多功能电动护理装置的设计

石春花，秦浩天，张玉平，王宇，潘峰

长治医学院 生物医学工程系，山西 长治 046000

引言

随着老龄化社会的提前到来和“空巢家庭”的日趋增多，越来越多的老年人“照顾缺位”[1-4]；同时，我国已逐渐进入医疗改革和发展的第三阶段，社区医院不断兴起[2]。用何种方式来完成部分生活不能自理的老人或其他所需人群的家庭、社区护理任务，已经成为亟待解决的一个社会问题。由此引发了医疗护理领域的研究热潮，涌现出大量的优秀产品[5-7]，但其中存在的问题也较多，仍然不能满足日常护理中的多样化需求。比如，高端智能产品以国外研发为主，且成品价格昂贵，操作繁琐，不适用于日常护理或自理；中低端产品鱼目混珠，大多以护理为噱头，存在不实用或功能鸡肋的窘境。基于此，我们本着造价低廉、功能实用、操作简单、可后续扩展的基本理念，设计了本款多功能护理装置，具有抓痒、输液、上药等功能，使其更家庭化、社区化，为解决基本护理提供一定的帮助。

1 系统方案

本系统主要由四个模块构成：控制模块、抓痒模块（或装置）、输液模块、上药及其他扩展模块，整体框架结构，见图1。其中，抓痒模块和输液模块为主功能区，背部上药模块为扩展功能区。

图1 系统的框架结构图

图1中，控制模块由STM32芯片构成，产生系统所需的8路PWM波，引入10个外部中断用于实现彩屏显示和按键切换等功能；抓痒模块包含四个舵机[8-10]和一个传输装置，舵机负责调整空间位置，实现全方位覆盖，传输装置主要由对心曲柄滑块结构组成，带动挠爪进行往复运动输液装置利用液位传感器控制气泵开关，实现液体流速的控制；背部上药结合了抓痒装置的定位以及气泵的流量控制。

2 系统硬件设计

2.1 抓痒装置硬件的设计

以手臂的结构和运动为原理[11-15]，设计臂状抓痒装置，包含四个舵机和一个传动装置，以实现抓痒运动的空间全方位性，见图2。

图2 装置的结构组成与实物图

（1）爪子模块的选择和设计。爪子采用亚克力板，材料轻便，价格低廉，电机的额外功耗低，且与皮肤的匹配性适合。置于最前端，后接舵机。

（2）传动模块的选择和设计。传动模块核心为对心曲柄滑块结构，如图3所示。使用步进电机做动力，通过PWM波在一定范围内进行调节。与直线电机[16]或液压杆驱动相比，成本低且在速度和适用性上满足产品工艺化。

图3 对心曲柄滑块原理图

（3）关节和手臂的设计。关节由舵机构成，用于空间定位，与手臂构成了四自由度的调节[17-19]，控制爪子到达指定部位实现抓痒操作，本装置选用的是15 kgm的大扭力舵机，可灵活调节手臂空间位置，基本可覆盖360°，满足日常护理中所需的全方位抓痒。

2.2 输液装置硬件设计

输液装置包含气泵和多个传感器，其原理构成，见图4。

图4 液体容器槽构成图

外观设计为液体槽状，可置于任何水平面，替代了传统输液装置的高位悬挂式，节省空间，安置简便。输液槽从中间分开，左右各一个放置液体的容器，便于轮流使用、及时更换。液体容器槽实物图，见图5。

2.2.1 速度控制

自动换药和速度控制功能的实现依赖于对气泵的精确控制。通过按键，调节高电平持续时间达到对气泵出气量的调整，继而实现调节液体的流速。

图5 液体容器槽实物俯视图

2.2.2 报警装置

采用外贴式液位传感器对液体进行实时监控，辅助进行报警。当药液处于完成的临界状态时，液位传感器工作灯熄灭，STM32引入外部中断，停止气泵工作，结束输液。同时，显示屏提醒药液需更换。

3 系统软件设计

3.1 抓痒与显示

抓痒装置在开始工作前可以处于任意收纳状态，打开电源后，根据此时装置的状态，依据所需抓痒部位的空间位置，通过按键进入中断，利用PWM波控制四个关节舵机进行0°～180°调节，当挠手到达指定位置后，启动步进电机，控制抓痒速度，并在TFT屏上显示此时的档位。

3.2 输液与显示

打开电源，设置两瓶药间隔时间，启动输液装置，第一瓶药液任务开始，当容器液面到达预设位置后，报警启动，并在TFT上显示“第一瓶药液输液任务结束”；与此同时，第二瓶液体的气泵启动，如上循环。具体流程，见图6。

4 系统评测

本护理装置主要涉及抓痒和输液两个主功能，适用范围较广，可用于日常的家庭、社区、医院护理。抓痒装置中超长的仿手臂可根据关节随意折叠，收纳不占用太大空间。工作时，可悬挂，可墙面固定，可挂肩等，工作环境几乎无限制。对于普通家庭护理，可以通过夹持装置固定于座椅扶手或床架上，见图7。输液槽的设计改变了传统输液方式，取代了传统的高位悬挂式，可置于任何水平面，安置便利，节省护理空间。可将输液器的线路贴附在仿手臂的抓痒机械装置上，也可自由挂置床架或支架等。本次系统的评测主要在实验室进行。

4.1 抓痒装置评测

将抓痒臂固定于座椅扶手（图7），启动电源，通过按键控制四个舵机，调整其到达相应的位置，此时为座椅人员的背部，启动步进电机。速度为最低档位（慢），选择相应按键，依次测试慢（按键1）、中等（按键2）、快（按键3）、较快（按键4）四个档位。评测表明，不同按键正确代表了不同的抓痒力度，随着电机速度的增加，抓痒的力度也随之提高。另外，不断调整舵机的方向可以使抓痒臂的活动范围涉及整个背部。

图6 系统程序流程图

图7 抓痒臂工作图（固定于座椅）

4.2 输液装置评测

输液装置工作流程，见图8。

（1）启动装置，气泵工作15 s，将输液管中的空气排尽，气泵速度分为慢（40滴/min）、中等（60滴/min）、较快（80滴/min）、快（100滴/min）四个档位。通过按键，分别测试了四档输液速度。测试表明，此装置可以通过不同按键的选择，实现所需的输液速度。

图8 输液工作流程

（2）安全性评测说明。为保障输液装置在临床使用上的安全性，设计液位传感器判断第一瓶药液剩余量，输液结束进行报警。在第二瓶液体容器气泵开始工作时，可自由设置时间间隔，保证两瓶药液在替换时有充足的安全时间，实现液体轻松替换。另外，输液管上的蓝色调节器用于紧急情况下的调节控制，防止空气进入人体。当输液速度智能控制出现故障时，利用传统的调节滴速的装置进行安全状况失控锁死。

5 讨论与结论

该护理装置在抓痒和输液的主功能区外，还设置了一个扩展功能区，包括智能上药、张贴膏药、热敷、按摩等，能借助现有的硬件和软件程序，在扩展口增加表征功能的简单硬件设备即可。这里以扩展功能“上药”做简单讨论。增加一条输液气路和药物容器，将输液器的线路贴附在仿手臂的抓痒机械装置上，调控挠手离开背部，在仿手臂的前端留出给药口，通过气泵的送气工作，将装在气管尾部的药物通过气路喷出并涂于患处。患处位置的找寻与抓痒位置的控制原理相同。

本文以护理产品中存在的问题为导向，设计了一款家庭化、社区化的多功能电动护理装置，具备抓痒和输液基本功能，以STM32为主控芯片，利用其强大的8路PWM波实现了对抓痒位置和速度的控制，也实现了对输液速度和换药的控制。分析表明，该装置具有造价低廉、功能实用、操作简便、后续扩展等特点，对推动医疗护理设备行业的前进有一定的参考意义。