多模態(tài)翻身護理床控制系統(tǒng)設計與實現

于大騫，潘 穎，程武山，2，吳云龍

（1.上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620；2.安徽非禾科技有限公司，安徽 蕪湖 241003）

0 引言

當前，我國人口老年化趨勢愈加嚴重，失能老人所占比例越來越多，現有的養(yǎng)老和護理資源不足以滿足現實需求，同時受中國傳統(tǒng)文化影響，許多家庭傾向于居家養(yǎng)老，而居家養(yǎng)老關鍵在于護理，但是子女常常忙于工作，很難抽出大量時間護理老人，因而老人常出現壓瘡、身體衛(wèi)生不干凈甚至是慢性病情加重的情況［1-2］。值得注意的是，在整個護理過程中，最費時費力的便是翻身護理，單個人進行護理時，需要用一只手抬起老人身體一側，另一只手對其進行按摩和擦洗，該過程對老人和家人都是一個痛苦的過程，同時也很難保證護理質量。

目前，國內外相繼開發(fā)出具有多種功能的電動護理床，以便于護理人員對失能患者進行全身護理，常見的功能模塊有支背、上下曲腿、半自動坐便和床體升降［3］。國外的多功能護理床發(fā)展最早，應用最廣泛，相關的核心技術也都掌握在他們手里，其中比較出名的公司有日本的八樂夢和芙蘭舒、英國的世道，但具備翻身功能的比較少見，即使有也是功能比較單一，無法很好協(xié)助護理人員進行擦洗和按摩。相比于國外市場，國內市場多功能護理床價格實惠，但是技術不夠成熟，市場占有率也不高，許多醫(yī)院的高端護理床主要還是依靠進口，代表性公司有小棉襖、機械保姆、普康，這些床的翻身功能也只是一個整體翻身，無法對患者的背部、腰部進行按摩擦洗［4］。

針對此問題，本文設計的多模態(tài)翻身護理系統(tǒng)與其它護理床相比創(chuàng)新之處在于僅僅使用兩臺電動推桿實現具有6 種模態(tài)的無線翻身控制功能。左（右）翻身（背部支撐板、腰部支撐板）上行之后，可以運行左（右）背部護理，背部支撐板回到初始位置，腰部支撐，可以對背部進行按摩擦洗，同樣也可以進行左腰部護理，腰部支撐板回到初始位置，背部支撐，可以對腰部進行按摩擦洗。同時可以在任意角度暫停，便于護理人員進行護理。

1 系統(tǒng)整體設計

多模態(tài)翻身護理系統(tǒng)由床體和無線遙控器兩大部分構成，其中床體部分包括基于STM32 的微控制器、動力驅動單元、最小系統(tǒng)和翻身機械結構，系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。①床體微控制器包括核心板和底層板兩部分，核心板使用STM32F429，并具有正常工作的最小系統(tǒng)，底層板集成系統(tǒng)所需功能，如語音模塊、通信?？斓?；②動力驅動單元包括直線驅動器和光電開關，直線驅動器為背部與臀部板運動提供動力，光電開關主要用來為兩電動推桿標記初始位置，修正機械加工誤差和初始位置不同導致的剪刀切現象［5］；③手持遙控器，采用STM32F103 作為微控制器，主要包括最小系統(tǒng)、按鍵和觸摸屏，并通過ESP8266 與床體控制器建立無線通信；④翻身機械機構，可以實現左翻身上行、左背部護理、左腰部護理、右翻身上行、右背部護理、右腰部護6 種模態(tài)的翻身。

2 機械結構設計

2.1 翻身機構設計

相比于整體翻身機械結構，系統(tǒng)翻身功能需滿足分段翻身，即背部和腰部板既可以同時運動，又可以獨立運行，要在緊湊的床體下完成這樣6 種模態(tài)功能，而又保證機構不干涉，是該系統(tǒng)技術難點之一。同時，考慮到翻身時的安全問題，整個床板縱向有兩塊板，滿足背部護理與腰部護理需求，橫向有3 塊板，左右各1 塊側翻板，起到保護作用，而中間塊作為支撐塊。從運動方向看，左右兩邊的同一功能互為反向運動，應該用兩個動力源完成，這樣便需要4 個動力源，考慮到成本和受限的物理空間，項目組采用了2 個動力源設計方案，而從4 個動力源減少到2 個動力源的過程，無疑給系統(tǒng)設計增加了技術難度。由于左翻和右翻機械結構對稱，本文以左翻身機構為例進行分析。

Fig.1 System composition圖1 系統(tǒng)組成

Fig.2 Schematic diagram of left turning mechanism圖2 左翻身機構簡圖

如圖2 左翻身機構簡圖所示，部件AFEB 和GHJK 均為平行四邊形機構，0D 為推桿驅動部件，KJ 為水平支撐桿件，用來保證側板在運動過程中保持水平，提高安全性，滾輪I向上運動時，為右側背部翻身，滾輪C 向上運動，為左側背部翻身。靜態(tài)時電動推桿處于中間位置，此時整個床板處于水平位置，推桿伸長運動時，BEF 桿順時針運動，帶動ABC 桿上滾輪C 向上運動同理，推桿收回時，EFI 桿上滾輪I向上運動，完成右翻功能。根據翻身機構簡圖可以得出算出機構自由度為：

其中，n為活動構件數，圖中共有9 個；PL 為低副數，圖中有11 個轉動副，1 個移動副；PH 為高副數，圖中有1 個，且具有1 個虛約束。

2.2 運動學分析

機械機構的運動學分析包括位移、速度和加速度分析［6］，在該機構運動分析中只需求出位移分析方程，通過依次求導，便可進行速度和加速度分析。本文主要對角位移進行分析。

通過圖2 可知，四邊形ODEF 和LIFG 構成回路，由解析法可求出它們的位置運動矢量方程。ODEF 四邊形的矢量方程為：

其中，OD、DE、EF、OF 代表各種桿長，其中OD 為變量，t 時刻長度為M+Vt，V 為推桿速度，設置為1cm/s，M 代表OD初始長度，其長度為40cm 。α 與γ 為知變量分別代表對應桿長與水平線夾角。通過歐拉公式將式（2）變?yōu)槿缦路匠探M：

同理可得LIFG 四邊形歐拉變換后的矢量方程：

并且：

聯(lián)合式（3）、式（4）和式（5）可以求出左翻角度δ 隨時間單位變化曲線，如圖3 所示（彩圖掃OSID 碼可見）。

Fig.3 Left angle displacement curve圖3 左翻角位移曲線

2.3 動力學分析

假設人體上身最大重150kg，翻身時背部和腰部板各承受一半人體體重，此時背部板承受750N 的壓力。利用SolidWorks motion 插件，完成對左翻部件中電動推桿D 點的動力學分析。分析前，先導入裝配好的模型，然后設置推桿的運動速度為1cm/s，方向沿OD 向上，接著對背部板施加力，最后可以得出推桿D 點的受力曲線圖，如圖4 所示（彩圖掃OSID 碼可見）。

Fig.4 Force curve of left turning mechanism at D point圖4 左翻機構D 點受力曲線

圖4 中，紅色曲線反映了推桿D 點的受力隨時間變化的趨勢，可以看出在機構處于極限角度時，推桿受力2 590N小于推桿極限負載3 000N，并且整個過程光滑沒有突變，滿足設計要求。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 STM32F4 微控制器最小系統(tǒng)

系統(tǒng)選用意法半導體公司的STM32F4 系列微控制器作為主控芯片，其低功耗、高性能，以及豐富的I/O 口和外設資源能夠很好地滿足系統(tǒng)功能需求，也便于功能擴展［7］。為保證芯片正常工作，設計了包括供電、復位、時鐘、BOOT啟動和下載電路在內的最小系統(tǒng)［8］。芯片最小系統(tǒng)電路如圖5 所示。

Fig.5 Minimum system circuit圖5 最小系統(tǒng)電路

3.2 電源電路

系統(tǒng)通過三線插頭將220V 家用電接入控制箱中，經過明偉開關電源，輸出5V20A 和24V2A 兩路電，5V 電通過AMS1117-3.3 降壓芯片產生3.3V 電壓用來給控制板芯片供電［9］，同時5V 電也為電動推桿反饋端供電。24V 電接入繼電器，通過I/0 控制繼電器的常開觸點閉合，給電動推桿供電。圖6 為控制板電源電路，其中F1 為S1206 型熔斷器，防止電流過大燒毀電路。

Fig.6 Power supply circuit圖6 電源電路電路

3.3 串口電路

串口電路設計如圖7 所示，在電路設計時加入SP3232芯片，該芯片可以實現電腦COM 口與STM32 的RS232 串口輸出電平之間的轉換，繼而實現PC 機與下位機的數據傳輸［10］。本文采用了兩個串口進行異步通信，主要實現PC機與下位機STM32 的通訊，并配合遙控器利用WiFi 向下位機發(fā)送指令，從而實現遠程遙控功能。

Fig.7 Serial circuit圖7 串口電路

3.4 WiFi 無線數據傳輸模塊

為實現系統(tǒng)的無線控制要求，本文選擇樂鑫公司的ESP8266 無線模塊，該模塊工作電壓為3～3.6V，支持常見傳輸協(xié)議UART、I2C，待機時消耗功率小于1.0 mW，內部集成MCU 便于與單片機建立串口通信，同時內置有TCP/IP 協(xié)議棧，用戶只需發(fā)送AT 指令，便可建立無線通信［11-12］。圖8 為ESP8266 模塊接口電路圖，系統(tǒng)通過串口USART3 與之建立通信，其引出的引腳共有6 個，其中5、6 兩個引腳為供電端，3、4 兩個引腳為通訊引腳，第二引腳為復位引腳，第一引腳為普通IO 口引腳。

3.5 遙控器電路

遙控器電路主要由最小系統(tǒng)、液晶觸摸屏和按鍵3 部分構成。遙控器采用STM32F103C6 作為主控MCU，用AMS1117 降壓芯片為MCU 提供3.3V 工作電壓，按鍵共有4個KEY_UP 代表 上行、KEY_DOWN 代表下 行、KEY_STOP代表上行和KEY_REST 代表開機，觸摸屏選用迪文科技4.3 寸串口屏，通信方式為RS-232，其中引腳5 與6 分別與PA2 和PA3 連接，完成串口屏的通信。用戶按下開機按鍵進入功能選擇界面，觸摸相應功能，按向上或向下按鍵，MCU 便可讀取用戶觸發(fā)的指令，同時控制WiFi 向下位機發(fā)送控制指令，完成對床體的無線控制。圖9 為遙控器按鍵電路圖。

Fig.8 ESP8266 module interface circuit圖8 ESP8266 模塊接口電路

Fig.9 Button and touch screen circuit圖9 按鍵和觸摸屏電路

3.6 PCB

圖10 為遙控器和床體控制器的PCB 板圖，其設計在完成原理圖設計后進行。為了保證PCB 性能穩(wěn)定，在進行電路布局與布線過程中需遵循以下規(guī)則：

（1）線寬規(guī)則。對于電源線或者電流較大的信號線，需選取粗一點的線寬，一般設置為20mil［13］。對于其他信號線可設置為10mil。

Fig.10 PCB board design圖10 PCB 板設計

（2）防電磁干擾規(guī)則。走線時，多用斜角，不用直角，多層走線要避免走平行線，可以垂直或者斜交走線。對于強輻射性元器件比如繼電器、穩(wěn)壓電源等應遠離控制板。

（3）間距規(guī)則。線與線之間的間距（過孔-過孔、焊盤-焊盤等）應該設置成8mil。

（4）走線短原則。為了減少干擾，走線越短越好，可以采用模塊化思想，縮短有電氣連接器件的距離。

4 控制系統(tǒng)軟件設計

4.1 總體設計流程

下位機控制程序使用keil5，在MDK 開發(fā)環(huán)境下采用C語言進行編寫。整個程序包括主程序、無線設置程序、安全程序和功能程序等部分。其軟件整體運行流程如圖11所示?？刂葡渖想娨院?，首先對系統(tǒng)運行所需資源進行初始化，包括HAL 庫、系統(tǒng)時鐘、延時函數、串口、光電開關、無線和語音等。然后進行安全檢測，復位不正常狀態(tài)，接著手持遙控器自動連接到控制板開設的熱點，熱點名稱為Medical_Bed，密碼12345678，端口號8086，連接成功后系統(tǒng)播報有新的設備接入，然后等待控制端發(fā)送指令，執(zhí)行過程中不斷記錄系統(tǒng)運行狀態(tài)并上傳給上位機同步顯示動畫［14］。

Fig.11 Overall operation flow圖11 整體運行流程

4.2 右翻身與右背部護理程序

由于多模態(tài)翻身的6 種功能，動力源只使用了兩臺JC35W2 型捷昌電機，因此每種功能的實現由兩臺電機緊密配合完成，而每種功能涉及上行和下行，并能在已設置的翻身角度范圍內任意角度暫停，因此程序中為每一個功能定義了運行角度極限裝載值SP、運行狀態(tài)Flag、運行方向Dir_flag 和運行位置Runed 4 種類型的變量［14］?？紤]到左右兩側翻身和護理的控制邏輯相同，這里只選取右翻身和右背部護理兩種功能進行分析。

當接收到右翻指令，系統(tǒng)跳轉到右翻Fun_YF（void）功能函數，為確保安全首先進行聯(lián)鎖檢測［15］，只有在支背、上下曲腿、座便、桌子復位后，才能執(zhí)行右翻身功能。右翻身有3 種狀態(tài)，水平位置時只能右翻上，終止位置只能右翻下，中間位置既可以上也可以下，因而根據右翻標志位YF_Flag、角度極限裝載值SP 和當前已運行值YF_Runed 3個變量標記右翻狀態(tài)。右翻上行時，YF_Flag 置1，調用Mo?tor_Y（u8 dir，u32 pulse）函數，第一個參數為推桿方向位，pulse 為YF_SP 與YF_Runed 的差值，代表運行時間。隨后開啟定時器TIM10_Init（pulse，65000），背部和腰部的兩臺電動推桿的方向位對應的IO 口輸出高電平，觸發(fā)繼電器常開觸點閉合，輸出24V，推桿運行［16］。在While 循環(huán)程序中等待定時時間到，同時掃描是否有暫停鍵按下。翻身程序設計流程如圖12 所示。

Fig.12 Flow of right turn program design圖12 右翻身程序設計流程

右背部護理程序設計流程如圖13 所示，其具有護理和復位兩種狀態(tài)，執(zhí)行護理前需要滿足YF_Flag=1 和YYH_Flag=0，即系統(tǒng)處于右翻身狀態(tài)且右腰部護理已復位，滿足要求后調用Motor_YHL（u8 dir，u32 pulse）函數，背部電動推桿反向運行位IO 口輸出高電平，推桿反向運行，背部水平光電開關被觸發(fā)，推桿停止，背部懸空，此時護理人員可以進行背部擦洗和按摩。護理復位時，根據翻身當前已運行值YF_Runed 進行復位，否則會導致背部板和腰部板不平。

4.3 ESP8266 模式配置

ESP8266 有3 種模式，分別為客戶端模式（STA）、接入點模式（AP）和混合模式（STA+AP）［17］，STA 和AP 模式配置流程如圖14 所示，其中左側為STA 模式配置流程，右側為AP 模式配置流程。

Fig.13 Design process of right back nursing program圖13 右背部護理程序設計流程

Fig.14 STA（left）and AP（right）mode configuration flow圖14 STA（左）和AP（右）模式配置流程

該系統(tǒng)下位機將ESP8266 設置為接入點模式，建立無線局域網，接受上位機和遙控器的控制指令，遙控器設置為客戶端模式，用來連接熱點。模式設置通過串口通信的方式給ESP8266 發(fā)送AT 指令。其中，模式設置指令為AT+CWMODE=mode，mode=1 時為STA 模式，mode=2 時為AP 模式；重啟指令為AT+RST；多連接開起指令為AT+CIPMUX=1［18］；其它配置指令如下。

4.4 串口程序

系統(tǒng)通過串口接收用戶控制指令，首先要對串口進行初始化，設置其波特率、數據字長、停止位、校驗位、工作模式等，同時通過虛函數HAL_UART_MspInit（UART_Handle?TypeDef *huart）進行時鐘使能、引腳和中斷配置［19-20］，當接收到命令時，將產生串口中斷，中斷處理程序將接收寄存器的內容拷貝到串口接收緩存區(qū)，其流程如圖15 所示。

Fig.15 Flow of serial port design圖15 串口設計流程

5 實驗與分析

5.1 有限元分析

人體隨床體翻轉的過程中，有整體側翻、腰部懸空和背部懸空3 種狀態(tài)，床體的連接桿和支撐梁在運動過程中承受的負載最大，因此需要重點對這兩個部件進行有限元分析。

兩個部件材料設計為3ms 的碳鋼，最大負載為3 000N，將模型和參數導入有限元分析軟件［21］中，分別得到圖16 支撐梁有限元分析和圖17 連接桿有限元分析，其中（a）與（c）為應力分析，（b）和（d）是位移分析。

Fig.16 Finite element analysis of supporting beam圖16 支撐梁有限元分析

Fig.17 Finite element analysis of connecting rod圖17 連接桿有限元分析

根據分析結果可以得出，兩部件的最大應力都小于屈服力，位移量偏小，整體滿足實際使用。

5.2 樣機測試

翻身功能可以分為左右兩部分，每部分對應3 種功能，護理部分需要翻身功能開啟后才能運行。整個翻身角度最大為60°，并且可以任意調節(jié)，其設定需要將角度轉換為定時器的裝載值，從時間上控制電動推桿運行的位移，從而達到改變角度的目的，函數關系為Arr（轉載值）=280*ZF_SP（角度）。在實際運行中，由于機械結構存在加工誤差，導致背部和臀部板復位后位置不同，因此下一次運行的初始位置也不同。在同一角度設置下，兩部分終止位置不同，導致整個側翻不平整，會給老人帶來不舒服感，因此需要在初始位置加裝光電開關并調節(jié)位置［22］。綜上需要進行3個方面的測試：①電動推桿位移與翻身角度關系測試；②復位測試；③功能測試。設計實驗時將第1 個與第2 個測試相結合，每個實驗進行100 次，其中推桿位移根據脈沖反饋進行計算，與理論位移取差的絕度值，并算出平均值，同時可觀察復位情況。功能測試從30°開始，步進5°，在7 個角度狀態(tài)下進行測試，算出成功率。測試結果如表1和表2所示。

Table 1 Push rod displacement and reset success rate under different turning angles表1 不同翻身角度下推桿位移和復位成功率

Table 2 The success rate of turning function underdifferent turning angles表2 不同翻身角度下翻身功能成功率 （%）

多模態(tài)翻身功能測試效果如圖18 所示。其中（a）為右翻身，（b）為右腰部護理，（c）為右背部護理。

Fig.18 Effect of functional test圖18 功能測試效果

從實驗結果可以看出，翻身功能平均成功率98.2%，運行平穩(wěn)，基本能成功運行，但是由于角度與推桿位移不完全呈線性關系，導致實際運行位置與理論位置產生偏差，在程序中根據脈沖反饋判斷是否到達位置會出現誤判，導致運行失敗，同時還受到無線通信成功率的影響。另外，在翻身水平位置安裝光電開關，很好地解決了翻身不平的問題，減輕了多次運行積累的角度誤差，但是隨著運行角度變大，復位成功率逐漸降低。總體來看，多模態(tài)翻身護理床系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高，滿足生產應用要求。

6 結語

本文設計了一種多模態(tài)翻身護理床控制系統(tǒng)，利用平行四邊形結構和2 臺電動推桿，實現了6 種模態(tài)的翻身功能，并在結構緊湊的床體下有效地避免了干涉問題。與目前市場上的電動翻身護理床相比，該系統(tǒng)結構簡單，運行平穩(wěn)，可極大地減輕護理人員的工作強度，并提高了患者護理體驗，為床上翻身護理提供了新的解決思路。

但該系統(tǒng)依然存在一些不足，雖然很好地解決了水平位置到終止位置時的翻身不平問題，但中間態(tài)依然存在角度偏差，如若按下暫停鍵，會出現翻身不平問題。此外，機械設計中采用了許多非標準零部件，機構呈現分塊對稱的平行四邊形結構，這導致系統(tǒng)對加工和安裝精度要求高，給調試工作帶來了不便。最后，系統(tǒng)的安全性需作進一步優(yōu)化。目前系統(tǒng)通過聯(lián)鎖和開機復位機制，能夠滿足正常情況下的安全運行，但在極端條件下，比如光電開關失效或者非正常斷電，可能會出現剪刀切現象，因此需作進一步研究。

未來，多功能護理床的集成功能將越來愈多，如何在緊湊床體下集成更多功能，同時還能有效地避免干涉將成為研究的難點。同時，床體承載著失能或半失能患者的生活起居服務功能實現，系統(tǒng)的安全可靠性設計需要全方面考慮。