發(fā)布時間：2015-02-03 09:35

 

【摘要】 目前，我國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會，隨著老年人口所占的比例日漸升高，老年人的護理問題日益突出。當(dāng)前我國老年人護理設(shè)施和服務(wù)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了老年人的需要，因此，開發(fā)適合老年人日常洗浴的個人衛(wèi)生護理機器人具有重要的社會意義和實用價值。本文研究的搓澡系統(tǒng)是個人衛(wèi)生護理機器人重要的組成部分，搓澡機構(gòu)是與洗浴者身體接觸最密切的部分，它的設(shè)計是否合理將直接關(guān)系到整個衛(wèi)生護理機器人設(shè)計的成敗。本文研究的座椅式搓澡系統(tǒng)，主要滿足老年人在坐姿狀態(tài)下能夠搓背和搓小腿，當(dāng)搓澡系統(tǒng)輔助搓澡者站立后，又可為搓澡者搓臀部。本文設(shè)計的搓澡系統(tǒng)主要有四個模塊組成：輔助站立模塊，背部搓澡模塊、臀部搓澡模塊和腿部搓澡模塊。1）通過對人體搓澡過程的分析以及根據(jù)個人衛(wèi)生護理機器人總體方案的要求，確定了搓澡系統(tǒng)的整體方案。2）在人機工程學(xué)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模塊化思想對搓澡系統(tǒng)的四個模塊進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。利用Solidwoks三維軟件對各個模塊的機械機構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對這四個模塊的機械結(jié)構(gòu)在Solidworks中進(jìn)行裝配，用來檢測各個模塊的機械機構(gòu)之間是否產(chǎn)生干涉。3）利用分析軟件ADAMS對背部搓澡機構(gòu)、臀部搓澡機構(gòu)和腿部搓澡機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)仿真，并對輔助站立機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)仿真。最后研制出一臺搓澡系統(tǒng)實驗樣機，并對實驗樣機進(jìn)行空載運行實驗，對出現(xiàn)問題的部分機構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)。最終設(shè)計出了滿足個人衛(wèi)生護理機器人總體設(shè)計要求的搓澡系統(tǒng)，解決了老年人在洗浴過程中搓澡的難題，提高了老年人晚年的生活質(zhì)量。

第1章 緒論

1.1 課題來源
本課題是國家國際科技合作項目 “個人衛(wèi)生護理機器人關(guān)鍵技術(shù)研究”的子課題。該項目旨在解決個人衛(wèi)生護理機器人應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，研制適合家用與醫(yī)用環(huán)境，面向老年人或殘疾人使用的，具有智能洗澡、洗發(fā)、干身等作用的個人衛(wèi)生護理機器人。
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1.2 課題研究背景、目的和意義
中國已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會，養(yǎng)老問題已經(jīng)由傳統(tǒng)的家庭問題轉(zhuǎn)變成社會問題。據(jù)新華社電：2013年2月27日，我國第一部老齡事業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書——《中國老齡事業(yè)發(fā)展報告（2013）》在京發(fā)布。藍(lán)皮書指出，截至2012年底，我國老年人口數(shù)量達(dá)到1.94億，比上年增加891萬，占總?cè)丝诘?14.3％。全國老齡辦副主任、中國老齡科研中心主任吳玉韶在新聞發(fā)布會上介紹，隨著新中國成立后新出生的人口進(jìn)入老年期，我們迎來第一個老年人口增長高峰。2013年底，老年人口數(shù)量將突破2億大關(guān)[1]，達(dá)到2.02億，老齡化水平將達(dá)到 14.8％。2013年12月26日，中國社會科學(xué)院和社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社發(fā)布《社會藍(lán)皮書：2014年中國社會形勢分析與預(yù)測》，其中指出，今年我國60歲及以上老年人口達(dá)2億人，其中“失能老人”的總數(shù)已超3700萬人。另外，通過第六次人口普查顯示，我國殘疾人數(shù)達(dá)到八千多萬，占我國總?cè)丝诘?6.34%[3]，這將直接影響七千多萬家庭的生活質(zhì)量。
根據(jù)預(yù)計，從2020年開始，中國將步入老齡化嚴(yán)重階段，60歲以上人口將接近20%；2050年，中國將步入超高老齡化國家行列[2]，60歲以上人口將占到30%。人口的老齡化對社會造成多方面的影響。
我國目前還處在發(fā)展階段，國家就已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會，不像發(fā)達(dá)國家那樣有良好的經(jīng)濟條件去建立足夠多的老年人養(yǎng)老機構(gòu)。目前我國各種服務(wù)設(shè)施遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了老年人的需要，并且護理老年人的人員嚴(yán)重短缺[4]。河北醫(yī)科大學(xué)對家庭養(yǎng)老問題進(jìn)行了問卷調(diào)查，共獲得有效問卷1320份，分析結(jié)果顯示：幫助老人洗澡占總調(diào)查人數(shù)的34.8％，幫老人戶外活動占25.5％，幫老人上廁所占24.0％，幫老人換洗衣服占4.996％、幫老人吃飯占4.2％[5]。從以上調(diào)查結(jié)果可知：幫助老年人日常洗浴是照料老人時最困難的護理項目之一，但是對于運動量較少的老年人來說，經(jīng)常洗浴對他們的身體健康是非常重要的，洗澡不僅僅能夠除去人體表面的污垢，而且刺激人體表皮下的免疫細(xì)胞，增強人體的抗病能力。但是對于大多數(shù)老年人，洗澡都要在家人或護理人員幫助下進(jìn)行，這大大增加了家人和護理人員的負(fù)擔(dān)。因此，開發(fā)一種適合老年人日常洗浴的普通家用個人衛(wèi)生護理機器人，對緩解老年人護理負(fù)擔(dān)是具有重要的社會意義和實用價值[6,7]。
搓澡機構(gòu)是個人衛(wèi)生護理機器人最主要組成部分，因為搓澡機構(gòu)是與洗浴者身體接觸最密切的部分，它的設(shè)計是否合理將直接關(guān)系到整個個人衛(wèi)生護理機的成敗。

1.3 國內(nèi)外研究進(jìn)展及分析
搓澡是整個洗浴過程中最重要也是最難的部分，搓澡不僅能使循環(huán)系統(tǒng)暢通,改善血液循環(huán),加速人體各器官組織的新陳代謝進(jìn)而消除疲勞，而且可以刺激人體表皮下的功能很強的免疫細(xì)胞，使其提高機體免疫力和抗病能力，進(jìn)而調(diào)和全身的內(nèi)臟器官與組織，具有延年益壽之功效。國內(nèi)外許多學(xué)者針對洗澡問題進(jìn)行了大量的研究，提供了許多幫助洗浴者洗澡的相關(guān)產(chǎn)品，為研究搓澡機構(gòu)提供了豐富的信息資料。
1.3.1 國外研究現(xiàn)狀
日本對于衛(wèi)生護理機的研究比較早，如圖 1-1 是日本三洋公司1973年設(shè)計的一款個人洗澡機[8]。

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第2章 衛(wèi)生護理機整體方案的設(shè)計及搓澡過程分析

2.1 引言
本課題研究的內(nèi)容是研制出適合老年人或殘疾人洗澡使用的個人衛(wèi)生護理機器人。它具有的主要功能有：能為老年人自動洗澡、干身、自動洗頭發(fā)，并且在整個洗浴過程中要對洗浴者提供生理監(jiān)測功能。本課題還通過與日方進(jìn)行國際合作，把日本在智能機器人方面的技術(shù)引進(jìn)到我國，并與我國具有知識產(chǎn)權(quán)的個人衛(wèi)生護理設(shè)備相結(jié)合研究出符合老年人的個人衛(wèi)生護理機器人。
本章先介紹個人衛(wèi)生護理機器人的整體設(shè)計要求，然后再分析本文研究的個人衛(wèi)生護理機器人的主體部分——搓澡系統(tǒng)設(shè)計。
本課題研制的個人衛(wèi)生護理機器人主要針對養(yǎng)老機構(gòu)、醫(yī)院和普通家庭的老年人洗浴。通過調(diào)查問卷，并且考慮到老年人肌體能力和洗浴習(xí)慣，該機器人應(yīng)滿足以下功能要求：
1.首先設(shè)計的個人衛(wèi)生護理機器人應(yīng)具備洗頭、搓澡、干身等基本洗浴功能；
2.由于使用者大多數(shù)是老年人，所以在洗浴的過程中要提供生理監(jiān)測系統(tǒng)來保證洗浴者在洗浴過程中的身體安全；
3.設(shè)計的個人衛(wèi)生護理機器人要滿足省空間、省水的要求；
4.洗浴者在洗浴過程中要滿足舒適性的要求。
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2.2 個人衛(wèi)生護理機整體方案的確定
根據(jù)上面提出的個人衛(wèi)生護理機的功能要求，經(jīng)過課題組所有老師和同學(xué)們的分析和討論，最終確定如圖2-1所示的個人衛(wèi)生護理機器人的整體方案，本方案確定為坐姿式自動洗浴機器人。它的主要功能有四部分組成，它們分別是搓澡系統(tǒng)、洗頭系統(tǒng)、水的循環(huán)利用系統(tǒng)和生命體征監(jiān)護系統(tǒng)。本文將重點介紹機器人的主體部分——搓澡系統(tǒng)。
在研究人體搓澡系統(tǒng)前，首先要解決下面三方面問題：(1)確定搓澡裝置對搓澡者身體搓澡的部位和范圍；(2)確定搓澡者在搓澡過程中的姿態(tài)；(3)確定搓澡力度、位移、速度。這三方面直接影響著搓澡裝置設(shè)計的成敗，所以在設(shè)計搓澡系統(tǒng)之前先對這三方面進(jìn)行研究。

2.3 人體搓澡區(qū)域的確定
人體表面是一個復(fù)雜的曲面，設(shè)計一個能夠完全搓遍全身的搓澡裝置是非常困難的，通過大量的調(diào)查和研究并經(jīng)過課題組老師、學(xué)生們的討論，最終確定對洗浴者搓澡的部位有背部、臀部和小腿，如圖2-2所示，選擇這些部位有以下因素：(1)符合大多數(shù)人的搓澡習(xí)慣，大多數(shù)人在澡堂人工搓澡也主要是這些部位。(2)搓澡裝置接觸這些部位的表面對搓澡者比較安全，并且容易實現(xiàn)。
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第 3 章 搓澡系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計.............................. 19
3.1 引言.......................................19
3.2 老年人人體尺寸分析................................19
3.3 搓澡系統(tǒng)總體方案的設(shè)計..................................23
3.4 輔助站立裝置的設(shè)計.............................24
3.5 搓背裝置的設(shè)計................................28
3.6 搓臀部裝置的設(shè)計...................................31
3.7 搓腿部裝置的設(shè)計..................................32
3.8 搓澡系統(tǒng)的整體三維效果圖 ....................................34
3.9 本章小結(jié)................................36
第 4 章 搓澡系統(tǒng)的虛擬樣機的仿真研究 ........................ 37
4.1 引言...............................37
4.2 背部搓澡裝置的仿真..............................38
4.2.1 背部搓澡裝置的運動學(xué)仿真..................................38
4.2.2 背部搓澡裝置的運動學(xué)仿真..............................40
4.3 臀部搓澡裝置仿真....................................41
4.3.1 臀部搓澡裝置運動學(xué)仿真......................................41
4.3.2 臀部搓澡裝置的動力學(xué)仿真...............................42
4.4 腿部搓澡裝置的仿真....................................43
4.4.1 腿部搓澡裝置的運動學(xué)仿真..................................43
4.4.2 腿部搓澡裝置的動力學(xué)仿真................................44
4.5 輔助站立裝置的運動學(xué)仿真 .......................................45
4.6 搓澡系統(tǒng)各模塊驅(qū)動電機的選型與計算 ................................47
4.6.1 輔助站立裝置的電機選型...............................47
4.6.2 臀部搓澡裝置驅(qū)動電機的選型..................................50
4.6.3 背部和臀部搓澡機構(gòu)驅(qū)動電機的選型................................51
4.7 本章小結(jié).....................................52

第5章 搓澡系統(tǒng)實驗樣機的研制與實驗分析

5.1 引言
根據(jù)以上對搓澡機構(gòu)的設(shè)計分析，整個搓澡機構(gòu)的虛擬樣機已具有理論上的可行性，但是真正制作出的搓澡機構(gòu)由于受外在各種因素的影響，會和虛擬樣機的搓澡機構(gòu)有一定的誤差，所以還需要加工出實驗樣機來進(jìn)一步驗證設(shè)計的搓澡系統(tǒng)的合理性。另外制作出實驗樣機也給搓澡系統(tǒng)的測控系統(tǒng)搭建了實驗平臺。本章要制作出實驗樣機并且對實驗樣機進(jìn)行空載運行，通過空載運動來檢測各運動機構(gòu)是否運動平穩(wěn)并且對檢測出有問題的機構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。
如圖5-1是搓澡系統(tǒng)實驗樣機的實驗平臺，它有機械機構(gòu)部分和搓澡系統(tǒng)的控制部分組成。

制作搓澡裝置的材料是普通的碳素鋼，制作搓澡頭的材料是橡膠，為提高搓澡機構(gòu)的防水、防銹問題，對各個碳素鋼零件進(jìn)行電鍍。下面通過控制系統(tǒng)對搓澡裝置的各個運動模塊進(jìn)行空載運行。

5.2 搓澡系統(tǒng)實驗樣機的檢測
5.2.1 搓背模塊試驗樣機的檢測
如圖5-2所示是搓背模塊的樣機圖，通過控制裝置驅(qū)動搓背機構(gòu)進(jìn)行上下運動，在檢驗運動的過程中，錐齒輪副和齒輪齒條運動副運動都平穩(wěn)，但在運動一段時間后突然整個搓頭裝置停止上下運動了，檢測發(fā)現(xiàn)是U型輪與滑道出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，主要原因是U型輪與滑道的間隙太大導(dǎo)致U型輪向一邊傾斜而出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。隨后增大了U型輪的尺寸再對搓背裝置進(jìn)行了空載運行，結(jié)果再沒有出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

5.2.2 臀部搓澡模塊實驗樣機的檢測
如圖5-3所示是腿部搓澡模塊的樣機圖，，通過控制裝置控制輔助站立伺服電機驅(qū)動輔助站立機構(gòu)運動；在檢測運動的過程中，發(fā)現(xiàn)兩個問題：(1)當(dāng)縱向絲杠帶動背部提升架時出現(xiàn)了“咯咯”的響聲；(2)當(dāng)電動推桿帶動扶手向上開始運動的一瞬間，扶手會猛地向下沖擊一下。檢驗發(fā)現(xiàn)縱向絲杠在運動的時候發(fā)出噪音，原因是加工的絲杠精度不夠。最后在絲杠上涂上一定的潤滑油，噪音降低很多，對于扶手在向上運動初的一瞬間會向下沖擊一下，這一問題的主要原因是連接電動推桿與扶手的銷釘與插孔有間隙，最后換了一個直徑相對大的銷釘后扶手裝置沒有了震動現(xiàn)象。
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第6章 總結(jié)與展望

6.1 主要研究的工作
本課題在國家國際科技合作項目“個人衛(wèi)生護理機器人關(guān)鍵技術(shù)研究”的支持下，針對老年人洗浴時搓澡不便的問題，研制出老年人的搓澡系統(tǒng)�，F(xiàn)將兩年多來對本課題所做的研究工作總結(jié)如下：
1.通過分析和研究國內(nèi)外相關(guān)自動洗浴系統(tǒng)，并結(jié)合人機工程學(xué)，確定了個人衛(wèi)生護理機的整體方案。根據(jù)個人衛(wèi)生護理機器人整體要求，確定了搓澡者在搓澡時的身體姿態(tài)和搓澡范圍，并且研究了搓澡時搓澡力度的變化；以及搓澡者在搓澡過程中輔助站立的分析。
2.通過模塊化思想，完成了搓澡系統(tǒng)的輔助站立、搓背、搓臀部和搓小腿四部分的設(shè)計；并利用Solidworks三維軟件對搓澡系統(tǒng)四部分模塊進(jìn)行三維建模。并針對各模塊設(shè)計空間要求，選出了最優(yōu)的運動機構(gòu)，并通過各模塊運動機構(gòu)的動力計算，選出各模塊所需的伺服電機的型號。
3.為了增加整個搓澡系統(tǒng)的柔性，基于人機工程學(xué)，在輔助站立模塊利用電動推桿做輔助站立的下座來適應(yīng)不同身高的洗澡者，設(shè)計的搓澡頭裝置能夠滿足搓澡部位皮膚表面。
4.把Soldwoks建立的三維搓澡機構(gòu)導(dǎo)入到ADAMS中，對輔助站立機構(gòu)、搓背機構(gòu)、搓臀部機構(gòu)和搓小腿機構(gòu)進(jìn)行虛擬樣機分析，得出運動曲線，進(jìn)而驗證各機構(gòu)的平穩(wěn)性。
5.設(shè)計搓澡系統(tǒng)檢驗無誤后，繪制搓澡機構(gòu)的工程圖，在課題組的老師和同學(xué)的合作和努力下，共同加工研制出個人衛(wèi)生護理機器人實驗樣機。并對加工的實驗樣機進(jìn)行空載調(diào)試，檢驗搓澡系統(tǒng)各個運動機構(gòu)的運動軌跡是否滿足要求。
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本文編號：11816