多模態(tài)翻身護(hù)理床控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

于大騫，潘 穎，程武山，2，吳云龍

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

0 引言

當(dāng)前，我國人口老年化趨勢愈加嚴(yán)重，失能老人所占比例越來越多，現(xiàn)有的養(yǎng)老和護(hù)理資源不足以滿足現(xiàn)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(guān)鍵在于護(hù)理，但是子女常常忙于工作，很難抽出大量時間護(hù)理老人，因而老人常出現(xiàn)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(hù)理過程中，最費時費力的便是翻身護(hù)理，單個人進(jìn)行護(hù)理時，需要用一只手抬起老人身體一側(cè)，另一只手對其進(jìn)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(hù)理質(zhì)量。

目前，國內(nèi)外相繼開發(fā)出具有多種功能的電動護(hù)理床，以便于護(hù)理人員對失能患者進(jìn)行全身護(hù)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(hù)理床發(fā)展最早，應(yīng)用最廣泛，相關(guān)的核心技術(shù)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(hù)理人員進(jìn)行擦洗和按摩。相比于國外市場，國內(nèi)市場多功能護(hù)理床價格實惠，但是技術(shù)不夠成熟，市場占有率也不高，許多醫(yī)院的高端護(hù)理床主要還是依靠進(jìn)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(jìn)行按摩擦洗［4］。

針對此問題，本文設(shè)計的多模態(tài)翻身護(hù)理系統(tǒng)與其它護(hù)理床相比創(chuàng)新之處在于僅僅使用兩臺電動推桿實現(xiàn)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(hù)理，背部支撐板回到初始位置，腰部支撐，可以對背部進(jìn)行按摩擦洗，同樣也可以進(jìn)行左腰部護(hù)理，腰部支撐板回到初始位置，背部支撐，可以對腰部進(jìn)行按摩擦洗。同時可以在任意角度暫停，便于護(hù)理人員進(jìn)行護(hù)理。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

多模態(tài)翻身護(hù)理系統(tǒng)由床體和無線遙控器兩大部分構(gòu)成，其中床體部分包括基于STM32 的微控制器、動力驅(qū)動單元、最小系統(tǒng)和翻身機械結(jié)構(gòu)，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?？斓龋虎趧恿︱?qū)動單元包括直線驅(qū)動器和光電開關(guān)，直線驅(qū)動器為背部與臀部板運動提供動力，光電開關(guān)主要用來為兩電動推桿標(biāo)記初始位置，修正機械加工誤差和初始位置不同導(dǎo)致的剪刀切現(xiàn)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(gòu)，可以實現(xiàn)左翻身上行、左背部護(hù)理、左腰部護(hù)理、右翻身上行、右背部護(hù)理、右腰部護(hù)6 種模態(tài)的翻身。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 翻身機構(gòu)設(shè)計

相比于整體翻身機械結(jié)構(gòu)，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(gòu)不干涉，是該系統(tǒng)技術(shù)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(hù)理與腰部護(hù)理需求，橫向有3 塊板，左右各1 塊側(cè)翻板，起到保護(hù)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(yīng)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(shè)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(shè)計增加了技術(shù)難度。由于左翻和右翻機械結(jié)構(gòu)對稱，本文以左翻身機構(gòu)為例進(jìn)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(gòu)簡圖

如圖2 左翻身機構(gòu)簡圖所示，部件AFEB 和GHJK 均為平行四邊形機構(gòu)，0D 為推桿驅(qū)動部件，KJ 為水平支撐桿件，用來保證側(cè)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(cè)背部翻身，滾輪C 向上運動，為左側(cè)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(jù)翻身機構(gòu)簡圖可以得出算出機構(gòu)自由度為：

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

2.2 運動學(xué)分析

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

通過圖2 可知，四邊形ODEF 和LIFG 構(gòu)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(shè)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(yīng)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(xué)分析

假設(shè)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(xué)分析。分析前，先導(dǎo)入裝配好的模型，然后設(shè)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(gòu)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(gòu)處于極限角度時，推桿受力2 590N小于推桿極限負(fù)載3 000N，并且整個過程光滑沒有突變，滿足設(shè)計要求。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 STM32F4 微控制器最小系統(tǒng)

系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)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(shè)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(shè)計了包括供電、復(fù)位、時鐘、BOOT啟動和下載電路在內(nèi)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(jīng)過明偉開關(guān)電源，輸出5V20A 和24V2A 兩路電，5V 電通過AMS1117-3.3 降壓芯片產(chǎn)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(shè)計如圖7 所示，在電路設(shè)計時加入SP3232芯片，該芯片可以實現(xiàn)電腦COM 口與STM32 的RS232 串口輸出電平之間的轉(zhuǎn)換，繼而實現(xiàn)PC 機與下位機的數(shù)據(jù)傳輸［10］。本文采用了兩個串口進(jìn)行異步通信，主要實現(xiàn)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(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。

Fig.7 Serial circuit圖7 串口電路

3.4 WiFi 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

為實現(xiàn)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(nèi)部集成MCU 便于與單片機建立串口通信，同時內(nèi)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(fù)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(gòu)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(jìn)入功能選擇界面，觸摸相應(yīng)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(shè)計在完成原理圖設(shè)計后進(jìn)行。為了保證PCB 性能穩(wěn)定，在進(jìn)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(shè)置為20mil［13］。對于其他信號線可設(shè)置為10mil。

Fig.10 PCB board design圖10 PCB 板設(shè)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(yīng)遠(yuǎn)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(yīng)該設(shè)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(shè)計

4.1 總體設(shè)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(jìn)行編寫。整個程序包括主程序、無線設(shè)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(jìn)行初始化，包括HAL 庫、系統(tǒng)時鐘、延時函數(shù)、串口、光電開關(guān)、無線和語音等。然后進(jìn)行安全檢測，復(fù)位不正常狀態(tài)，接著手持遙控器自動連接到控制板開設(shè)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(shè)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(hù)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(xiàn)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(shè)置的翻身角度范圍內(nèi)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(cè)翻身和護(hù)理的控制邏輯相同，這里只選取右翻身和右背部護(hù)理兩種功能進(jìn)行分析。

當(dāng)接收到右翻指令，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到右翻Fun_YF（void）功能函數(shù)，為確保安全首先進(jìn)行聯(lián)鎖檢測［15］，只有在支背、上下曲腿、座便、桌子復(fù)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(jù)右翻標(biāo)志位YF_Flag、角度極限裝載值SP 和當(dāng)前已運行值YF_Runed 3個變量標(biāo)記右翻狀態(tài)。右翻上行時，YF_Flag 置1，調(diào)用Mo?tor_Y（u8 dir，u32 pulse）函數(shù)，第一個參數(shù)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(yīng)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(shè)計流程如圖12 所示。

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

右背部護(hù)理程序設(shè)計流程如圖13 所示，其具有護(hù)理和復(fù)位兩種狀態(tài)，執(zhí)行護(hù)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(hù)理已復(fù)位，滿足要求后調(diào)用Motor_YHL（u8 dir，u32 pulse）函數(shù)，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(guān)被觸發(fā)，推桿停止，背部懸空，此時護(hù)理人員可以進(jìn)行背部擦洗和按摩。護(hù)理復(fù)位時，根據(jù)翻身當(dāng)前已運行值YF_Runed 進(jìn)行復(fù)位，否則會導(dǎo)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(cè)為STA 模式配置流程，右側(cè)為AP 模式配置流程。

Fig.13 Design process of right back nursing program圖13 右背部護(hù)理程序設(shè)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(shè)置為接入點模式，建立無線局域網(wǎng)，接受上位機和遙控器的控制指令，遙控器設(shè)置為客戶端模式，用來連接熱點。模式設(shè)置通過串口通信的方式給ESP8266 發(fā)送AT 指令。其中，模式設(shè)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(jìn)行初始化，設(shè)置其波特率、數(shù)據(jù)字長、停止位、校驗位、工作模式等，同時通過虛函數(shù)HAL_UART_MspInit（UART_Handle?TypeDef *huart）進(jìn)行時鐘使能、引腳和中斷配置［19-20］，當(dāng)接收到命令時，將產(chǎn)生串口中斷，中斷處理程序?qū)⒔邮占拇嫫鞯膬?nèi)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(shè)計流程

5 實驗與分析

5.1 有限元分析

人體隨床體翻轉(zhuǎn)的過程中，有整體側(cè)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(fù)載最大，因此需要重點對這兩個部件進(jìn)行有限元分析。

兩個部件材料設(shè)計為3ms 的碳鋼，最大負(fù)載為3 000N，將模型和參數(shù)導(dǎo)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(yīng)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(jù)分析結(jié)果可以得出，兩部件的最大應(yīng)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(yīng)3 種功能，護(hù)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(diào)節(jié)，其設(shè)定需要將角度轉(zhuǎn)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(dá)到改變角度的目的，函數(shù)關(guān)系為Arr（轉(zhuǎn)載值）=280*ZF_SP（角度）。在實際運行中，由于機械結(jié)構(gòu)存在加工誤差，導(dǎo)致背部和臀部板復(fù)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(shè)置下，兩部分終止位置不同，導(dǎo)致整個側(cè)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(guān)并調(diào)節(jié)位置［22］。綜上需要進(jìn)行3個方面的測試：①電動推桿位移與翻身角度關(guān)系測試；②復(fù)位測試；③功能測試。設(shè)計實驗時將第1 個與第2 個測試相結(jié)合，每個實驗進(jìn)行100 次，其中推桿位移根據(jù)脈沖反饋進(jìn)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(fù)位情況。功能測試從30°開始，步進(jìn)5°，在7 個角度狀態(tài)下進(jìn)行測試，算出成功率。測試結(jié)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(fù)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(hù)理，（c）為右背部護(hù)理。

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

從實驗結(jié)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(guān)系，導(dǎo)致實際運行位置與理論位置產(chǎn)生偏差，在程序中根據(jù)脈沖反饋判斷是否到達(dá)位置會出現(xiàn)誤判，導(dǎo)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(guān)，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(fù)位成功率逐漸降低?？傮w來看，多模態(tài)翻身護(hù)理床系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高，滿足生產(chǎn)應(yīng)用要求。

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種多模態(tài)翻身護(hù)理床控制系統(tǒng)，利用平行四邊形結(jié)構(gòu)和2 臺電動推桿，實現(xiàn)了6 種模態(tài)的翻身功能，并在結(jié)構(gòu)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(hù)理床相比，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行平穩(wěn)，可極大地減輕護(hù)理人員的工作強度，并提高了患者護(hù)理體驗，為床上翻身護(hù)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(xiàn)翻身不平問題。此外，機械設(shè)計中采用了許多非標(biāo)準(zhǔn)零部件，機構(gòu)呈現(xiàn)分塊對稱的平行四邊形結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致系統(tǒng)對加工和安裝精度要求高，給調(diào)試工作帶來了不便。最后，系統(tǒng)的安全性需作進(jìn)一步優(yōu)化。目前系統(tǒng)通過聯(lián)鎖和開機復(fù)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(guān)失效或者非正常斷電，可能會出現(xiàn)剪刀切現(xiàn)象，因此需作進(jìn)一步研究。

未來，多功能護(hù)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(wù)功能實現(xiàn)，系統(tǒng)的安全可靠性設(shè)計需要全方面考慮。