题目：基于人机工效学的医疗机器人设计关键技术研究

医疗机器人研究正面临着临床应用的效率、安全性和可用性（Usability）等技术的和非技术的乃至社会因素的挑战，从而导致其研究投入与应用推广现状间存在巨大反差。研究表明，人机工效学（Huamn Factors /Ergonomics）作为系统科学的分支，从人-机-环境系统角度解决社会技术系统中各要素的最优配置问题，能够为日益增长的基于技术依赖的手术过程和系统的最大化效率与安全提供合理的理论基础，是消除目前限制其面向临床瓶颈的有效方法和途径。本文针对医疗机器人研究的人机功能分配、构型设计、人机协同交互与控制系统设计、软件介面设计和可用性评估等相关关键技术，构建基于人机工效学的医疗机器人设计与评估体系，并用实例进行建模、分析、设计与检验，从而为医疗机器人面向临床的研发提供理论依据和解决方案。合理的人机功能分配可以最优化人机系统的效率、安全和可用性等目标。本文针对现有分析方法在绩效目标评定上的模糊而导致人机功能分配结果一致性较差问题，提出了基于人的认知行为SRK（Skill-Rule-Knowledge）模型的人机功能分配方法，即在Fitts列表方法及其改进方法基础上，从人的认知信息处理角度，运用层次任务分析（Hierarchical Task Analysis，HTA）技术，将系统各子功能任务按SRK模型分为技能级、规则级和知识级三个级别，从而能够将人和机器各自的优势进行较为精确的对比；然后根据“人的技能级和规则级操作由机器人替代，知识级操作可以在机器人的辅助下，让作业者只关注知识决策本身”的功能分配原则，进行人与医疗机器人的任务功能分配。从而解决了人机功能分配关键设计问题。医疗机器人的构型设计关键技术涉及到人体人机工效学（Physical Ergonomics）及组织人机工效学（Organization Ergonomics）的研究范围。本文从临床角度出发，依据人体解剖学和测量学原理提出了医疗机器人工作空间需求；应用流程分析和仿真方法分析医疗机器人进入临床应用所带来人-机-环境的布局与干涉问题，以此提出了面向手术室环境兼容的医疗导航手术辅助机器人构型设计方法。医疗机器人作为医生能力延伸的工具，其人机合作方式是人机系统设计的核心内容，是人机交互信任（Trust in Human-Robot Interaction）的关键技术。本文针对人-医疗机器人的合作交互关键技术问题，基于人的知觉-运动（Perception-Motor）信息处理模型，利用刺激-响应兼容性（Stimulus-Response Compatibility）原理和手眼协调标准（Hand-Eye Coordination），设计并实现了人-医疗机器人的主被动操作人机协同交互模式。在此基础上，对整个机器人的控制系统进行了设计与实现。针对软件介面设计关键技术，本文运用人为失误（Human Error）分析技术中的TAFEI（Task Analysis for Error Identification）方法进行了分析与设计，即采用HTA方法，对医疗机器人工作场景进行分析，建立人机介面工作状态转换和TAFEI图，进而建立系统工作状态的转移矩阵，并发掘引起人为失误的可能因素，从流程控制的角度，提出预防人为失误的策略与方法。此外，本文从功能、性能、可用性和临床应用等4个方面探讨了医疗机器人设计的有效性问题。可用性评估作为验证系统设计有效性的一个关键技术和方法，本文采用绩效比较和学习曲线建模与分析等两种方法进行评估。最后，针对骨科手术，本文在基于上述医疗机器人设计的各种关键技术的人机工效学解决方法下，设计并实现了一种导航引导下的骨科手术辅助机器人HybriDot，并通过仿真与实验、验证与评估，包括基于导航引导的手术流程实验、机器人工作空间与布局干涉检查实验、被动可操作性实验、精度测试、负载性能试验、温升测试、基本安全与电磁兼容性试验、学习曲线实验和基本绩效比较实验等，证明了基于人机工效学方法进行机器人设计的有效性问题。结果表明，该机器人设计满足本研究的基本目标。总之，医疗机器人研发与推广涉及到人机工效学研究的各个方面，将多学科交叉的人机工效学方法和手段应用到医疗机器人整个研发的分析、设计、实现与评估过程，是消除目前限制医疗机器人面向临床瓶颈的有效方法，可以提高效率、易用性、用户可接受性、一致性和满意度，以及降低开发时间、培训和技术支持费用，所以需要进行更为深入的研究和推广。