一種自動(dòng)喂食裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

徐佩 萬(wàn)延見 楊曉瀟 張城飛 祝海榮 盧錫龍

【摘要】本文設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)喂食裝置，并運(yùn)用SolidWorks對(duì)方案進(jìn)行建模與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，模擬出人工自動(dòng)喂食軌跡，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)裝置的功能可實(shí)現(xiàn)性、可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)喂食；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；創(chuàng)新

隨著我國(guó)社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)康復(fù)助殘等問題越來越關(guān)注，尤其對(duì)手殘、手弱患者的飲食護(hù)理問題更為關(guān)注。目前，助餐技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)品化，走進(jìn)了普通殘疾患者的飲食護(hù)理生活。國(guó)內(nèi)外的自動(dòng)喂食裝置大多以機(jī)械手夾持為主，通過程序控制實(shí)現(xiàn)喂食。但此類產(chǎn)品調(diào)試繁瑣、加工困難、成本高，故迫切需要研制出一款操作簡(jiǎn)單、功能突出、易商業(yè)化的裝置。因此，本文在遵循肢體基本參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一款新型自動(dòng)喂食裝置。

一、參數(shù)依據(jù)

設(shè)計(jì)的自動(dòng)喂食裝置嚴(yán)格遵循國(guó)標(biāo)GB10000-88設(shè)定的人體坐姿尺寸要求，以保證產(chǎn)品實(shí)用性。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中，取坐高900mm，頸椎點(diǎn)高650mm，眼高800mm，坐姿下肢長(zhǎng)1000mm，X軸滑臺(tái)行程400mm，進(jìn)而確定出整套裝置結(jié)構(gòu)尺寸。且考慮到裝置宜人性，設(shè)定勺子舀起飯，再向前運(yùn)行一定距離，將飯送入人口，停頓10s，10s后，勺子退回初始位置，一個(gè)喂食動(dòng)作結(jié)束。

二、功能分析

通過對(duì)喂食裝置的組件與功能進(jìn)行分析，得到如圖1所示的功能組件鏈圖。基于此功能分析，對(duì)每個(gè)功能進(jìn)行對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到后續(xù)的自動(dòng)喂食裝置設(shè)計(jì)方案。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

（一）結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)喂食裝置的三維模型如圖2所示。運(yùn)動(dòng)過程為：通過XY兩軸滑臺(tái)的上下前后運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)勺子位置；勺子舀起飯，X軸滑臺(tái)向前運(yùn)行適當(dāng)距離，將飯送進(jìn)人口；勺子再退回初始位置，循環(huán)喂飯。主要結(jié)構(gòu)包括：（1）勺位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過XY軸滑臺(tái)組合，實(shí)現(xiàn)勺子上下前后運(yùn)動(dòng)。（2）喂食機(jī)構(gòu)，利用偏心輪及連桿裝置，結(jié)合不完全齒輪和同步帶輪，并用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)勺子喂食軌跡。（3）桌面旋轉(zhuǎn)裝置，用電機(jī)旋轉(zhuǎn)六工位槽輪，帶動(dòng)桌面轉(zhuǎn)動(dòng)，且電機(jī)轉(zhuǎn)兩圈，桌面轉(zhuǎn)120°。（4）碗旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)碗轉(zhuǎn)動(dòng)。

（二）喂食軌跡設(shè)定與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合最佳一致性逼近定理，利用MATLAB進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)出偏心輪旋轉(zhuǎn)角度范圍。再利用SolidWorks對(duì)喂食機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模與仿真分析，設(shè)計(jì)出裝置運(yùn)動(dòng)軌跡與勺子的最佳運(yùn)動(dòng)軌跡。通過分析與人口的相對(duì)距離，不斷調(diào)節(jié)勺位，達(dá)到最佳狀態(tài)。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)出一款全新自動(dòng)喂食裝置，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。利用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，模擬、仿真并優(yōu)化出自動(dòng)喂食過程，實(shí)現(xiàn)取食、喂食功能，并使操作更加穩(wěn)定。與同類產(chǎn)品相比，該裝置成本低，更利于商業(yè)化推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]陳南南.老年癡呆患者進(jìn)食困難的研究進(jìn)展[J].世界最新醫(yī)學(xué)信息文摘，2017（15）：152.

[2]唐之富.香蕉采摘機(jī)械手夾持試驗(yàn)及仿真分析[D].廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[3]賈若辰.基于機(jī)器視覺技術(shù)的人體坐姿特征提取及識(shí)別算法研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2015.

作者簡(jiǎn)介：徐佩（1996—），男，江蘇宿遷人，本科，研究方向：機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、助殘?jiān)O(shè)備研發(fā)等；通訊作者：萬(wàn)延見（1986—），男，河南固始人，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向：產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論及方法、污泥深度脫水方法。