基于stm32的二便護(hù)理機(jī)器人設(shè)計(jì)

陳新宇，胡冰山，蘇穎兵，陸 盛，喻洪流，陳兆曦

（1上海理工大學(xué) 康復(fù)工程與技術(shù)研究所，上海 200093；2上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心，上海 200093；3江西善行智能設(shè)備制造有限公司，江西 贛州 341000）

0 引 言

二便護(hù)理機(jī)器人是針對行動(dòng)不便、失能半失能老年人所研發(fā)的一種護(hù)理機(jī)器人，其能夠自動(dòng)檢測患者的大小便，并進(jìn)行沖洗、清洗、烘干等操作，幫助老年人實(shí)現(xiàn)大小便自理，緩解護(hù)理人員在處理老年人大小便過程中出現(xiàn)的尷尬和護(hù)理工作環(huán)境臟、累、差的情況，同時(shí)解決患者在護(hù)理過程中易感染、難清洗等問題，有效的替代護(hù)理人員的二便護(hù)理工作。

目前，國內(nèi)外在這個(gè)領(lǐng)域上已經(jīng)做了相關(guān)研究，并且出現(xiàn)了一些成果轉(zhuǎn)化產(chǎn)品。日本的EVERCARE全自動(dòng)大小便智能護(hù)理機(jī)器人和Smilet安寢全自動(dòng)智能排泄處理機(jī)器人，是國外二便護(hù)理機(jī)器人中比較有代表性的。EVERCARE全自動(dòng)大小便智能護(hù)理機(jī)器人，采用機(jī)器與床體結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，加強(qiáng)了人體和大小便斗之間的貼合。管子埋入床體，方便了人體挪動(dòng)，避免了人體與管子碰觸造成感染的風(fēng)險(xiǎn)。但是由于床體和機(jī)器的結(jié)合設(shè)計(jì)，產(chǎn)品需要搭配特定床墊使用，相對提高了使用成本。Smilet安寢全自動(dòng)智能排泄處理機(jī)器人，采用大小便斗與床體分離式設(shè)計(jì)方式，便斗用醫(yī)用軟膠制作，扁平化設(shè)計(jì)，穿戴在人體上，柔軟不傷膚，有效減小了患者長時(shí)間使用出現(xiàn)褥瘡的風(fēng)險(xiǎn)。但缺點(diǎn)在于人機(jī)交互性差，控制面板設(shè)計(jì)較簡單，缺少實(shí)時(shí)信息反饋。

國內(nèi)二便護(hù)理機(jī)器人比較典型的是蘇州伊利諾護(hù)理機(jī)器人與銥鳴智能護(hù)理機(jī)器人。伊利諾二便護(hù)理機(jī)器人，采用微電腦控制技術(shù)、智能檢測技術(shù)，自動(dòng)感應(yīng)患者大小便排泄情況，能夠通過真空水氣分離技術(shù)，進(jìn)行多級處理，實(shí)現(xiàn)大小便沖洗，人體清洗和烘干。護(hù)理機(jī)外部還設(shè)計(jì)有親膚貼片，能夠有效防止局部感染和褥瘡，提升了患者使用的舒適度。銥鳴智能護(hù)理機(jī)器人將便斗與床體合并設(shè)計(jì)，通過便斗下的氣墊充放氣過程，幫助患者排便和透氣。正常的檢測、沖洗清洗、烘干流程與其他二便護(hù)理機(jī)器人基本相同。兩者的缺點(diǎn)都是工作頭便斗設(shè)計(jì)與床體配合，不能單獨(dú)使用。

綜上所述，雖然國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)出了幾款二便護(hù)理機(jī)器人，但是還存在搭配床體使用增加成本和大小便斗定制等問題。本文在充分研究現(xiàn)有護(hù)理機(jī)器人的基礎(chǔ)上，對失能半失能老人二便護(hù)理需求進(jìn)行調(diào)查分析，研發(fā)了一款能夠不需要床體配合，獨(dú)立使用的智能二便護(hù)理機(jī)器人。本文在針對人群的二便護(hù)理功能分析的基礎(chǔ)上，對二便護(hù)理機(jī)器人進(jìn)行總體設(shè)計(jì)；對機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)兩部分進(jìn)行詳細(xì)地描述。

1 二便護(hù)理機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

本文設(shè)計(jì)的二便護(hù)理機(jī)器人所針對的是行動(dòng)不便的老年人及長期臥床的病患等人群。通過調(diào)查這部分人的需求，分析得出二便護(hù)理機(jī)器人應(yīng)具備的主要功能為：二便智能檢測、沖洗、清洗、烘干、除臭消毒、交互控制等。

二便智能檢測要求護(hù)理機(jī)器人能夠自動(dòng)準(zhǔn)確地檢測出患者大小便排出情況，通過沖洗、清洗、烘干人體來幫助患者實(shí)現(xiàn)大小便自理；除臭消毒確保患者有一個(gè)舒適、安全的使用環(huán)境；交互控制功能能夠讓患者和護(hù)理人員更加方便操作，通過簡單地對機(jī)器人下發(fā)指令，控制元件則馬上執(zhí)行對應(yīng)操作。

1.2 模塊構(gòu)成

本文通過上述功能分析，對控制系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行分類。二便護(hù)理機(jī)器人功能模塊主要包括：二便檢測模塊、沖洗清洗模塊、烘干模塊、控制模塊等。檢測模塊負(fù)責(zé)檢測患者排出的大小便及污物桶、凈水桶的液位；沖洗清洗模塊負(fù)責(zé)對工作頭內(nèi)部大小便進(jìn)行沖洗，以及對患者排泄部位進(jìn)行清洗；烘干模塊負(fù)責(zé)對清洗后人體進(jìn)行烘干，保持人體干燥，避免滋生細(xì)菌；控制模塊包括總控制端及其外圍電路，負(fù)責(zé)信號收集、傳輸以及下發(fā)指令，控制元件執(zhí)行對應(yīng)的功能。

2 二便護(hù)理機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二便護(hù)理機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要結(jié)構(gòu)由工作頭和主機(jī)兩部分組成。

圖1 二便護(hù)理機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of the nursing

2.1 工作頭設(shè)計(jì)

二便護(hù)理機(jī)器人工作頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作頭穿戴在人體上，用于檢測識別大小便，并對人體清洗，烘干。工作頭主要包括檢測模塊、沖洗清洗模塊、烘干模塊。檢測模塊利用透光性原理和電容特性，使用紅外對射式傳感器與接近式電容傳感器來檢測使用者的排泄?fàn)顩r；沖洗清洗模塊和烘干模塊，通過工作頭內(nèi)部沖洗管路、清洗管路進(jìn)行工作；烘干風(fēng)路輸送水和熱風(fēng)來達(dá)到?jīng)_洗便斗、清洗和烘干人體的目的。研究中考慮到?jīng)_洗時(shí)所需水壓有所不同，特別設(shè)計(jì)兩種不同的噴頭：矩形噴頭與錐形噴頭。矩形噴頭負(fù)責(zé)沖洗小便，錐形噴頭用來擊碎大便，并配合矩形噴頭進(jìn)行沖洗。工作頭外輪廓裝有軟膠墊，防止患者長期使用產(chǎn)生褥瘡。

圖2 二便護(hù)理機(jī)器人工作頭Fig.2 The working head part of the nursing robot

2.2 主機(jī)設(shè)計(jì)

主機(jī)是存放執(zhí)行元件的地方，其內(nèi)部主要包括凈水桶、污物桶、消毒器、電磁閥、水泵、真空泵、加熱器、活性炭、主控制端等元件。電磁閥用來實(shí)現(xiàn)分路隔離控制，將沖洗水路、清洗水路、烘干風(fēng)路分隔開并加以控制。水泵將加熱器和消毒器處理后的凈水泵出，進(jìn)行沖洗、清洗，再通過真空泵抽負(fù)壓將污物抽入污物桶中。主控制端接受工作頭傳感器信號，下發(fā)指令給各個(gè)執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)功能。主機(jī)部分如圖3所示。

圖3 二便護(hù)理機(jī)器人主機(jī)部分Fig.3 Nursing robot host part

3 二便護(hù)理機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以STM32F407板為核心，利用各傳感器外圍電路與STM32通信，將檢測結(jié)果傳給單片機(jī)，通過STM32的I／O端口控制繼電器，進(jìn)而控制各個(gè)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)功能。選用STM32F407芯片，植入ucosiii嵌入式系統(tǒng)，用以處理二便護(hù)理機(jī)器人不斷檢測和顯示器上位機(jī)運(yùn)行等多個(gè)線程任務(wù)。二便護(hù)理機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 二便護(hù)理機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Control system structure diagram of nursing robot

3.1 傳感器原理與應(yīng)用

二便護(hù)理機(jī)器人的大便傳感器采用紅外對射式傳感器，利用光柵遮擋數(shù)多少來檢測大便這種不透光物體。紅外對射式傳感器安裝于工作頭兩側(cè)，將物體穿過所遮擋的光柵數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過放大器把微弱電壓信號放大后，傳給單片機(jī)I／O口；利用AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)成數(shù)字信號讀取。單片機(jī)內(nèi)部通過判斷信號量的大小，從而判斷患者是否排出大便。

小便傳感器采用接近式電容傳感器，當(dāng)小便流過工作頭便斗時(shí)，傳感器與小便之間的介電常數(shù)發(fā)生變化，由此改變電路狀態(tài)，使得小便傳感器輸出電壓信號，通過輸出的電壓信號判斷患者是否有小便排出。由于液位傳感器原理與小便傳感器原理相同，此處不再贅述。

陀螺儀（角度傳感器）用來檢測患者側(cè)身角度值，并將角度值實(shí)時(shí)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)通過角度傳感器反饋的信息，判斷患者側(cè)身角度是否超過閾值（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)閾值為45°）。當(dāng)角度超過閾值時(shí)，單片機(jī)會發(fā)出指令，使蜂鳴器報(bào)警，警告患者側(cè)身角度太大，二便護(hù)理機(jī)器人無法正常工作。陀螺儀使用IIC接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，通過SCL傳遞時(shí)鐘信息，SDA傳遞數(shù)據(jù)信息。角度傳感器電路如圖5所示。

溫度傳感器使用DHT22，用來測量凈水桶內(nèi)部加熱水溫以及烘干熱風(fēng)溫度。溫度傳感器將檢測到的溫度數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)患者或護(hù)理人員在主控制端設(shè)置的預(yù)設(shè)溫度值來控制加熱器工作，以此來控制水溫和風(fēng)溫，提高患者使用舒適性。溫度傳感器電路如圖6所示，其內(nèi)部包括一個(gè)NTC測溫元件，并與高性能8位單片機(jī)相連接，通過串口傳遞數(shù)據(jù)。

圖5 角度傳感器電路圖Fig.5 Angle sensor circuit diagram

圖6 溫度傳感器電路圖Fig.6 Circuit diagram of temperature sensor

WiFi模塊選用ESP32模塊，通過串口與單片機(jī)連接，進(jìn)而將單片機(jī)與云端連接，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到云端，也能夠通過云端下發(fā)指令給單片機(jī)，控制二便護(hù)理機(jī)器人執(zhí)行對應(yīng)操作。云端通信結(jié)構(gòu)如圖7所示，患者（用戶①）通過主控制端WiFi模塊上傳傳感器數(shù)據(jù)信息給云端；護(hù)理人員（用戶②）利用手機(jī)等能夠連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，通過云端能夠查看一個(gè)或多個(gè)二便護(hù)理機(jī)器人的狀態(tài)信息，并對這些機(jī)器人下發(fā)指令，執(zhí)行對應(yīng)操作。

圖7 云端通信結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Cloud communication structure diagram

3.2 控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

二便護(hù)理機(jī)器人控制系統(tǒng)檢測步驟如下：

（1）機(jī)器人通電，按下啟動(dòng)按鈕進(jìn)入工作狀態(tài)。

（2）對凈水桶和污水桶液位進(jìn)行檢測，當(dāng)兩個(gè)桶的液位均正常時(shí)，開始檢測患者大小便；否則發(fā)出警報(bào)提示音并點(diǎn)亮對應(yīng)警報(bào)燈，提示護(hù)理人員傾倒污水或填裝凈水。

（3）當(dāng)傳感器檢測到信號后，會根據(jù)傳感器傳回的信號判斷是大便還是小便，并進(jìn)入對應(yīng)的沖洗流程。沖洗過程中，水泵與真空泵配合，共同完成沖洗工作。水泵從凈水桶泵出凈水沖洗便斗，真空泵抽負(fù)壓，利用負(fù)壓將沖洗污水排入污物桶。兩種排便沖洗工作只是所用水管路與處理時(shí)間不同，執(zhí)行過程并無本質(zhì)區(qū)別。

在檢測環(huán)節(jié)結(jié)束后，二便護(hù)理機(jī)器人會用熱水和熱風(fēng)對患者身體進(jìn)行清洗和烘干。二便護(hù)理機(jī)器人控制系統(tǒng)清洗烘干流程為：清洗閥打開、水泵工作，泵出凈水清洗患者，真空泵利用負(fù)壓將清洗污水排入污物桶，風(fēng)機(jī)和加熱片開始工作，對清洗后患者身體進(jìn)行烘干。在清洗和烘干環(huán)節(jié)結(jié)束后，機(jī)器重新返回檢測環(huán)節(jié)檢測大小便。

4 檢測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用小塊狀橡皮泥模擬大便、濃度為0.3%氨水溶液模擬小便各自進(jìn)行20次模擬實(shí)驗(yàn)檢測。其中，正確檢測出大便的次數(shù)為14次，正確率約為70%，而小便檢測正確檢測率為100%。

此外，二便護(hù)理機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與云端互聯(lián)，能夠上傳數(shù)據(jù)或從云端發(fā)送指令，控制二便護(hù)理機(jī)器人執(zhí)行對應(yīng)操作。

5 結(jié)束語

本研究所設(shè)計(jì)的二便護(hù)理機(jī)器人雖已初步實(shí)現(xiàn)檢測、沖洗、清洗、烘干等功能，但在細(xì)節(jié)處理上仍存在一些問題。如，檢測精度不高，難以準(zhǔn)確檢測大小便；風(fēng)機(jī)動(dòng)力不足，熱風(fēng)供應(yīng)慢；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，不宜安裝和拆卸等。為了更好地減輕護(hù)理人員負(fù)擔(dān)，幫助老年人實(shí)現(xiàn)大小便自理，還需要進(jìn)一步改進(jìn)整體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，方便安裝和檢查；對風(fēng)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，以保證提供足夠風(fēng)力烘干；深入研究傳感器檢測知識，選擇更合適的傳感器和檢測方法。