一種自助護(hù)理移位機(jī)器人的設(shè)計(jì)

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 年第七次全國人口普查結(jié)果，我國65歲及以上人口為19064 萬，占比13.50%[1]已達(dá)到深度老齡化社會的指標(biāo)。隨著獨(dú)生子女的父母進(jìn)入老年，養(yǎng)老護(hù)理人手不足的問題已引起全社會的關(guān)注，為此國家五部門聯(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”。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)等場所的移位護(hù)理裝置，可由使用者自己操控，在沒有護(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)理人員操作的問題，能有效緩解護(hù)理人員人手不足的問題。

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。主要參考國家標(biāo)準(zhǔn)的病床[2]、輪椅[3]及市場上的坐便器等的高度尺寸，及我國成年人人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)[4]。總體結(jié)構(gòu)由上部的仿人背抱式托舉機(jī)構(gòu)和下部移動底盤組成，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、上下兩個電動推桿及膝蓋支撐組成，上下兩個電動推桿分別驅(qū)動搖臂和上部的胸托轉(zhuǎn)動、以完成將下肢障礙者從坐姿移動到胸托上方的動作，根據(jù)劉玉鑫等[5]完成的人背人動作試驗(yàn)分析可知，人在被背起時分為前傾、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 上下兩個電動推桿驅(qū)動的方式完成托舉動作，胸托的運(yùn)動軌跡由上下兩個電動推桿的合成運(yùn)動構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)是可形成一條由兩個曲率半徑構(gòu)成的曲線，使胸托的上升軌跡相對于一個推桿的圓弧曲線更平緩，患者在上升的過程中由重力引起的下滑力減小，身體受力相對合理、舒適度更高，同時兩個推桿驅(qū)動的托起機(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，同時增強(qiáng)患者移位過程中的穩(wěn)定性。手臂支撐安裝在胸托前方，主要用于在托起過程中支撐患者的雙臂，在托起過程中，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。電動推桿根據(jù)使用要求進(jìn)行選型，下部電動推桿選用直流24 V、行程200 mm、速度28 mm/s、推力2000 N；上部電動推桿選用直流24 V、行程150 mm、速度28 mm/s、推力2000 N。

移動底盤結(jié)構(gòu)如圖2 所示，采用中間2 個驅(qū)動輪，兩端各2 個萬向輪的結(jié)構(gòu)。

圖2 底盤結(jié)構(gòu)示意

兩個水平對置的驅(qū)動輪采用兩個獨(dú)立的閉環(huán)剎車步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)控制，通過控制兩輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)向，這種驅(qū)動和轉(zhuǎn)向控制方式使得設(shè)備在行駛過程中可以圍繞兩個驅(qū)動輪軸線上的任意點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，具有行動方便、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)動輪與地面之間無打滑現(xiàn)象，驅(qū)動輪與地面之間的摩擦力必須大于移動底盤所受到的總的最大阻力[6]，驅(qū)動輪采用三導(dǎo)柱豎直起落式懸掛，通過彈簧的預(yù)緊力保證驅(qū)動輪與地面之間的正壓力,以防止地面不平時驅(qū)動輪懸空或打滑，同時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HBS57電機(jī)。驅(qū)動輪的選型，驅(qū)動輪有整體式，齒圈式和齒塊拼合式3 種。對于尺寸較大的驅(qū)動輪，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)動輪尺寸較小，故選用整體式驅(qū)動輪。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，輕量及使用壽命長等特性。萬向輪選用聚氨酯鋁芯萬向輪，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，用高級定時器代替了現(xiàn)有的傳統(tǒng)通用性定時器，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，控制各個執(zhí)行元件的工作狀態(tài)，相互配合，完成整個機(jī)器人的托舉、移位和復(fù)原的動作。操作方式有兩種選擇。手執(zhí)遙控器控制和自動循跡。

（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、下部底盤的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。機(jī)器人不用時停放在指定的待機(jī)位置，開始使用時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)在托起患者的過程中移動底盤鎖住不動，托舉機(jī)構(gòu)到達(dá)托舉結(jié)束位置后要松開鎖緊裝置，下部移動底盤開始移動，移動到目的地后，移動底盤鎖住不動，托舉機(jī)構(gòu)開始下降患者恢復(fù)坐姿，不用時機(jī)器人回到指定的待機(jī)位置。

（2）自動紅外循跡功能，循跡的工作原理為：通紅外傳感器檢測機(jī)器人是否位于磁條中央，如發(fā)生偏離會向控制系統(tǒng)發(fā)出信號，控制底盤左右驅(qū)動電機(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）、客廳等常去的場所。通過超聲波傳感器識別障礙物，當(dāng)識別到障礙物時，傳感器能夠發(fā)出警報并減速剎車，通過遙控器繞開障礙物繼續(xù)循跡到達(dá)目的地，移動底盤鎖住不動，托舉機(jī)構(gòu)開始下降患者恢復(fù)坐姿，不用時機(jī)器人回到指定的待機(jī)位置。

運(yùn)動控制流程如圖3 所示。

圖3 運(yùn)動控制流程

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)，對所有零部件進(jìn)行計(jì)算校核、選擇電動推桿和步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器等的型號，通過虛擬裝配確認(rèn)設(shè)計(jì)無誤后，采購零部件及材料進(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)動器的各項(xiàng)參數(shù)見表2。

表2 驅(qū)動器參數(shù)

完成的樣機(jī)如圖4 所示。經(jīng)測試下部推桿的驅(qū)動使胸托的轉(zhuǎn)動角度可達(dá)32°，上部推桿可使胸托轉(zhuǎn)動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，移動底盤可按控制要求移動。

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)主要有以下幾個方面。

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

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

（3）移動底盤在設(shè)計(jì)，有別于其他同類產(chǎn)品的4輪設(shè)計(jì)，采用中間兩個驅(qū)動輪，兩側(cè)各兩個萬向輪的結(jié)構(gòu)，使底盤可繞中間的驅(qū)動輪回轉(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

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：（1）托舉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡的設(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程中的受力狀況，以保證托舉過程的舒適度；（2）該裝置為了解決養(yǎng)老護(hù)理人手不足的問題，采用了自動循跡和手動控制相結(jié)合的控制方式，具有自助移位功能，可幫助使用者在無人護(hù)理下自主移動，豐富了移位輔助產(chǎn)品的種類，為不同使用人群提供更多的選擇。