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機(jī)器人化多功能護(hù)理床研究與探討
翻譯人 xxx
摘要：人性化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的一個(gè)重要理念,它強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)從人體工學(xué)、生態(tài)學(xué)、美學(xué)等角度達(dá)到完美,體現(xiàn)了科技以人為本的思想。該護(hù)理床的設(shè)計(jì)正是基于這種理念,它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)抬背、抬大腿,曲小腿和調(diào)整坐姿的功能,并將設(shè)計(jì)通過(guò)Pro/E三維實(shí)體建模軟件進(jìn)行模擬和仿真分析,進(jìn)一步指導(dǎo)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。為滿足目前日益提高的家庭護(hù)理要求，將機(jī)器人的多軸協(xié)調(diào)控制技術(shù)應(yīng)用于護(hù)理床的控制，研制了一種機(jī)器人化的多功能護(hù)理床．該護(hù)理床通過(guò)各個(gè)床面板之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，采用單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種位姿，并通過(guò)語(yǔ)音或鍵盤(pán)來(lái)控制進(jìn)行多位姿的運(yùn)動(dòng)．護(hù)理床的控制系統(tǒng)由主控制模塊和輔助控制模塊兩部分構(gòu)成．其中主控制模塊采用單片機(jī)進(jìn)行控制，這樣既可降低成本，又可保證護(hù)理床操作的靈活性和可靠性；輔助控制模塊包括語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音回放兩部分的功能．實(shí)際使用效果證明了所研制的護(hù)理床的實(shí)用性和有效性．本文由醫(yī)學(xué)論文網(wǎng)與您分享！
關(guān)鍵詞：機(jī)器人化護(hù)理床；控制系統(tǒng)；語(yǔ)音識(shí)剮；單片機(jī)
概述：目前，無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，均面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的人口老齡化問(wèn)題。老年人由于各項(xiàng)生理機(jī)能退化，健康狀況普遍不佳，消耗大量醫(yī)療資源，增加了醫(yī)院的負(fù)擔(dān)。世界各國(guó)均在積極探求一種新的健康服務(wù)模式，提供更高質(zhì)量、更可靠、更容易被接受且成本低廉的健康服務(wù)。因此現(xiàn)代遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)建，具有很好的發(fā)展前景。本文研究了一種面向社區(qū)的基于機(jī)器人化多功能式智能健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，用來(lái)對(duì)病人的生理參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間、自動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)，并經(jīng)分析、處理后實(shí)現(xiàn)多類(lèi)別自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)記錄，而且可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)便于醫(yī)護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)病人的病情變化，隨時(shí)采取必要的護(hù)理與急救措施。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人口壽命不斷延長(zhǎng)，城市人口正逐步進(jìn)入老齡化．據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)現(xiàn)有人口中，老齡人口達(dá)1．32億，并且還在以每年3．2％的速度遞增．其中空巢家庭占所有老齡家庭總數(shù)的25 8％，在一些大城市中該比例更大，如北京為34％，上海為34．8％，廣州為30％，天津?yàn)?6．5％“o．人口的老齡化對(duì)社會(huì)醫(yī)療服務(wù)體系提出了更高的要求，建立以社區(qū)為核心的健康監(jiān)控和疾病預(yù)控信息化系統(tǒng)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義”o．老年人由于年齡偏大，肌體的活性逐漸降低，對(duì)疾病的抵抗力日益減弱，且疾病多以慢性病為主．對(duì)于慢性病人和癱瘓病人而言，除了配合藥物和針劑的治療外，物理方式的護(hù)理也必不可少．正確、適當(dāng)?shù)淖o(hù)理可以大大增強(qiáng)患者肌體的活性，減少并發(fā)癥的產(chǎn)生．對(duì)于許多慢性病患者而言，通過(guò)定期服藥、適當(dāng)監(jiān)護(hù)和正確護(hù)理，可以不必長(zhǎng)期住院．特別是對(duì)那些因種種原因不可能長(zhǎng)期住院治療的患者、老年人和殘疾人士而言，配置必要的護(hù)理設(shè)備和用具尤為重要“。．相比于普通人，慢性病人、癱瘓病人和殘疾人士的臥床時(shí)間更長(zhǎng)、更久，因此開(kāi)發(fā)一種舒適、護(hù)理功能齊全、性價(jià)比高的護(hù)理床，將具有廣闊的市場(chǎng)前景”?．目前，我國(guó)正著力于建設(shè)社區(qū)公共衛(wèi)生服務(wù)體系，如果將所開(kāi)發(fā)的護(hù)理床與社區(qū)、醫(yī)院醫(yī)療體系連接，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療、護(hù)理、健康監(jiān)護(hù)、醫(yī)療救治、疾病預(yù)控等的一體化，可大大減輕醫(yī)院的壓力，更為合理、有效地利用現(xiàn)有的醫(yī)院資源”4’．同時(shí)，通過(guò)醫(yī)院、社區(qū)兩種信息化系統(tǒng)的建立和連接，可大大提升我國(guó)應(yīng)對(duì)突發(fā)性公共衛(wèi)生事件的響應(yīng)速度和處理能力．有鑒于此，筆者針對(duì)我國(guó)社會(huì)醫(yī)療服務(wù)的發(fā)展現(xiàn)狀及現(xiàn)實(shí)需求，提出了一種基于機(jī)器人多軸協(xié)調(diào)控制技術(shù)和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的多功能護(hù)理床的概念，成功研制了一種機(jī)器人化的多功能護(hù)理床，并在此基礎(chǔ)上研制了一套基于該護(hù)理床的社醫(yī)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)．本文主要對(duì)該機(jī)器人化護(hù)理床的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)進(jìn)行探討．
圖一 常用的護(hù)理床結(jié)構(gòu)
1 機(jī)器人化護(hù)理床的結(jié)構(gòu)
在進(jìn)行機(jī)器人化護(hù)理床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了以下兒點(diǎn)：(1)護(hù)理床應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)護(hù)理所需的各種體位的位姿要求；(2)各個(gè)活動(dòng)床面板的擺動(dòng)角度應(yīng)符合醫(yī)療護(hù)理要求并兼顧人體的舒適性；(3)護(hù)理床床體的可靠性、穩(wěn)定性和安全性要符合醫(yī)療護(hù)理要求；(4)床體的尺寸有一定的空間范圍限制；(5)要考慮護(hù)理床在房間內(nèi)移動(dòng)的簡(jiǎn)易性以及醫(yī)護(hù)輔助裝置(如吊液架和書(shū)飯桌)在護(hù)理床f：的可安裝性．所研制的機(jī)器人化護(hù)理床的床面結(jié)構(gòu)如圖1所示，它實(shí)現(xiàn)J，對(duì)護(hù)理床的7個(gè)基本體位的位姿的要求，即平躺、抬背、屈／伸腿、抬腿、左／右翻身、坐起以及解便，7個(gè)面板是相互獨(dú)立的．通過(guò)各個(gè)床面板之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，采用單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)護(hù)理床所需的各種體位的位姿．護(hù)理床的位姿與相應(yīng)的床面板動(dòng)作如表l所示．各床面板的擺動(dòng)角度如下：背板(坐姿)，o。一十750；背板(左／右翻身)，o?！?65。；左／右臀部板，O。～+75。；大腿板，o。一+35。；小腿板，一55 o～+35。；解便蓋板，O。一+90。．2機(jī)器人化護(hù)理床的控制系統(tǒng)為了便于對(duì)護(hù)理床進(jìn)行智能控制，及時(shí)r解護(hù)理床的當(dāng)前工作狀態(tài)，律護(hù)理床的脒身上需安置必要數(shù)目的傳感器”?．通過(guò)分析傳感器傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)了解、控制床面板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，防止不同機(jī)構(gòu)問(wèn)的相互干涉或是驅(qū)動(dòng)電機(jī)超調(diào)對(duì)床體、人員造成的不必要傷害．控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示．在床體位姿的控制方式方面，除了采用通行的鍵盤(pán)按鈕輸入方式外，為了方便體弱病殘者，還增加了語(yǔ)音輸人方式+操作者可以通過(guò)語(yǔ)音命令來(lái)操縱護(hù)理床．由于普通類(lèi)型的控制芯片難以完成語(yǔ)音命令的識(shí)別，岡此將整個(gè)護(hù)理床的控制系統(tǒng)分為兩大模塊．第一部分為主控制模塊，它由一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)護(hù)理床系統(tǒng)的主體控制，包括接受鍵盤(pán)／語(yǔ)音控制命令和傳感器位置信號(hào)的輸入，以及輸出電機(jī)控制信號(hào)等，第二部分為輔助控制模塊，主要進(jìn)行語(yǔ)音的識(shí)別和回放，它將來(lái)自操作者的語(yǔ)音控制命令轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)編碼轉(zhuǎn)換，輸送至主控制模塊，同時(shí)接受來(lái)自主控制模塊的電信號(hào)，將這些控制指令轉(zhuǎn)換為操作者可以理解的聲音信號(hào)．2．1 機(jī)器人化護(hù)理床的主控制模塊主控制模塊在運(yùn)行時(shí)接收來(lái)自鍵盤(pán)／語(yǔ)音識(shí)別電路的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)分析處理，將控制信號(hào)通過(guò)外部接口輸送到語(yǔ)音回放電路，由語(yǔ)音回放電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)，提供語(yǔ)音反饋信號(hào)，使操作者隨時(shí)了解護(hù)理床的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)；另一方面，主控制模塊根據(jù)各種信號(hào)命令，控制不同的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)用戶所期掣的護(hù)理床的功能?．主控制模塊主要包括以下各子功能：
(1)鍵盤(pán)輸入．鍵盤(pán)輸入是護(hù)理床輸入控制命令的途徑之一，由鍵盤(pán)輸人的命令通過(guò)編碼由串口發(fā)送到主控制板．(2)直流電機(jī)的動(dòng)作控制．護(hù)理床在接受鍵盤(pán)或是語(yǔ)音輸入信號(hào)后，便開(kāi)始進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作以達(dá)到護(hù)理床的預(yù)期功能．這要求主控制板能對(duì)安裝在護(hù)理床上的8個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行正反兩方向的動(dòng)作控制．(3)傳感器信號(hào)輸入．位置傳感器將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置信息反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋回的信號(hào)判斷電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置和狀態(tài)，然后調(diào)用對(duì)應(yīng)的程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制2．1．1鍵盤(pán)控制電路鍵盤(pán)控制板上除r配備供使用者操作的按鍵外，還配置了顯示護(hù)理床工作狀態(tài)的指示燈．考慮到鍵盤(pán)與主控制板的通信以及主控制板cPu的L／0口資源有限，因此鍵盤(pán)由一塊獨(dú)立的單片機(jī)來(lái)處理各種任務(wù)．由于鍵盤(pán)(2×6)和指示燈(8個(gè))需要占用不少的I／0口資源，而所選用的89c2051單片機(jī)只有15個(gè)L／0口，L／o u資源非常有限，因此在單片機(jī)的L／0口資源分配上，鍵盤(pán)控制板的單片機(jī)與主控制板之間采用串口通信；同時(shí)，考慮到控制電纜有一定的長(zhǎng)度，為增加通信的可靠性，采用了232電平通信，因此在硬件電路上加了一塊MAx232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換．2．1．2直流電機(jī)的控制護(hù)理床的護(hù)理功能是通過(guò)直流電機(jī)來(lái)執(zhí)行的，電機(jī)驅(qū)動(dòng)護(hù)理床來(lái)完成各項(xiàng)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)各種護(hù)理位姿，包括：(1)背板上抬／下降；(2)左／右翻身板上升／下降；(3)大腿板上升／下降；(4)小腿板上升／下降；(5)便盆蓋板開(kāi)／合；(6)平躺體位實(shí)現(xiàn)／復(fù)位；(7)坐姿體位實(shí)現(xiàn)／復(fù)位；(8)抬腿體位實(shí)現(xiàn)／復(fù)位；(9)屈腿體位實(shí)現(xiàn)／復(fù)位．以上各位姿之間的轉(zhuǎn)換與完成均通過(guò)8個(gè)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此主控制板必須能夠在接收命令后對(duì)8個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行上E反轉(zhuǎn)控制，即能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反向通電控制在護(hù)理床的硬件電路設(shè)計(jì)中，對(duì)每一個(gè)電機(jī)都采用了兩個(gè)雙刀雙擲的繼電器進(jìn)行通斷電控制．2．2機(jī)器人化護(hù)理床的輔助控制模塊2．2．1語(yǔ)音識(shí)別語(yǔ)音控制技術(shù)是現(xiàn)有各種控制方式中的一種高級(jí)控制方式，它具有控制方式自然、方便，親和力好，適用范圍廣的特點(diǎn)．將語(yǔ)音控制技術(shù)引入到護(hù)理床的控制之中，將極大地方便使用者，尤其對(duì)于那些喪失或部分喪失活動(dòng)、自理能力的患者而占，語(yǔ)音控制可以幫助他們?cè)鰪?qiáng)自信心，減輕對(duì)他人的依賴，增添生活的勇氣和信心．針對(duì)護(hù)理床使用者的語(yǔ)音輸入命令的特點(diǎn)，研究中使用了美閏sENsORY公司的RSc364語(yǔ)音芯片作為識(shí)別核心芯片。Rsc364芯片通過(guò)訓(xùn)練而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能，系統(tǒng)的L／o電平是TrL電平，可以方便地與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸．Rsc364芯片內(nèi)部集成了語(yǔ)音識(shí)別所需的多種功能，它能夠完成語(yǔ)音識(shí)別過(guò)程中的反混疊低通濾波、采樣／保持、A／D轉(zhuǎn)換以及語(yǔ)音記錄等功能Rsc364芯片在完成語(yǔ)音識(shí)別任務(wù)后，將語(yǔ)音控制信號(hào)通過(guò)芯片輸出到單片機(jī)的Po和P1口．根據(jù)PSc364的輸出狀態(tài)，在主控制板與語(yǔ)音識(shí)別芯片之間采用一片74Lsl48 j籪片來(lái)擴(kuò)展中斷口，語(yǔ)音命令輸入74Lsl48芯片的8個(gè)輸入腳，連接Pl口；Rsc364的擴(kuò)展[J Gs接單片機(jī)的中斷口P3．2；單片機(jī)的P1．o～P1．3口與語(yǔ)音識(shí)別芯片的Po．4～Po．7口相連接．當(dāng)有語(yǔ)音命令輸入時(shí)，P1口巾的一個(gè)輸出低電平，Gs u輸“i的低電平啟動(dòng)單片機(jī)外部中斷，在進(jìn)行單片機(jī)的中斷處理時(shí)從P1．0～P1．3口中讀人數(shù)據(jù)．2．2．2語(yǔ)音回放主控制電路收到命令后，在控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，也向語(yǔ)音回放子模塊輸j【j語(yǔ)音控制信號(hào)．由輔助控制模塊向當(dāng)前使用者提供語(yǔ)音反饋．語(yǔ)音同放子模塊的主要作用是：護(hù)理床接收到用戶命令后，在護(hù)理床實(shí)現(xiàn)功能動(dòng)作以前播放相應(yīng)動(dòng)作的語(yǔ)音信息，提醒用戶做好身體準(zhǔn)備，這種人性化設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了護(hù)理床的親和力．語(yǔ)音回放采用IsD4003_08芯片作為主芯片．IsI)4003系列的工作屯壓為3 V，單片錄放時(shí)間為4—8min”?．芯片采用cMOs技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陣列，操作命令町通過(guò)串行通信接口輸人．3機(jī)器人化護(hù)理床的控制程序機(jī)器人化護(hù)理床的控制方式是一種簡(jiǎn)化的機(jī)器人控制方式．系統(tǒng)啟動(dòng)后首先檢測(cè)護(hù)理床的位姿，然后檢測(cè)各個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，再檢測(cè)各個(gè)按鍵的狀態(tài)，如果其中一個(gè)按鍵按下，則護(hù)理床作相應(yīng)的動(dòng)作，并啟動(dòng)語(yǔ)音回放程序告知操作者，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別進(jìn)行的控制也是一樣，如果語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別了，操作者的一個(gè)指令，同樣地，護(hù)理床完成相應(yīng)的動(dòng)作．4結(jié)束語(yǔ)將機(jī)器人的多軸協(xié)調(diào)控制技術(shù)應(yīng)用于護(hù)理床，可對(duì)機(jī)器人化護(hù)理床進(jìn)行有效控制．所研制的機(jī)器人化護(hù)理床的如圖4所示，它可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)位姿的調(diào)整，并采用語(yǔ)音命令和鍵盤(pán)輸入兩種方式進(jìn)行控制，簡(jiǎn)便靈活．另外，由于主控制模塊采用r單片機(jī)，使得系統(tǒng)操作靈活可靠，成本低廉．目前所研制的護(hù)理床已在一些醫(yī)院試用，反映良好．今后的研究將集巾在如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和靈活性，拓展系統(tǒng)的人性化功能等方面．