA護士機器人[16]，其主要功能是將患者從床上搬到輪椅上。這種機器人屬于仿人式機器人，其表面有一層柔性有機材料，上肢覆蓋了觸覺傳感器，能提供良好的交互性。還有日本松下公司設計的Resyone機器人[17]，能實現床椅分離，方便患者到醫(yī)院外界活動。

隨著相關技術的進步，護理工作逐漸從醫(yī)院轉移到養(yǎng)老院﹑社區(qū)甚至是家庭，這就給護理機器人的研發(fā)提供了新思路，于是個人綜合護理機器人被設計出來。1999年，意大利的MOVAID項目，推出了一款用于日常生活中的個人護理機器人，該MOVAID系統(tǒng)由一個分布式機器人系統(tǒng)組成，包括一個移動機器人單元和一些固定工作站，以及標準廚房設備的專用接口。MOVAID會用微波爐加熱食物﹑清潔廚房以及拆卸床單等[18]，能極大地提高使用者在家中的獨立性。之后的產品有歐洲的CompanionAble項目創(chuàng)建的Hector護理機器人，Hector能記錄日常生活，控制家庭環(huán)境，進行認知訓練，藥物提醒以及審查日常議程，還具有跌倒檢測能力，可與智能家居和遠程控制中心協同工作； 以及澳大利亞的一款護理機器人Hobbit[19]，能成為老年人家居生活中的優(yōu)質伴侶。

總之，隨著一代又一代研究的深入，如今的護理機器人越來越向著全面綜合護理方向發(fā)展，為廣大患者提供了一個全方位的護理保障。

1.2 國內現狀

我國在護理機器人方面的研究起步較晚，但經過我國學者的不懈努力，也研發(fā)出了一些可比肩國外水平的機器人產品。

我國科學院自動化研究所于2000年成功研制出了我國第一臺多模態(tài)交互式智能輪椅[20]，該輪椅加入了機器視覺﹑語音識別等技術，可進行人機對話，可語音控制行走。在衛(wèi)生護理方面，國內首臺產品是由洛陽圣瑞公司主導設計的個人衛(wèi)生護理機器人床[21]，能實現洗發(fā)﹑清潔的自動化，還能實時測量生理參數。2008年，臺灣交通大學研發(fā)了適用于家庭環(huán)境的護理機器人——ROLA[22]，其顯著的特點是能識別所處的室內環(huán)境，并且能夠避障，能起到時刻陪護的作用。2009年，臺灣大學和交大組成的研發(fā)團隊研制出一款護士機器人——Monika，Monika整合了看護﹑保全及護士等多種功能，可以協助居家看護，也可以提供遠程醫(yī)療服務。2012年,中國科學院合肥研究所研制出了一款老人服務機器人，其不僅有遞送物品等常用功能，也有跌倒檢測和遠程報警等功能。

有資料表明，國內的護理機器人研發(fā)主要都以開發(fā)樣機為主，沒有轉入大規(guī)模的量產，并且護理機器人的研制大部分都造價高昂，難于普及。因而開發(fā)成本低﹑可靠性高的護理機器人將是未來的開發(fā)趨勢，有巨大的潛力。

2 護理機器人的關鍵技術

護理機器人一般由機械結構﹑感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機械結構是機器人的框架基礎，是執(zhí)行機構，保障整個系統(tǒng)的性能及穩(wěn)定； 感知系統(tǒng)是機器人的五官，為機器人提供外部環(huán)境信息； 控制系統(tǒng)則相當于大腦，存儲數據和發(fā)布命令。護理機器人種類繁多，橫跨多個學科領域，可歸納其應用到的關鍵技術有： 人體生理參數無感檢測﹑數據采集和分析﹑語音識別和路徑規(guī)劃。

2.1 生理參數無感檢測

患者的生理參數是反應其身體狀況的重要指標之一，生理參數檢測功能通過如光電傳感器﹑紅外傳感器等采集包括： 心率﹑血壓和血氧飽和度等生理參數，并將所采集的數據和正常數值進行比對，判斷患者的身體狀況并做出預警。

生理參數檢測技術，是一個護理設備的必備功能。目前大多數機構仍然使用傳統(tǒng)的外接設備，直接將電極粘貼在患者皮膚上工作，整個檢測過程繁瑣，并且一定程度上限制了患者活動，長時間使用也會對患者心理上產生影響。因此，研發(fā)無感低負荷的生理參數檢測技術，突破線材制約，無中斷地監(jiān)測患者身體狀況，對護理工作有很大的幫助。

目前已經出現一些解決方案，如用于檢測睡眠質量的床墊式睡眠檢測儀[23]： 通過壓敏電阻傳感器，能在患者毫無察覺的情況下檢測出心率﹑呼吸率等參數； 以及利用成像式光電容積描記法[24]，通過攝像頭就能進行人體參數的檢測。

2.2 數據采集和分析

數據采集是獲取數據的方式之一，通過傳感器等設備對外部資源進行接收和處理，而數據分析是運用統(tǒng)計學方法，通過計算機工具，從數據中獲取價值信息的過程。數據采集和分析，通過軟硬件結合，能高效﹑準確地處理大量數據。

上述說到的生理參數檢測，就是一種數據采集方式，而檢測出的大量數據都是寶貴的研究資料，這就對數據的采集和分析技術提出了較高的要求，數據種類不同，所用到的采集和分析技術也有差異，如何從中提取如生理狀態(tài)﹑病理發(fā)展趨勢等有用信息，并應用到護理設備上，是該技術所要解決的問題，也是目前醫(yī)療大數據領域[25]研究的熱點之一。

2.3 語音識別

目前機器人設備都倡導人機交互，人與機器進行交流的主流手段就是借助語音識別技術，機器人通過采集﹑獲取人的語音輸入，經過數字化處理對其進行特征提取，再與預先訓練好的聲學模型庫進行比對配準，匹配識別后得出結果并輸出。

語音識別技術從最開始只能識別孤立詞，到對多個詞匯﹑連續(xù)語音的識別，語音技術經過長足的發(fā)展，已經能達到相當高的準確率。但考慮到區(qū)域化的語言差異，尤其是國內各個地域語言差異顯著，方言現象嚴重，護理對象又多是老人，因此在語音信號的采集上，聲學庫模板的訓練上還需多做研究[26]。

2.4 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃技術在護理機器人的自主移動﹑自動導航﹑檢測避障等方面都有重要應用。任意兩點之間有多條路徑，對于護理機器人來說，如何選擇最優(yōu)的路徑以達到最高效率，這就需要路徑規(guī)劃技術。

路徑規(guī)劃技術有局部路徑規(guī)劃和全局路徑規(guī)劃[27]，廣泛應用于移動式護理機器人上。路徑規(guī)劃技術能極大地提高機器人的移動效率，尤其在是醫(yī)院﹑養(yǎng)老院等大型護理場景，機器人要具有快速處理突發(fā)障礙物的能力。甚至，在多機器人場景中如何處理路線沖突的情況，如何合理分配路徑資源以保證路徑的安全，需要規(guī)劃策略和優(yōu)化算法等共同發(fā)揮作用。

3 總結與展望

綜合國內外護理機器人的發(fā)展狀況來看，護理機器人技術在不斷的發(fā)展與精進，越來越貼合日常生活的使用。我國的護理機器人方面，在國家相關政策的支持下，也取得了巨大的進步。但同時要注意的是，我國的一些前沿技術仍就處在一個試驗階段，從試驗轉化成實用的產品，還有很長的路要走，護理機器人的發(fā)展有以下四個方向。

(1)人工智能 護理機器人不僅僅只是充當搬運的工具，它還應融入人工智能技術，朝著智能化的方向發(fā)展，能靈活地接受用戶指令，能有效地融入用戶的生活。

(2)遠程監(jiān)控 遠程技術是未來醫(yī)療領域極其重要的實施手段之一，對于護理也是一樣。如今的護理更偏向社區(qū)化﹑家庭化，如果能通過遠程技術，實時近距離進行護理，將提高醫(yī)院乃至護理機構的護理效率。

(3)模塊自由組合 目前的護理機器人，功能繁多，成本高昂。但從實際使用情況來看，大部分人只需要其中的一部分功能，卻要承受其它功能部件帶來的高額費用。因此，護理機器人模塊化設計，能很大程度上降低使用成本，也避免閑置浪費。

(4)人性化設計 如今的設計理念都遵循以人為中心，未來的護理更是倡導關注患者的個人需求﹑隱私和尊嚴等因素，因此護理機器人這一類與人密接觸的機器，更需要結合人因工程學，進行合理的﹑人性化的設計。

綜上，護理機器人有巨大的發(fā)展?jié)摿?，隨著護理機器人技術的進步，廣大學者的深入研究，必定會開發(fā)出令患者受用的產品，使護理機器人成為患者生活中的得力幫手。