(上海工程技術大學汽車與機械工程學院)

0 引言

據(jù)調(diào)查，到2050年，我國獨居和空巢老年人將占54%以上，他們的養(yǎng)老問題急需解決。由于空巢老人行動不便，有效合理的翻身可以極大的提高老年人的護理效率，同時防止慢性疾病的發(fā)生，有助于老年人的健康。如何對他們進行智能化和高效化的翻身護理是問題的關鍵。本文所設計的多功能翻身系統(tǒng)可以有效的解決空巢老人以及失能人士的翻身問題，使他們享受舒適的翻身過程。

目前為止，國內(nèi)外在康復護理過程中，絕大部分采用人為的翻身，即使是高級智能醫(yī)療床也很少具備翻身功能。市面上極少數(shù)具備翻身功能的醫(yī)療床，只具備簡單地機械翻身功能，在智能化和舒適化方面遠遠不夠。本文所設計的多功能翻身系統(tǒng)是以ARM8/STM32F407為核心板的智能翻身系統(tǒng)，具有分段翻身，分段護理，分段保護，左右翻身的功能。不僅方便了居家養(yǎng)老人員的使用，并且有利于護理人員的日常護理 ，具有極大的實用性和商業(yè)價值。

1 多功能翻身系統(tǒng)的工作原理

多功能翻身系統(tǒng)由兩部分組成。第一部分是機械結(jié)構(gòu)部分，介紹機械結(jié)構(gòu)組成，保證各部分達到安全參數(shù)要求，通過Solid works軟件仿真得到運動軌跡圖，證明機械設計部分的可行性。第二部分為控制系統(tǒng)部分，主要由ARM8/STM32F407核心板模塊，GPIO接口模塊，電源模塊以及控制程序設計部分。

通過點擊上位機界面功能按鍵，實現(xiàn)對翻身系統(tǒng)電機的控制，從而帶動連桿機構(gòu)實現(xiàn)翻身系統(tǒng)的不同功能。可實現(xiàn)功能如下。

1)左右翻身：當用戶由于長久臥床而需要活動時，翻身系統(tǒng)可實現(xiàn)任意角度的翻身，且能夠?qū)崿F(xiàn)左右兩個方向的翻身。

2)分段保護：翻身系統(tǒng)通過大側(cè)翻，小側(cè)翻兩個方式的配合實現(xiàn)對用戶的分段保護。目前，同類具有此翻身系統(tǒng)的護理床市面上暫未出現(xiàn)。

3)分段翻身：此翻身系統(tǒng)針對用戶需要對背部和臀部不同位置進行護理，從而防止用戶由于長期臥床而產(chǎn)生慢性皮膚病。

4)分段護理：考慮到醫(yī)護人員護理任務繁重，翻身系統(tǒng)可以對背部臀部分別進行自動的上下移動，實現(xiàn)不同角度的翻轉(zhuǎn)，大大減輕了醫(yī)護人員的工作量，提高工作效率。

2 機械系統(tǒng)部分

2.1 機械機構(gòu)簡介

護理機器人的翻身系統(tǒng)要實現(xiàn)運動過程中的三個自由度。它由帶傳動裝置，絲杠，滑塊，連桿以及支板組成(如圖1所示)。翻身過程的支板由三臺24 V步進電機控制，可以實現(xiàn)兩個方向的旋轉(zhuǎn)。整個翻身系統(tǒng)由三個圖一的結(jié)構(gòu)組成，在連桿部分裝有3個光電開關，保證運行過程中機構(gòu)運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。這樣設計，可以防止機構(gòu)運行超限而引起的危險性。當用戶做翻身運動時，由三個與圖1相同的結(jié)構(gòu)來做旋轉(zhuǎn)運動。電機帶動兩塊支板做平行運動，實現(xiàn)用戶的小側(cè)翻的運動，防止用戶在大側(cè)翻時滑落。小側(cè)翻結(jié)束，再由兩臺電機帶動兩個連桿機構(gòu)實現(xiàn)大側(cè)翻，角度不超過80度，保證各用戶使用時的安全性和舒適度。大小側(cè)翻的配合即可實現(xiàn)整個翻身運動過程。

如圖1所示，絲杠帶動滑塊左右移動，便可以實現(xiàn)連桿的左右運動，表現(xiàn)在實物中即就是左右翻身運動。這樣設計為了達到不同速度不同角度的翻身需求。通過控制系統(tǒng)控制電機的方向和脈沖實現(xiàn)來實現(xiàn)對速度以及方向的控制。

圖1 左右側(cè)翻身機械結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件仿真驗證

考慮到用戶的使用，翻身系統(tǒng)的安全性顯得尤為重要。本文設計的翻身機構(gòu)最大承載量為200 kg，用戶身高上線為200 mm.可以以此數(shù)據(jù)為參考選擇合理的數(shù)據(jù)，保證在翻身系統(tǒng)的耐壓范圍內(nèi)，有利于進行下一步的仿真實驗[4]。

基于Solid works軟件強大的仿真功能，我們選擇此軟件進行仿真實驗，可以直觀看到實驗結(jié)果，驗證系統(tǒng)運行的可行性。選擇安全范圍內(nèi)的一組數(shù)據(jù)進行仿真實驗，實驗數(shù)據(jù)為，100 kg身高175 mm的用戶。系統(tǒng)運動軌跡圖如2所示。

圖2 基于Solid works軟件仿真軌跡圖

如圖2所示，分別為左翻身和右翻身時系統(tǒng)運動的軌跡圖，選擇正常的用戶進行實驗，系統(tǒng)的運動軌跡平穩(wěn)，呈現(xiàn)出圓弧狀，足以說明此翻身系統(tǒng)可以進行正常的使用，選擇絲杠帶動滑塊的結(jié)構(gòu)滿足設計需求，可以實現(xiàn)翻身系統(tǒng)所需運動，系統(tǒng)方案可行。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設計

智能翻身系統(tǒng)控制部分的核心板為ARM8/STM32F407[6]，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，設計底板模塊，完成硬件系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。核心板通過插針的方式與底板連接，便于設計人員對底板的修改完善。翻身機構(gòu)的控制系統(tǒng)主要組成單元有：電源模塊，東方電機驅(qū)動器，STM32F4核心板，WiFi模塊，GPIO口模塊。STM32F4核心板與底板連接，通過WiFi模塊接收上位機指令，向IO口發(fā)送信號，驅(qū)動驅(qū)動器，控制3臺電機運動來實現(xiàn)翻身運動。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

在此智能翻身系統(tǒng)中，底板電路通過插口與核心板相連，外部電路通過GPIO口與核心板相接，上位機系統(tǒng)通過WiFi模塊與系統(tǒng)進行通訊，保證各個指令的正常操作。

3.1.1 電源電路

電源是一個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提，翻身系統(tǒng)主要由STM32F4核心板控制，因此其供電電路顯得尤為重要。ARM8/ STM32F4開發(fā)板板載電源供電部分原理圖如圖4所示。

圖4 電源電路原理圖

圖中U13為穩(wěn)壓芯片，可以保證電源電壓的穩(wěn)定。外部電機采用24 V電壓供電，但核心板只需要5 V的電源，通過DC_IN用于外部24 V直流電源輸入，經(jīng)過U13 DC-DC芯片轉(zhuǎn)換為5 V電源輸出提供給核心板，以此保證核心板正常運行，對各部分電路進行控制。

3.1.2 外部GPIO口擴展電路

ARM8/ STM32F4核心板有110多個IO口，其中翻身部分只用到21個口，引出的IO口由三部分組成，控制三臺驅(qū)動電機脈沖和方向的6個口，控制9臺光電傳感器的9個口，以及電機失步和過載的信號口6個。脈沖方向信號輸入保證電機正常運行。光電傳感器保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，信號口對可能發(fā)生的電機失步和過載進行報警，提供雙重運行保護。

圖5 外部GPIO口擴展電路原理圖

3.1.3 電機驅(qū)動電路

圖6 驅(qū)動電路原理圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件設計

此多功能翻身系統(tǒng)的程序設計架構(gòu)如圖7所示，翻身系統(tǒng)的運行主要通過功能函數(shù)的調(diào)用來實現(xiàn)，將翻身系統(tǒng)運行函數(shù)放在子函數(shù)中調(diào)用運行可以大大提高系統(tǒng)的運行效率，節(jié)省控制系統(tǒng)的內(nèi)存。

圖7 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

首先對系統(tǒng)進行初始化，系統(tǒng)自動將目前的狀態(tài)顯示在上位機上，由上位機發(fā)送翻身指令：左翻，右翻，以及左右背部護理，左右臀部護理的命令。串口接受指令，若收到指令，調(diào)用對應的功能函數(shù)，可以通過上位機不同按鍵來實現(xiàn)。子函數(shù)執(zhí)行相應的電機程序以及定時器程序，實現(xiàn)翻身系統(tǒng)的正常運行。

4 控制方法簡介

對翻身系統(tǒng)而言保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運行至關重要，但是由于翻身系統(tǒng)負載的不確定性，用戶體重輕重或者身高高低都會對翻身系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的壓迫，機構(gòu)絲杠打滑或者卡殼會導致翻身系統(tǒng)中的一部分或者總體出現(xiàn)暫時性的停滯，這時也會導致其位置發(fā)生過大或者過小的變化，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此翻身系統(tǒng)中加入模糊控制器對其進行控制[3]?？刂破髟韴D如8圖所示。

圖8 控制器原理圖

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用了脈沖數(shù)、關電開關和機械限位三種限位模式，但三者間又存在互相約束關系，如光電開關限位與脈沖運行結(jié)束之間存在不一致情況，甚至相互沖突。因此采用三種控制方法。

脈沖數(shù)和光電限位調(diào)節(jié)回路可以采用模糊控制器，由于翻身系統(tǒng)位置控制過程復雜而且會發(fā)生實時性的變化，脈沖數(shù)和光電的控制要隨著翻身系統(tǒng)位置的變化來調(diào)節(jié)。

在翻身系統(tǒng)運行過程中，為了獲得準確的位置控制規(guī)律，采樣周期應較長。在一個運行周期中控制次數(shù)要多，因此綜合考慮采樣時間最好為1/5左右。采樣三分鐘，采樣偏差為d(k)，采樣偏差的變化為dc(k)，其速度的變化為v(k)，以下用d，dc和k表示，其模糊子集用D,DC和K表示[3]。

D的模糊集M為{NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB}，DC,K的模糊集N,P均為{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}。

如果偏差d的基本論域是{-xd,xd},偏差變化dc的基本論域是{-xdc,xdc}，被控制量k的基本論域是{-xu,xu}。將模糊控制器的并行機構(gòu)的位置控制值和設定偏差D的論域X為{-p,-p+1,…1,0,…,p-1,p}；偏差變化DC的論域為Y={-q,-q+1,…0,…,q-1,q}；控制量K的論域Z為{-l,-l+1,…,0…,l-1,l}。

根據(jù)并行機構(gòu)運行情況確定上面的參數(shù)。首先考慮位置控制過程中的連續(xù)性，為了近似度的充分性，使模糊變量的模糊子集較好的覆蓋論域，量化的等級數(shù)目需要充分的大；再次，考慮到控制中的復雜過程和一些程序的限制，加上參考類似的成功控制的理論知識(當論域元素總數(shù)是模糊子集總數(shù)的 2-3倍時，論域中的各模糊子集分布較為合理)。

D,DC,K的模糊集合的子集合的數(shù)目分別取8,7,7，論述中偏差及其變化量的模糊子集論域中的元素個數(shù)都選為13個(p=q=6),控制量依據(jù)控制對象的特點，選為15個(l=7)。

對輸入變量偏差及其變化做模糊化處理，即就是用量化因子乘以輸入變量。護理機器人雙并行機構(gòu)位置的控制依據(jù)現(xiàn)場的經(jīng)驗一步一步的積累完善，例如：“如若位置變化量較大并且有繼續(xù)變大的趨勢，則減小脈沖數(shù)” ，如何調(diào)整根據(jù)量化因子決定。

確定位置控制變化的原則是：當位置變化的偏差大或者偏大的時候，控制量應該以消除偏差為主；而當位置變化的偏差小的時候，控制量要避免超調(diào)，將系統(tǒng)的穩(wěn)定性作為出發(fā)點[2]。

位置變化控制量的非模糊化以及決策方法采用Mamdani推理法[3-4]，決策出的控制變量的模糊子集(位置控制量的模糊量)。該兩輸入單輸出的二維模糊控制器的控制規(guī)則可寫成下列條件語句形式，即：

ifE=MiEC=NithenK=Pij

(i=1,2,….,8;j=1,2,…,7)

式中,Mi,Ni,Pij分別代表誤差，誤差變化和位置變化控制論域X,Y,Z上的模糊集，則：

R的隸屬函數(shù)：

(x∈X,y∈Y,z∈Z)

若E取為M，EC取N為時的時候，按照模糊推理的合成規(guī)則，位置變化控制量的變化K為：

K=(A×B)R

K的隸屬函數(shù)：

ej，ecj分別為采樣得到的誤差和誤差變化率，kij為計算出的位置控制量 ，在去模糊化過程中我們采用最大隸屬度法。再由X，Y集合中所有元素的組合得到對應的控制量的變化，得到控制表?？刂屏康淖兓怯嬎銠C事先計算好放入內(nèi)存中的。在對誤差和誤差變化值進行模糊化后，對位置進行實時控制?？刂屏康淖兓疷ij可以由查表得到，然后乘以比例因子Ku，從而作為控制器去修正并行機構(gòu)的控制參數(shù)，從而實現(xiàn)并行機構(gòu)的穩(wěn)定運行[5]。

位置矢量控制以及交叉限幅控制較為簡單，在此不再贅述。

5 系統(tǒng)的調(diào)試

智能翻身系統(tǒng)是將ARM8/STM32F407控制板的機構(gòu)與控制器結(jié)合起來調(diào)試的，通過測試，來判斷系統(tǒng)是否可以滿足運行需求。主要通過以下步驟實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試：

1)將開發(fā)好的程序通過串口燒錄到開發(fā)板，連接示波器觀察端口信號是否正常。若正常進行下一步，否則檢查程序和電路板排查故障。

2)打開電源，對整個系統(tǒng)上點，通過WiFi模塊連接上位機，進行功能按鍵選擇，可選則不同的翻身和護理功能檢測系統(tǒng)是否正常運行。

3)分別在空載和負載兩種情況下運行，選擇多個負載進行測試，觀察系統(tǒng)形變，檢測光電系統(tǒng)是否發(fā)揮作用。

經(jīng)過為期半年多的測試，對系統(tǒng)整體硬件和軟件以及控制方法的修改和不斷完善，最終使系統(tǒng)設計滿足可行性需求。經(jīng)過大量的實驗，反復調(diào)試，最終確定了多功能翻身系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠的運行。

6 結(jié)束語

針對目前國內(nèi)外老年人護理的難題，設計出多功能翻身系統(tǒng)[6]。通過對STM32控制板的深入研究和學習，最終確定了以其為主控制板的控制方案。詳細介紹了翻身系統(tǒng)的機構(gòu)設計以及主控制系統(tǒng)軟件硬件的設計，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行對控制方法進行研究，通過仿真軟件繪制系統(tǒng)翻身動態(tài)圖，確定了此翻身系統(tǒng)運行的可行性。此后，將對此系統(tǒng)進行不斷地完善升級，滿足用戶對智能護理產(chǎn)品的需求[7-10]。