二便護(hù)理機器人的方案設(shè)計

陳新宇，胡冰山，蘇穎兵，陸盛，喻洪流

1.上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心（上海，200093）

2.上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所（上海，200093）

0 引言

二便護(hù)理是老年人、長期臥床患者等重要護(hù)理需求之一［1］，目前二便護(hù)理工作均由專門的護(hù)工完成。人工護(hù)理大小便存在護(hù)理人員工作臟累、異性患者二便護(hù)理尷尬、不利于保護(hù)患者及護(hù)理人員隱私、容易感染、難清洗、氣味大等問題。二便護(hù)理機器人能夠?qū)崟r地檢測到患者是否大小便，并進(jìn)行沖洗、清潔、烘干等操作，有效替代護(hù)理人員的二便護(hù)理工作。

目前，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了一些產(chǎn)品，并進(jìn)行了相關(guān)研發(fā)。國內(nèi)銥鳴智能護(hù)理機器人設(shè)計有待機狀態(tài)和工作狀態(tài)2種，在待機狀態(tài)下大小便斗與人體不充分貼合，能夠保證皮膚通風(fēng)透氣［2］。在檢測到大小便后，設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，氣墊充氣，使得大小便斗與人體緊貼，其他流程與之前的護(hù)理機器人相同。但該智能護(hù)理機器人需要與特殊設(shè)計的床體配合使用?！翱鞚崱迸P床人體大小便智能護(hù)理器能夠針對臥床患者的個體特征和體型特征，設(shè)計男女不同類型，大中小不同尺寸的人機接口穿戴部分，以及扁平化的大小便收集器，提高了使用者的舒適性。該護(hù)理器缺點在于二便采集裝置不能通用，需要個性化的定制，并需要配備定制的采集裝置。

綜上所述，目前已有的二便護(hù)理機器人普遍存在需要床墊配合，工作頭穿戴困難及需要個性化定制等問題。本研究在現(xiàn)有二便護(hù)理機器人及長期臥床患者二便護(hù)理需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一款智能二便護(hù)理機器人。

1 二便護(hù)理機器人總體設(shè)計

1.1 功能需求及工作原理分析

二便護(hù)理機器人的主要使用人群包括腿腳不便，活動能力弱的老年人。根據(jù)上述人群二便護(hù)理的需求，開發(fā)二便護(hù)理機器人的主要功能包括二便智能檢測、沖洗、清洗及烘干、除臭及消毒、人機交互控制等。

二便智能檢測是指護(hù)理機器人能夠自動檢測患者是否進(jìn)行大便或小便。沖洗、清洗及烘干功能是指機器人檢測到大小便后，對工作頭內(nèi)的大小便沖洗，將大小便排入污物桶。接著對人體私處和屁股清洗并烘干。除臭是指沖洗工作頭大小便時，利用除臭劑和真空泵配合對管路和污物桶除臭。人機交互控制功能是指患者或護(hù)理人員可以通過手機、控制面板或其他人機交互設(shè)備來控制調(diào)節(jié)和獲取二便護(hù)理機器人的工作狀態(tài)。

1.2 二便護(hù)理機器人總體方案

根據(jù)上述功能分析，得出二便護(hù)理機器人的總體方案設(shè)計（圖1）。二便護(hù)理機器人包括二便智能檢測模塊、沖洗清洗模塊、烘干模塊、控制模塊（包括控制器模塊、顯示模塊、液位警示模塊、污物處理模塊、除臭模塊、人機交互模塊、WiFi模塊、電源模塊）等幾部分。

圖1 二便護(hù)理機器人總體設(shè)計方案Fig. 1 The overall design scheme of the robot for urine and feres

2 二便護(hù)理機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

二便護(hù)理機器人在結(jié)構(gòu)上主要分為工作頭和主機2部分。工作頭是人機交互的接口，負(fù)責(zé)搜集大小便、放置采集患者大小便信息的傳感器及沖洗、清洗和風(fēng)干的出風(fēng)口與出水口。主機中放置了凈水桶、污水桶、風(fēng)機、真空泵及控制器等元件。

2.1 二便護(hù)理機器人工作頭

工作頭部分主要負(fù)責(zé)檢測大小便信號和用噴頭對槽體沖洗及對人體清洗、烘干。工作頭包括大便傳感器、小便傳感器、清洗水路噴頭、烘干風(fēng)路噴頭、排污管道、沖洗矩形噴頭，沖洗錐形噴頭等元件。大便傳感器和小便傳感器分別識別人體大小便。清洗水路噴頭噴出溫?zé)醿羲逑慈梭w。烘干風(fēng)路噴頭出熱風(fēng)烘干人體，保證人體干燥。沖洗水路噴頭分為2種，一種是矩形噴頭，一種是錐形噴頭。矩形噴頭負(fù)責(zé)沖洗小便，錐形噴頭用來擊碎大便，并配合矩形噴頭沖洗大便。排污管道用來將工作頭內(nèi)大小便輸送到污物桶。翻蓋可以幫助人體固定和保證良好密封性。

2.2 二便護(hù)理機器人主機

二便護(hù)理機器人主機部分包括電磁閥、消毒器、活性炭、污物桶、水泵、風(fēng)機、控制器、凈水桶、腳輪等元件。電磁閥負(fù)責(zé)將水路和氣路分開。消毒器負(fù)責(zé)對水泵抽出的凈水消毒，避免滋生細(xì)菌?；钚蕴控?fù)責(zé)對大小便處理流程中產(chǎn)生的臭氣除臭，防止污染環(huán)境。污物桶則是將污水收集，方便護(hù)理人員更換。水泵從凈水桶抽出凈水以供沖洗和清洗。風(fēng)機配合加熱片給工作頭送熱風(fēng)，烘干人體?？刂破鹘邮諅鞲衅餍盘?，通過內(nèi)部程序發(fā)出指令，執(zhí)行對應(yīng)的流程，是總控制元件。主機殼體內(nèi)層鋪設(shè)有隔音材料，避免設(shè)備運行時產(chǎn)生噪音［3］。

3 二便護(hù)理機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

二便護(hù)理機器人硬件連接，見圖2。智能檢測模塊將傳感器信號傳輸給控制器，（STM 32單片機）。溫控開關(guān)控制加熱棒調(diào)節(jié)水溫，供沖洗清洗模塊使用。沖洗清洗模塊和烘干模塊由STM 32控制。沖洗清洗模塊通過水泵將凈水泵出，經(jīng)過紫外線消毒器消毒后，由電磁閥分路，分別對大小便沖洗、清洗，真空泵在人和工作頭內(nèi)部形成負(fù)壓，將污物抽送至污物桶，將臭氣抽送至除臭管路通過活性炭吸附臭氣［4］。液位警示模塊包括液位傳感器、語音芯片和喇叭3部分。

圖2 二便護(hù)理機器人硬件連接圖Fig.2 Hardware connection diagram of the urine and feces

液位傳感器檢測凈水桶和污物桶的液位，產(chǎn)生高低電平信號傳輸給STM 32的I/O口，STM 32控制語音芯片通過喇叭發(fā)出報警聲音，提醒護(hù)理人員更換污物桶或供給凈水桶加水。WiFi模塊通過RS232串口與STM 32相連，用于無線連接，Android設(shè)備可以通過WiFi模塊遠(yuǎn)程查看多個護(hù)理機器人的工作狀態(tài)并進(jìn)行控制。顯示模塊通過I/O口與stm32相連，可以顯示當(dāng)前護(hù)理機器人的工作狀態(tài)。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

二便護(hù)理機器人通電進(jìn)入工作狀態(tài)，自動檢測患者是否大小便，當(dāng)檢測到有排泄物時，會根據(jù)程序判斷，區(qū)分大小便。如果是大便，則程序會執(zhí)行大便沖洗流程。接著進(jìn)行大便清洗流程，對患者私處和屁股進(jìn)行清洗。清洗結(jié)束后，進(jìn)行烘干流程。在烘干流程結(jié)束后，會自動回到檢測流程，重新開始檢測。如果是小便，程序會執(zhí)行小便沖洗流程，與大便沖洗流程相比，小便沖洗用水少，且出水噴頭只有矩形，而大便沖洗噴頭有錐形噴頭。沖洗流程結(jié)束后，進(jìn)行小便清洗流程，對患者私處清洗。最后進(jìn)行烘干流程，小便烘干流程與大便烘干流程只是時間長短不同［5］。烘干流程結(jié)束后回到檢測流程重新開始檢測。

4 總結(jié)

本研究設(shè)計的二便護(hù)理機器人能夠幫助失能老人解決日常大小便問題，患者只需躺在床上就可以進(jìn)行大小便全自動護(hù)理，還會對便后老人的隱私部位進(jìn)行清潔、烘干處理。污水直接流入污物桶，污濁氣體經(jīng)過凈化后排入大氣，環(huán)保衛(wèi)生。目前設(shè)計的二便護(hù)理機器人還存在以下問題，如設(shè)備裝配比較困難、管路不夠柔性，還需要進(jìn)一步修改完善。

總之，二便護(hù)理機器人的設(shè)計極大地減輕了護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)，幫助失能老人解決生活中的排泄護(hù)理問題，具有重要的應(yīng)用前景。由于目前二便護(hù)理機器人的大小便監(jiān)測精準(zhǔn)度較低，還需要在傳感器和算法上做出突破以提高精準(zhǔn)度。