基于stm32的二便護理機器人設計

陳新宇，胡冰山，蘇穎兵，陸 盛，喻洪流，陳兆曦

（1上海理工大學 康復工程與技術研究所，上海 200093；2上?？祻推餍倒こ碳夹g研究中心，上海 200093；3江西善行智能設備制造有限公司，江西 贛州 341000）

0 引 言

二便護理機器人是針對行動不便、失能半失能老年人所研發的一種護理機器人，其能夠自動檢測患者的大小便，并進行沖洗、清洗、烘干等操作，幫助老年人實現大小便自理，緩解護理人員在處理老年人大小便過程中出現的尷尬和護理工作環境臟、累、差的情況，同時解決患者在護理過程中易感染、難清洗等問題，有效的替代護理人員的二便護理工作。

目前，國內外在這個領域上已經做了相關研究，并且出現了一些成果轉化產品。日本的EVERCARE全自動大小便智能護理機器人和Smilet安寢全自動智能排泄處理機器人，是國外二便護理機器人中比較有代表性的。EVERCARE全自動大小便智能護理機器人，采用機器與床體結合的設計方式，加強了人體和大小便斗之間的貼合。管子埋入床體，方便了人體挪動，避免了人體與管子碰觸造成感染的風險。但是由于床體和機器的結合設計，產品需要搭配特定床墊使用，相對提高了使用成本。Smilet安寢全自動智能排泄處理機器人，采用大小便斗與床體分離式設計方式，便斗用醫用軟膠制作，扁平化設計，穿戴在人體上，柔軟不傷膚，有效減小了患者長時間使用出現褥瘡的風險。但缺點在于人機交互性差，控制面板設計較簡單，缺少實時信息反饋。

國內二便護理機器人比較典型的是蘇州伊利諾護理機器人與銥鳴智能護理機器人。伊利諾二便護理機器人，采用微電腦控制技術、智能檢測技術，自動感應患者大小便排泄情況，能夠通過真空水氣分離技術，進行多級處理，實現大小便沖洗，人體清洗和烘干。護理機外部還設計有親膚貼片，能夠有效防止局部感染和褥瘡，提升了患者使用的舒適度。銥鳴智能護理機器人將便斗與床體合并設計，通過便斗下的氣墊充放氣過程，幫助患者排便和透氣。正常的檢測、沖洗清洗、烘干流程與其他二便護理機器人基本相同。兩者的缺點都是工作頭便斗設計與床體配合，不能單獨使用。

綜上所述，雖然國內外已經研發出了幾款二便護理機器人，但是還存在搭配床體使用增加成本和大小便斗定制等問題。本文在充分研究現有護理機器人的基礎上，對失能半失能老人二便護理需求進行調查分析，研發了一款能夠不需要床體配合，獨立使用的智能二便護理機器人。本文在針對人群的二便護理功能分析的基礎上，對二便護理機器人進行總體設計；對機械系統、控制系統兩部分進行詳細地描述。

1 二便護理機器人方案設計

1.1 需求分析

本文設計的二便護理機器人所針對的是行動不便的老年人及長期臥床的病患等人群。通過調查這部分人的需求，分析得出二便護理機器人應具備的主要功能為：二便智能檢測、沖洗、清洗、烘干、除臭消毒、交互控制等。

二便智能檢測要求護理機器人能夠自動準確地檢測出患者大小便排出情況，通過沖洗、清洗、烘干人體來幫助患者實現大小便自理；除臭消毒確保患者有一個舒適、安全的使用環境；交互控制功能能夠讓患者和護理人員更加方便操作，通過簡單地對機器人下發指令，控制元件則馬上執行對應操作。

1.2 模塊構成

本文通過上述功能分析，對控制系統功能模塊進行分類。二便護理機器人功能模塊主要包括：二便檢測模塊、沖洗清洗模塊、烘干模塊、控制模塊等。檢測模塊負責檢測患者排出的大小便及污物桶、凈水桶的液位；沖洗清洗模塊負責對工作頭內部大小便進行沖洗，以及對患者排泄部位進行清洗；烘干模塊負責對清洗后人體進行烘干，保持人體干燥，避免滋生細菌；控制模塊包括總控制端及其外圍電路，負責信號收集、傳輸以及下發指令，控制元件執行對應的功能。

2 二便護理機器人結構設計

二便護理機器人整體結構如圖1所示，其主要結構由工作頭和主機兩部分組成。

圖1 二便護理機器人結構圖Fig.1 The structure diagram of the nursing

2.1 工作頭設計

二便護理機器人工作頭結構如圖2所示，工作頭穿戴在人體上，用于檢測識別大小便，并對人體清洗，烘干。工作頭主要包括檢測模塊、沖洗清洗模塊、烘干模塊。檢測模塊利用透光性原理和電容特性，使用紅外對射式傳感器與接近式電容傳感器來檢測使用者的排泄狀況；沖洗清洗模塊和烘干模塊，通過工作頭內部沖洗管路、清洗管路進行工作；烘干風路輸送水和熱風來達到沖洗便斗、清洗和烘干人體的目的。研究中考慮到沖洗時所需水壓有所不同，特別設計兩種不同的噴頭：矩形噴頭與錐形噴頭。矩形噴頭負責沖洗小便，錐形噴頭用來擊碎大便，并配合矩形噴頭進行沖洗。工作頭外輪廓裝有軟膠墊，防止患者長期使用產生褥瘡。

圖2 二便護理機器人工作頭Fig.2 The working head part of the nursing robot

2.2 主機設計

主機是存放執行元件的地方，其內部主要包括凈水桶、污物桶、消毒器、電磁閥、水泵、真空泵、加熱器、活性炭、主控制端等元件。電磁閥用來實現分路隔離控制，將沖洗水路、清洗水路、烘干風路分隔開并加以控制。水泵將加熱器和消毒器處理后的凈水泵出，進行沖洗、清洗，再通過真空泵抽負壓將污物抽入污物桶中。主控制端接受工作頭傳感器信號，下發指令給各個執行元件，實現功能。主機部分如圖3所示。

圖3 二便護理機器人主機部分Fig.3 Nursing robot host part

3 二便護理機器人控制系統設計

本設計的控制系統以STM32F407板為核心，利用各傳感器外圍電路與STM32通信，將檢測結果傳給單片機，通過STM32的I／O端口控制繼電器，進而控制各個執行元件實現功能。選用STM32F407芯片，植入ucosiii嵌入式系統，用以處理二便護理機器人不斷檢測和顯示器上位機運行等多個線程任務。二便護理機器人控制系統結構如圖4所示。

圖4 二便護理機器人控制系統結構Fig.4 Control system structure diagram of nursing robot

3.1 傳感器原理與應用

二便護理機器人的大便傳感器采用紅外對射式傳感器，利用光柵遮擋數多少來檢測大便這種不透光物體。紅外對射式傳感器安裝于工作頭兩側，將物體穿過所遮擋的光柵數轉化為電壓信號，經過放大器把微弱電壓信號放大后，傳給單片機I／O口；利用AD轉換模塊轉成數字信號讀取。單片機內部通過判斷信號量的大小，從而判斷患者是否排出大便。

小便傳感器采用接近式電容傳感器，當小便流過工作頭便斗時，傳感器與小便之間的介電常數發生變化，由此改變電路狀態，使得小便傳感器輸出電壓信號，通過輸出的電壓信號判斷患者是否有小便排出。由于液位傳感器原理與小便傳感器原理相同，此處不再贅述。

陀螺儀（角度傳感器）用來檢測患者側身角度值，并將角度值實時反饋給單片機。單片機通過角度傳感器反饋的信息，判斷患者側身角度是否超過閾值（實驗設計閾值為45°）。當角度超過閾值時，單片機會發出指令，使蜂鳴器報警，警告患者側身角度太大，二便護理機器人無法正常工作。陀螺儀使用IIC接口與單片機進行通信，通過SCL傳遞時鐘信息，SDA傳遞數據信息。角度傳感器電路如圖5所示。

溫度傳感器使用DHT22，用來測量凈水桶內部加熱水溫以及烘干熱風溫度。溫度傳感器將檢測到的溫度數據傳遞給單片機，單片機根據患者或護理人員在主控制端設置的預設溫度值來控制加熱器工作，以此來控制水溫和風溫，提高患者使用舒適性。溫度傳感器電路如圖6所示，其內部包括一個NTC測溫元件，并與高性能8位單片機相連接，通過串口傳遞數據。

圖5 角度傳感器電路圖Fig.5 Angle sensor circuit diagram

圖6 溫度傳感器電路圖Fig.6 Circuit diagram of temperature sensor

WiFi模塊選用ESP32模塊，通過串口與單片機連接，進而將單片機與云端連接，將實時數據上傳到云端，也能夠通過云端下發指令給單片機，控制二便護理機器人執行對應操作。云端通信結構如圖7所示，患者（用戶①）通過主控制端WiFi模塊上傳傳感器數據信息給云端；護理人員（用戶②）利用手機等能夠連接網絡的設備，通過云端能夠查看一個或多個二便護理機器人的狀態信息，并對這些機器人下發指令，執行對應操作。

圖7 云端通信結構圖Fig.7 Cloud communication structure diagram

3.2 控制系統流程設計

二便護理機器人控制系統檢測步驟如下：

（1）機器人通電，按下啟動按鈕進入工作狀態。

（2）對凈水桶和污水桶液位進行檢測，當兩個桶的液位均正常時，開始檢測患者大小便；否則發出警報提示音并點亮對應警報燈，提示護理人員傾倒污水或填裝凈水。

（3）當傳感器檢測到信號后，會根據傳感器傳回的信號判斷是大便還是小便，并進入對應的沖洗流程。沖洗過程中，水泵與真空泵配合，共同完成沖洗工作。水泵從凈水桶泵出凈水沖洗便斗，真空泵抽負壓，利用負壓將沖洗污水排入污物桶。兩種排便沖洗工作只是所用水管路與處理時間不同，執行過程并無本質區別。

在檢測環節結束后，二便護理機器人會用熱水和熱風對患者身體進行清洗和烘干。二便護理機器人控制系統清洗烘干流程為：清洗閥打開、水泵工作，泵出凈水清洗患者，真空泵利用負壓將清洗污水排入污物桶，風機和加熱片開始工作，對清洗后患者身體進行烘干。在清洗和烘干環節結束后，機器重新返回檢測環節檢測大小便。

4 檢測實驗

實驗采用小塊狀橡皮泥模擬大便、濃度為0.3%氨水溶液模擬小便各自進行20次模擬實驗檢測。其中，正確檢測出大便的次數為14次，正確率約為70%，而小便檢測正確檢測率為100%。

此外，二便護理機器人已經實現與云端互聯，能夠上傳數據或從云端發送指令，控制二便護理機器人執行對應操作。

5 結束語

本研究所設計的二便護理機器人雖已初步實現檢測、沖洗、清洗、烘干等功能，但在細節處理上仍存在一些問題。如，檢測精度不高，難以準確檢測大小便；風機動力不足，熱風供應慢；結構設計復雜，不宜安裝和拆卸等。為了更好地減輕護理人員負擔，幫助老年人實現大小便自理，還需要進一步改進整體結構，進行模塊化設計，方便安裝和檢查；對風機進行適當的優化，以保證提供足夠風力烘干；深入研究傳感器檢測知識，選擇更合適的傳感器和檢測方法。