陳新宇，胡冰山，蘇穎兵，陸盛，喻洪流

1.上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心（上海，200093）

2.上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所（上海，200093）

0 引言

二便護(hù)理是老年人、長(zhǎng)期臥床患者等重要護(hù)理需求之一［1］，目前二便護(hù)理工作均由專(zhuān)門(mén)的護(hù)工完成。人工護(hù)理大小便存在護(hù)理人員工作臟累、異性患者二便護(hù)理尷尬、不利于保護(hù)患者及護(hù)理人員隱私、容易感染、難清洗、氣味大等問(wèn)題。二便護(hù)理機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)到患者是否大小便，并進(jìn)行沖洗、清潔、烘干等操作，有效替代護(hù)理人員的二便護(hù)理工作。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了一些產(chǎn)品，并進(jìn)行了相關(guān)研發(fā)。國(guó)內(nèi)銥鳴智能護(hù)理機(jī)器人設(shè)計(jì)有待機(jī)狀態(tài)和工作狀態(tài)2種，在待機(jī)狀態(tài)下大小便斗與人體不充分貼合，能夠保證皮膚通風(fēng)透氣［2］。在檢測(cè)到大小便后，設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，氣墊充氣，使得大小便斗與人體緊貼，其他流程與之前的護(hù)理機(jī)器人相同。但該智能護(hù)理機(jī)器人需要與特殊設(shè)計(jì)的床體配合使用。“快潔”臥床人體大小便智能護(hù)理器能夠針對(duì)臥床患者的個(gè)體特征和體型特征，設(shè)計(jì)男女不同類(lèi)型，大中小不同尺寸的人機(jī)接口穿戴部分，以及扁平化的大小便收集器，提高了使用者的舒適性。該護(hù)理器缺點(diǎn)在于二便采集裝置不能通用，需要個(gè)性化的定制，并需要配備定制的采集裝置。

綜上所述，目前已有的二便護(hù)理機(jī)器人普遍存在需要床墊配合，工作頭穿戴困難及需要個(gè)性化定制等問(wèn)題。本研究在現(xiàn)有二便護(hù)理機(jī)器人及長(zhǎng)期臥床患者二便護(hù)理需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一款智能二便護(hù)理機(jī)器人。

1 二便護(hù)理機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

1.1 功能需求及工作原理分析

二便護(hù)理機(jī)器人的主要使用人群包括腿腳不便，活動(dòng)能力弱的老年人。根據(jù)上述人群二便護(hù)理的需求，開(kāi)發(fā)二便護(hù)理機(jī)器人的主要功能包括二便智能檢測(cè)、沖洗、清洗及烘干、除臭及消毒、人機(jī)交互控制等。

二便智能檢測(cè)是指護(hù)理機(jī)器人能夠自動(dòng)檢測(cè)患者是否進(jìn)行大便或小便。沖洗、清洗及烘干功能是指機(jī)器人檢測(cè)到大小便后，對(duì)工作頭內(nèi)的大小便沖洗，將大小便排入污物桶。接著對(duì)人體私處和屁股清洗并烘干。除臭是指沖洗工作頭大小便時(shí)，利用除臭劑和真空泵配合對(duì)管路和污物桶除臭。人機(jī)交互控制功能是指患者或護(hù)理人員可以通過(guò)手機(jī)、控制面板或其他人機(jī)交互設(shè)備來(lái)控制調(diào)節(jié)和獲取二便護(hù)理機(jī)器人的工作狀態(tài)。

1.2 二便護(hù)理機(jī)器人總體方案

根據(jù)上述功能分析，得出二便護(hù)理機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)（圖1）。二便護(hù)理機(jī)器人包括二便智能檢測(cè)模塊、沖洗清洗模塊、烘干模塊、控制模塊（包括控制器模塊、顯示模塊、液位警示模塊、污物處理模塊、除臭模塊、人機(jī)交互模塊、WiFi模塊、電源模塊）等幾部分。

圖1 二便護(hù)理機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案Fig. 1 The overall design scheme of the robot for urine and feres

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)器人在結(jié)構(gòu)上主要分為工作頭和主機(jī)2部分。工作頭是人機(jī)交互的接口，負(fù)責(zé)搜集大小便、放置采集患者大小便信息的傳感器及沖洗、清洗和風(fēng)干的出風(fēng)口與出水口。主機(jī)中放置了凈水桶、污水桶、風(fēng)機(jī)、真空泵及控制器等元件。

2.1 二便護(hù)理機(jī)器人工作頭

工作頭部分主要負(fù)責(zé)檢測(cè)大小便信號(hào)和用噴頭對(duì)槽體沖洗及對(duì)人體清洗、烘干。工作頭包括大便傳感器、小便傳感器、清洗水路噴頭、烘干風(fēng)路噴頭、排污管道、沖洗矩形噴頭，沖洗錐形噴頭等元件。大便傳感器和小便傳感器分別識(shí)別人體大小便。清洗水路噴頭噴出溫?zé)醿羲逑慈梭w。烘干風(fēng)路噴頭出熱風(fēng)烘干人體，保證人體干燥。沖洗水路噴頭分為2種，一種是矩形噴頭，一種是錐形噴頭。矩形噴頭負(fù)責(zé)沖洗小便，錐形噴頭用來(lái)?yè)羲榇蟊?，并配合矩形噴頭沖洗大便。排污管道用來(lái)將工作頭內(nèi)大小便輸送到污物桶。翻蓋可以幫助人體固定和保證良好密封性。

2.2 二便護(hù)理機(jī)器人主機(jī)

二便護(hù)理機(jī)器人主機(jī)部分包括電磁閥、消毒器、活性炭、污物桶、水泵、風(fēng)機(jī)、控制器、凈水桶、腳輪等元件。電磁閥負(fù)責(zé)將水路和氣路分開(kāi)。消毒器負(fù)責(zé)對(duì)水泵抽出的凈水消毒，避免滋生細(xì)菌?；钚蕴控?fù)責(zé)對(duì)大小便處理流程中產(chǎn)生的臭氣除臭，防止污染環(huán)境。污物桶則是將污水收集，方便護(hù)理人員更換。水泵從凈水桶抽出凈水以供沖洗和清洗。風(fēng)機(jī)配合加熱片給工作頭送熱風(fēng)，烘干人體?？刂破鹘邮諅鞲衅餍盘?hào)，通過(guò)內(nèi)部程序發(fā)出指令，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的流程，是總控制元件。主機(jī)殼體內(nèi)層鋪設(shè)有隔音材料，避免設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生噪音［3］。

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

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

二便護(hù)理機(jī)器人硬件連接，見(jiàn)圖2。智能檢測(cè)模塊將傳感器信號(hào)傳輸給控制器，（STM 32單片機(jī)）。溫控開(kāi)關(guān)控制加熱棒調(diào)節(jié)水溫，供沖洗清洗模塊使用。沖洗清洗模塊和烘干模塊由STM 32控制。沖洗清洗模塊通過(guò)水泵將凈水泵出，經(jīng)過(guò)紫外線消毒器消毒后，由電磁閥分路，分別對(duì)大小便沖洗、清洗，真空泵在人和工作頭內(nèi)部形成負(fù)壓，將污物抽送至污物桶，將臭氣抽送至除臭管路通過(guò)活性炭吸附臭氣［4］。液位警示模塊包括液位傳感器、語(yǔ)音芯片和喇叭3部分。

圖2 二便護(hù)理機(jī)器人硬件連接圖Fig.2 Hardware connection diagram of the urine and feces

液位傳感器檢測(cè)凈水桶和污物桶的液位，產(chǎn)生高低電平信號(hào)傳輸給STM 32的I/O口，STM 32控制語(yǔ)音芯片通過(guò)喇叭發(fā)出報(bào)警聲音，提醒護(hù)理人員更換污物桶或供給凈水桶加水。WiFi模塊通過(guò)RS232串口與STM 32相連，用于無(wú)線連接，Android設(shè)備可以通過(guò)WiFi模塊遠(yuǎn)程查看多個(gè)護(hù)理機(jī)器人的工作狀態(tài)并進(jìn)行控制。顯示模塊通過(guò)I/O口與stm32相連，可以顯示當(dāng)前護(hù)理機(jī)器人的工作狀態(tài)。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

二便護(hù)理機(jī)器人通電進(jìn)入工作狀態(tài)，自動(dòng)檢測(cè)患者是否大小便，當(dāng)檢測(cè)到有排泄物時(shí)，會(huì)根據(jù)程序判斷，區(qū)分大小便。如果是大便，則程序會(huì)執(zhí)行大便沖洗流程。接著進(jìn)行大便清洗流程，對(duì)患者私處和屁股進(jìn)行清洗。清洗結(jié)束后，進(jìn)行烘干流程。在烘干流程結(jié)束后，會(huì)自動(dòng)回到檢測(cè)流程，重新開(kāi)始檢測(cè)。如果是小便，程序會(huì)執(zhí)行小便沖洗流程，與大便沖洗流程相比，小便沖洗用水少，且出水噴頭只有矩形，而大便沖洗噴頭有錐形噴頭。沖洗流程結(jié)束后，進(jìn)行小便清洗流程，對(duì)患者私處清洗。最后進(jìn)行烘干流程，小便烘干流程與大便烘干流程只是時(shí)間長(zhǎng)短不同［5］。烘干流程結(jié)束后回到檢測(cè)流程重新開(kāi)始檢測(cè)。

4 總結(jié)

本研究設(shè)計(jì)的二便護(hù)理機(jī)器人能夠幫助失能老人解決日常大小便問(wèn)題，患者只需躺在床上就可以進(jìn)行大小便全自動(dòng)護(hù)理，還會(huì)對(duì)便后老人的隱私部位進(jìn)行清潔、烘干處理。污水直接流入污物桶，污濁氣體經(jīng)過(guò)凈化后排入大氣，環(huán)保衛(wèi)生。目前設(shè)計(jì)的二便護(hù)理機(jī)器人還存在以下問(wèn)題，如設(shè)備裝配比較困難、管路不夠柔性，還需要進(jìn)一步修改完善。

總之，二便護(hù)理機(jī)器人的設(shè)計(jì)極大地減輕了護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)，幫助失能老人解決生活中的排泄護(hù)理問(wèn)題，具有重要的應(yīng)用前景。由于目前二便護(hù)理機(jī)器人的大小便監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度較低，還需要在傳感器和算法上做出突破以提高精準(zhǔn)度。