一種智能飲食護理機器人研究

許朋 喻洪流 石萍

摘 ?要： 針對目前飲食護理機器人操作復雜、價格昂貴的缺點，設計了一款新型的智能飲食護理機器人，并且通過對其運動特性的分析，驗證設計的合理性。首先，根據(jù)模塊化設計原理，進行總體結構設計;然后，利用SOLIDWORKS進行三維建模，并運用SOLIDWORKS Motion對機器人運動餐碗旋轉(zhuǎn)運動、升降部件升降運動、懸臂部件伸縮旋轉(zhuǎn)聯(lián)動運動進行運動仿真，仿真的結果發(fā)現(xiàn)運動餐勺在飲食護理過程中會有抖動現(xiàn)象;之后，本文試制了試驗樣機，并對樣機進行了硬件去抖和軟件去抖對比實驗，實驗結果證實了機器人在飲食護理過程中采用硬件去抖和軟件去抖結合的方法，運動更加平穩(wěn)。該智能飲食護理機器人設計合理、操作簡單，能夠幫助上肢功能障礙者進行飲食。

關鍵詞： 飲食護理;機器人;結構設計;運動仿真

中圖分類號： TP242.6 ???文獻標識碼： A ???DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.015

本文著錄格式：許朋，喻洪流，石萍. 一種智能飲食護理機器人研究[J]. 軟件，2020，41（09）：5659

【Abstract】： Considering the smart feeding assistive robots disadvantages as complicated and expensive operation， a new type of rotary feeding assistive robot was designed， then， its kinematic characteristics were analyzed and various degrees of freedom torque were calculated to verify the rationality of the design. Firstly， the overall structure of the robot was designed under the modular design principle. Then， the robot's 3D model was established by SOLIDWORKS， and the kinematics simulations of the motion of the rotary motion of the moving plate， the lifting motion of the lifting part， and the telescopic—rotating motion of the cantilever part were done with SOLIDWORKS Motion respectively. The results of the simulation show that the dithering of the moving spoons in the process of dietary nursing. After that， the experimental prototype was trial-produced in this paper， and a comparison experiment was carried out on the hardware de-shake and software de-shake. The experimental results confirmed that the robot adopted the combination of hardware de-shake and software de-shake in the diet care process， and the movement was more stable. The rotary feeding assistive robot is designed reasonably and operated easily， and can help people with upper limb dysfunction to eat.

【Key words】： Feeding assistive; Robot; Physical design; Motion simulation

0 ?引言

根據(jù)國家統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)[1]，截至2018年底，60周歲及以上人口24949萬人，占總?cè)丝诘?7.9%，其中65周歲及以上人口16658萬人，占總?cè)丝诘?1.9%。預計到2050年前后，老年人口占比將達34.9%，全國老齡化比例呈直線上升趨勢[2]。此外，由脊髓損傷、腦損傷、腦中風以及引發(fā)的后遺癥、神經(jīng)損傷和肌肉萎縮病變引起的功能障礙數(shù)量逐年增加。隨著社會的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)事故，交通事故，自然災害等引起的肢體殘疾患者人數(shù)也逐年增加。隨之帶來的問題就是失能老年人和殘疾人的有效護理和護理所需人力資源的緊缺之間的矛盾日益加劇[3]。飲食護理又是最重要的日?；顒?，對于上肢活動受限的老年人和上肢有功能障礙的人，通常是由病人家屬照顧或?qū)I(yè)護士的幫助完成飲食護理[4]。但這種方式不僅效率低，需要消耗大量的人力，費用高昂，對于一般經(jīng)濟狀況的家庭來說很難負擔得起，并且如果護理人員和病人之間的溝通不良還會引起沖突[5]。因此，飲食護理機器人的研究和應用，對我國康復醫(yī)療水平的提高及多學科交叉研究的進步都具有重要意義。

目前國內(nèi)外飲食護理機器人結構形式設計方案按照餐碗的位置是否固定，飲食護理機器人可以分為兩種類型[6]：固定餐碗型和運動餐碗型。固定餐碗型飲食護理機器人大多采用固定的餐桌、餐碗或餐盤加自由度較多（5DOF或6DOF）的助餐機械手的形式構成，其中比較典型的有以下幾種。英國Mike Topping公司研制的Handy l[7]使用了一個5自由度的機械臂和三個可拆卸的托盤來滿足使用者的不同使用需求。激光掃描系統(tǒng)選取食物，利用機械臂盛取食物并送至患者嘴邊，但激光掃描選取食物時間長。美國Sammons Preston公司生產(chǎn)的Winsford Self-Feeder[8]采用兩個機械臂共同輔助進餐，其中一個機械臂裝有勺子，另一個機械臂的作用是將盤子里的食物推到勺子上。就餐時患者通過觸碰下頜開關，機械臂運作輔助患者進餐。但兩個機械臂控制難度大，機械臂盛取食物時穩(wěn)定性差，存在抖動，易出現(xiàn)食物灑落的情況。日本Secom公司研發(fā)的My Spoon[9-10]由一個固定于盤底的6自由度機械臂和一個固定餐碗構成。用戶可通過頜動，腳動和手動三種方式操控。My Spoon通過一個勺子和一個叉子共同配合來抓取食物。但由于售價很高，難以走進普通家庭。綜上所述固定餐碗型的飲食護理機器人結構相對簡單，取食方便，但由于機械臂自由度較多，設計難度大難以控制，并且價格很高，普通家庭難以負擔。在此情況下，產(chǎn)生了如今應用較為廣泛的運動餐碗型飲食護理機器人。

運動餐碗型通常為旋轉(zhuǎn)（移動）的餐桌、餐碗或餐盤加自由度較少（2DOF或3DOF）的飲食護理機械手的形式構成。運動餐碗型的機器人通過餐桌或餐碗的旋轉(zhuǎn)大大減少了機械臂的自由度，從而彌補了機械臂的設計不足。其中比較典型的有以下幾種。美國Mealtime Partner公司研制的dining system[11-12]餐勺的運動軌跡固定，餐勺有旋轉(zhuǎn)和伸縮兩個自由度。三個餐碗分別裝不同的食物，通過餐碗的轉(zhuǎn)動用戶可以選擇不同的食物。但dining system整體體積和重量較大，不方便用戶使用。海軍工程大學所研制的可控式用餐機[13-14]，它采用一個驅(qū)動電機，利用連桿機構的原理來驅(qū)動整個機械臂。機械臂只有一個自由度，無空間旋轉(zhuǎn)自由度，利用餐盤和餐桌的同時旋轉(zhuǎn)來彌補手臂結構設計的缺陷。餐勺在餐盤中的取餐位置固定，通過腳踏按鈕來操作。但該機器人自由度少，智能化程度較低，只能完成在特定環(huán)境下的簡單助餐，還需進一步完善才能使用。哈爾濱工程大學研制的MY TABLE[15-16]。由一個旋轉(zhuǎn)餐桌、一個2自由度的機械臂組成，機械臂可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和上升功能，利用餐桌的旋轉(zhuǎn)來彌補機械臂自由度不足的缺陷。它有3種人機交互操作模式可供選擇，分別為頭戴鼠標、腳踏開關以及語音識別。進餐時，患者只需坐在餐桌前，選擇一種操控方式就可以幫助患者進餐了。由于該機器人還處于功能樣機階段，體積比較大，且不易拆卸，故還需要改進以實現(xiàn)產(chǎn)品化。

綜合比較國內(nèi)外現(xiàn)有的各類型飲食護理機器人，本文結合固定餐碗型和運動餐碗型各自的優(yōu)點，采用模塊化設計原理，設計了一款智能飲食護理機器人。通過智能的運動餐碗簡化機械臂復雜的運動，設定固定的勺子運動軌跡提高飲食護理效率，同時簡化復雜的機械結構降低成本，減小體積和重量，提高運動的平穩(wěn)性，使飲食護理機器人更能夠被普通家庭接受。

1 ?飲食護理機器人機械結構設計

1.1 ?機械結構總體設計

本文所設計的智能飲食護理機器人包括轉(zhuǎn)盤升降部件、伸縮旋轉(zhuǎn)部件、運動餐勺和4個可拆卸的餐碗構成，如下圖1所示。該飲食護理機器人屬于運動餐碗型的飲食護理機器人，運動餐碗上有4個碗，每個碗里裝著不同食物，餐碗轉(zhuǎn)動時用餐者可以選擇喜歡的食物，升降裝置將懸臂升高到合適的高度，然后懸臂將勺子先逆時針旋轉(zhuǎn)90°，然后再順時針旋轉(zhuǎn)90°，將勺子推送到旋轉(zhuǎn)餐碗內(nèi)，勺子盛取食物，懸臂推動勺子向前運動，將食物送到用餐者嘴邊，待用餐者吃完勺子里食物后，懸臂將勺子向后伸縮，回到初始位置，完成一個飲食護理周期運動。

1.2 ?轉(zhuǎn)盤升降部件設計

運動餐盒通過旋轉(zhuǎn)，用餐者可以根據(jù)自己喜歡的食物進行選擇。運動餐盒包括4只餐碗、運動餐盒上可以懸掛餐盒的支撐架以及底盤。旋轉(zhuǎn)的餐盤可以360°旋轉(zhuǎn)，運動餐盒的碗采用不規(guī)則的形狀，每個碗旋轉(zhuǎn)角度是90°。碗的一側(cè)設置刮菜擋板，當取菜結束后，轉(zhuǎn)盤部件自動來回轉(zhuǎn)動10°，刮掉多余的飯菜，避免一次取菜過多的情況。運動餐盒每轉(zhuǎn)一周停4次，從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)動90°，停一次，以此反復做周期運動，直至用餐者飲食護理結束。

底座主要作用是固定餐盒支架，保證機器人重心的穩(wěn)定。通過固定餐盒支架更加穩(wěn)固餐盒的懸掛，可以在旋轉(zhuǎn)餐盒時，餐盤自由被選擇，同時不會出現(xiàn)搖晃等情況的發(fā)生。

1.3 ?伸縮旋轉(zhuǎn)部件設計

伸縮旋轉(zhuǎn)部件包含2個電機。上面的電機轉(zhuǎn)動，使與電機連接的絲桿進行轉(zhuǎn)動，絲桿上面的螺紋帶動螺母向前運動，從而使勺子向前運動。在完成飲食護理動作時，勺子向后移動，回到初始位置。懸臂部件中下方的電機主要用來控制勺子旋轉(zhuǎn)，被上面電機帶動連桿向前運動的同時，控制勺子先逆時針旋轉(zhuǎn)90°，待到勺子在自己需要選取的餐盤上方停下來，然后電機控制，帶動勺子向順時針方向90°，選取自己所要的食物，勺子在盛滿自己想要的食物后，升降裝置帶動勺子向上運動，與懸臂相互配合，懸臂的電機使勺子向前運動，勺子到達患者嘴邊，完成整個飲食護理動作。

1.4 ?運動餐勺設計

運動餐勺采用帶有弧度的勺子，不僅可以節(jié)省一定的空間，在盛取食物時也更加穩(wěn)定，使勺子與餐盤間保持一定的安全距離。帶有弧度的勺子與直柄的勺子相比更安全。彎曲的勺子具有彈性，更耐用。整個結構采用連桿機構，組成四連桿，帶動前面的勺子轉(zhuǎn)動。當伸縮桿收回時，彈簧被壓縮，使得勺子回到初始位置。當伸縮桿伸出時，彈簧將勺子彈出，勺子轉(zhuǎn)到45°的位置，如下圖2所示。

2 ?控制系統(tǒng)總體設計

本文所設計的智能飲食護理機器人的電氣控制系統(tǒng)主要負責控制機器人機械結構中的四個驅(qū)動電機：轉(zhuǎn)盤升降部件電機（2個），伸縮旋轉(zhuǎn)部件電機（2個）。因此本文控制系統(tǒng)的研究重點在于協(xié)調(diào)控制四個步進電機，使整個控制系統(tǒng)完成預定的飲食護理動作。動力控制系統(tǒng)由：主控制器，各個部件的子控制器和步進電機組成。它接收控制系統(tǒng)的控制命令并精確地控制四個自由度運動所對應的步進電機，按照預定好的最優(yōu)的軌跡完成飲食護理動作。電氣控制系統(tǒng)的總體設計方案，如圖3所示。

3 ?運動學仿真分析

下圖4為機器人取食和喂食過程，為了驗證智能飲食護理機器人各個自由度的電機驅(qū)動運動效果，在SOLIDWORKS的運動仿真模塊Motion中對建立的3D機構模型進行分析，Motion的運動分析解算器采用機械系統(tǒng)動力學自分析軟件ADAMS的解算器。下圖5為運動仿真結果。

4 ?系統(tǒng)實驗

增量式光電編碼器作為整個系統(tǒng)各關節(jié)的角速度和角度反饋，其測量的數(shù)據(jù)準確性直接關系到飲食護理機器人的正常運行。在本文的控制系統(tǒng)中設計了編碼器去抖電路和軟件去抖程序，通過硬件和軟件的同時去抖盡量消除編碼器的數(shù)據(jù)采集誤差。以此來保證飲食護理機器人的正常運行。在本節(jié)中將設計實驗來驗證從編碼器采集到的數(shù)據(jù)在經(jīng)過硬件和軟件去抖之后與未經(jīng)過去抖采集的數(shù)據(jù)進行對比分析，來驗證本文中設計的硬件去抖電路和軟件去抖的有效性。

本文采用的編碼器是500線的三相（A相、B相、Z相）增量式光電編碼器，當CPU捕獲到一個Z相脈沖時，則編碼器旋轉(zhuǎn)一圈。以捕獲到一個Z相脈沖為標準來判斷編碼器轉(zhuǎn)過360°。通過定時器Timer4的計數(shù)器TIM4->CNT來捕獲A相、B相的脈沖數(shù)，以此來計算得到測量到的編碼器轉(zhuǎn)過的角度，用測量到的編碼器轉(zhuǎn)過的角度與標準角度進行對比判斷去抖效果。分別在無干擾直接測量和安裝在關節(jié)處測量兩種情況下進行實驗，實驗時控制單一條件變量：條件一（無去抖）、條件二（僅硬件電路去抖）、條件三（僅軟件程序去抖）、條件四（同時硬件電路和軟件程序去抖）。

圖6是無干擾狀況和安裝在關節(jié)處測量而計算得到誤差率折線圖，從圖中很明顯的可以看出隨著編碼器測量的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)增加，誤差率越來越小且趨于穩(wěn)定，這是因為測量的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)基數(shù)越小時，所產(chǎn)生的隨機誤差越大，所以當測量的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)一直增加時，誤差率會趨于穩(wěn)定。在編碼器測量的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)相同時，總

是存在：條件一（無去抖）誤差率>條件二（僅硬件電路去抖）和條件三（僅軟件程序去抖）>條件四（同時硬件電路和軟件程序去抖）誤差率。這說明不管是條件二（僅硬件電路去抖）或者條件三（僅軟件程序去抖）條件下，都能夠明顯的降低測量的誤差率，具有顯著的去抖效果，特別是在條件四（同時硬件電路和軟件程序去抖）條件下，編碼器測量的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)相同時的誤差率最小，去抖效果最好。

5 ?結論

本文設計了一款智能飲食護理機器人。相對于國內(nèi)外已有的關于飲食護理機器人的研究，主要創(chuàng)新點在于：采用步進電機+絲杠作為驅(qū)動組件，極大地提高了助餐過程的穩(wěn)定性，餐盒上設置有食物刮片，可有效避免食物灑落和浪費;采用具有彈性、帶有弧度的餐勺，盛取食物時更加穩(wěn)定;且喂食時餐勺傾斜角為45°，符合人因工程學設計，更方便患者進食;采用智能結構，包含4個可單獨拆卸的餐盤，方便使用者選擇自己喜歡的食物;整體結構簡單，體積小，重量輕，便于操作。

本文最后試制了實驗樣機，完成了機械結構與運動軌跡驗證，實驗樣機可實現(xiàn)對用戶的飲食護理，基本滿足設計要求，實際運動軌跡與設計的兩條運動軌跡基本運動趨勢相同，證明設計的進食、抬臂收展動作軌跡是合理的。

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