陳泓源，何桂馥，唐曉鑫，朱博文，肖海濱，何 巍，李旭輝

（廣州城市理工學(xué)院 工程研究院，廣東 廣州 510800）

0 引言

根據(jù)2022 年第七次全國(guó)人口普查結(jié)果，我國(guó)65歲及以上人口為19064 萬(wàn)，占比13.50%[1]已達(dá)到深度老齡化社會(huì)的指標(biāo)。隨著獨(dú)生子女的父母進(jìn)入老年，養(yǎng)老護(hù)理人手不足的問(wèn)題已引起全社會(huì)的關(guān)注，為此國(guó)家五部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了“關(guān)于促進(jìn)老年用品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)”。包括發(fā)展輔助起身及助行機(jī)器人等老年人生活輔助用品及老年人搬運(yùn)、移位、等護(hù)理用品，提高老年人的生活質(zhì)量和幸福感。本設(shè)計(jì)的自助護(hù)理移位機(jī)器人是一種可用于家庭、醫(yī)院、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)等場(chǎng)所的移位護(hù)理裝置，可由使用者自己操控，在沒(méi)有護(hù)理人員協(xié)助的條件下也能實(shí)現(xiàn)自助移位，解決了現(xiàn)有護(hù)理移位裝置需要護(hù)理人員操作的問(wèn)題，能有效緩解護(hù)理人員人手不足的問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定是根據(jù)護(hù)理移位裝置使用場(chǎng)所的床、椅子、輪椅、坐便器等的高度尺寸及人體尺寸確定的。主要參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的病床[2]、輪椅[3]及市場(chǎng)上的坐便器等的高度尺寸，及我國(guó)成年人人體尺寸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4]?？傮w結(jié)構(gòu)由上部的仿人背抱式托舉機(jī)構(gòu)和下部移動(dòng)底盤(pán)組成，各部分具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

托舉機(jī)構(gòu)由搖臂、胸托、上下兩個(gè)電動(dòng)推桿及膝蓋支撐組成，上下兩個(gè)電動(dòng)推桿分別驅(qū)動(dòng)搖臂和上部的胸托轉(zhuǎn)動(dòng)、以完成將下肢障礙者從坐姿移動(dòng)到胸托上方的動(dòng)作，根據(jù)劉玉鑫等[5]完成的人背人動(dòng)作試驗(yàn)分析可知，人在被背起時(shí)分為前傾、抬升和穩(wěn)定階段，為了使下肢障礙者在被抬起時(shí)有較好的舒適性，在抬起前的準(zhǔn)備工作應(yīng)使下肢障礙者軀干前傾一定角度，增加胸托在抬起方向上的受力面積。參考劉玉鑫等[5]的研究考慮使用者的舒適度、機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角及整體結(jié)構(gòu)尺寸，采用如圖1 所示的2 和3 上下兩個(gè)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)的方式完成托舉動(dòng)作，胸托的運(yùn)動(dòng)軌跡由上下兩個(gè)電動(dòng)推桿的合成運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)是可形成一條由兩個(gè)曲率半徑構(gòu)成的曲線，使胸托的上升軌跡相對(duì)于一個(gè)推桿的圓弧曲線更平緩，患者在上升的過(guò)程中由重力引起的下滑力減小，身體受力相對(duì)合理、舒適度更高，同時(shí)兩個(gè)推桿驅(qū)動(dòng)的托起機(jī)構(gòu)使托起機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)更緊湊。除此之外還設(shè)計(jì)有膝蓋支撐、及手臂支撐，膝蓋支撐安裝在托舉機(jī)構(gòu)的搖臂上，傾斜角度可根據(jù)不同使用者進(jìn)行調(diào)整，在托舉過(guò)程中支撐膝蓋部位，可分擔(dān)胸托的受力，減小胸部的壓迫感，同時(shí)增強(qiáng)患者移位過(guò)程中的穩(wěn)定性。手臂支撐安裝在胸托前方，主要用于在托起過(guò)程中支撐患者的雙臂，在托起過(guò)程中，手臂支撐與胸托同步旋轉(zhuǎn)，保證托起全程患者手臂都能得到良好的支撐以解放雙手操作控制器。電動(dòng)推桿根據(jù)使用要求進(jìn)行選型，下部電動(dòng)推桿選用直流24 V、行程200 mm、速度28 mm/s、推力2000 N；上部電動(dòng)推桿選用直流24 V、行程150 mm、速度28 mm/s、推力2000 N。

移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，采用中間2 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，兩端各2 個(gè)萬(wàn)向輪的結(jié)構(gòu)。

圖2 底盤(pán)結(jié)構(gòu)示意

兩個(gè)水平對(duì)置的驅(qū)動(dòng)輪采用兩個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)剎車(chē)步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)控制，通過(guò)控制兩輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)向，這種驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制方式使得設(shè)備在行駛過(guò)程中可以圍繞兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪軸線上的任意點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，具有行動(dòng)方便、轉(zhuǎn)向靈活、回轉(zhuǎn)半徑小占據(jù)空間小等優(yōu)點(diǎn)。為了保證驅(qū)動(dòng)輪與地面之間無(wú)打滑現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)輪與地面之間的摩擦力必須大于移動(dòng)底盤(pán)所受到的總的最大阻力[6]，驅(qū)動(dòng)輪采用三導(dǎo)柱豎直起落式懸掛，通過(guò)彈簧的預(yù)緊力保證驅(qū)動(dòng)輪與地面之間的正壓力,以防止地面不平時(shí)驅(qū)動(dòng)輪懸空或打滑，同時(shí)彈簧能吸收輪子與地面間的剛性沖擊，提高使用者的舒適度。

步進(jìn)電機(jī)根據(jù)使用要求，選擇直流帶剎車(chē)HBS57電機(jī)。驅(qū)動(dòng)輪的選型，驅(qū)動(dòng)輪有整體式，齒圈式和齒塊拼合式3 種。對(duì)于尺寸較大的驅(qū)動(dòng)輪，許多機(jī)器采用齒圈式或齒塊拼合式，由于本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪尺寸較小，故選用整體式驅(qū)動(dòng)輪。材質(zhì)選用天然橡膠作為主要原料的橡膠輪，輪轂為6061 鋁合金，具有緩沖外界沖擊，減少震動(dòng)，輕量及使用壽命長(zhǎng)等特性。萬(wàn)向輪選用聚氨酯鋁芯萬(wàn)向輪，因其具有質(zhì)輕、隔音、耐磨、耐老化、硬度高有彈性等優(yōu)點(diǎn)。

2 控制系統(tǒng)

考慮到STM32 單片機(jī)兼容性好，支持各種主流操作系統(tǒng)，后期維護(hù)方式更方便快捷，數(shù)據(jù)采集功能強(qiáng)，在內(nèi)部接口方面設(shè)置了模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用高級(jí)定時(shí)器代替了現(xiàn)有的傳統(tǒng)通用性定時(shí)器，能夠在不影響中央處理單元的運(yùn)行效率的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，且價(jià)格較低，因此控制系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)作為主控系統(tǒng)，用于執(zhí)行程序中設(shè)定的各項(xiàng)指令，控制各個(gè)執(zhí)行元件的工作狀態(tài)，相互配合，完成整個(gè)機(jī)器人的托舉、移位和復(fù)原的動(dòng)作。操作方式有兩種選擇。手執(zhí)遙控器控制和自動(dòng)循跡。

（1）手執(zhí)遙控器控制機(jī)器人托起機(jī)構(gòu)的托起、復(fù)位、下部底盤(pán)的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。機(jī)器人不用時(shí)停放在指定的待機(jī)位置，開(kāi)始使用時(shí)用遙控器召喚到使用位置。患者的初始位置為坐姿，胸部靠緊機(jī)器人托舉機(jī)構(gòu)的胸托，要求托舉機(jī)構(gòu)在托起患者的過(guò)程中移動(dòng)底盤(pán)鎖住不動(dòng)，托舉機(jī)構(gòu)到達(dá)托舉結(jié)束位置后要松開(kāi)鎖緊裝置，下部移動(dòng)底盤(pán)開(kāi)始移動(dòng)，移動(dòng)到目的地后，移動(dòng)底盤(pán)鎖住不動(dòng)，托舉機(jī)構(gòu)開(kāi)始下降患者恢復(fù)坐姿，不用時(shí)機(jī)器人回到指定的待機(jī)位置。

（2）自動(dòng)紅外循跡功能，循跡的工作原理為：通紅外傳感器檢測(cè)機(jī)器人是否位于磁條中央，如發(fā)生偏離會(huì)向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，控制底盤(pán)左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行調(diào)整，使機(jī)器人沿著紅外傳感器識(shí)別的預(yù)設(shè)路線前進(jìn)。循跡的基礎(chǔ)路線大致為：待機(jī)位置（充電器位置）、床邊、衛(wèi)生間（坐便器）、客廳等常去的場(chǎng)所。通過(guò)超聲波傳感器識(shí)別障礙物，當(dāng)識(shí)別到障礙物時(shí)，傳感器能夠發(fā)出警報(bào)并減速剎車(chē)，通過(guò)遙控器繞開(kāi)障礙物繼續(xù)循跡到達(dá)目的地，移動(dòng)底盤(pán)鎖住不動(dòng)，托舉機(jī)構(gòu)開(kāi)始下降患者恢復(fù)坐姿，不用時(shí)機(jī)器人回到指定的待機(jī)位置。

運(yùn)動(dòng)控制流程如圖3 所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制流程

3 樣機(jī)制作

樣機(jī)制作根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)所有零部件進(jìn)行計(jì)算校核、選擇電動(dòng)推桿和步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等的型號(hào)，通過(guò)虛擬裝配確認(rèn)設(shè)計(jì)無(wú)誤后，采購(gòu)零部件及材料進(jìn)行加工組裝。步進(jìn)電機(jī)采用57 系列兩相閉環(huán)混合式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)參數(shù)

上述57 系列兩相閉環(huán)混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 驅(qū)動(dòng)器參數(shù)

完成的樣機(jī)如圖4 所示。經(jīng)測(cè)試下部推桿的驅(qū)動(dòng)使胸托的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可達(dá)32°，上部推桿可使胸托轉(zhuǎn)動(dòng)15°，初始狀態(tài)下胸托平面與水平面成65°，托起狀態(tài)下，胸托與水平面成18°，滿足設(shè)計(jì)要求，移動(dòng)底盤(pán)可按控制要求移動(dòng)。

圖4 樣機(jī)

4 設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

（1）本自助護(hù)理移位機(jī)器人的移動(dòng)底盤(pán)裝有兩個(gè)單獨(dú)控制的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用單片機(jī)編程控制，可由被護(hù)理者自己操作，有別于同類(lèi)護(hù)理移位裝置行走時(shí)需要護(hù)理人員手推，可解決護(hù)理人員人手不足的問(wèn)題，提高被護(hù)理者的生活便利性。

（2）胸托運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)，通常的仿人背抱式托起機(jī)構(gòu)，胸托繞安裝點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為一段圓弧，本設(shè)計(jì)采用上下兩個(gè)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，胸托的運(yùn)動(dòng)軌跡是搖臂在下部電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)下繞安裝點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)和胸托連桿機(jī)構(gòu)在上部電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)共同完成的，其合成軌跡是橢圓曲線的一部分，使人在被托起過(guò)程中的下滑力減小，舒適度提高。

（3）移動(dòng)底盤(pán)在設(shè)計(jì)，有別于其他同類(lèi)產(chǎn)品的4輪設(shè)計(jì)，采用中間兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，兩側(cè)各兩個(gè)萬(wàn)向輪的結(jié)構(gòu)，使底盤(pán)可繞中間的驅(qū)動(dòng)輪回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)半徑是4輪結(jié)構(gòu)的一半，可在更小的空間使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的初衷是為了解決家庭和養(yǎng)老機(jī)構(gòu)護(hù)理人員不足的問(wèn)題，節(jié)省養(yǎng)老護(hù)理工作中的人力資源，設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)主要有2 個(gè)：（1）托舉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)，尤其是上部連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，充分考慮了使用者被托舉過(guò)程中的受力狀況，以保證托舉過(guò)程的舒適度；（2）該裝置為了解決養(yǎng)老護(hù)理人手不足的問(wèn)題，采用了自動(dòng)循跡和手動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式，具有自助移位功能，可幫助使用者在無(wú)人護(hù)理下自主移動(dòng)，豐富了移位輔助產(chǎn)品的種類(lèi)，為不同使用人群提供更多的選擇。