基于Arduino控制的指甲修剪器的設(shè)計與實現(xiàn)

徐一棟，袁泉

（寧波工程學院 機械工程學院,浙江 寧波315211）

0 引言

我國目前正處于人口老齡化加速時期，至2015年底，中國60歲及以上老年人口達2.22億，占總?cè)丝诘?6.1%。預(yù)計到2020年，中國老年人口將達到2.48億，老齡化水平將達到17.17%[1]。養(yǎng)老問題變得日益凸顯，因此提升老年人的生活品質(zhì)，使他們的生活充滿獲得感和幸福感是十分有必要的[2]。指甲刀為人們帶來了很大的方便，而現(xiàn)有的指甲刀通常是將剪切刃設(shè)置在壓板上，并用手進行修剪指甲，而對腳指甲進行修剪時，通常需要彎腰才能完成修剪動作，對于大多數(shù)人而言，剪腳指甲是個十分簡單的事情，然而很多老年人卻為這件“小事”而發(fā)愁[3]。人到老年，多出現(xiàn)視力障礙[4]的白內(nèi)障、視網(wǎng)膜病變、黃斑變性、角膜混濁、玻璃體混濁、青光眼等眼部疾病[5]，老年人對判斷高差和有少量光影變化的能力減弱，而且他們的新陳代謝較慢，就會導(dǎo)致指甲甲板堅硬、偏厚且表面凹凸不平，特別是腳指甲，很容易在剪的過程中剪傷。同時，老年人的腿部肌肉隨年齡的增長,骨骼肌纖維體積和數(shù)量減少、肌力下降、功能減退、靈活程度下降[6]，肌肉的強度以及控制能力也都不斷減退，老年人彎腰困難，腿部肌肉很難協(xié)調(diào)；[7]如果長時間彎腰蜷縮著剪腳指甲，會有蜷縮壓抑的感覺，很容易出現(xiàn)身體失衡、頭暈等狀況。為防止意外的發(fā)生，當腳指甲需要進行修剪時，就常常需要別人的幫助才能完成。鑒于此問題，研究設(shè)計了一款腳指甲修剪器，該指甲修剪器主要用于老年人修剪腳指甲，特別適合那些子女不在身邊的獨居老人修剪腳指甲；該指甲修剪器電控與手動結(jié)合，減輕了老人獨自修剪腳指甲存在的彎腰困難、視線不清等問題，可以成為他們生活中必不可少的工具，給生活帶來極大方便。

1 新型指甲修剪器的設(shè)計背景

1.1 現(xiàn)有指甲修剪器的功能分析

市面上現(xiàn)有的指甲修剪器主要分為兩種，手動與電動。手動指甲修剪器即我們生活中常用的指甲鉗,由上、下二壓柄構(gòu)成，前端穿設(shè)有一嵌銷，其中該上壓柄之前端凹設(shè)有一呈U形的凹槽。該U形凹槽的中央形成有一橫條，后端則設(shè)置有一凸體；該下壓柄由固設(shè)在一起的上、下二壓板構(gòu)成；該上、下二壓板的前端則設(shè)置有一相對的穿孔，其兩側(cè)分別形成有一相對的切斷部。當按壓上、下二壓柄時，上壓柄上的凸緣便頂壓上壓板，使上、下壓板兩側(cè)的切斷部相互切合。普通指甲鉗在修剪手指甲時比較靈活方便，但在修剪腳指甲時由于指甲鉗短小需要大幅度的身體彎曲，增添了肌肉的負荷，尤其是老年人在使用時由于身體機能的退化控制不好力度，容易誤傷自己。電動指甲修剪器主要通過磨指甲的動作完成修剪，電機帶動磨頭旋轉(zhuǎn)，與指甲主動接觸，此種方式適合嬰兒修剪指甲，因其指甲軟而薄。電動指甲鉗使用較安全，但整體效率不高只能作為輔助工具使用。

1.2 新型指甲修剪器的設(shè)計要求

為了兼顧老人視力模糊、彎腰困難的問題，本文所設(shè)計的指甲修剪器應(yīng)滿足以下要求：

①采用主動驅(qū)力方式；

②裝置應(yīng)有放大機構(gòu)；

③由于裝置功能為修剪指甲，精度需要控制到位；

④為適應(yīng)不同的腳型，要求裝置可在一定范圍內(nèi)調(diào)整；

⑤為減少老年人彎腰壓力，應(yīng)盡量采取舒適坐姿修剪。

2 新型指甲修剪器的設(shè)計

2.1 設(shè)計流程

該產(chǎn)品設(shè)計時主要從產(chǎn)品的原理、結(jié)構(gòu)、功能等角度進行綜合考量，這也是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵步驟。其設(shè)計流程如圖1所示：

圖1 設(shè)計流程圖

2.2 新型指甲修剪器的組成及工作原理

本裝置主要由收緊機構(gòu)、十字滑軌定位機構(gòu)、調(diào)節(jié)與修剪機構(gòu)，控制模塊四部分組成(如圖2)，通過三個步進電機和一個直流電機驅(qū)動工作。電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、速度的智能控制，由PWM控制系統(tǒng)的控制實現(xiàn)。調(diào)制脈沖信號由Arduino Mega2560單片機產(chǎn)生并控制電機工作。其中三個電機的轉(zhuǎn)動由按鈕控制，對按鈕的按下操作進行計數(shù)與循環(huán)，每一數(shù)字對應(yīng)相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)動步數(shù)，數(shù)字在一定范圍內(nèi)循環(huán)。余下一個電機由脈沖手輪控制，單片機接受手輪的脈沖信號判斷正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動步數(shù)。通過以上方式實現(xiàn)不同電機間配合工作。修剪腳指甲通過修剪把手實行手工修剪，把手帶動鋼絲，鋼絲收縮傳遞剪切力。在腳踏板下加入蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)腳的修剪角度調(diào)節(jié)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的折疊功能。

使用者將指甲修剪器的底板調(diào)節(jié)好，然后將折疊桿豎立起來，調(diào)整好把手的高度；然后坐在椅子上，將腳趾按照順序依次穿過腳趾隔板。固定好腳趾后，打開直線電機。通過絲杠將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，推動腳托移動。當觸碰到腳后跟的時候，將電機停止運作；再將腳背上的魔術(shù)貼貼緊，就完成了對腳趾的分離和固定。方便了之后的定位工作，同時也大大增加了產(chǎn)品的安全性。

通過按鈕打開滑軌的電機，滑塊進行左右橫向移動，用單片機編程進行控制操控，移動到腳趾的位置停止；然后使用者手動操作脈沖手輪，控制指甲鉗的縱向進給運動。當腳趾頭有輕微的觸感時，微調(diào)指甲鉗的位置；當指甲露出時，捏把手上的手剎。通過剎車線將拉力傳遞到指甲鉗上，使指甲鉗下拉進行修剪；如果需要對指甲的側(cè)面進行修剪時，回退指甲鉗，按下開關(guān)。蝸輪蝸桿的蝸桿轉(zhuǎn)動，帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪與上底板固聯(lián)，萬向輪進行運動，可以進行微小的角度調(diào)整。向左完成一次工作，向右再完成一次工作，可以修剪指甲的兩邊，實現(xiàn)對腳指甲全方位修剪，這樣就完成了對一個指甲的修剪。接著調(diào)節(jié)脈沖手輪，使縱向滑軌向后退出；然后單片機控制橫向滑軌到下一個腳趾，再次進行修剪工作，直到修剪完所有腳指甲。

使用完，可以將底板放平，把折疊桿折疊放好。底板還有一個把手，可以提到一個不需要太大空間的地方。占用空間率小，使用的時候方便快捷。

2.3 各部分模塊設(shè)計

1）收緊機構(gòu)

收緊機構(gòu)主要由腳指隔板、魔術(shù)貼、腳托、萬向輪、直線電機等構(gòu)成（如圖3）。針對機械化剪腳指甲這一問題，必須實現(xiàn)腳的固定，根據(jù)原則指甲刀裝配后與底座角度不宜過大，趨于平行[8]，從而避免腳的抖動而產(chǎn)生的不必要的人身傷害。自然狀態(tài)下各個腳指處于一個緊貼的狀態(tài)，我們通過設(shè)計腳指隔板的方式將腳指分離開來。前部腳指分離后，我們利用直線電機帶動腳托運動實現(xiàn)腳的前后固定。最后用魔術(shù)貼固定腳背，進而完成整體的固定，大大提高安全性與準確性。

圖2 三維渲染圖

圖3 收緊機構(gòu)

具體操作步驟：腳指按照順序依次穿過腳指隔板，按動啟動按鈕使安裝在踏板下的直線電機運轉(zhuǎn)，通過絲杠將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動?；瑝K連接著螺紋桿，螺紋桿穿過腳托的孔，推動腳托向前移動；當觸碰到腳后跟時，停止電機運動，將腳背上的魔術(shù)貼貼緊，從而達到對腳的固定。

2）十字滑軌定位機構(gòu)

十字滑軌定位機構(gòu)（如圖4）由縱向滑軌、橫向滑軌、電機、指甲鉗、滑塊、指甲鉗固定座構(gòu)成。若通過手動控制前端的指甲剪的橫向、縱向進給，則過于繁瑣，我們通過十字滑軌機構(gòu)進行解決。利用編程及控制實現(xiàn)指甲剪的大致定位，減少人力控制，提高工作效率。

具體實施步驟：按動按鈕啟動已有程序，電機驅(qū)動滑塊在橫向滑軌上進行左右移動，通過單片機控制，使滑塊定位到某一特定位置；接著用脈沖手輪給出信號，實現(xiàn)滑塊在縱向滑軌的進給，使指甲鉗貼合腳指，使指甲與肉分離，實現(xiàn)精準定位，修剪腳指甲更加的可靠。

圖4 十字滑軌定位機構(gòu)

3）調(diào)節(jié)與修剪機構(gòu)

調(diào)節(jié)與修剪機構(gòu)（如圖5、6）主要由把手、脈沖手輪、手剎、指甲鉗、鋼絲、蝸輪蝸桿等構(gòu)成?？紤]到修剪腳指甲的安全性，我們采用手動對指甲鉗進行剪切這一操作，這就要求我們能用手部進行控制，并將控制傳遞到指甲剪處。因此我們從自行車剎車機構(gòu)中得到靈感，在控制處裝上手閘，實現(xiàn)指甲刀的剪切。這樣既可以滿足使用時的實際需要，又提高空間的利用率。對于對指甲的邊緣進行修剪這一問題，我們通過安裝在踏板下的蝸輪蝸桿來實現(xiàn)，使整體偏轉(zhuǎn)一個小角度。

具體實施方式：按下按鈕控制板啟動已有程序，通過十字滑軌定位機構(gòu)中的電機驅(qū)動前端腳指甲剪的橫向移動，并精確定位。借助電子脈沖手輪控制縱向滑軌，實現(xiàn)滑塊上的腳指甲剪縱向的移動，利用脈沖手輪可以精確調(diào)節(jié)，讓使用者感受到一定力的時候停止進給，進而控制修剪腳指甲所需的縱向進給量。采用手閘拉線的方式，將手部的力量傳遞到指甲剪的末端，縮緊拉線可使指甲剪上端向下端擠壓以實現(xiàn)指甲的安全修剪。給出特定命令將實現(xiàn)踏板下蝸輪蝸桿的運轉(zhuǎn)，使踏板微調(diào)一定角度，一左一右的移動踏腳板，實現(xiàn)腳指甲邊緣的修剪。蝸輪蝸桿的自鎖性能保證了在修剪時腳的穩(wěn)定性，控制電機的轉(zhuǎn)動速率帶動蝸桿平緩的轉(zhuǎn)動增加了安全性。

圖5 調(diào)節(jié)與修剪機構(gòu)圖

圖6 踏板背部機構(gòu)圖

4）單片機模塊

Arduino Mega2560采用USB接口的核心電路板，Mega2560的處理器核心是ATmega2560。Mega2560同時具有54路數(shù)字輸入/輸出口（其中16路可作為PWM輸出）、16路模擬輸入、4路UART接口、一個16MHz晶體振蕩器、一個USB口、一個電源插座、一個ICSP header和一個復(fù)位按鈕。Arduino Mega2560可以通過3種方式供電，而且能自動選擇供電方式。ATmega2560有256k的閃存可存儲程序（其中8 kb用作bootloader），使用Arduino IDE軟件編寫程序。

5）電機驅(qū)動模塊

TB6600驅(qū)動器是一款專業(yè)的兩相混合式步進電機驅(qū)動器，其驅(qū)動模塊見圖7。輸入電壓為9~42 VDC，輸出電流為0.5 A~4.0 A，靜止時電流自動減半，可驅(qū)動4，6，8線兩相、四相步進電機。光耦隔離信號輸入，抗干擾能力強，具有過熱、過流、欠壓鎖定、輸入電壓防反接保護等功能。本電路采用共陽極接法，使能信號端懸空(見圖7)。

L298雙H橋直流電機驅(qū)動板可驅(qū)動2路直流電機，使能端ENA、ENB為高電平時有效。邏輯部分端子供電范圍：＋5 V～＋7 V。要對直流電機進行PWM調(diào)速，設(shè)置IN1和IN2，確定電機的轉(zhuǎn)動方向，然后對使能端輸出PWM脈沖，即可實現(xiàn)調(diào)速。

6）電機控制模塊

選用RGT600脈沖手輪(4端子100 p/r)，驅(qū)動器輸出型，抗干擾能力強。電源電壓DC+5 V電路特征：C集電極開路輸出、F互補輸出、E電壓輸出、L長線驅(qū)動輸出。

7）控制程序模塊設(shè)計

控制程序使用Arduino語言，通過Arduino IDE軟件燒錄到單片機中，把AVR單片機（微控制器）相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都函數(shù)化。程序主要使用了Arduino的第三方庫（步進電機庫），運用庫函數(shù)moveTo()對步進電機進行步數(shù)的精確控制。通過中斷函數(shù)attachInterrupt()接收脈沖手輪的信號。使用digitalRead()函數(shù)讀取I/O口高低電平的變化來判斷按鈕的操作，如圖8所示。

圖7 TB6600驅(qū)動器接線圖

圖8 控制系統(tǒng)框圖

3 試驗結(jié)果分析

（1）定位精度分析

機構(gòu)實物圖如圖9所示，該機構(gòu)使用兩臺小型步進電機及蝸輪蝸桿構(gòu)成主要電控裝置。其中兩臺步進電機的步距角精度均為1.8°±5%，有效保障了產(chǎn)品工作的準確度。

（2）修剪傳動機構(gòu)性能分析

該機構(gòu)中修剪腳指甲所用的指甲鉗可通過市面產(chǎn)品經(jīng)過簡單加工而成，從而提高了修剪工具的可替換性與產(chǎn)品使用的可持續(xù)性，為廣大老年適用群體提供了便利。指甲鉗主要通過機構(gòu)限位及螺絲旋緊進行加固，保證了工作狀態(tài)的穩(wěn)定度與安全性。指甲鉗前方的安全塊使得指肚與指甲實現(xiàn)分離，而后再進行剪切。本產(chǎn)品的剪切傳動機構(gòu)借鑒于自行車剎車裝置，使用鋼絲繩連接操作手柄與指甲鉗拉繩實現(xiàn)傳動剪切，利于增強裝置的剪切穩(wěn)定性，有效延長使用壽命。

圖9 指甲修剪器實物圖

4 結(jié)語

本研究從老年人獨自修剪腳指甲的困難出發(fā)，通過對修剪腳指甲的動作分析，進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)老年人日常生活的特性和其所能承受的力學要求，設(shè)計了一種新型指甲修剪器。該修剪器綜合運用了人機工程學理論，三維仿真技術(shù)；該裝置采用電動和手動結(jié)合方式，能有效幫助老人以舒適姿態(tài)獨自完成腳指甲的修剪，使用簡單方便，對提升老年人居家生活品質(zhì)具有重要意義。