智能尿便處理器的設計與研究

周祖茗，張 華，劉 興，彭向東

ZHOU Zu-ming，ZHANG Hua，LIU Xing，PENG Xiang-dong

（南昌大學 機器人研究所，南昌 330031）

0 引言

如何輕松的幫助臥床病人解決大小便問題是護理人員面臨的難題。采用尿便處理器來解決大小便問題，不但減輕了護理人員的勞動強度，還消除了護理人員帶給病人的“隱私顧慮”[1]。目前，市場上有一些國內或進口的相關產品，但這些產品價格昂貴且很少能夠靈活應用到護理床或普通床上。

研發的尿便處理器能夠很好的彌補以上不足，其具有價格低、智能化、便利化和結構緊湊等優點。

1 尿便處理器的主要功能

尿便處理器的主要功能是幫助長期臥床、下肢行動不便的老人或患者輕松解決大小便問題，具體包括大小便沖洗、人體私部清洗、暖風烘干、雙向側翻身等護理[2,3]（如圖1所示）。其中，便槽防溢是在沖洗便槽的過程中，通過傳感模塊實時監測便槽水位從而防止便槽中的污水溢出；雙向側翻身是指患者可以向右或向左側翻身；水溫可實現三檔調節，風溫可實現兩檔調節，同時，設有手動操作和自動檢測兩種模式。

圖1 尿便處理器的功能框圖

2 總體結構方案設計

尿便處理器要求使用方便、衛生、舒適，它安放在護理床或普通床上，周圍墊以海綿，以供病人躺在上面。使用時，將尿便處理器放在病人兩腿之間，用裹布系好。如果處理器過高會導致海綿厚度增加，這就要求其結構緊湊，高度適中，且有足夠的強度。

在調研的基礎上，考慮了以下三種設計總體方案：

方案一：在便槽主體的側邊設計一個污水孔（如圖2a），讓污水從側邊排出去。

方案二：在便槽主體的底部設計一個污水孔（如圖2b），通過一個轉彎接頭，讓污水先經過一個垂直水管改變流向，再排出去。

方案三：沿著便槽主體的流向（如圖2c），讓污水順著前方流出。

圖2 總體結構方案

仔細分析上述三個方案，方案一：污水從便槽主體側邊排出，臟物只需被沖一小段距離就可沖到安全位域，所需沖洗清水量少。但在實驗中發現，污物從便槽主體沖向主體側邊的污水孔時，如果沖水壓力較大，會有污水濺到臀部，反之又無法將臟物沖洗干凈，沖水壓力難以控制。方案二：污水先經過垂直水管（便槽主體與轉彎接頭的銜接處）再排出去，臟物也只要被沖一小段距離即可，所需沖洗清水量少。但由于轉彎接頭和銜接處的存在，處理單元的高度增加了近65mm，將導致海綿墊的厚度增加，違背了結構緊湊的設計原則。方案三：通過在便槽主體流出方向上安裝類圓錐的過渡管，污水便可順著一個方向排出，由于過渡管是類圓錐型，可使急速水流改變方向，朝著斜向下的方向流出，這樣水就不會濺到人體臀部，在較大程度上符合了設計要求，故選用本方案。

方案三的整體結構如圖3所示，主要包括便槽主體、沖洗噴嘴、清洗噴嘴、遮擋蓋、外殼、單向閥、側翻身機構、各種傳感器等，結構緊湊、輕便。傳感器的主要作用是檢測尿便處理器的各種狀態，將檢測到的信息傳遞給主控制器。

圖3 尿便處理器整體結構示意圖

3 主要結構設計

3.1 便槽主體的設計

便槽主體是尿便處理器的核心部件，其作用是接收大小便。由于便槽主體的表面與大小便直接接觸，并且便槽主體截面和形狀決定沖水的軌跡，故便槽主體的設計直接關系大小便沖洗的容易程度。

便槽主體（如圖4a）的截面設計成U型，便于殘留在便槽內壁上的水滴在自身重力的作用下流到U型槽的底部（如圖4b）；便槽底部與水平有3°的傾角，利于大小便被沖走，且底部不易殘留水滴；頭部2處尺寸較大，便于大小便的接收；便槽主體垂直部分1處安裝清洗噴嘴，頭部2處安裝沖洗噴嘴，用于便后對患者和便池進行清洗；便槽主體的下游安裝類圓錐的過渡管3，水碰到過渡管后，使水流方向變為斜向下方向，這樣就可以防止污水濺到人體臀部，分析過程如圖4c。

圖4 便槽主體

3.2 噴嘴設計

尿便處理器有兩個噴嘴：沖洗噴嘴（如圖5所示）和清洗噴嘴，分別安裝在處理主體的2處和1處（如圖4a）。

沖洗噴嘴的作用是利用具有一定壓力的清水將大小便從便槽中沖走，使便槽潔凈。沖洗噴嘴的內表面為光滑的球面（與便槽主體內表面相匹配），設有兩排出水孔：水平排布出水孔和弧形排布出水孔。根據大小便的特點，水平排布出水孔負責沖洗小便，供水管采用直徑較小硅膠管，弧形排布出水孔負責沖洗大便，供水管采用直徑較大硅膠管。為了增強大便沖洗效果，將弧形排布出水孔設計成△形孔（有大約3°傾角）和矩形孔間隔分布的出水孔。大便沖洗時，△形出水孔射出△形狀的水柱，其三個棱角可將大便擊碎；矩形出水孔的主要作用是提供推力，沖走被擊碎的大便，這樣大大增強了大便沖洗的效果。

清洗噴嘴的主要作用是清洗人體臀部、隱私部位和烘干人體臀部。沖洗噴嘴和清洗噴嘴的內腔通過超聲波焊接而成。

圖5 沖洗噴嘴

流速與流量的表達式：

根據流體力學中的歐拉動量定律[3]：

由于控制體積A沒有變化，第二項則為零，同時引入動量修正系數b，則

其中，F：沖擊力，q：水流量，ρ：水的密度，v：平均流速，u：液流中某一微小流速通流截面dA上的流速，β：動量修正系數（取β=1）。

水泵的流量為5L/min，輸出壓力為0.42Mpa，沖洗噴嘴出水口總面積S=8.553mm2,則水的實際出口流速為v=q/S=9.74m/s,單孔所產生的沖擊力為F=ρq（β1v1-β2v2）=0.812N。該沖擊力達到了要求。

3.3 側翻身機構設計

側翻身機構[4]（如圖6所示）的功能是調整臥床患者的體位，以免造成血液循環不暢通、易患痔瘡等不良現象的出現。處理單元安放在側翻身機構上后，總體高度較高，這樣導致床墊厚度較高，為了解決這一問題，利用同心圓的特點，將側翻身機構安放處理單元的部分設計成半徑較小的同心圓的圓弧，這樣整體高度就可以降低，使床墊保持適中厚度，同時側翻身機構的上底座在下底座上滑動時，不會出現“根切”現象，可以順利側旋轉。根據GB10000-88中國成年人人體尺寸，年齡在18-60歲中有99%的人體重在85kg之內，而老年人體重會下降；當患者處于仰靠狀態時，大部分體重落在機構的后部，故以體重85kg、患者仰靠狀態運用Pro/Mechanica對側翻身機構進行應力分析，如圖6，應力最大值出現在加強筋周圍，為5.559MPa，小于ABS的安全屈服強度34.05MPa，故是安全的。側翻身機構申請了發明專利和外觀專利。

圖6 側翻身機構及應力分析圖

3.4 管路設計

供水管路的作用是為噴嘴提供足夠且具有一定壓力的清水，其由水泵、電磁閥、加熱器和水管（5×8和6×10兩種規格硅膠管）組成。電磁閥選用小功率一進三出型，參數為24V、260mA；水泵選用DP-60微型隔膜泵，參數為：12VDC、 40w、5L/min、0.42Mpa。分別用搗爛的小面包、土豆泥和調勻的芝麻糊作為大便模擬物在樣機上進行供水管路的性能測試，結果如表1，測試結果表明供水管路性能良好，水泵能提供足夠的壓力。若增大PWM波占空比，沖洗性能會相應的增強。

供氣管路由氣泵、電磁閥、加熱絲、水管組成，電磁閥為一進二出型，參數為24V，260mA；加熱絲參數為24V，72W；選用低噪音雙缸微型真空泵，其參數為：電壓為220VAC，額定功率為100W，流速為40升/分鐘，經測試，滿足要求。

表1 供水管路實驗結果

4 尿便處理器控制系統

尿便處理器控制系統以ATmega128為主控制器，該控制器具有7路硬件pwm輸出口，為水泵、風加熱絲等的控制帶來了方便。大小便沖洗、人體私部清洗、暖風烘干功能主要通過有序控制水泵、氣泵、電磁閥、風加熱絲等的通斷來實現；傳感模塊的作用是實時監測尿便處理器的運行狀況，并把檢測的信號傳給主控制器分析；人機交互模塊主要包括鍵盤、液晶LCD12864、語音系統等，使尿便處理器變得更加人性化；電源模塊主要包括開關電源（24V，10A）、LM2596模塊、LM7805模塊、LM1117-3.3模塊，其系統框圖[2]如圖7所示。

圖7 尿便處理器控制系統

5 結束語

對樣機進行近100次實驗，在實驗的基礎上進行了多次改進，尿便處理器實現了大小便沖洗、人體私部清洗、冷暖風烘干等功能，且性能良好，結構緊湊，達到了老人或患者的照料要求，為相關產品的設計提供參考。

[1]鄧志東，程振波.我國助老助殘機器人產業與技術發展現狀調研[J].機器人技術與應用，2009,（2）：20-24.

[2]顧東袁，楊東勇，徐楊法，等.智能坐便器嵌入式控制系統設計與實現[J].計算機工程與應用，2008，44（31）：98-101.

[3]白建軍，張華，劉繼忠.輪椅床智能座便器設計[J].機械設計與研究，2010，26（1）：121-124.

[4]張華，周祖茗，彭向東，等.雙向側翻身機構：中國，201110206237.1[P].2011-12-21.