李 偉，樊 寧

（1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 451100；2.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，河南 鄭州 451100）

1 引言

“2019年底，我國(guó)65周歲及以上人口已達(dá)17603萬(wàn)人（約1.76億）”[1]。進(jìn)食困難的廣泛存在大大影響了高齡老年人及其他殘疾人的營(yíng)養(yǎng)狀況。在護(hù)理員每天的工作中，幫老人吃飯、喝水（占工作量的26.22%），加上定時(shí)喂藥等是工作量較大、占用時(shí)間較長(zhǎng)的護(hù)理工作［2］。在同一護(hù)理時(shí)刻，1名護(hù)理人員只能為1名服務(wù)對(duì)象提供護(hù)理，工作艱苦、任務(wù)繁重。對(duì)于大部分失能的高齡老年人和其他殘疾人，提高生活質(zhì)量與減輕護(hù)理工作量、緩解護(hù)理人力資源緊缺是我國(guó)養(yǎng)老事業(yè)面臨較難解決的矛盾和社會(huì)發(fā)展必須要突破的瓶頸。

2 解決方案

基于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)作為輔助康復(fù)護(hù)理的解決方案，國(guó)內(nèi)外有較多應(yīng)用產(chǎn)品。最具代表性的是“英國(guó)Mike Topping公司研發(fā)的Handy1”和有機(jī)器人王國(guó)之稱的日本研發(fā)的“My Spoon”[3]。這類機(jī)器人主要幫助殘疾人或者失能老年人進(jìn)餐。資料表明，被贊譽(yù)為“世界上最成功的康復(fù)機(jī)器人Handy1現(xiàn)在有100多名殘疾人經(jīng)常在使用”[4]。要指出的是：全球范圍的護(hù)理機(jī)器人產(chǎn)品受成本的高低、操作的復(fù)雜性、友好安全性乃至文化傳統(tǒng)、風(fēng)俗習(xí)慣等方面的影響和局限，并未得到廣泛使用。當(dāng)前，我國(guó)社會(huì)老齡化日益加劇，傳統(tǒng)的孝道文化也要求政府和研究人員重視并加大研究力度，早日開(kāi)發(fā)出適應(yīng)大面積推廣應(yīng)的護(hù)理機(jī)器人產(chǎn)品。

隨著人工智能的興起，桌面機(jī)器人作為新產(chǎn)品逐漸開(kāi)闊了人們的視野，“桌面機(jī)器人的概念是在近幾年才被真正提出”[5]?？破战逃瞧淠壳爸饕l(fā)揮作用的領(lǐng)域。除了在機(jī)器人教育、培訓(xùn)、辦公等行業(yè)有較多應(yīng)用外，專門(mén)用于醫(yī)療、護(hù)理行業(yè)的研究工作已經(jīng)逐步展開(kāi)，且已成為國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，是機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)比較活躍的研究方向[6]。這里要特別強(qiáng)調(diào)：在桌面機(jī)器人架構(gòu)基礎(chǔ)上研究、開(kāi)發(fā)護(hù)理機(jī)器人產(chǎn)品，可以為高齡老年人的日常飲食護(hù)理活動(dòng)提供比早期餐飲、康復(fù)護(hù)理機(jī)機(jī)器人更為有效的解決方案。與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)械人存在操作復(fù)雜、身體笨重、體格龐大、成本高昂相比，桌面機(jī)器人基于開(kāi)源平臺(tái)設(shè)計(jì)，容易上手，操作和應(yīng)用簡(jiǎn)單，輕量化，安全性好。事實(shí)上，用于高齡老人的桌面護(hù)理機(jī)器人，安全是在有人環(huán)境中獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在。只有安全的護(hù)理機(jī)器人才具備使人機(jī)交互順利開(kāi)展的前提條件。本方案要解決操作的安全性和簡(jiǎn)易性，增強(qiáng)護(hù)理機(jī)器人產(chǎn)品在普通的日常生活中的可接受程度，更強(qiáng)調(diào)直接的護(hù)理使用體驗(yàn)，包括降低生產(chǎn)成本和運(yùn)行維護(hù)成本。更具體的設(shè)計(jì)體現(xiàn)在下述結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首要考慮的關(guān)鍵是減小護(hù)理機(jī)器人的自重與負(fù)載能力的比值，追求能滿足功能要求條件下的最小輸入功率。如圖1所示，與當(dāng)前一般工業(yè)機(jī)器人的臂部構(gòu)成方法不同，該護(hù)理機(jī)器人的大臂和小臂構(gòu)成一種五連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)。這里強(qiáng)調(diào)對(duì)應(yīng)的大臂和小臂的驅(qū)動(dòng)軸并不重合，即具有兩個(gè)不同軸的并聯(lián)的肩關(guān)節(jié)。

圖1 護(hù)理機(jī)器人大小臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Arm Structure Diagram of the Desktop Robot

采用這種并聯(lián)五桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂能優(yōu)化臂部受力情況、減輕臂部重量、提高臂部承載能力[7]。

特殊的五連桿并聯(lián)機(jī)械臂為腕部俯仰驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了非常有利的條件，結(jié)構(gòu)原理，如圖2所示。

圖2 護(hù)理機(jī)器人大小臂與腕部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Wrist Pitch and Arm Structure Diagram of the Desktop Robot

腕部處在小臂末端，靠腕部俯仰關(guān)節(jié)與小臂相連。動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)4經(jīng)雙平行四邊形機(jī)構(gòu)CDEG和CFNM傳遞。腕部俯仰控制是護(hù)理機(jī)器人護(hù)理功能最重要的控制量之一，在大小臂移送食物或物品的中途過(guò)程要求腕部俯仰角保持水平固定，以免食物或物品溢出末端執(zhí)行件（小匙）。

大小臂采用五連桿并聯(lián)，再與腕部俯仰機(jī)構(gòu)串聯(lián)是令研發(fā)和使用者非常高興和滿意的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，尤其適合護(hù)理機(jī)器人的減輕重量、減少電機(jī)功率、提高安全性的要求。采用Solidworks建立護(hù)理機(jī)器人的三維裝配模型，如圖3所示。不僅大臂和小臂的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)裝在腰部機(jī)架上，而且機(jī)器人的腕部俯仰電動(dòng)機(jī)也安裝在腰部機(jī)架上，通過(guò)兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的腕部俯仰運(yùn)動(dòng)。這樣很有利于輔助進(jìn)食作業(yè)。由于腕部俯仰只受腕部俯仰電機(jī)4控制，該電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，腕部在世界坐標(biāo)（絕對(duì)坐標(biāo)）系的俯仰角度是不變的。即：如無(wú)論大臂和小臂如何運(yùn)動(dòng)，只要腕部電機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)，末端執(zhí)行件（小匙）能始終保持水平狀態(tài)，滿足進(jìn)食過(guò)程中勺子內(nèi)的進(jìn)食物不灑出的要求。當(dāng)深入容器（碗）中裝進(jìn)食物時(shí)，末端執(zhí)行件（小匙）由腕部電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)進(jìn)行俯仰控制，俯仰角不受大小臂運(yùn)動(dòng)的影響并可以與大、小臂、腰部電機(jī)4軸聯(lián)動(dòng)，操作和控制簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用。

圖3 桌面護(hù)理機(jī)器人三維模型圖Fig.3 3D Model Diagram of the Desktop Robot

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)研發(fā)基于開(kāi)源arduino平臺(tái)。原因在于Arduino擁有大量的第三方資源，其開(kāi)源特性和良好的兼容性使得使用者有大量的第三方資源可供選擇。較高的易用性降低了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的門(mén)檻，該平臺(tái)的IDE環(huán)境可以提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率[8]。由于是護(hù)理機(jī)器人需要多軸聯(lián)動(dòng)，采用比較容易控制的ar‐duino mega 2560進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。arduino mega 2560開(kāi)發(fā)板相比于其他控制板不需要進(jìn)行底層代碼編寫(xiě)，利用互聯(lián)網(wǎng)上穩(wěn)定可靠的大量外圍模塊函數(shù)庫(kù)，直接編寫(xiě)要運(yùn)行的應(yīng)用程序。URT-1集成了USB轉(zhuǎn)串口芯片，結(jié)合線性低壓差穩(wěn)壓電路可以將USB信號(hào)方便地轉(zhuǎn)成5V或3V的串口信號(hào)電平。USB采用MINI的USB接口。由于電源端口有過(guò)流限制，最大6A，因此在本系統(tǒng)中控制4個(gè)伺服電機(jī)需要額外做供電分配處理。

桌面護(hù)理機(jī)器人大臂關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大，伺服動(dòng)力優(yōu)先考慮飛特SM40BL無(wú)刷串行總線磁編碼伺服電機(jī)。這種伺服電動(dòng)機(jī)采用12位高精度磁編碼測(cè)量位置，集直流電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、總線式通訊接口為一體的集成伺服單元，具有加速度反饋，速度反饋，位置反饋三閉環(huán)伺服控制，可以進(jìn)行開(kāi)放的PID參數(shù)調(diào)試，能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)地加速啟動(dòng)和停止，如圖4所示。

圖4 閉環(huán)伺服系統(tǒng)調(diào)試Fig.4 Debugging of Closed Loop Servo System

系統(tǒng)具有過(guò)熱保護(hù)，過(guò)載保護(hù)，過(guò)壓保護(hù)，過(guò)流保護(hù)，通過(guò)軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)變化[9]。在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化，當(dāng)內(nèi)外部環(huán)境發(fā)生變化，如扭力超限，堵轉(zhuǎn)，溫度超限等，會(huì)觸及保護(hù)機(jī)制啟動(dòng)，從而增加桌面護(hù)理機(jī)器人安全性并保護(hù)伺服電機(jī)本身。小臂、腕部和腰部（第4軸備用）選用SM30BL無(wú)刷串行總線磁編碼伺服電機(jī)。與SM40BL一樣，各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)具備串行總線接口，可以通過(guò)總線組成鏈型，每個(gè)伺服電機(jī)設(shè)定不同的節(jié)點(diǎn)地址，用異步串行接口統(tǒng)一控制。通過(guò)異步串行接口與系統(tǒng)通訊，根據(jù)需要和實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括波特率；0位誤差校準(zhǔn)；極限角度設(shè)置；極限扭力設(shè)置等。用串口總線發(fā)送指令可以單個(gè)電機(jī)獨(dú)立控制，可分別設(shè)置為位置控制模式、恒調(diào)速電機(jī)模式與PWM輸出模式。通過(guò)串口總線發(fā)送指令也可以多個(gè)伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)，即進(jìn)行多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)，以滿足軌跡控制的需要，編程界面，如圖5所示。

圖5 編程界面Fig.5 Programming Interface

這樣的串行總線控制布線極為簡(jiǎn)單，具有開(kāi)機(jī)回中位功能，編程容易，能脫離上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，方便實(shí)際應(yīng)用。

5 應(yīng)用驗(yàn)證

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)失能老人有一部分采用放置胃管的方法維持營(yíng)養(yǎng)。包括進(jìn)食、喂水、服藥等護(hù)理工作能有部分減輕，緩解護(hù)理人員缺乏的問(wèn)題。但放置胃管會(huì)使消化道生理環(huán)境改變，容易使食道末端括約肌關(guān)閉不嚴(yán)甚至引起肺部感染[10]。對(duì)于還有吞咽功能的高齡老人，應(yīng)盡量采用口腔進(jìn)食。通過(guò)咀嚼和吞咽保持器官功能，也更容易消化吸收食物，有利于提高生活質(zhì)量。因此，樣機(jī)主要針對(duì)具有吞咽功能，但自己進(jìn)食有困難、需要護(hù)理人員幫助的高齡老人和其他殘疾人而設(shè)計(jì)、調(diào)試并投入應(yīng)用，工作示意圖，如圖6所示。

圖6 桌面護(hù)理機(jī)器人工作示意圖Fig.6 Working Diagram of the Robot for Providing Diet Care

需要進(jìn)食時(shí)：大、小臂和腕部聯(lián)動(dòng)使末端執(zhí)行件小匙沿內(nèi)壁插入到容器（碗）底部；下一步的動(dòng)作主要是腕部的抬起，該動(dòng)作也需要大小臂的輔助聯(lián)動(dòng)，使小匙保持容器（碗）中心向上運(yùn)動(dòng)至腕部水平；接下來(lái)最關(guān)鍵的是腕部電機(jī)保持不動(dòng)，大小臂聯(lián)動(dòng)，使盛滿進(jìn)食物的小匙保持水平并沿直線向上，到達(dá)進(jìn)食高度，水平前伸運(yùn)動(dòng)到入口進(jìn)食點(diǎn)；然后延時(shí)等待傳感器給出單次進(jìn)食結(jié)束信號(hào)，回原位；循環(huán)至進(jìn)食結(jié)束。初步使用表明：系統(tǒng)調(diào)試簡(jiǎn)單，操作友好，響應(yīng)及時(shí)，運(yùn)行穩(wěn)定。主要工作過(guò)程可以為服務(wù)對(duì)象進(jìn)行單獨(dú)個(gè)性化設(shè)計(jì)。特別值得一提的是樣機(jī)可以工作在一名護(hù)理員同時(shí)看管多臺(tái)護(hù)理機(jī)器人的多機(jī)工作狀態(tài)。即一個(gè)護(hù)理人員在同一時(shí)間采用多個(gè)桌面護(hù)理機(jī)器人為不同老人輔助進(jìn)食。不同人的吃飯速度的差異也不會(huì)影響其他人，從而擁有更多的時(shí)間去細(xì)嚼慢咽，消化食物。大大節(jié)省護(hù)理人員的勞動(dòng)，提高進(jìn)食效果和護(hù)理效率。而且機(jī)器也比人更有耐心，不知疲倦，隨時(shí)都可以保持正確的工作狀態(tài)服務(wù)于高齡老人和其他有需要的殘疾人。

6 結(jié)論

護(hù)理機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，特別是桌面機(jī)器人的發(fā)展使護(hù)理機(jī)器人做到高安全性、高準(zhǔn)確度、高仿人類動(dòng)作，能大大減少醫(yī)護(hù)人員工作量和工作壓力。這將是解決醫(yī)護(hù)專業(yè)人員不足、提高被護(hù)理者特別是高齡老人生活質(zhì)量的有效方法。還應(yīng)看到，對(duì)于各種傳染病人，包括新冠病毒感染者，用機(jī)器代替人能做到減少護(hù)理人員或被護(hù)理者與傳染源的直接接觸，降低交叉感染的可能性。期望這樣的產(chǎn)品能早日廣泛使用、推動(dòng)我國(guó)養(yǎng)老事業(yè)的發(fā)展。