一種面向老年人的膏藥敷貼裝置設計

摘 要：【目的】解決老年人因關節不靈活導致無法自行敷貼膏藥的問題。設計出一種面向老年人的膏藥敷貼裝置。【方法】該裝置以STM32F103C8T6為主控芯片，可對紅外傳感器與壓力傳感器反饋的數據使用算法進行處理，得到背部位置與疼痛點位置，再根據程序指令來控制電機控制器、舵機、氣泵等的運行，完成膏藥敷貼。同時，其還包含膏藥加熱和語音播報功能。【結果】該裝置操作簡單，具有較高的精準度，可高效地定位到老年人痛點處，且老年人背部受力較合理，避免因受力過重導致其他問題出現或因受力過輕導致膏藥粘貼不牢固，可很好地滿足老年人的日常生活需要。【結論】該裝置為老年人的生活帶來較大便利，從而讓科技造福老年人的生活，應用前景廣闊。

關鍵詞：老年人；STM32F103C8T6；算法處理；膏藥敷貼

中圖分類號：TH789" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0036-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.007

Design of a Plaster Application Device for the Elderly

SHE Xueqing GAO Xing1 XU Yinwu LIU Muqing XU Xueyan

（1.Chaohu University，Hefei 238024，China; 2.Capital Medical University，Beijing 100069，China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to solve the problem that the elderly cannot apply the plaster by themselves due to their inflexible joints，a plaster application device for the elderly was designed. [Methods] The device uses STM32F103C8T6 as the main control chip， which can process the feedback data from infrared sensor and pressure sensor algorithmically to get the back position and pain point position， and then control the motor controller， servo， air pump and other operation according to the program instruction to complete the plaster application process. It also contains plaster heating and voice broadcast function. [Findings] The device is easy to operate， has high accuracy， and can efficiently locate the pain points of the elderly; and the device is reasonable for the back force of the elderly， which will not cause a series of other problems due to too heavy force， nor will it cause the plaster paste to be insecure due to too light force， which can well meet the needs of the elderly in their daily life. [Conclusions] The device can bring greater convenience to the life of the elderly， enable technology to benefit the life of the elderly， and has a broad application prospect.

Keywords： elderly; STM32F103C8T6; algorithm processing; plaster application

0 引言

中國已加速步入老齡化社會，老齡人口占總人口比重呈現逐年上升態勢。與此同時，與老年人有關的產品需求也在不斷增加。總體而言，目前市場上相關產品無論是數量還是質量，遠遠滿足不了老年人的需求，尤其是無法滿足老年人對產品功能化的需求［1］。同時，隨著老年人年齡增加，肩周炎、脊椎病等接踵而來，外敷膏藥成為很多老年人的首選。根據市場調查，有86.45%的老年人經常或偶爾貼膏藥，但老年人因身體機能下降，行動開始變得遲緩，需要在背部貼膏藥時，會變得更加吃力甚至無法完成。近年來，我國空巢老人的數量呈上升趨勢。隨著第一代獨生子女的父母陸續步入老年，到2030年，中國空巢老人的數量或將超過2億，占老年人總數的90%［1］。子女無法經常陪伴在老人的身邊，而老年人獨自完成膏藥敷貼是比較困難的。因此，想要提高老年人生活質量，就要重視貼膏藥等老年人生活中的細節問題。

因此，本研究設計一種老年人膏藥敷貼裝置，該裝置不用額外安裝或調試，插電即可使用。開機后老年人背對裝置坐好，系統即可精準判斷背部位置，同時配合滾輪在老年人背上按摩。當按摩到背部需要貼膏藥位置時，老年人按下遙控按鈕，裝置就會自動完成貼膏藥，且膏藥與身體貼合緊密，敷貼位置準確。該裝置可幫助老年人將膏藥敷貼到背部，提高老年人的生活質量。

1 裝置總體設計方案

該老年人膏藥敷貼裝置包括敷貼膏藥的敷貼機構、驅動敷貼機構移動到背部敷貼位置的XYZ三維驅動機構。該裝置配置一個紅外遙控按鈕，當敷貼機構移動到疼痛點時，老人可按下按鈕，通過敷貼機構和XYZ三維驅動機構來共同完成膏藥敷貼過程。XYZ三維驅動機構包括底座、安裝在底座上驅動敷貼機構在XYZ軸方向上進行移動的XYZ三維驅動組件、安裝在驅動組件上用于連接敷貼機構的連接桿。敷貼機構位于連接桿遠離XYZ三維驅動組件的一端，其主要包含的組件功能如下。①紅外傳感器。其配合XYZ三維驅動組件來采集背部位置信息，完成對背部位置的確定。②膏藥承接臺。其內置氣泵和恒溫加熱片，開機后將膏藥的膜撕下后放在承接臺上，膏藥即可被吸附在承接臺上，同時會對膏藥進行加熱，確定疼痛點后氣泵放氣，膏藥即從承接臺脫落，粘在皮膚上。③滾輪。其內置的壓力傳感器可把壓力值反饋給主控芯片，再經主控芯片PID調控后，反饋給XYZ三維驅動組件，來調整敷貼機構位置，連接滾輪的連接桿另一端連接著舵機，貼膏藥時，舵機轉動，使滾輪移動到膏藥承接臺后方，避免阻擋貼膏藥。④語音播報模塊。可提示老年人裝置的運行情況，開機時提示老年人按照裝置使用需求坐好，當滾輪移動到疼痛點時提示老年人，老年人按下紅外遙控按鈕。

該老年人膏藥敷貼裝置模型如圖1所示。

2 裝置硬件部分設計

2.1 主控芯片STM32F103C8T6

該裝置以STM32F103C8T6為主控芯片，其使用的是高性能ARM Cortex-M3 32位RISC內核，工作頻率為72 MHz，高速的運算能力可對各個模塊的信息進行接受與處理，豐富的I/O資源可配合各個模塊使用，冗余接口多，方便裝置的后期維護[2]。同時，其還包含2個12位的ADC、3個通用的16位定時器和1個PWM定時器。其中，內置的ADC采集電路能彌補信息采集模塊存在的不足，不僅簡化電路，還可保證采集到的信息的精準度。該芯片內置的定時器可使裝置在接收傳感器數據的同時，使PWM控制電機、舵機完成行動指令，根據紅外傳感器和壓力傳感器的數據反饋來實現背部定位、膏藥加熱、膏藥敷貼、滑臺歸位等動作。

2.2 XYZ三維驅動組件

XYZ三維驅動組件由X軸滑竿、Y軸滑竿、Z軸滑竿（XYZ軸共由4個滑竿構成）、驅動滑竿移動的電機、電機控制器組成。其中，X軸滑竿是由兩個滑竿組成的，使得載物臺可前后移動，同時使支撐整體的框架在載物臺移動時不會出現傾倒，保證系統工作的穩定性。Y軸滑竿位于X軸滑竿兩個滑竿之間，使得載物臺可以左右移動，同樣的，Z軸滑竿與Y軸滑竿相連，4個滑竿足以支持載物臺進行三維移動。采用4個57步進電機來實現載物臺移動，57步進電機的驅動能力強、移動精準。該裝置采用TB6600控制器來驅動57步進電機。步進電機與控制器接線如圖2所示。

STM32F103C8T6主控芯片與TB6600步進電機驅動器采用共陽極接法，即TB6600驅動器的ENA+、DIR+、PUL+與單片機的VCC連接。由STM32F103C8T6主控芯片的PA1來控制TB6600驅動器的ENA-，PA1位于高電位時，步進電機掉電，步進電機進入自由狀態，用手可轉動；PA1位于低電位時，步進電機上電，根據輸入的脈沖信號進行轉動，無脈沖信號時處于自鎖狀態。由主控芯片PA2口來控制驅動器的DIR-，PA2的高電位與低點位分別對應步進電機的正轉與反轉；單片機PA2口可控制PUL-，通過PA2口高低電位的切換形成脈沖，TB6600驅動器接收到一個脈沖，步進電機轉動一步。每個滑桿都有一個驅動與步進電機，共有4個。

2.3 語音播報模塊

語音播報模塊JQ8900-16P選用的是SOC方案，集成1個16位的MCU及1個專門針對音頻解碼的ADSP，采用硬解碼方式，保證系統的穩定性和音質［3］。產品在運行過程中，遇到需要提示的內容時，語音播報模塊開始播放對應的語音。語音播報模塊電路如圖3所示。

2.4 紅外傳感器模塊

紅外傳感器模塊檢測距離為2～30 cm、檢測角度為35°。當其檢測到前方障礙物時，OUT端口會持續輸出低電平信號，可通過電位器來調節檢測距離，順時針調電位器，檢測距離增加；逆時針調電位器，檢測距離減少。電源接通后，紅色電源指示燈亮，檢測到障礙物時，綠色指示燈亮。紅外傳感器模塊接線如圖4所示。

2.5 恒溫加熱片和氣泵模塊

PTC恒溫加熱片通電后，功率由小到大再到小，最后逐漸穩定。其內部發熱體是正溫度系數熱敏電阻，其溫度系數隨著PTC熱敏電阻本體溫度的升高而增加，溫度越高，電阻值越大。因此，其可起到恒溫加熱的作用。該裝置選擇5 V /40 ℃恒溫加熱片給膏藥進行加熱。加熱后的膏藥與人體體溫相近，可減少膏藥剛剛接觸皮膚時由溫差帶來的刺激，且加熱后的膏藥黏性更強，可防止因衣物摩擦而導致膏藥脫落。

氣泵模塊內置電機，通過主控芯片PA4口輸出不同的PWM來控制電機轉動，電機通過2根三角帶驅動氣泵曲軸，驅動活塞進行打氣，控制氣泵活塞內壓強高低，實現對膏藥的吸附及釋放過程。氣泵模塊接線如圖5所示。

2.6 壓力傳感器和舵機模塊

壓力傳感器模塊是基于新型納米壓敏材料制成的。當傳感器感知到外界壓力變化時，傳感器的電阻值發生改變，通過主控芯片的ADC采集端口，將模擬量轉化為數字量，完成壓力值的采集。壓力傳感器模塊接線如圖6所示。SG90舵機的扭矩可達到1.5 kg/cm，通過主控板提供的PWM波來實現對舵機旋轉角度的控制。舵機模塊接線如圖7所示。

3 裝置軟件部分設計

3.1 軟件總流程設計

老年人膏藥敷貼裝置通過對傳感器反饋的數據進行算法處理，判斷背部位置和疼痛點位置，完成膏藥敷貼等動作。老年人膏藥敷貼裝置軟件總流程如下。首先，對時鐘和數據輸入輸出進行初始化。其次，恒溫加熱片和氣泵模塊開始工作，老年人將已撕下膜的膏藥放在膏藥承接臺上，同時背對裝置坐好。再次，XYZ三維驅動組件帶動敷貼機構進行移動，敷貼機構上的紅外傳感器和壓力傳感器會不斷反饋數據，STM32F103C8T6對檢測到的數據進行PID算法處理［4］，得到背部精準的位置信息。確定好背部位置信息后，X軸驅動裝置向前運動，使滾輪觸碰到人體，并在背部呈“S”形滾動。最后，當滾動到疼痛點時，老人按下紅外遙控按鈕，STM32F103C8T6收到紅外遙控反饋后，操作舵機轉動、氣泵放氣、XYZ三維驅動組件移動，完成敷貼動作。操作過程中有語音提示，使老年人擁有更好的使用體驗。老年人膏藥敷貼裝置軟件總流程如圖8所示。

3.2 背部位置的確定

老年人背對裝置坐好后，裝置會對背部位置進行確定。根據紅外傳感器反饋的數據來判斷老年人是否已經坐好，如果紅外傳感器反饋的數據顯示未檢測到障礙物，說明老年人沒有在裝置前方坐好，此時語音播報模塊會提示：“請您背對裝置坐好”，直到反饋的數據顯示已經檢測到老年人背部。接著，紅外傳感器會配合XYZ三維驅動組件的移動來更加精準地識別老年人背部位置。此時，STM32F103C8T6會調用子函數中的XYZ三維驅動組件移動函數，帶動輔貼機構依次從左到右、從上到下進行移動，同時會不斷接收紅外傳感器反饋的數據，帶入到PID算法函數當中進行計算，最終確定老年人背部的位置。背部位置確定過程的軟件流程如圖9所示。

3.3 疼痛點位置的確定

老年人背部位置確定后，主控芯片STM32F103C8T6會控制舵機使滾輪向前移動，讓滾輪接觸到老年人的皮膚。此時滾輪中的壓力傳感器會不斷給STM32F103C8T6反饋數據，數據經過PID計算后帶入到舵機控制函數中，調整輸出的PWM值，從而不斷調整滾輪的按壓力度，使滾輪在一個合適的壓力范圍內。

同時，XYZ三維驅動組件進行移動，移動軌跡與背部位置的確定類似，帶動滾輪在老年人背部范圍內從左到右、從上到下依次移動，這樣可以保證不遺漏老年人背部的每個位置。語音播報模塊同步提示：“當滾輪移動到疼痛點時，請按下按鈕。”當移動到疼痛點時，老年人即可按下紅外遙控按鈕，STM32F103C8T6接收到按鈕反饋后，調用控制子函數執行膏藥敷貼動作。疼痛點位置確定過程的軟件流程如圖10所示。

3.4 膏藥敷貼動作設計

在疼痛點位置確定后，裝置開始膏藥的敷貼，膏藥敷貼動作軟件流程如圖11所示。由于膏藥放在敷貼機構的膏藥承接臺上，舵機會先帶動滾輪后移，以免擋住敷貼膏藥。接著XYZ三維驅動機構帶動敷貼機構向前移動，直至膏藥承接臺上的膏藥接觸到人體。由于膏藥已經過恒溫加熱片加熱，所以黏性較強，且不會對老年人皮膚造成溫差上的刺激。在膏藥接觸到人體后，氣泵放氣，使膏藥脫離膏藥承接臺，粘貼到人體上。在完成上述動作后，XYZ三維驅動組件帶動敷貼機構后移，舵機轉動帶動滾輪向前移動到膏藥所在的位置，同時XYZ三維驅動組件帶動敷貼機構上的滾輪橫向移動，使滾輪在膏藥所在的區域滾動，讓膏藥與人體的結合更加緊密。最后，語音播報模塊提示：“膏藥已經貼好，祝您身體健康。”至此，裝置的工作流程結束，所有模塊進行復位，等待下一次初始化。

4 測試結果及其分析

4.1 膏藥輔貼精準度測試

選取1 m×1 m的區域作為測試區域。在該區域隨機選取位置來模擬老人背部的疼痛點，記錄選取個數與裝置到達選取位置個數，并計算占比，該占比能反映裝置敷貼的精準度。

裝置啟動時，敷貼機構的初始位置在選取范圍的左上角，程序執行過程中，隨機選取位置，向裝置傳輸位置指令，裝置收到指令后，XYZ三維驅動組件帶動敷貼機構移動至隨機選取位置后停下，敷貼機構運動位置示意如圖12所示。將輔貼機構最終停下的位置與隨機選取位置的誤差進行對比，若最終停下時敷貼機構的中心位置與隨機選取位置的誤差小于0.5%，則認為成功到達選取位置，否則算作到達失敗。選取不同數量的位置，共測試10次，最后計算成功到達選取位置的個數與選取位置總個數的比值（裝置的精準度測試結果）。選取個數與到位個數對比如圖13所示，最終精準度測試結果如圖14所示。

通過以上測試可以看出，輔貼裝置的精準度較高，在選取疼痛點個數為40個及以下的，精準度保持在100%；在選取疼痛點個數為40～65時，精準度雖有所下降，但保持95%以上，保證裝置的效率。

4.2 壓力傳感效果測試

選取控制變量法進行測試，每組測試的距離不變，考慮到老年人存在駝背，選取接觸面（豎直）與地面的傾斜程度為變量，記錄壓力傳感器數據，結果如圖15所示。

由圖15可以看出，壓力傳感記錄的數據在1.1 N上下，變化不超過0.01 N，可見裝置壓力系統的穩定性較好。

綜上所述，該裝置具有較高的精準度，可高效定位到老年人痛點之處，且該裝置對老年人的背部受力較合理，既不會造成因受力過重導致產生其他問題，也不會因為受力過輕導致膏藥粘貼不牢固，可很好地滿足老年人的日常生活需要。

5 結語

該老年人膏藥輔貼裝置通過XYZ三維度移動和紅外傳感器來確定背部位置，通過逐行掃描方法來確定痛點位置。通過氣泵、舵機、滾輪、加熱片等的配合使用來完成貼膏藥過程。該裝置可切實幫助獨自生活的老年人，從生活細節考慮，真心實意地為老年人尋求方便，有望成為緩解目前養老問題的一個重要有效措施，具有一定的經濟價值。

參考文獻：

［1］郭鵬程.面向老年人的產品設計策略研究［J］.鞋類工藝與設計，2022（2）：87-89.

［2］熊浩.基于STM32的智能小車四輪驅動控制系統設計［J］.江蘇科技信息，2019（9）：51-53.

［3］周寶昌，謝智陽，梁景亮.基于Arduino的智能家居語音識別系統［J］.數字技術與應用，2019（9）：37-38，40.

［4］王麗娜，蘇紅，李莎莎，等.空巢老人心理健康自助能力量表的編制及信效度檢驗［J］.中國全科醫學，2016（35）：4379-4384.