二便护理机器人的方案设计

陈新宇，胡冰山，苏颖兵，陆盛，喻洪流

1.上海康复器械工程技术研究中心（上海，200093）

2.上海理工大学康复工程与技术研究所（上海，200093）

0 引言

二便护理是老年人、长期卧床患者等重要护理需求之一［1］，目前二便护理工作均由专门的护工完成。人工护理大小便存在护理人员工作脏累、异性患者二便护理尴尬、不利于保护患者及护理人员隐私、容易感染、难清洗、气味大等问题。二便护理机器人能够实时地检测到患者是否大小便，并进行冲洗、清洁、烘干等操作，有效替代护理人员的二便护理工作。

目前，国内已经出现了一些产品，并进行了相关研发。国内铱鸣智能护理机器人设计有待机状态和工作状态2种，在待机状态下大小便斗与人体不充分贴合，能够保证皮肤通风透气［2］。在检测到大小便后，设备进入工作状态，气垫充气，使得大小便斗与人体紧贴，其他流程与之前的护理机器人相同。但该智能护理机器人需要与特殊设计的床体配合使用。“快洁”卧床人体大小便智能护理器能够针对卧床患者的个体特征和体型特征，设计男女不同类型，大中小不同尺寸的人机接口穿戴部分，以及扁平化的大小便收集器，提高了使用者的舒适性。该护理器缺点在于二便采集装置不能通用，需要个性化的定制，并需要配备定制的采集装置。

综上所述，目前已有的二便护理机器人普遍存在需要床垫配合，工作头穿戴困难及需要个性化定制等问题。本研究在现有二便护理机器人及长期卧床患者二便护理需求的基础上，设计出一款智能二便护理机器人。

1 二便护理机器人总体设计

1.1 功能需求及工作原理分析

二便护理机器人的主要使用人群包括腿脚不便，活动能力弱的老年人。根据上述人群二便护理的需求，开发二便护理机器人的主要功能包括二便智能检测、冲洗、清洗及烘干、除臭及消毒、人机交互控制等。

二便智能检测是指护理机器人能够自动检测患者是否进行大便或小便。冲洗、清洗及烘干功能是指机器人检测到大小便后，对工作头内的大小便冲洗，将大小便排入污物桶。接着对人体私处和屁股清洗并烘干。除臭是指冲洗工作头大小便时，利用除臭剂和真空泵配合对管路和污物桶除臭。人机交互控制功能是指患者或护理人员可以通过手机、控制面板或其他人机交互设备来控制调节和获取二便护理机器人的工作状态。

1.2 二便护理机器人总体方案

根据上述功能分析，得出二便护理机器人的总体方案设计（图1）。二便护理机器人包括二便智能检测模块、冲洗清洗模块、烘干模块、控制模块（包括控制器模块、显示模块、液位警示模块、污物处理模块、除臭模块、人机交互模块、WiFi模块、电源模块）等几部分。

图1 二便护理机器人总体设计方案Fig. 1 The overall design scheme of the robot for urine and feres

2 二便护理机器人结构设计

二便护理机器人在结构上主要分为工作头和主机2部分。工作头是人机交互的接口，负责搜集大小便、放置采集患者大小便信息的传感器及冲洗、清洗和风干的出风口与出水口。主机中放置了净水桶、污水桶、风机、真空泵及控制器等元件。

2.1 二便护理机器人工作头

工作头部分主要负责检测大小便信号和用喷头对槽体冲洗及对人体清洗、烘干。工作头包括大便传感器、小便传感器、清洗水路喷头、烘干风路喷头、排污管道、冲洗矩形喷头，冲洗锥形喷头等元件。大便传感器和小便传感器分别识别人体大小便。清洗水路喷头喷出温热净水清洗人体。烘干风路喷头出热风烘干人体，保证人体干燥。冲洗水路喷头分为2种，一种是矩形喷头，一种是锥形喷头。矩形喷头负责冲洗小便，锥形喷头用来击碎大便，并配合矩形喷头冲洗大便。排污管道用来将工作头内大小便输送到污物桶。翻盖可以帮助人体固定和保证良好密封性。

2.2 二便护理机器人主机

二便护理机器人主机部分包括电磁阀、消毒器、活性炭、污物桶、水泵、风机、控制器、净水桶、脚轮等元件。电磁阀负责将水路和气路分开。消毒器负责对水泵抽出的净水消毒，避免滋生细菌。活性炭负责对大小便处理流程中产生的臭气除臭，防止污染环境。污物桶则是将污水收集，方便护理人员更换。水泵从净水桶抽出净水以供冲洗和清洗。风机配合加热片给工作头送热风，烘干人体。控制器接收传感器信号，通过内部程序发出指令，执行对应的流程，是总控制元件。主机壳体内层铺设有隔音材料，避免设备运行时产生噪音［3］。

3 二便护理机器人控制系统设计

3.1 控制系统硬件设计

二便护理机器人硬件连接，见图2。智能检测模块将传感器信号传输给控制器，（STM 32单片机）。温控开关控制加热棒调节水温，供冲洗清洗模块使用。冲洗清洗模块和烘干模块由STM 32控制。冲洗清洗模块通过水泵将净水泵出，经过紫外线消毒器消毒后，由电磁阀分路，分别对大小便冲洗、清洗，真空泵在人和工作头内部形成负压，将污物抽送至污物桶，将臭气抽送至除臭管路通过活性炭吸附臭气［4］。液位警示模块包括液位传感器、语音芯片和喇叭3部分。

图2 二便护理机器人硬件连接图Fig.2 Hardware connection diagram of the urine and feces

液位传感器检测净水桶和污物桶的液位，产生高低电平信号传输给STM 32的I/O口，STM 32控制语音芯片通过喇叭发出报警声音，提醒护理人员更换污物桶或供给净水桶加水。WiFi模块通过RS232串口与STM 32相连，用于无线连接，Android设备可以通过WiFi模块远程查看多个护理机器人的工作状态并进行控制。显示模块通过I/O口与stm32相连，可以显示当前护理机器人的工作状态。

3.2 控制系统软件设计

二便护理机器人通电进入工作状态，自动检测患者是否大小便，当检测到有排泄物时，会根据程序判断，区分大小便。如果是大便，则程序会执行大便冲洗流程。接着进行大便清洗流程，对患者私处和屁股进行清洗。清洗结束后，进行烘干流程。在烘干流程结束后，会自动回到检测流程，重新开始检测。如果是小便，程序会执行小便冲洗流程，与大便冲洗流程相比，小便冲洗用水少，且出水喷头只有矩形，而大便冲洗喷头有锥形喷头。冲洗流程结束后，进行小便清洗流程，对患者私处清洗。最后进行烘干流程，小便烘干流程与大便烘干流程只是时间长短不同［5］。烘干流程结束后回到检测流程重新开始检测。

4 总结

本研究设计的二便护理机器人能够帮助失能老人解决日常大小便问题，患者只需躺在床上就可以进行大小便全自动护理，还会对便后老人的隐私部位进行清洁、烘干处理。污水直接流入污物桶，污浊气体经过净化后排入大气，环保卫生。目前设计的二便护理机器人还存在以下问题，如设备装配比较困难、管路不够柔性，还需要进一步修改完善。

总之，二便护理机器人的设计极大地减轻了护理人员的负担，帮助失能老人解决生活中的排泄护理问题，具有重要的应用前景。由于目前二便护理机器人的大小便监测精准度较低，还需要在传感器和算法上做出突破以提高精准度。