一种自助护理移位机器人的设计

陈泓源，何桂馥，唐晓鑫，朱博文，肖海滨，何 巍，李旭辉

（广州城市理工学院 工程研究院，广东 广州 510800）

0 引言

根据2022 年第七次全国人口普查结果，我国65岁及以上人口为19064 万，占比13.50%[1]已达到深度老龄化社会的指标。随着独生子女的父母进入老年，养老护理人手不足的问题已引起全社会的关注，为此国家五部门联合印发了“关于促进老年用品产业发展的指导意见”。包括发展辅助起身及助行机器人等老年人生活辅助用品及老年人搬运、移位、等护理用品，提高老年人的生活质量和幸福感。本设计的自助护理移位机器人是一种可用于家庭、医院、养老机构等场所的移位护理装置，可由使用者自己操控，在没有护理人员协助的条件下也能实现自助移位，解决了现有护理移位装置需要护理人员操作的问题，能有效缓解护理人员人手不足的问题。

1 结构设计

主要结构尺寸的确定是根据护理移位装置使用场所的床、椅子、轮椅、坐便器等的高度尺寸及人体尺寸确定的。主要参考国家标准的病床[2]、轮椅[3]及市场上的坐便器等的高度尺寸，及我国成年人人体尺寸国家标准[4]。总体结构由上部的仿人背抱式托举机构和下部移动底盘组成，各部分具体结构如图1 所示。

图1 总体结构

托举机构由摇臂、胸托、上下两个电动推杆及膝盖支撑组成，上下两个电动推杆分别驱动摇臂和上部的胸托转动、以完成将下肢障碍者从坐姿移动到胸托上方的动作，根据刘玉鑫等[5]完成的人背人动作试验分析可知，人在被背起时分为前倾、抬升和稳定阶段，为了使下肢障碍者在被抬起时有较好的舒适性，在抬起前的准备工作应使下肢障碍者躯干前倾一定角度，增加胸托在抬起方向上的受力面积。参考刘玉鑫等[5]的研究考虑使用者的舒适度、机构的转角及整体结构尺寸，采用如图1 所示的2 和3 上下两个电动推杆驱动的方式完成托举动作，胸托的运动轨迹由上下两个电动推杆的合成运动构成，其优点是可形成一条由两个曲率半径构成的曲线，使胸托的上升轨迹相对于一个推杆的圆弧曲线更平缓，患者在上升的过程中由重力引起的下滑力减小，身体受力相对合理、舒适度更高，同时两个推杆驱动的托起机构使托起机构的结构更紧凑。除此之外还设计有膝盖支撑、及手臂支撑，膝盖支撑安装在托举机构的摇臂上，倾斜角度可根据不同使用者进行调整，在托举过程中支撑膝盖部位，可分担胸托的受力，减小胸部的压迫感，同时增强患者移位过程中的稳定性。手臂支撑安装在胸托前方，主要用于在托起过程中支撑患者的双臂，在托起过程中，手臂支撑与胸托同步旋转，保证托起全程患者手臂都能得到良好的支撑以解放双手操作控制器。电动推杆根据使用要求进行选型，下部电动推杆选用直流24 V、行程200 mm、速度28 mm/s、推力2000 N；上部电动推杆选用直流24 V、行程150 mm、速度28 mm/s、推力2000 N。

移动底盘结构如图2 所示，采用中间2 个驱动轮，两端各2 个万向轮的结构。

图2 底盘结构示意

两个水平对置的驱动轮采用两个独立的闭环刹车步进电机单独控制，通过控制两轮的转速进行转向，这种驱动和转向控制方式使得设备在行驶过程中可以围绕两个驱动轮轴线上的任意点进行旋转，具有行动方便、转向灵活、回转半径小占据空间小等优点。为了保证驱动轮与地面之间无打滑现象，驱动轮与地面之间的摩擦力必须大于移动底盘所受到的总的最大阻力[6]，驱动轮采用三导柱竖直起落式悬挂，通过弹簧的预紧力保证驱动轮与地面之间的正压力,以防止地面不平时驱动轮悬空或打滑，同时弹簧能吸收轮子与地面间的刚性冲击，提高使用者的舒适度。

步进电机根据使用要求，选择直流带刹车HBS57电机。驱动轮的选型，驱动轮有整体式，齿圈式和齿块拼合式3 种。对于尺寸较大的驱动轮，许多机器采用齿圈式或齿块拼合式，由于本次设计的驱动轮尺寸较小，故选用整体式驱动轮。材质选用天然橡胶作为主要原料的橡胶轮，轮毂为6061 铝合金，具有缓冲外界冲击，减少震动，轻量及使用寿命长等特性。万向轮选用聚氨酯铝芯万向轮，因其具有质轻、隔音、耐磨、耐老化、硬度高有弹性等优点。

2 控制系统

考虑到STM32 单片机兼容性好，支持各种主流操作系统，后期维护方式更方便快捷，数据采集功能强，在内部接口方面设置了模数转换器，用高级定时器代替了现有的传统通用性定时器，能够在不影响中央处理单元的运行效率的情况下实现数据的双向传输，且价格较低，因此控制系统采用STM32 单片机作为主控系统，用于执行程序中设定的各项指令，控制各个执行元件的工作状态，相互配合，完成整个机器人的托举、移位和复原的动作。操作方式有两种选择。手执遥控器控制和自动循迹。

（1）手执遥控器控制机器人托起机构的托起、复位、下部底盘的前进、后退和转向。机器人不用时停放在指定的待机位置，开始使用时用遥控器召唤到使用位置。患者的初始位置为坐姿，胸部靠紧机器人托举机构的胸托，要求托举机构在托起患者的过程中移动底盘锁住不动，托举机构到达托举结束位置后要松开锁紧装置，下部移动底盘开始移动，移动到目的地后，移动底盘锁住不动，托举机构开始下降患者恢复坐姿，不用时机器人回到指定的待机位置。

（2）自动红外循迹功能，循迹的工作原理为：通红外传感器检测机器人是否位于磁条中央，如发生偏离会向控制系统发出信号，控制底盘左右驱动电机的转速，进行调整，使机器人沿着红外传感器识别的预设路线前进。循迹的基础路线大致为：待机位置（充电器位置）、床边、卫生间（坐便器）、客厅等常去的场所。通过超声波传感器识别障碍物，当识别到障碍物时，传感器能够发出警报并减速刹车，通过遥控器绕开障碍物继续循迹到达目的地，移动底盘锁住不动，托举机构开始下降患者恢复坐姿，不用时机器人回到指定的待机位置。

运动控制流程如图3 所示。

图3 运动控制流程

3 样机制作

样机制作根据设计图纸及设计参数，对所有零部件进行计算校核、选择电动推杆和步进电机及驱动器等的型号，通过虚拟装配确认设计无误后，采购零部件及材料进行加工组装。步进电机采用57 系列两相闭环混合式步进电机，电机各项参数见表1。

表1 电机参数

上述57 系列两相闭环混合式步进电机驱动器的各项参数见表2。

表2 驱动器参数

完成的样机如图4 所示。经测试下部推杆的驱动使胸托的转动角度可达32°，上部推杆可使胸托转动15°，初始状态下胸托平面与水平面成65°，托起状态下，胸托与水平面成18°，满足设计要求，移动底盘可按控制要求移动。

图4 样机

4 设计的创新点

本设计的创新点主要有以下几个方面。

（1）本自助护理移位机器人的移动底盘装有两个单独控制的驱动电机，采用单片机编程控制，可由被护理者自己操作，有别于同类护理移位装置行走时需要护理人员手推，可解决护理人员人手不足的问题，提高被护理者的生活便利性。

（2）胸托运动轨迹的设计，通常的仿人背抱式托起机构，胸托绕安装点转动，运动轨迹为一段圆弧，本设计采用上下两个电动推杆驱动，胸托的运动轨迹是摇臂在下部电动推杆的驱动下绕安装点的转动和胸托连杆机构在上部电动推杆驱动下发生转动共同完成的，其合成轨迹是椭圆曲线的一部分，使人在被托起过程中的下滑力减小，舒适度提高。

（3）移动底盘在设计，有别于其他同类产品的4轮设计，采用中间两个驱动轮，两侧各两个万向轮的结构，使底盘可绕中间的驱动轮回转，回转半径是4轮结构的一半，可在更小的空间使用。

5 结语

本次设计的初衷是为了解决家庭和养老机构护理人员不足的问题，节省养老护理工作中的人力资源，设计的创新点主要有2 个：（1）托举机构的运动轨迹的设计，尤其是上部连杆机构的设计，充分考虑了使用者被托举过程中的受力状况，以保证托举过程的舒适度；（2）该装置为了解决养老护理人手不足的问题，采用了自动循迹和手动控制相结合的控制方式，具有自助移位功能，可帮助使用者在无人护理下自主移动，丰富了移位辅助产品的种类，为不同使用人群提供更多的选择。