石春花，秦浩天，張玉平，王宇，潘峰

長治醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長治 046000

引言

隨著老齡化社會的提前到來和“空巢家庭”的日趨增多，越來越多的老年人“照顧缺位”[1-4]；同時，我國已逐漸進入醫(yī)療改革和發(fā)展的第三階段，社區(qū)醫(yī)院不斷興起[2]。用何種方式來完成部分生活不能自理的老人或其他所需人群的家庭、社區(qū)護理任務(wù)，已經(jīng)成為亟待解決的一個社會問題。由此引發(fā)了醫(yī)療護理領(lǐng)域的研究熱潮，涌現(xiàn)出大量的優(yōu)秀產(chǎn)品[5-7]，但其中存在的問題也較多，仍然不能滿足日常護理中的多樣化需求。比如，高端智能產(chǎn)品以國外研發(fā)為主，且成品價格昂貴，操作繁瑣，不適用于日常護理或自理；中低端產(chǎn)品魚目混珠，大多以護理為噱頭，存在不實用或功能雞肋的窘境?；诖?，我們本著造價低廉、功能實用、操作簡單、可后續(xù)擴展的基本理念，設(shè)計了本款多功能護理裝置，具有抓癢、輸液、上藥等功能，使其更家庭化、社區(qū)化，為解決基本護理提供一定的幫助。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由四個模塊構(gòu)成：控制模塊、抓癢模塊（或裝置）、輸液模塊、上藥及其他擴展模塊，整體框架結(jié)構(gòu)，見圖1。其中，抓癢模塊和輸液模塊為主功能區(qū)，背部上藥模塊為擴展功能區(qū)。

圖1 系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖

圖1中，控制模塊由STM32芯片構(gòu)成，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的8路PWM波，引入10個外部中斷用于實現(xiàn)彩屏顯示和按鍵切換等功能；抓癢模塊包含四個舵機[8-10]和一個傳輸裝置，舵機負責(zé)調(diào)整空間位置，實現(xiàn)全方位覆蓋，傳輸裝置主要由對心曲柄滑塊結(jié)構(gòu)組成，帶動撓爪進行往復(fù)運動輸液裝置利用液位傳感器控制氣泵開關(guān)，實現(xiàn)液體流速的控制；背部上藥結(jié)合了抓癢裝置的定位以及氣泵的流量控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 抓癢裝置硬件的設(shè)計

以手臂的結(jié)構(gòu)和運動為原理[11-15]，設(shè)計臂狀抓癢裝置，包含四個舵機和一個傳動裝置，以實現(xiàn)抓癢運動的空間全方位性，見圖2。

圖2 裝置的結(jié)構(gòu)組成與實物圖

（1）爪子模塊的選擇和設(shè)計。爪子采用亞克力板，材料輕便，價格低廉，電機的額外功耗低，且與皮膚的匹配性適合。置于最前端，后接舵機。

（2）傳動模塊的選擇和設(shè)計。傳動模塊核心為對心曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，如圖3所示。使用步進電機做動力，通過PWM波在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。與直線電機[16]或液壓桿驅(qū)動相比，成本低且在速度和適用性上滿足產(chǎn)品工藝化。

圖3 對心曲柄滑塊原理圖

（3）關(guān)節(jié)和手臂的設(shè)計。關(guān)節(jié)由舵機構(gòu)成，用于空間定位，與手臂構(gòu)成了四自由度的調(diào)節(jié)[17-19]，控制爪子到達指定部位實現(xiàn)抓癢操作，本裝置選用的是15 kgm的大扭力舵機，可靈活調(diào)節(jié)手臂空間位置，基本可覆蓋360°，滿足日常護理中所需的全方位抓癢。

2.2 輸液裝置硬件設(shè)計

輸液裝置包含氣泵和多個傳感器，其原理構(gòu)成，見圖4。

圖4 液體容器槽構(gòu)成圖

外觀設(shè)計為液體槽狀，可置于任何水平面，替代了傳統(tǒng)輸液裝置的高位懸掛式，節(jié)省空間，安置簡便。輸液槽從中間分開，左右各一個放置液體的容器，便于輪流使用、及時更換。液體容器槽實物圖，見圖5。

2.2.1 速度控制

自動換藥和速度控制功能的實現(xiàn)依賴于對氣泵的精確控制。通過按鍵，調(diào)節(jié)高電平持續(xù)時間達到對氣泵出氣量的調(diào)整，繼而實現(xiàn)調(diào)節(jié)液體的流速。

圖5 液體容器槽實物俯視圖

2.2.2 報警裝置

采用外貼式液位傳感器對液體進行實時監(jiān)控，輔助進行報警。當藥液處于完成的臨界狀態(tài)時，液位傳感器工作燈熄滅，STM32引入外部中斷，停止氣泵工作，結(jié)束輸液。同時，顯示屏提醒藥液需更換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 抓癢與顯示

抓癢裝置在開始工作前可以處于任意收納狀態(tài)，打開電源后，根據(jù)此時裝置的狀態(tài)，依據(jù)所需抓癢部位的空間位置，通過按鍵進入中斷，利用PWM波控制四個關(guān)節(jié)舵機進行0°～180°調(diào)節(jié)，當撓手到達指定位置后，啟動步進電機，控制抓癢速度，并在TFT屏上顯示此時的檔位。

3.2 輸液與顯示

打開電源，設(shè)置兩瓶藥間隔時間，啟動輸液裝置，第一瓶藥液任務(wù)開始，當容器液面到達預(yù)設(shè)位置后，報警啟動，并在TFT上顯示“第一瓶藥液輸液任務(wù)結(jié)束”；與此同時，第二瓶液體的氣泵啟動，如上循環(huán)。具體流程，見圖6。

4 系統(tǒng)評測

本護理裝置主要涉及抓癢和輸液兩個主功能，適用范圍較廣，可用于日常的家庭、社區(qū)、醫(yī)院護理。抓癢裝置中超長的仿手臂可根據(jù)關(guān)節(jié)隨意折疊，收納不占用太大空間。工作時，可懸掛，可墻面固定，可掛肩等，工作環(huán)境幾乎無限制。對于普通家庭護理，可以通過夾持裝置固定于座椅扶手或床架上，見圖7。輸液槽的設(shè)計改變了傳統(tǒng)輸液方式，取代了傳統(tǒng)的高位懸掛式，可置于任何水平面，安置便利，節(jié)省護理空間?？蓪⑤斠浩鞯木€路貼附在仿手臂的抓癢機械裝置上，也可自由掛置床架或支架等。本次系統(tǒng)的評測主要在實驗室進行。

4.1 抓癢裝置評測

將抓癢臂固定于座椅扶手（圖7），啟動電源，通過按鍵控制四個舵機，調(diào)整其到達相應(yīng)的位置，此時為座椅人員的背部，啟動步進電機。速度為最低檔位（慢），選擇相應(yīng)按鍵，依次測試慢（按鍵1）、中等（按鍵2）、快（按鍵3）、較快（按鍵4）四個檔位。評測表明，不同按鍵正確代表了不同的抓癢力度，隨著電機速度的增加，抓癢的力度也隨之提高。另外，不斷調(diào)整舵機的方向可以使抓癢臂的活動范圍涉及整個背部。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

圖7 抓癢臂工作圖（固定于座椅）

4.2 輸液裝置評測

輸液裝置工作流程，見圖8。

（1）啟動裝置，氣泵工作15 s，將輸液管中的空氣排盡，氣泵速度分為慢（40滴/min）、中等（60滴/min）、較快（80滴/min）、快（100滴/min）四個檔位。通過按鍵，分別測試了四檔輸液速度。測試表明，此裝置可以通過不同按鍵的選擇，實現(xiàn)所需的輸液速度。

圖8 輸液工作流程

（2）安全性評測說明。為保障輸液裝置在臨床使用上的安全性，設(shè)計液位傳感器判斷第一瓶藥液剩余量，輸液結(jié)束進行報警。在第二瓶液體容器氣泵開始工作時，可自由設(shè)置時間間隔，保證兩瓶藥液在替換時有充足的安全時間，實現(xiàn)液體輕松替換。另外，輸液管上的藍色調(diào)節(jié)器用于緊急情況下的調(diào)節(jié)控制，防止空氣進入人體。當輸液速度智能控制出現(xiàn)故障時，利用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)滴速的裝置進行安全狀況失控鎖死。

5 討論與結(jié)論

該護理裝置在抓癢和輸液的主功能區(qū)外，還設(shè)置了一個擴展功能區(qū)，包括智能上藥、張貼膏藥、熱敷、按摩等，能借助現(xiàn)有的硬件和軟件程序，在擴展口增加表征功能的簡單硬件設(shè)備即可。這里以擴展功能“上藥”做簡單討論。增加一條輸液氣路和藥物容器，將輸液器的線路貼附在仿手臂的抓癢機械裝置上，調(diào)控撓手離開背部，在仿手臂的前端留出給藥口，通過氣泵的送氣工作，將裝在氣管尾部的藥物通過氣路噴出并涂于患處?；继幬恢玫恼覍づc抓癢位置的控制原理相同。

本文以護理產(chǎn)品中存在的問題為導(dǎo)向，設(shè)計了一款家庭化、社區(qū)化的多功能電動護理裝置，具備抓癢和輸液基本功能，以STM32為主控芯片，利用其強大的8路PWM波實現(xiàn)了對抓癢位置和速度的控制，也實現(xiàn)了對輸液速度和換藥的控制。分析表明，該裝置具有造價低廉、功能實用、操作簡便、后續(xù)擴展等特點，對推動醫(yī)療護理設(shè)備行業(yè)的前進有一定的參考意義。