智能尿便處理器的設(shè)計與研究

周祖茗，張 華，劉 興，彭向東

ZHOU Zu-ming，ZHANG Hua，LIU Xing，PENG Xiang-dong

（南昌大學(xué) 機(jī)器人研究所，南昌 330031）

0 引言

如何輕松的幫助臥床病人解決大小便問題是護(hù)理人員面臨的難題。采用尿便處理器來解決大小便問題，不但減輕了護(hù)理人員的勞動強(qiáng)度，還消除了護(hù)理人員帶給病人的“隱私顧慮”[1]。目前，市場上有一些國內(nèi)或進(jìn)口的相關(guān)產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品價格昂貴且很少能夠靈活應(yīng)用到護(hù)理床或普通床上。

研發(fā)的尿便處理器能夠很好的彌補(bǔ)以上不足，其具有價格低、智能化、便利化和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。

1 尿便處理器的主要功能

尿便處理器的主要功能是幫助長期臥床、下肢行動不便的老人或患者輕松解決大小便問題，具體包括大小便沖洗、人體私部清洗、暖風(fēng)烘干、雙向側(cè)翻身等護(hù)理[2,3]（如圖1所示）。其中，便槽防溢是在沖洗便槽的過程中，通過傳感模塊實時監(jiān)測便槽水位從而防止便槽中的污水溢出；雙向側(cè)翻身是指患者可以向右或向左側(cè)翻身；水溫可實現(xiàn)三檔調(diào)節(jié)，風(fēng)溫可實現(xiàn)兩檔調(diào)節(jié)，同時，設(shè)有手動操作和自動檢測兩種模式。

圖1 尿便處理器的功能框圖

2 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

尿便處理器要求使用方便、衛(wèi)生、舒適，它安放在護(hù)理床或普通床上，周圍墊以海綿，以供病人躺在上面。使用時，將尿便處理器放在病人兩腿之間，用裹布系好。如果處理器過高會導(dǎo)致海綿厚度增加，這就要求其結(jié)構(gòu)緊湊，高度適中，且有足夠的強(qiáng)度。

在調(diào)研的基礎(chǔ)上，考慮了以下三種設(shè)計總體方案：

方案一：在便槽主體的側(cè)邊設(shè)計一個污水孔（如圖2a），讓污水從側(cè)邊排出去。

方案二：在便槽主體的底部設(shè)計一個污水孔（如圖2b），通過一個轉(zhuǎn)彎接頭，讓污水先經(jīng)過一個垂直水管改變流向，再排出去。

方案三：沿著便槽主體的流向（如圖2c），讓污水順著前方流出。

圖2 總體結(jié)構(gòu)方案

仔細(xì)分析上述三個方案，方案一：污水從便槽主體側(cè)邊排出，臟物只需被沖一小段距離就可沖到安全位域，所需沖洗清水量少。但在實驗中發(fā)現(xiàn)，污物從便槽主體沖向主體側(cè)邊的污水孔時，如果沖水壓力較大，會有污水濺到臀部，反之又無法將臟物沖洗干凈，沖水壓力難以控制。方案二：污水先經(jīng)過垂直水管（便槽主體與轉(zhuǎn)彎接頭的銜接處）再排出去，臟物也只要被沖一小段距離即可，所需沖洗清水量少。但由于轉(zhuǎn)彎接頭和銜接處的存在，處理單元的高度增加了近65mm，將導(dǎo)致海綿墊的厚度增加，違背了結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計原則。方案三：通過在便槽主體流出方向上安裝類圓錐的過渡管，污水便可順著一個方向排出，由于過渡管是類圓錐型，可使急速水流改變方向，朝著斜向下的方向流出，這樣水就不會濺到人體臀部，在較大程度上符合了設(shè)計要求，故選用本方案。

方案三的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括便槽主體、沖洗噴嘴、清洗噴嘴、遮擋蓋、外殼、單向閥、側(cè)翻身機(jī)構(gòu)、各種傳感器等，結(jié)構(gòu)緊湊、輕便。傳感器的主要作用是檢測尿便處理器的各種狀態(tài)，將檢測到的信息傳遞給主控制器。

圖3 尿便處理器整體結(jié)構(gòu)示意圖

3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 便槽主體的設(shè)計

便槽主體是尿便處理器的核心部件，其作用是接收大小便。由于便槽主體的表面與大小便直接接觸，并且便槽主體截面和形狀決定沖水的軌跡，故便槽主體的設(shè)計直接關(guān)系大小便沖洗的容易程度。

便槽主體（如圖4a）的截面設(shè)計成U型，便于殘留在便槽內(nèi)壁上的水滴在自身重力的作用下流到U型槽的底部（如圖4b）；便槽底部與水平有3°的傾角，利于大小便被沖走，且底部不易殘留水滴；頭部2處尺寸較大，便于大小便的接收；便槽主體垂直部分1處安裝清洗噴嘴，頭部2處安裝沖洗噴嘴，用于便后對患者和便池進(jìn)行清洗；便槽主體的下游安裝類圓錐的過渡管3，水碰到過渡管后，使水流方向變?yōu)樾毕蛳路较颍@樣就可以防止污水濺到人體臀部，分析過程如圖4c。

圖4 便槽主體

3.2 噴嘴設(shè)計

尿便處理器有兩個噴嘴：沖洗噴嘴（如圖5所示）和清洗噴嘴，分別安裝在處理主體的2處和1處（如圖4a）。

沖洗噴嘴的作用是利用具有一定壓力的清水將大小便從便槽中沖走，使便槽潔凈。沖洗噴嘴的內(nèi)表面為光滑的球面（與便槽主體內(nèi)表面相匹配），設(shè)有兩排出水孔：水平排布出水孔和弧形排布出水孔。根據(jù)大小便的特點，水平排布出水孔負(fù)責(zé)沖洗小便，供水管采用直徑較小硅膠管，弧形排布出水孔負(fù)責(zé)沖洗大便，供水管采用直徑較大硅膠管。為了增強(qiáng)大便沖洗效果，將弧形排布出水孔設(shè)計成△形孔（有大約3°傾角）和矩形孔間隔分布的出水孔。大便沖洗時，△形出水孔射出△形狀的水柱，其三個棱角可將大便擊碎；矩形出水孔的主要作用是提供推力，沖走被擊碎的大便，這樣大大增強(qiáng)了大便沖洗的效果。

清洗噴嘴的主要作用是清洗人體臀部、隱私部位和烘干人體臀部。沖洗噴嘴和清洗噴嘴的內(nèi)腔通過超聲波焊接而成。

圖5 沖洗噴嘴

流速與流量的表達(dá)式：

根據(jù)流體力學(xué)中的歐拉動量定律[3]：

由于控制體積A沒有變化，第二項則為零，同時引入動量修正系數(shù)b，則

其中，F(xiàn)：沖擊力，q：水流量，ρ：水的密度，v：平均流速，u：液流中某一微小流速通流截面dA上的流速，β：動量修正系數(shù)（取β=1）。

水泵的流量為5L/min，輸出壓力為0.42Mpa，沖洗噴嘴出水口總面積S=8.553mm2,則水的實際出口流速為v=q/S=9.74m/s,單孔所產(chǎn)生的沖擊力為F=ρq（β1v1-β2v2）=0.812N。該沖擊力達(dá)到了要求。

3.3 側(cè)翻身機(jī)構(gòu)設(shè)計

側(cè)翻身機(jī)構(gòu)[4]（如圖6所示）的功能是調(diào)整臥床患者的體位，以免造成血液循環(huán)不暢通、易患痔瘡等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)。處理單元安放在側(cè)翻身機(jī)構(gòu)上后，總體高度較高，這樣導(dǎo)致床墊厚度較高，為了解決這一問題，利用同心圓的特點，將側(cè)翻身機(jī)構(gòu)安放處理單元的部分設(shè)計成半徑較小的同心圓的圓弧，這樣整體高度就可以降低，使床墊保持適中厚度，同時側(cè)翻身機(jī)構(gòu)的上底座在下底座上滑動時，不會出現(xiàn)“根切”現(xiàn)象，可以順利側(cè)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)GB10000-88中國成年人人體尺寸，年齡在18-60歲中有99%的人體重在85kg之內(nèi)，而老年人體重會下降；當(dāng)患者處于仰靠狀態(tài)時，大部分體重落在機(jī)構(gòu)的后部，故以體重85kg、患者仰靠狀態(tài)運(yùn)用Pro/Mechanica對側(cè)翻身機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖6，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在加強(qiáng)筋周圍，為5.559MPa，小于ABS的安全屈服強(qiáng)度34.05MPa，故是安全的。側(cè)翻身機(jī)構(gòu)申請了發(fā)明專利和外觀專利。

圖6 側(cè)翻身機(jī)構(gòu)及應(yīng)力分析圖

3.4 管路設(shè)計

供水管路的作用是為噴嘴提供足夠且具有一定壓力的清水，其由水泵、電磁閥、加熱器和水管（5×8和6×10兩種規(guī)格硅膠管）組成。電磁閥選用小功率一進(jìn)三出型，參數(shù)為24V、260mA；水泵選用DP-60微型隔膜泵，參數(shù)為：12VDC、 40w、5L/min、0.42Mpa。分別用搗爛的小面包、土豆泥和調(diào)勻的芝麻糊作為大便模擬物在樣機(jī)上進(jìn)行供水管路的性能測試，結(jié)果如表1，測試結(jié)果表明供水管路性能良好，水泵能提供足夠的壓力。若增大PWM波占空比，沖洗性能會相應(yīng)的增強(qiáng)。

供氣管路由氣泵、電磁閥、加熱絲、水管組成，電磁閥為一進(jìn)二出型，參數(shù)為24V，260mA；加熱絲參數(shù)為24V，72W；選用低噪音雙缸微型真空泵，其參數(shù)為：電壓為220VAC，額定功率為100W，流速為40升/分鐘，經(jīng)測試，滿足要求。

表1 供水管路實驗結(jié)果

4 尿便處理器控制系統(tǒng)

尿便處理器控制系統(tǒng)以ATmega128為主控制器，該控制器具有7路硬件pwm輸出口，為水泵、風(fēng)加熱絲等的控制帶來了方便。大小便沖洗、人體私部清洗、暖風(fēng)烘干功能主要通過有序控制水泵、氣泵、電磁閥、風(fēng)加熱絲等的通斷來實現(xiàn)；傳感模塊的作用是實時監(jiān)測尿便處理器的運(yùn)行狀況，并把檢測的信號傳給主控制器分析；人機(jī)交互模塊主要包括鍵盤、液晶LCD12864、語音系統(tǒng)等，使尿便處理器變得更加人性化；電源模塊主要包括開關(guān)電源（24V，10A）、LM2596模塊、LM7805模塊、LM1117-3.3模塊，其系統(tǒng)框圖[2]如圖7所示。

圖7 尿便處理器控制系統(tǒng)

5 結(jié)束語

對樣機(jī)進(jìn)行近100次實驗，在實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多次改進(jìn)，尿便處理器實現(xiàn)了大小便沖洗、人體私部清洗、冷暖風(fēng)烘干等功能，且性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，達(dá)到了老人或患者的照料要求，為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

[1]鄧志東，程振波.我國助老助殘機(jī)器人產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2009,（2）：20-24.

[2]顧東袁，楊東勇，徐楊法，等.智能坐便器嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，44（31）：98-101.

[3]白建軍，張華，劉繼忠.輪椅床智能座便器設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與研究，2010，26（1）：121-124.

[4]張華，周祖茗，彭向東，等.雙向側(cè)翻身機(jī)構(gòu)：中國，201110206237.1[P].2011-12-21.