二便護理機器人的方案設計

陳新宇，胡冰山，蘇穎兵，陸盛，喻洪流

1.上海康復器械工程技術研究中心（上海，200093）

2.上海理工大學康復工程與技術研究所（上海，200093）

0 引言

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

目前，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了一些產(chǎn)品，并進行了相關研發(fā)。國內(nèi)銥鳴智能護理機器人設計有待機狀態(tài)和工作狀態(tài)2種，在待機狀態(tài)下大小便斗與人體不充分貼合，能夠保證皮膚通風透氣［2］。在檢測到大小便后，設備進入工作狀態(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理機器人相同。但該智能護理機器人需要與特殊設計的床體配合使用。“快潔”臥床人體大小便智能護理器能夠針對臥床患者的個體特征和體型特征，設計男女不同類型，大中小不同尺寸的人機接口穿戴部分，以及扁平化的大小便收集器，提高了使用者的舒適性。該護理器缺點在于二便采集裝置不能通用，需要個性化的定制，并需要配備定制的采集裝置。

綜上所述，目前已有的二便護理機器人普遍存在需要床墊配合，工作頭穿戴困難及需要個性化定制等問題。本研究在現(xiàn)有二便護理機器人及長期臥床患者二便護理需求的基礎上，設計出一款智能二便護理機器人。

1 二便護理機器人總體設計

1.1 功能需求及工作原理分析

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

二便智能檢測是指護理機器人能夠自動檢測患者是否進行大便或小便。沖洗、清洗及烘干功能是指機器人檢測到大小便后，對工作頭內(nèi)的大小便沖洗，將大小便排入污物桶。接著對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，利用除臭劑和真空泵配合對管路和污物桶除臭。人機交互控制功能是指患者或護理人員可以通過手機、控制面板或其他人機交互設備來控制調(diào)節(jié)和獲取二便護理機器人的工作狀態(tài)。

1.2 二便護理機器人總體方案

根據(jù)上述功能分析，得出二便護理機器人的總體方案設計（圖1）。二便護理機器人包括二便智能檢測模塊、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、人機交互模塊、WiFi模塊、電源模塊）等幾部分。

圖1 二便護理機器人總體設計方案Fig. 1 The overall design scheme of the robot for urine and feres

2 二便護理機器人結構設計

二便護理機器人在結構上主要分為工作頭和主機2部分。工作頭是人機交互的接口，負責搜集大小便、放置采集患者大小便信息的傳感器及沖洗、清洗和風干的出風口與出水口。主機中放置了凈水桶、污水桶、風機、真空泵及控制器等元件。

2.1 二便護理機器人工作頭

工作頭部分主要負責檢測大小便信號和用噴頭對槽體沖洗及對人體清洗、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別人體大小便。清洗水路噴頭噴出溫熱凈水清洗人體。烘干風路噴頭出熱風烘干人體，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。矩形噴頭負責沖洗小便，錐形噴頭用來擊碎大便，并配合矩形噴頭沖洗大便。排污管道用來將工作頭內(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 二便護理機器人主機

二便護理機器人主機部分包括電磁閥、消毒器、活性炭、污物桶、水泵、風機、控制器、凈水桶、腳輪等元件。電磁閥負責將水路和氣路分開。消毒器負責對水泵抽出的凈水消毒，避免滋生細菌。活性炭負責對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，方便護理人員更換。水泵從凈水桶抽出凈水以供沖洗和清洗。風機配合加熱片給工作頭送熱風，烘干人體。控制器接收傳感器信號，通過內(nèi)部程序發(fā)出指令，執(zhí)行對應的流程，是總控制元件。主機殼體內(nèi)層鋪設有隔音材料，避免設備運行時產(chǎn)生噪音［3］。

3 二便護理機器人控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設計

二便護理機器人硬件連接，見圖2。智能檢測模塊將傳感器信號傳輸給控制器，（STM 32單片機）。溫控開關控制加熱棒調(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。沖洗清洗模塊通過水泵將凈水泵出，經(jīng)過紫外線消毒器消毒后，由電磁閥分路，分別對大小便沖洗、清洗，真空泵在人和工作頭內(nèi)部形成負壓，將污物抽送至污物桶，將臭氣抽送至除臭管路通過活性炭吸附臭氣［4］。液位警示模塊包括液位傳感器、語音芯片和喇叭3部分。

圖2 二便護理機器人硬件連接圖Fig.2 Hardware connection diagram of the urine and feces

液位傳感器檢測凈水桶和污物桶的液位，產(chǎn)生高低電平信號傳輸給STM 32的I/O口，STM 32控制語音芯片通過喇叭發(fā)出報警聲音，提醒護理人員更換污物桶或供給凈水桶加水。WiFi模塊通過RS232串口與STM 32相連，用于無線連接，Android設備可以通過WiFi模塊遠程查看多個護理機器人的工作狀態(tài)并進行控制。顯示模塊通過I/O口與stm32相連，可以顯示當前護理機器人的工作狀態(tài)。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設計

二便護理機器人通電進入工作狀態(tài)，自動檢測患者是否大小便，當檢測到有排泄物時，會根據(jù)程序判斷，區(qū)分大小便。如果是大便，則程序會執(zhí)行大便沖洗流程。接著進行大便清洗流程，對患者私處和屁股進行清洗。清洗結束后，進行烘干流程。在烘干流程結束后，會自動回到檢測流程，重新開始檢測。如果是小便，程序會執(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。沖洗流程結束后，進行小便清洗流程，對患者私處清洗。最后進行烘干流程，小便烘干流程與大便烘干流程只是時間長短不同［5］。烘干流程結束后回到檢測流程重新開始檢測。

4 總結

本研究設計的二便護理機器人能夠幫助失能老人解決日常大小便問題，患者只需躺在床上就可以進行大小便全自動護理，還會對便后老人的隱私部位進行清潔、烘干處理。污水直接流入污物桶，污濁氣體經(jīng)過凈化后排入大氣，環(huán)保衛(wèi)生。目前設計的二便護理機器人還存在以下問題，如設備裝配比較困難、管路不夠柔性，還需要進一步修改完善。

總之，二便護理機器人的設計極大地減輕了護理人員的負擔，幫助失能老人解決生活中的排泄護理問題，具有重要的應用前景。由于目前二便護理機器人的大小便監(jiān)測精準度較低，還需要在傳感器和算法上做出突破以提高精準度。