基于PLC的智能洗浴機器人控制系統(tǒng)設計

曾 艷, 崔丹丹，戴 琨, 王海龍

（唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北 唐山 063299）

0 引言

據統(tǒng)計，至 2050 年，中國老年人口將會達到全國總人口的30%以上。隨著老年人數量不斷增長，越來越多的老人需要照顧，但由于社會壓力，子女無法實時陪伴。隨著科技進步，國家提出了一系列“智慧養(yǎng)老”政策，提出了很多方案，并開發(fā)出很多輔助老年人生活的產品。經調查，多數老年人生活中遇到的較大困難為洗澡難，及多數意外傷害也發(fā)生在洗澡過程中，市場上雖然老年助浴產品比例在不斷增高，但遠遠不能達到所需[1]。最早研究助浴產品的國家為日本，1970年就設計出了全自動超聲波的洗澡機。經過不斷地迭代更新，2015年日本推出了自動洗澡機，可實現(xiàn)自動清洗、自動汗蒸、自動清潔和消毒[2]。之后，Kim 等人設計出蹺蹺板浴缸[3]，主要助力于殘疾人洗浴。松下、海爾等公司也相繼設計出淋浴產品。2017年，美國一家公司推出了多功能的“步入式”浴缸。在國內，也有大量學者對此方面展開研究，其中陳軍華等人在2014年研制了一種自動搓背機器人系統(tǒng)[4]。之后，尚振東等人采用彈性鋼板和粘貼應變式力傳感器設計了一種自動搓背裝置[5]。2017年，輔助沐浴移動床[6]被設計出，隨后，老人沐浴椅也被推出[7]，以防止老人洗浴過程意外摔倒。2021年，杜露露等人推出一款老人智能洗浴裝置原型[8]，理論上可實現(xiàn)全身清洗。由此可見，國內出現(xiàn)的很多款主流洗浴設備大多數都結構簡單，不智能，而國外較多產品又非常昂貴，大多數改變了傳統(tǒng)的洗浴方式，因此，亟待開發(fā)一種老人智能洗浴設備，使其更智能、更舒適，成本更低。

基于此，項目團隊近兩年一直致力于智能洗浴機器人的研究，旨在解決老人洗浴中的3個難題：1）自主搓洗的困難；2）水流調節(jié)不便的問題；3）易滑倒、摔傷的安全問題。設計了智能洗浴機器人[9]的機械結構、水路和水電分離、安全防護部分，在此基礎上，本文重點對智能洗浴機器人的電氣控制系統(tǒng)進行研究并設計，使其能夠實現(xiàn)自動開啟、自動搓洗、自動噴水、智能按摩的功能，滿足老年人的需求。

1 控制系統(tǒng)設計

1.1 設備功能分析

本項目團隊所開發(fā)的智能洗浴機器人可支持站姿和坐姿洗浴，整體外觀模型圖和水路設計如圖1和圖2所示。根據市場需求確定設備的所需功能為：1）可初始化，可自動檢測人體位置，整個搓洗過程可模擬人體真實洗澡過程；2）搓澡儀可上下移動1.6 m，具有反復移動功能，滿足全身清洗，移動速度可調節(jié)；3）搓澡儀可自動識別并調整搓洗角度，可適應人體凹凸不平曲線；4）設備可實現(xiàn)自動噴水和噴沐浴液；5）設備具有斷電保護功能，并具有安全可靠的防水、防潮措施，保證安全洗浴。

圖1 外觀模型圖

圖2 水路設計圖

1.2 設計思路

根據產品機械結構及所需功能，可將整個電氣控制系統(tǒng)分為4個部分：啟?？刂?、水路控制、搓澡儀角度控制、搓澡儀移動控制?？紤]到現(xiàn)場使用信號抗干擾的問題，本系統(tǒng)采用可編程控制器（Programmable Logic Controller,PLC）作為控制核心。各部分的設計思路如下。

1）啟?？刂?。在啟動控制中，將搓澡儀上部安裝一對漫反射傳感器，當人在指定位置時，按下啟動按鈕，搓澡儀自動上升，檢測到人體肩部后停止運行。停止時，搓澡儀角度復原，回到系統(tǒng)定義原點。

2）水路控制。在水路控制中，設備背面通過3個電磁閥和三通的巧妙設計變“一進水”為“四出水”，當總控電磁閥和控水電磁閥工作時，水從入水口進入1號噴水花灑和2號噴水花灑。當總控電磁閥和控沐浴液電磁閥工作時，則水經過沐浴液箱進入1號噴沐浴露花灑和1號噴沐浴露花灑。

3）搓澡儀角度控制。搓澡儀旁邊安裝有2對對射傳感器，4個角點位置安裝有電動推桿，可實時檢查人體曲線，根據檢測人體曲線可控制上面和下面的電動推桿伸出的距離，從而可使搓澡儀與人體緊密貼合。

4）搓澡儀移動控制。該設備機械設計中采用絲杠螺母運動副實現(xiàn)豎直移動，電氣控制中使用步進電機控制絲杠運動，從而帶動搓澡儀進行上下移動。

2 硬件的選型

1）電機選型。通過與不同類型電機對比，最終從動力和轉矩以及成本上，選擇了86EBP111軸徑14 mm的 DC60 V步進電機。電機與傳動機構采用軸連接方式，具有能耗低、震動小、噪音小的特點。

2）傳感器。本設計選用2對通用PNP常開型對射光電傳感器（DC6～36 V），以滿足人體背部曲線檢測需要；選用2個NPN常開型的接近開關，以滿足上下限位檢測需要；選用1對可任意調整NPN型紅外傳感器，以滿足人體肩部檢測需要。

3）電磁閥。通過分析水路壓力及噴水路、噴沐浴液路互相配合的問題，對水路部分進行“三通三閥”設計，并選擇DC24 V 常開式（通電關閉、斷電打開）DN10（內徑15 mm）電磁閥進行控制。

4）電動推桿。根據設備運行過程的推出距離，本 設 計 選 用 4 個 DC12 V 、推力60 N、推程50 mm、長度142 mm、防水等級IP65級的電動推桿。將4個電動推桿設定在矩形的4個角點位置，以實現(xiàn)搓澡儀推力及推程大、噪音小、防水等級高、效率高等特點。

3 硬件設計

3.1 系統(tǒng)I/O分配

根據上述設備功能和具體硬件選型，確定系統(tǒng)的輸入、輸出如表1所示。輸入信號共8個，輸出信號為10個，因此，所用CPU的型號為CPU1215C，電源類型為DC/DC/DC。

表1 系統(tǒng)I/O分配表

3.2 系統(tǒng)硬件結構圖

所設計的控制系統(tǒng)主要包括啟停控制、水路控制、搓澡儀角度控制、搓澡儀移動控制，各部分控制中信號流向如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結構圖

4 軟件設計

根據控制要求，本設備實現(xiàn)一次自動清洗的流程為：啟動程序上電自動復位，等待傳感器檢測人體后進行啟動。按下啟動按鈕，設記錄人體曲線軌跡，通過紅外傳感器自動找到肩部位置，開始清洗。先噴水2 min，之后在洗澡過程中每隔5 s噴水3 s，搓澡儀在絲杠螺母運動副的帶動下，重復著“下降50 mm，停留0.5 s，上升40 mm，停留0.5 s”的循環(huán)過程，期間，如果遇到身體曲線變化，上下兩對對射式光電傳感器信號發(fā)生變化，從而控制上面和下面的電動推桿伸出不同距離，使搓澡儀與人體緊密貼合，搓洗完畢后，搓澡儀返回到肩部位置，同時噴灑沐浴液20 s，搓澡儀再重復上述過程，最后噴水30 s，洗澡結束。系統(tǒng)控制程序采用LAD語言編寫，程序框架為一個主程序和一個搓澡儀角度調整的子程序，各部分程序的具體流程如圖4和圖5所示。

圖4 主流程圖

圖5 搓澡儀搓洗流程圖

5 結論與討論

本項目團隊在已開發(fā)智能洗浴機器人機械結構基礎上對設備的電氣控制系統(tǒng)進行了設計，通過對設備的軟硬件設計、軟硬件模擬調試及設備的綜合調試，所設計的控制系統(tǒng)基本可完成所要求的自動噴水、模擬搓洗等功能，可實現(xiàn)了設備的智能化運行，為“智慧養(yǎng)老”服務。但是，在該設備的控制系統(tǒng)中，安全防護設計需進一步改善，即不僅僅在機械結構上實現(xiàn)水電隔離，以及只做短路保護、漏電保護等措施，在運行過程中需專門開發(fā)電氣保護的措施。