許朋 喻洪流 石萍

摘? 要： 針對(duì)目前飲食護(hù)理機(jī)器人操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款新型的智能飲食護(hù)理機(jī)器人，并且通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性的分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。首先，根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);然后，利用SOLIDWORKS進(jìn)行三維建模，并運(yùn)用SOLIDWORKS Motion對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)餐碗旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、升降部件升降運(yùn)動(dòng)、懸臂部件伸縮旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，仿真的結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)餐勺在飲食護(hù)理過(guò)程中會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象;之后，本文試制了試驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了硬件去抖和軟件去抖對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了機(jī)器人在飲食護(hù)理過(guò)程中采用硬件去抖和軟件去抖結(jié)合的方法，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。該智能飲食護(hù)理機(jī)器人設(shè)計(jì)合理、操作簡(jiǎn)單，能夠幫助上肢功能障礙者進(jìn)行飲食。

關(guān)鍵詞： 飲食護(hù)理;機(jī)器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類號(hào)： TP242.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.015

本文著錄格式：許朋，喻洪流，石萍. 一種智能飲食護(hù)理機(jī)器人研究[J]. 軟件，2020，41（09）：5659

【Abstract】： Considering the smart feeding assistive robots disadvantages as complicated and expensive operation， a new type of rotary feeding assistive robot was designed， then， its kinematic characteristics were analyzed and various degrees of freedom torque were calculated to verify the rationality of the design. Firstly， the overall structure of the robot was designed under the modular design principle. Then， the robot's 3D model was established by SOLIDWORKS， and the kinematics simulations of the motion of the rotary motion of the moving plate， the lifting motion of the lifting part， and the telescopic—rotating motion of the cantilever part were done with SOLIDWORKS Motion respectively. The results of the simulation show that the dithering of the moving spoons in the process of dietary nursing. After that， the experimental prototype was trial-produced in this paper， and a comparison experiment was carried out on the hardware de-shake and software de-shake. The experimental results confirmed that the robot adopted the combination of hardware de-shake and software de-shake in the diet care process， and the movement was more stable. The rotary feeding assistive robot is designed reasonably and operated easily， and can help people with upper limb dysfunction to eat.

【Key words】： Feeding assistive; Robot; Physical design; Motion simulation

0? 引言

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布數(shù)據(jù)[1]，截至2018年底，60周歲及以上人口24949萬(wàn)人，占總?cè)丝诘?7.9%，其中65周歲及以上人口16658萬(wàn)人，占總?cè)丝诘?1.9%。預(yù)計(jì)到2050年前后，老年人口占比將達(dá)34.9%，全國(guó)老齡化比例呈直線上升趨勢(shì)[2]。此外，由脊髓損傷、腦損傷、腦中風(fēng)以及引發(fā)的后遺癥、神經(jīng)損傷和肌肉萎縮病變引起的功能障礙數(shù)量逐年增加。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)事故，交通事故，自然災(zāi)害等引起的肢體殘疾患者人數(shù)也逐年增加。隨之帶來(lái)的問(wèn)題就是失能老年人和殘疾人的有效護(hù)理和護(hù)理所需人力資源的緊缺之間的矛盾日益加劇[3]。飲食護(hù)理又是最重要的日常活動(dòng)，對(duì)于上肢活動(dòng)受限的老年人和上肢有功能障礙的人，通常是由病人家屬照顧或?qū)I(yè)護(hù)士的幫助完成飲食護(hù)理[4]。但這種方式不僅效率低，需要消耗大量的人力，費(fèi)用高昂，對(duì)于一般經(jīng)濟(jì)狀況的家庭來(lái)說(shuō)很難負(fù)擔(dān)得起，并且如果護(hù)理人員和病人之間的溝通不良還會(huì)引起沖突[5]。因此，飲食護(hù)理機(jī)器人的研究和應(yīng)用，對(duì)我國(guó)康復(fù)醫(yī)療水平的提高及多學(xué)科交叉研究的進(jìn)步都具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外飲食護(hù)理機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)方案按照餐碗的位置是否固定，飲食護(hù)理機(jī)器人可以分為兩種類型[6]：固定餐碗型和運(yùn)動(dòng)餐碗型。固定餐碗型飲食護(hù)理機(jī)器人大多采用固定的餐桌、餐碗或餐盤(pán)加自由度較多（5DOF或6DOF）的助餐機(jī)械手的形式構(gòu)成，其中比較典型的有以下幾種。英國(guó)Mike Topping公司研制的Handy l[7]使用了一個(gè)5自由度的機(jī)械臂和三個(gè)可拆卸的托盤(pán)來(lái)滿足使用者的不同使用需求。激光掃描系統(tǒng)選取食物，利用機(jī)械臂盛取食物并送至患者嘴邊，但激光掃描選取食物時(shí)間長(zhǎng)。美國(guó)Sammons Preston公司生產(chǎn)的Winsford Self-Feeder[8]采用兩個(gè)機(jī)械臂共同輔助進(jìn)餐，其中一個(gè)機(jī)械臂裝有勺子，另一個(gè)機(jī)械臂的作用是將盤(pán)子里的食物推到勺子上。就餐時(shí)患者通過(guò)觸碰下頜開(kāi)關(guān)，機(jī)械臂運(yùn)作輔助患者進(jìn)餐。但兩個(gè)機(jī)械臂控制難度大，機(jī)械臂盛取食物時(shí)穩(wěn)定性差，存在抖動(dòng)，易出現(xiàn)食物灑落的情況。日本Secom公司研發(fā)的My Spoon[9-10]由一個(gè)固定于盤(pán)底的6自由度機(jī)械臂和一個(gè)固定餐碗構(gòu)成。用戶可通過(guò)頜動(dòng)，腳動(dòng)和手動(dòng)三種方式操控。My Spoon通過(guò)一個(gè)勺子和一個(gè)叉子共同配合來(lái)抓取食物。但由于售價(jià)很高，難以走進(jìn)普通家庭。綜上所述固定餐碗型的飲食護(hù)理機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，取食方便，但由于機(jī)械臂自由度較多，設(shè)計(jì)難度大難以控制，并且價(jià)格很高，普通家庭難以負(fù)擔(dān)。在此情況下，產(chǎn)生了如今應(yīng)用較為廣泛的運(yùn)動(dòng)餐碗型飲食護(hù)理機(jī)器人。

運(yùn)動(dòng)餐碗型通常為旋轉(zhuǎn)（移動(dòng)）的餐桌、餐碗或餐盤(pán)加自由度較少（2DOF或3DOF）的飲食護(hù)理機(jī)械手的形式構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)餐碗型的機(jī)器人通過(guò)餐桌或餐碗的旋轉(zhuǎn)大大減少了機(jī)械臂的自由度，從而彌補(bǔ)了機(jī)械臂的設(shè)計(jì)不足。其中比較典型的有以下幾種。美國(guó)Mealtime Partner公司研制的dining system[11-12]餐勺的運(yùn)動(dòng)軌跡固定，餐勺有旋轉(zhuǎn)和伸縮兩個(gè)自由度。三個(gè)餐碗分別裝不同的食物，通過(guò)餐碗的轉(zhuǎn)動(dòng)用戶可以選擇不同的食物。但dining system整體體積和重量較大，不方便用戶使用。海軍工程大學(xué)所研制的可控式用餐機(jī)[13-14]，它采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用連桿機(jī)構(gòu)的原理來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂。機(jī)械臂只有一個(gè)自由度，無(wú)空間旋轉(zhuǎn)自由度，利用餐盤(pán)和餐桌的同時(shí)旋轉(zhuǎn)來(lái)彌補(bǔ)手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷。餐勺在餐盤(pán)中的取餐位置固定，通過(guò)腳踏按鈕來(lái)操作。但該機(jī)器人自由度少，智能化程度較低，只能完成在特定環(huán)境下的簡(jiǎn)單助餐，還需進(jìn)一步完善才能使用。哈爾濱工程大學(xué)研制的MY TABLE[15-16]。由一個(gè)旋轉(zhuǎn)餐桌、一個(gè)2自由度的機(jī)械臂組成，機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和上升功能，利用餐桌的旋轉(zhuǎn)來(lái)彌補(bǔ)機(jī)械臂自由度不足的缺陷。它有3種人機(jī)交互操作模式可供選擇，分別為頭戴鼠標(biāo)、腳踏開(kāi)關(guān)以及語(yǔ)音識(shí)別。進(jìn)餐時(shí)，患者只需坐在餐桌前，選擇一種操控方式就可以幫助患者進(jìn)餐了。由于該機(jī)器人還處于功能樣機(jī)階段，體積比較大，且不易拆卸，故還需要改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

綜合比較國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的各類型飲食護(hù)理機(jī)器人，本文結(jié)合固定餐碗型和運(yùn)動(dòng)餐碗型各自的優(yōu)點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了一款智能飲食護(hù)理機(jī)器人。通過(guò)智能的運(yùn)動(dòng)餐碗簡(jiǎn)化機(jī)械臂復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，設(shè)定固定的勺子運(yùn)動(dòng)軌跡提高飲食護(hù)理效率，同時(shí)簡(jiǎn)化復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)降低成本，減小體積和重量，提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，使飲食護(hù)理機(jī)器人更能夠被普通家庭接受。

1? 飲食護(hù)理機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1? 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能飲食護(hù)理機(jī)器人包括轉(zhuǎn)盤(pán)升降部件、伸縮旋轉(zhuǎn)部件、運(yùn)動(dòng)餐勺和4個(gè)可拆卸的餐碗構(gòu)成，如下圖1所示。該飲食護(hù)理機(jī)器人屬于運(yùn)動(dòng)餐碗型的飲食護(hù)理機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)餐碗上有4個(gè)碗，每個(gè)碗里裝著不同食物，餐碗轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)用餐者可以選擇喜歡的食物，升降裝置將懸臂升高到合適的高度，然后懸臂將勺子先逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，然后再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，將勺子推送到旋轉(zhuǎn)餐碗內(nèi)，勺子盛取食物，懸臂推動(dòng)勺子向前運(yùn)動(dòng)，將食物送到用餐者嘴邊，待用餐者吃完勺子里食物后，懸臂將勺子向后伸縮，回到初始位置，完成一個(gè)飲食護(hù)理周期運(yùn)動(dòng)。

1.2? 轉(zhuǎn)盤(pán)升降部件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)餐盒通過(guò)旋轉(zhuǎn)，用餐者可以根據(jù)自己喜歡的食物進(jìn)行選擇。運(yùn)動(dòng)餐盒包括4只餐碗、運(yùn)動(dòng)餐盒上可以懸掛餐盒的支撐架以及底盤(pán)。旋轉(zhuǎn)的餐盤(pán)可以360°旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)餐盒的碗采用不規(guī)則的形狀，每個(gè)碗旋轉(zhuǎn)角度是90°。碗的一側(cè)設(shè)置刮菜擋板，當(dāng)取菜結(jié)束后，轉(zhuǎn)盤(pán)部件自動(dòng)來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)10°，刮掉多余的飯菜，避免一次取菜過(guò)多的情況。運(yùn)動(dòng)餐盒每轉(zhuǎn)一周停4次，從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，停一次，以此反復(fù)做周期運(yùn)動(dòng)，直至用餐者飲食護(hù)理結(jié)束。

底座主要作用是固定餐盒支架，保證機(jī)器人重心的穩(wěn)定。通過(guò)固定餐盒支架更加穩(wěn)固餐盒的懸掛，可以在旋轉(zhuǎn)餐盒時(shí)，餐盤(pán)自由被選擇，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)搖晃等情況的發(fā)生。

1.3? 伸縮旋轉(zhuǎn)部件設(shè)計(jì)

伸縮旋轉(zhuǎn)部件包含2個(gè)電機(jī)。上面的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使與電機(jī)連接的絲桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿上面的螺紋帶動(dòng)螺母向前運(yùn)動(dòng)，從而使勺子向前運(yùn)動(dòng)。在完成飲食護(hù)理動(dòng)作時(shí)，勺子向后移動(dòng)，回到初始位置。懸臂部件中下方的電機(jī)主要用來(lái)控制勺子旋轉(zhuǎn)，被上面電機(jī)帶動(dòng)連桿向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，控制勺子先逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，待到勺子在自己需要選取的餐盤(pán)上方停下來(lái)，然后電機(jī)控制，帶動(dòng)勺子向順時(shí)針?lè)较?0°，選取自己所要的食物，勺子在盛滿自己想要的食物后，升降裝置帶動(dòng)勺子向上運(yùn)動(dòng)，與懸臂相互配合，懸臂的電機(jī)使勺子向前運(yùn)動(dòng)，勺子到達(dá)患者嘴邊，完成整個(gè)飲食護(hù)理動(dòng)作。

1.4? 運(yùn)動(dòng)餐勺設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)餐勺采用帶有弧度的勺子，不僅可以節(jié)省一定的空間，在盛取食物時(shí)也更加穩(wěn)定，使勺子與餐盤(pán)間保持一定的安全距離。帶有弧度的勺子與直柄的勺子相比更安全。彎曲的勺子具有彈性，更耐用。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用連桿機(jī)構(gòu)，組成四連桿，帶動(dòng)前面的勺子轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)伸縮桿收回時(shí)，彈簧被壓縮，使得勺子回到初始位置。當(dāng)伸縮桿伸出時(shí)，彈簧將勺子彈出，勺子轉(zhuǎn)到45°的位置，如下圖2所示。

2? 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能飲食護(hù)理機(jī)器人的電氣控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)中的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)：轉(zhuǎn)盤(pán)升降部件電機(jī)（2個(gè)），伸縮旋轉(zhuǎn)部件電機(jī)（2個(gè)）。因此本文控制系統(tǒng)的研究重點(diǎn)在于協(xié)調(diào)控制四個(gè)步進(jìn)電機(jī)，使整個(gè)控制系統(tǒng)完成預(yù)定的飲食護(hù)理動(dòng)作。動(dòng)力控制系統(tǒng)由：主控制器，各個(gè)部件的子控制器和步進(jìn)電機(jī)組成。它接收控制系統(tǒng)的控制命令并精確地控制四個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)，按照預(yù)定好的最優(yōu)的軌跡完成飲食護(hù)理動(dòng)作。電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。

3? 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

下圖4為機(jī)器人取食和喂食過(guò)程，為了驗(yàn)證智能飲食護(hù)理機(jī)器人各個(gè)自由度的電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)效果，在SOLIDWORKS的運(yùn)動(dòng)仿真模塊Motion中對(duì)建立的3D機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行分析，Motion的運(yùn)動(dòng)分析解算器采用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自分析軟件ADAMS的解算器。下圖5為運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果。

4? 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

增量式光電編碼器作為整個(gè)系統(tǒng)各關(guān)節(jié)的角速度和角度反饋，其測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性直接關(guān)系到飲食護(hù)理機(jī)器人的正常運(yùn)行。在本文的控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了編碼器去抖電路和軟件去抖程序，通過(guò)硬件和軟件的同時(shí)去抖盡量消除編碼器的數(shù)據(jù)采集誤差。以此來(lái)保證飲食護(hù)理機(jī)器人的正常運(yùn)行。在本節(jié)中將設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證從編碼器采集到的數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)硬件和軟件去抖之后與未經(jīng)過(guò)去抖采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)驗(yàn)證本文中設(shè)計(jì)的硬件去抖電路和軟件去抖的有效性。

本文采用的編碼器是500線的三相（A相、B相、Z相）增量式光電編碼器，當(dāng)CPU捕獲到一個(gè)Z相脈沖時(shí)，則編碼器旋轉(zhuǎn)一圈。以捕獲到一個(gè)Z相脈沖為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷編碼器轉(zhuǎn)過(guò)360°。通過(guò)定時(shí)器Timer4的計(jì)數(shù)器TIM4->CNT來(lái)捕獲A相、B相的脈沖數(shù)，以此來(lái)計(jì)算得到測(cè)量到的編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的角度，用測(cè)量到的編碼器轉(zhuǎn)過(guò)的角度與標(biāo)準(zhǔn)角度進(jìn)行對(duì)比判斷去抖效果。分別在無(wú)干擾直接測(cè)量和安裝在關(guān)節(jié)處測(cè)量?jī)煞N情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)控制單一條件變量：條件一（無(wú)去抖）、條件二（僅硬件電路去抖）、條件三（僅軟件程序去抖）、條件四（同時(shí)硬件電路和軟件程序去抖）。

圖6是無(wú)干擾狀況和安裝在關(guān)節(jié)處測(cè)量而計(jì)算得到誤差率折線圖，從圖中很明顯的可以看出隨著編碼器測(cè)量的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)增加，誤差率越來(lái)越小且趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)闇y(cè)量的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)基數(shù)越小時(shí)，所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差越大，所以當(dāng)測(cè)量的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)一直增加時(shí)，誤差率會(huì)趨于穩(wěn)定。在編碼器測(cè)量的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)相同時(shí)，總

是存在：條件一（無(wú)去抖）誤差率>條件二（僅硬件電路去抖）和條件三（僅軟件程序去抖）>條件四（同時(shí)硬件電路和軟件程序去抖）誤差率。這說(shuō)明不管是條件二（僅硬件電路去抖）或者條件三（僅軟件程序去抖）條件下，都能夠明顯的降低測(cè)量的誤差率，具有顯著的去抖效果，特別是在條件四（同時(shí)硬件電路和軟件程序去抖）條件下，編碼器測(cè)量的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)相同時(shí)的誤差率最小，去抖效果最好。

5? 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款智能飲食護(hù)理機(jī)器人。相對(duì)于國(guó)內(nèi)外已有的關(guān)于飲食護(hù)理機(jī)器人的研究，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：采用步進(jìn)電機(jī)+絲杠作為驅(qū)動(dòng)組件，極大地提高了助餐過(guò)程的穩(wěn)定性，餐盒上設(shè)置有食物刮片，可有效避免食物灑落和浪費(fèi);采用具有彈性、帶有弧度的餐勺，盛取食物時(shí)更加穩(wěn)定;且喂食時(shí)餐勺傾斜角為45°，符合人因工程學(xué)設(shè)計(jì)，更方便患者進(jìn)食;采用智能結(jié)構(gòu)，包含4個(gè)可單獨(dú)拆卸的餐盤(pán)，方便使用者選擇自己喜歡的食物;整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，便于操作。

本文最后試制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)軌跡驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的飲食護(hù)理，基本滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與設(shè)計(jì)的兩條運(yùn)動(dòng)軌跡基本運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相同，證明設(shè)計(jì)的進(jìn)食、抬臂收展動(dòng)作軌跡是合理的。

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