个人卫生护理机搓澡机构的设计及样机调试仿真研究

发布时间：2015-02-03 09:35

 

【摘要】 目前，我国已经进入老龄化社会，随着老年人口所占的比例日渐升高，老年人的护理问题日益突出。当前我国老年人护理设施和服务又远远满足不了老年人的需要，因此，开发适合老年人日常洗浴的个人卫生护理机器人具有重要的社会意义和实用价值。本文研究的搓澡系统是个人卫生护理机器人重要的组成部分，搓澡机构是与洗浴者身体接触最密切的部分，它的设计是否合理将直接关系到整个卫生护理机器人设计的成败。本文研究的座椅式搓澡系统，主要满足老年人在坐姿状态下能够搓背和搓小腿，当搓澡系统辅助搓澡者站立后，又可为搓澡者搓臀部。本文设计的搓澡系统主要有四个模块组成：辅助站立模块，背部搓澡模块、臀部搓澡模块和腿部搓澡模块。1）通过对人体搓澡过程的分析以及根据个人卫生护理机器人总体方案的要求，确定了搓澡系统的整体方案。2）在人机工程学的基础上，应用模块化思想对搓澡系统的四个模块进行机械结构的设计。利用Solidwoks三维软件对各个模块的机械机构进行三维建模，并对这四个模块的机械结构在Solidworks中进行装配，用来检测各个模块的机械机构之间是否产生干涉。3）利用分析软件ADAMS对背部搓澡机构、臀部搓澡机构和腿部搓澡机构进行运动学和动力学仿真，并对辅助站立机构进行运动学仿真。最后研制出一台搓澡系统实验样机，并对实验样机进行空载运行实验，对出现问题的部分机构进行了进一步改进。最终设计出了满足个人卫生护理机器人总体设计要求的搓澡系统，解决了老年人在洗浴过程中搓澡的难题，提高了老年人晚年的生活质量。

第1章 绪论

1.1 课题来源
本课题是国家国际科技合作项目 “个人卫生护理机器人关键技术研究”的子课题。该项目旨在解决个人卫生护理机器人应用系统关键技术，研制适合家用与医用环境，面向老年人或残疾人使用的，具有智能洗澡、洗发、干身等作用的个人卫生护理机器人。
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1.2 课题研究背景、目的和意义
中国已经进入老龄化社会，养老问题已经由传统的家庭问题转变成社会问题。据新华社电：2013年2月27日，我国第一部老龄事业发展蓝皮书——《中国老龄事业发展报告（2013）》在京发布。蓝皮书指出，截至2012年底，我国老年人口数量达到1.94亿，比上年增加891万，占总人口的 14.3％。全国老龄办副主任、中国老龄科研中心主任吴玉韶在新闻发布会上介绍，随着新中国成立后新出生的人口进入老年期，我们迎来第一个老年人口增长高峰。2013年底，老年人口数量将突破2亿大关[1]，达到2.02亿，老龄化水平将达到 14.8％。2013年12月26日，中国社会科学院和社会科学文献出版社发布《社会蓝皮书：2014年中国社会形势分析与预测》，其中指出，今年我国60岁及以上老年人口达2亿人，其中“失能老人”的总数已超3700万人。另外，通过第六次人口普查显示，我国残疾人数达到八千多万，占我国总人口的 6.34%[3]，这将直接影响七千多万家庭的生活质量。
根据预计，从2020年开始，中国将步入老龄化严重阶段，60岁以上人口将接近20%；2050年，中国将步入超高老龄化国家行列[2]，60岁以上人口将占到30%。人口的老龄化对社会造成多方面的影响。
我国目前还处在发展阶段，国家就已经进入老龄化社会，不像发达国家那样有良好的经济条件去建立足够多的老年人养老机构。目前我国各种服务设施远远满足不了老年人的需要，并且护理老年人的人员严重短缺[4]。河北医科大学对家庭养老问题进行了问卷调查，共获得有效问卷1320份，分析结果显示：帮助老人洗澡占总调查人数的34.8％，帮老人户外活动占25.5％，帮老人上厕所占24.0％，帮老人换洗衣服占4.996％、帮老人吃饭占4.2％[5]。从以上调查结果可知：帮助老年人日常洗浴是照料老人时最困难的护理项目之一，但是对于运动量较少的老年人来说，经常洗浴对他们的身体健康是非常重要的，洗澡不仅仅能够除去人体表面的污垢，而且刺激人体表皮下的免疫细胞，增强人体的抗病能力。但是对于大多数老年人，洗澡都要在家人或护理人员帮助下进行，这大大增加了家人和护理人员的负担。因此，开发一种适合老年人日常洗浴的普通家用个人卫生护理机器人，对缓解老年人护理负担是具有重要的社会意义和实用价值[6,7]。
搓澡机构是个人卫生护理机器人最主要组成部分，因为搓澡机构是与洗浴者身体接触最密切的部分，它的设计是否合理将直接关系到整个个人卫生护理机的成败。

1.3 国内外研究进展及分析
搓澡是整个洗浴过程中最重要也是最难的部分，搓澡不仅能使循环系统畅通,改善血液循环,加速人体各器官组织的新陈代谢进而消除疲劳，而且可以刺激人体表皮下的功能很强的免疫细胞，使其提高机体免疫力和抗病能力，进而调和全身的内脏器官与组织，具有延年益寿之功效。国内外许多学者针对洗澡问题进行了大量的研究，提供了许多帮助洗浴者洗澡的相关产品，为研究搓澡机构提供了丰富的信息资料。
1.3.1 国外研究现状
日本对于卫生护理机的研究比较早，如图 1-1 是日本三洋公司1973年设计的一款个人洗澡机[8]。

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第2章 卫生护理机整体方案的设计及搓澡过程分析

2.1 引言
本课题研究的内容是研制出适合老年人或残疾人洗澡使用的个人卫生护理机器人。它具有的主要功能有：能为老年人自动洗澡、干身、自动洗头发，并且在整个洗浴过程中要对洗浴者提供生理监测功能。本课题还通过与日方进行国际合作，把日本在智能机器人方面的技术引进到我国，并与我国具有知识产权的个人卫生护理设备相结合研究出符合老年人的个人卫生护理机器人。
本章先介绍个人卫生护理机器人的整体设计要求，然后再分析本文研究的个人卫生护理机器人的主体部分——搓澡系统设计。
本课题研制的个人卫生护理机器人主要针对养老机构、医院和普通家庭的老年人洗浴。通过调查问卷，并且考虑到老年人肌体能力和洗浴习惯，该机器人应满足以下功能要求：
1.首先设计的个人卫生护理机器人应具备洗头、搓澡、干身等基本洗浴功能；
2.由于使用者大多数是老年人，所以在洗浴的过程中要提供生理监测系统来保证洗浴者在洗浴过程中的身体安全；
3.设计的个人卫生护理机器人要满足省空间、省水的要求；
4.洗浴者在洗浴过程中要满足舒适性的要求。
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2.2 个人卫生护理机整体方案的确定
根据上面提出的个人卫生护理机的功能要求，经过课题组所有老师和同学们的分析和讨论，最终确定如图2-1所示的个人卫生护理机器人的整体方案，本方案确定为坐姿式自动洗浴机器人。它的主要功能有四部分组成，它们分别是搓澡系统、洗头系统、水的循环利用系统和生命体征监护系统。本文将重点介绍机器人的主体部分——搓澡系统。
在研究人体搓澡系统前，首先要解决下面三方面问题：(1)确定搓澡装置对搓澡者身体搓澡的部位和范围；(2)确定搓澡者在搓澡过程中的姿态；(3)确定搓澡力度、位移、速度。这三方面直接影响着搓澡装置设计的成败，所以在设计搓澡系统之前先对这三方面进行研究。

2.3 人体搓澡区域的确定
人体表面是一个复杂的曲面，设计一个能够完全搓遍全身的搓澡装置是非常困难的，通过大量的调查和研究并经过课题组老师、学生们的讨论，最终确定对洗浴者搓澡的部位有背部、臀部和小腿，如图2-2所示，选择这些部位有以下因素：(1)符合大多数人的搓澡习惯，大多数人在澡堂人工搓澡也主要是这些部位。(2)搓澡装置接触这些部位的表面对搓澡者比较安全，并且容易实现。
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第 3 章 搓澡系统机械结构的设计.............................. 19
3.1 引言.......................................19
3.2 老年人人体尺寸分析................................19
3.3 搓澡系统总体方案的设计..................................23
3.4 辅助站立装置的设计.............................24
3.5 搓背装置的设计................................28
3.6 搓臀部装置的设计...................................31
3.7 搓腿部装置的设计..................................32
3.8 搓澡系统的整体三维效果图 ....................................34
3.9 本章小结................................36
第 4 章 搓澡系统的虚拟样机的仿真研究 ........................ 37
4.1 引言...............................37
4.2 背部搓澡装置的仿真..............................38
4.2.1 背部搓澡装置的运动学仿真..................................38
4.2.2 背部搓澡装置的运动学仿真..............................40
4.3 臀部搓澡装置仿真....................................41
4.3.1 臀部搓澡装置运动学仿真......................................41
4.3.2 臀部搓澡装置的动力学仿真...............................42
4.4 腿部搓澡装置的仿真....................................43
4.4.1 腿部搓澡装置的运动学仿真..................................43
4.4.2 腿部搓澡装置的动力学仿真................................44
4.5 辅助站立装置的运动学仿真 .......................................45
4.6 搓澡系统各模块驱动电机的选型与计算 ................................47
4.6.1 辅助站立装置的电机选型...............................47
4.6.2 臀部搓澡装置驱动电机的选型..................................50
4.6.3 背部和臀部搓澡机构驱动电机的选型................................51
4.7 本章小结.....................................52

第5章 搓澡系统实验样机的研制与实验分析

5.1 引言
根据以上对搓澡机构的设计分析，整个搓澡机构的虚拟样机已具有理论上的可行性，但是真正制作出的搓澡机构由于受外在各种因素的影响，会和虚拟样机的搓澡机构有一定的误差，所以还需要加工出实验样机来进一步验证设计的搓澡系统的合理性。另外制作出实验样机也给搓澡系统的测控系统搭建了实验平台。本章要制作出实验样机并且对实验样机进行空载运行，通过空载运动来检测各运动机构是否运动平稳并且对检测出有问题的机构进行改进。
如图5-1是搓澡系统实验样机的实验平台，它有机械机构部分和搓澡系统的控制部分组成。

制作搓澡装置的材料是普通的碳素钢，制作搓澡头的材料是橡胶，为提高搓澡机构的防水、防锈问题，对各个碳素钢零件进行电镀。下面通过控制系统对搓澡装置的各个运动模块进行空载运行。

5.2 搓澡系统实验样机的检测
5.2.1 搓背模块试验样机的检测
如图5-2所示是搓背模块的样机图，通过控制装置驱动搓背机构进行上下运动，在检验运动的过程中，锥齿轮副和齿轮齿条运动副运动都平稳，但在运动一段时间后突然整个搓头装置停止上下运动了，检测发现是U型轮与滑道出现卡死现象，主要原因是U型轮与滑道的间隙太大导致U型轮向一边倾斜而出现卡死现象。随后增大了U型轮的尺寸再对搓背装置进行了空载运行，结果再没有出现卡死现象。

5.2.2 臀部搓澡模块实验样机的检测
如图5-3所示是腿部搓澡模块的样机图，，通过控制装置控制辅助站立伺服电机驱动辅助站立机构运动；在检测运动的过程中，发现两个问题：(1)当纵向丝杠带动背部提升架时出现了“咯咯”的响声；(2)当电动推杆带动扶手向上开始运动的一瞬间，扶手会猛地向下冲击一下。检验发现纵向丝杠在运动的时候发出噪音，原因是加工的丝杠精度不够。最后在丝杠上涂上一定的润滑油，噪音降低很多，对于扶手在向上运动初的一瞬间会向下冲击一下，这一问题的主要原因是连接电动推杆与扶手的销钉与插孔有间隙，最后换了一个直径相对大的销钉后扶手装置没有了震动现象。
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第6章 总结与展望

6.1 主要研究的工作
本课题在国家国际科技合作项目“个人卫生护理机器人关键技术研究”的支持下，针对老年人洗浴时搓澡不便的问题，研制出老年人的搓澡系统。现将两年多来对本课题所做的研究工作总结如下：
1.通过分析和研究国内外相关自动洗浴系统，并结合人机工程学，确定了个人卫生护理机的整体方案。根据个人卫生护理机器人整体要求，确定了搓澡者在搓澡时的身体姿态和搓澡范围，并且研究了搓澡时搓澡力度的变化；以及搓澡者在搓澡过程中辅助站立的分析。
2.通过模块化思想，完成了搓澡系统的辅助站立、搓背、搓臀部和搓小腿四部分的设计；并利用Solidworks三维软件对搓澡系统四部分模块进行三维建模。并针对各模块设计空间要求，选出了最优的运动机构，并通过各模块运动机构的动力计算，选出各模块所需的伺服电机的型号。
3.为了增加整个搓澡系统的柔性，基于人机工程学，在辅助站立模块利用电动推杆做辅助站立的下座来适应不同身高的洗澡者，设计的搓澡头装置能够满足搓澡部位皮肤表面。
4.把Soldwoks建立的三维搓澡机构导入到ADAMS中，对辅助站立机构、搓背机构、搓臀部机构和搓小腿机构进行虚拟样机分析，得出运动曲线，进而验证各机构的平稳性。
5.设计搓澡系统检验无误后，绘制搓澡机构的工程图，在课题组的老师和同学的合作和努力下，共同加工研制出个人卫生护理机器人实验样机。并对加工的实验样机进行空载调试，检验搓澡系统各个运动机构的运动轨迹是否满足要求。
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参考文献：

[1] 刘喜珍.  老年社会关怀研究[J]. 北京青年政治学院学报. 2013(04)
[2] 戴加全,袁祖强,刘永青.  基于ADAMS轮椅的动力学仿真[J]. 机械设计. 2013(10)
[3] 陈正水,邓益民.  基于UG的STEP运动仿真函数对运动时间的控制分析[J]. 宁波大学学报(理工版). 2012(04)
[4]   李建国:为残疾人更好地融入社会创造条件[J]. 中国残疾人. 2012(09)
[5] 李震,詹立新,张金海,刘继柱.  人机工程在医疗器械设计中的应用[J]. 中国医疗器械信息. 2012(08)
[6] 王国明.  基于ADAMS的曲柄滑块机构运动学仿真分析[J]. 滨州学院学报. 2011(06)
[7] 蒋蕴.  我国养老问题面临变局[J]. 政府法制. 2011(19)
[8] 周雪峰,江励,朱海飞,蔡传武,管贻生,张宪民.  一个模块化机器人平台的设计[J]. 华南理工大学学报(自然科学版). 2011(04)
[9] 闫东宁,刘静华,陈殿生.  服务机器人辅助老年人生活——休闲娱乐[J]. 机器人技术与应用. 2010(04)
[10] 谢涛,黄鸿.  按摩机器人的结构设计及运动学仿真研究[J]. 现代制造工程. 2007(07)



本文编号：11816