劉浩宇，丁皓,施春迅，聶智超，劉雨佳

1.上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院(上海，200093) 2.上海健康醫(yī)學院 醫(yī)療器械學院(上海，201318)

0 引言

隨著現(xiàn)在社會的不斷發(fā)展進步和人們生活水平的提高，我國人均壽命逐步增長，人口老齡化的問題日趨顯著[1-2]。根據(jù)聯(lián)合國預測，到2050年，全球60歲以上的老年人口數(shù)量將到達20.92億，而我國將占據(jù)五分之一左右[3]。長期臥床不起或患有慢性疾病人群對護理床的要求愈發(fā)強烈，目前電動護理床在智能護理床領(lǐng)域的使用非常普遍。如日本八樂夢公司研發(fā)的Stylish Hospital Bed電動護理床[4]，能實現(xiàn)升降靠背和膝蓋、顯示和限制床體角度、護士控制面板等功能；山東建筑大學的譚林等[5]設計了一種新型機器人化護理床，具有支背、屈腿、翻身、語音控制等功能，建立了病人與護理床友好的交互方式。但市場上護理床大多數(shù)都只能滿足單一方面的需求，外觀造型和功能大多相同，無法實現(xiàn)護理床在急救和手術(shù)時的靈活移動性，本文設計了一種分離式可自主移動的多功能護理床，醫(yī)護或家庭成員可通過手機APP遠程控制智能護理床完成相應的機械功能動作；實時監(jiān)測患者的身體重心部位，防止病患在無人看護時墜落；并且在發(fā)生緊急情況時，可實現(xiàn)床體分離并自主移動[6]，避免了病患在手術(shù)床與護理床之間的轉(zhuǎn)移；實現(xiàn)了護理、監(jiān)測和便捷的智能化。

1 護理床整體結(jié)構(gòu)設計

在設計護理床的結(jié)構(gòu)時，主要考慮了以下幾個要求[7]：

1)滿足各種身體姿勢護理的要求；

2)每塊床板的轉(zhuǎn)動角度范圍應參考醫(yī)療保健要求和身體的舒適度；

3)護理床的尺寸結(jié)構(gòu)應符合人機工程學要求，達到一定的可靠性、穩(wěn)定性和安全性；

4)護理床應具有一定的移動性。

本文設計的多功能護理床的三維建模如圖1所示，可實現(xiàn)床體分離和移動。

圖1 護理床三維建模

在設計護理床時，考慮了其功能需求[8]，設計了一款分離式可自主移動的多功能護理床，其具有起背、抬腿、屈腿、翻身、升降和自主移動等功能，在滿足病患日常生活的基本要求下，實現(xiàn)了護理床的自主移動功能。

在設計與人體背部相接觸的面板時，考慮到起背、抬腿、屈腿和翻身機構(gòu)在翻轉(zhuǎn)角度過大，造成身體活動，故在各機構(gòu)面板連接處采用柔性鉸鏈[9]。依據(jù)《中華人民共和國行業(yè)標準-病床》標準，并參考相關(guān)護理床設計，最終確定面板各模塊設計尺寸如圖2所示。

圖2 多功能護理床床板各模塊尺寸示意圖

按照《醫(yī)用電動床安全專用要求》給出的背板、大腿板、小腿板等的調(diào)節(jié)范圍值，在考慮實際使用等因素下，本文設計的護理床各床面板翻轉(zhuǎn)角度如圖3所示。

圖3 多功能護理床各面板翻轉(zhuǎn)角度示意圖

其位姿功能及相應的床面板動作為：

1)起背模塊：面板1、2、3相互配合，同時繞y1軸旋轉(zhuǎn)，4、5、6為臀部鉸鏈。

2)抬腿模塊：面板7、8、9相互配合，同時繞y2軸旋轉(zhuǎn)，帶動鉸鏈10、11、12以及板13運動。

3)翻身模塊：面板1、7與鉸鏈4、10繞x1軸旋轉(zhuǎn)，面板3、9與鉸鏈6、12繞x2軸旋轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設計

多功能護理床系統(tǒng)硬件部分由中央控制模塊、供電電源模塊、電機驅(qū)動電路設計模塊、重心移動監(jiān)測模塊[10]、護理床自主移動模塊等硬件組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 護理床控制系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)的工作流程為：電源模塊為整個系統(tǒng)提供工作電源；手機APP通過藍牙模塊發(fā)送指令給Arduino處理器，Arduino處理器將接收的指令處理后控制相應的IO口高低電平輸入到繼電器控制模塊，進而控制相應的電動推桿運動，實現(xiàn)護理床的各項功能。Arduino控制板通過串口采集重心移動監(jiān)測模塊處理的結(jié)果通過藍牙發(fā)送到手機APP，監(jiān)測患者身體重心在護理床上的移動，到達危險范圍后報警，從而防止墜落。手機APP通過藍牙模塊將指令發(fā)送到Arduino控制板，Arduino控制板將收到的指令轉(zhuǎn)化為PWM等信號傳輸給電機驅(qū)動器，行星減速電機執(zhí)行相應的動作，實現(xiàn)護理床前進、后退、轉(zhuǎn)向等自主移動功能。該流程可實現(xiàn)護理床的多種功能，下文將對各子模塊進行說明介紹。

2.1 中央控制模塊設計

中央控制模塊是護理床的主要核心控制模塊，用于接收和處理指令數(shù)據(jù)包括Arduino處理器設計和藍牙模塊設計等。

2.1.1Arduino處理器

ArduinoUNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺的參考標準模板。主控制器電路選用ATmega328P-PU作為護理床的控制系統(tǒng)的主控芯片[11]，該芯片是一款低功耗8位CMOS單片機基于AVR控制器增強型RISC架構(gòu)，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口(其中6路可作為PWM輸出)，6路模擬輸入，一個16 MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。處理器滿足護理床的電路控制要求。

2.1.2 藍牙模塊

藍牙模塊實現(xiàn)了手機APP與下位機處理器的數(shù)據(jù)通信[12]，本次設計藍牙通信模塊核心芯片采用HC-05藍牙芯片，通過低壓差電壓調(diào)整器RT9193-33連接微處理器，支持藍牙V2.0協(xié)議，兼容大部分微處理器系統(tǒng)，便捷實現(xiàn)手機、電腦等各種帶藍牙的設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

2.2 電源模塊設計

在系統(tǒng)設計中，電機驅(qū)動電路采用24 V供電，其余電路均采用5 V供電，電源模塊的設計包括開關(guān)電源電路[13]和24 V穩(wěn)壓電路，電路采用開關(guān)電源集成芯片LM2596S-ADJ，相比較LM2596和XL4005降壓模塊，其輸出功率可達75 W，輸入電壓3.0～35 V，輸出電流可達3 A，輸出電壓范圍為3～30 V，開關(guān)頻率為150 kHz，可實現(xiàn)開關(guān)電源24 V到5 V的轉(zhuǎn)換。

2.3 電機驅(qū)動電路設計

電機驅(qū)動電路是由ATmega328P-PU控制芯片通過雙向隔離型繼電器控制模塊驅(qū)動24 V直流電動推桿，繼電器接收控制器高低電平信號執(zhí)行電路通斷動作，進而控制各個直流電動推桿運動。

2.4 重心移動監(jiān)測模塊

重心移動監(jiān)測模塊是用于針對病患在床的狀態(tài)，防止意外跌落。本設計采用MPU6050模塊放置在病患的腰部，監(jiān)測病患腰部的空間運動狀態(tài)，設置一個安全范圍，當不在安全范圍內(nèi)，系統(tǒng)將會報警，提醒醫(yī)護人員可能會發(fā)生事故。MPU6050是一種空間運動傳感器芯片[14]，可獲取當前三個加速度分量和三個旋轉(zhuǎn)角速度，可直接使用Arduino控制器通過串口讀取病患在護理床上的空間數(shù)據(jù)變化并發(fā)送到上位機手機APP。

2.5 自主移動模塊

護理床移動床體是由兩后輪差速驅(qū)動，前輪為萬向輪。驅(qū)動電機為100 W行星減速電機，通過24 V雙通道直流有刷電機驅(qū)動器與Arduino控制器相連，其引腳圖如圖6所示，圖6右側(cè)引腳為驅(qū)動器功率接口，M1與M2的A、B口分別對應行星減速電機的引腳線，P+與P-口對應兩個電機的電源正負極輸入，外接24 V電源。左側(cè)1、6口為VCC，2、7口為PWM占空比調(diào)速，3、4、8、9為控制邏輯高低電平信號口，5、x口為隔離電源GND。

圖6 行星減速電機驅(qū)動器引腳圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 上位機軟件開發(fā)流程

上位機界面如圖7所示，上位機軟件基于安卓系統(tǒng)開發(fā)[15]，用戶打開軟件APP，首先APP進行初始化，之后藍牙連接，在藍牙連接成功后，進入界面功能模塊選擇。

圖7 上位機界面圖

在重心移動顯示界面，用戶觀看坐標是否變化來實時顯示重心移動參數(shù)信息；在位姿調(diào)整模式和護理床移動模式中，用戶可以通過觸控相應的按鈕來實現(xiàn)功能；APP通過藍牙將相應的數(shù)據(jù)指令發(fā)送給下位機處理，完成各功能模塊；上位機軟件開發(fā)流程如圖8所示。

圖8 上位機軟件開發(fā)流程圖

3.2 下位機軟件開發(fā)流程

下位機軟件開發(fā)流程如圖9所示，下位機軟件開發(fā)是基于ATmega328P-PU芯片的嵌入式開發(fā)，編程開發(fā)工具采用Arduino IDE，下位機系統(tǒng)上電后，首先初始化單片機的系統(tǒng)時鐘、ADC、計數(shù)器和串口等，之后下位機接收上位機控制系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)指令，對數(shù)據(jù)指令進行解析判斷并執(zhí)行相應的控制模式。其中上位機界面按鈕可實現(xiàn)位姿調(diào)整模式、護理床移動模式和重心移動查詢模式。

圖9 下位機軟件開發(fā)流程圖

4 可靠性測試分析

本次設計加工的分離式可自主移動的多功能護理床的移動床體實物樣機(比例1:2)如圖11所示。

圖10 多功能護理床實物樣機圖

該樣機床板采用起背板、大腿板和小腿板共7塊板組成，臀部板由柔性鉸鏈代替(未安裝)，防止翻轉(zhuǎn)時造成病患腰部受傷，護理床可載重100 kg。

4.1 床體位姿調(diào)整模式測試分析

床體位姿調(diào)整模式實現(xiàn)如下：手機APP通過藍牙模塊發(fā)送控制直流電動推桿指令給ATmega328P-PU處理器，處理器將讀取的數(shù)據(jù)指令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機運動，為了驗證各面板翻轉(zhuǎn)角度的準確性，通過多次設定各面板翻轉(zhuǎn)角度與實際測量的角度作對比，實驗步驟為：先通過APP發(fā)送面板翻轉(zhuǎn)角度；再用萬能角度尺測出實際翻轉(zhuǎn)角度。

其測試結(jié)果如表1所示。

測試結(jié)果顯示：上位機終端可實時控制各個床板的運動，且都存在一定的角度誤差，可能的原因是推桿電機的制動受慣性的影響。最后誤差都在2.5°之內(nèi)，符合設計要求。

表1 床體位姿調(diào)整測試結(jié)果(°)

5 總結(jié)與展望

本文設計了一種分離式可自主移動的多功能護理床，完成了以下工作：

1)通過分析多功能護理床的各項功能，設計了對應的機構(gòu)、繪制三維模型、對護理床底部床架進行力學分析、搭建了相應的控制系統(tǒng)、研制了實驗樣機以及軟件APP。

2)對護理床各功能進行可靠性測試分析，驗證了其功能模塊是可實現(xiàn)的。

在接下來的工作將會完善和優(yōu)化多功能護理床的相關(guān)功能，有醫(yī)院環(huán)境的導航和自主避障、路徑優(yōu)化、床旁機械臂以及康復功能，打造下一代護理機器人。