安振濤,蔡錦向,岳 磊,馮世龍,任少浚,李玲玲
(遼寧科技大學機械工程與自動化學院,遼寧 鞍山 114051)
人口老齡化是社會發展的重要趨勢,是人類文明進步的重要體現,也是我國今后較長一個時期的基本國情。第七次全國人口普查結果顯示,我國60歲及以上人口已達2.64億人,占總人口的18.7%,預計“十四五”時期這一數字突破3億人,我國將從輕度老齡化進入中度老齡化階段[1]。隨著我國人口老齡化問題的日益突出,老年人的用藥安全也引起全社會的共同關注。我國老年人常患有多種疾病,往往多個臟器同時病變,需要聯合服用多種藥物,并且老年人的機體免疫力下降,生理、生化功能減退[2],導致老年人記憶力下降,行動不便,不方便取藥[3],無法確保每一位老人準時服藥。因此,針對老年人服藥困難這個問題,我們設計了智能送藥小車。
通過這款智能送藥小車,不僅可以提醒老人吃藥,關愛老人的身體健康,提升廣大老人的安全感和幸福感,還可以減輕家庭的養老壓力,大大緩解目前國內人口老齡化和養老帶來的各項問題,同時用于醫院或養老院等場所時還可以有效緩解工作人員的壓力,解放更多的勞動力。
小車模型的主要材料為亞克力板,亞克力板易于加工,質量輕盈,可以使小車不需要較大的動力便能行走。智能送藥小車主要分為上下兩層,兩層之間靠兩根T8絲桿連接,可自由伸縮高度。下層主要包括小車的控制裝置及各類傳感器,小車底板裝有四個直徑為60 mm的麥克納姆輪,同時配有四個電機用于控制小車的行進。上層主要分為藥箱和水箱部分,見圖1。
小車使用四個直徑為60 mm的麥克納姆輪,同時每個輪子裝有一個電機,小車底板正中央裝有STC89C52單片機,通過STC89C52單片機控制每個電機的運轉,實現差速旋轉,以達到轉向目的。在小車底板的前方部位裝有自動尋光尋跡模塊和避障模塊,可以快速尋找正確且安全的道路將藥品送到病人手中。
1)有光照情況,光敏電阻R1變小,V2變大。假設V2=4.6 V,V3=4 V。V2>V3反向端大于同向端,則OUT5輸出低電平為低0給單片機識別,單片機通過if來掃描out5給的引腳。
2)無光照情況,光敏電阻R1變大,V2變小。假設V2=3.2 V,V3電壓不變還是4 V。V2 沒有檢測到黑線,則H4發光到白紙光反射到H4接收端,H4接收端導通,導通則T1接地為0;有檢測到黑線,則H4發光到黑線光全部被吸收,H4接收端,沒有收到任何信號,因為H4不導通(截止),則T1=VCC。 小車總共分為兩層,上下兩層通過兩根T8絲桿連接,絲桿通過剛性聯軸器連接在兩個42步進電機上,通過42步進電機的旋轉可以實現絲桿的自由升降。同時底板上方中央裝有A49816細分電機馬達驅動模塊,用于控制電機的轉動,通過程序編寫,可以控制藥箱和水箱的升降順序和時間。 小車上層主要分為藥箱和水箱兩部分。①藥箱和水箱通過底部設置的螺紋孔與T8絲桿配合連接。小車的正前方為水箱,主要由小型飲水桶、舵機、水龍頭、水管和水杯等部分組成。當需要接水的時候,舵機帶動水龍頭轉動,控制小型飲水桶內的水流入水龍頭下方的水杯中;②小車后方部分為藥箱,藥箱被內部設置的內隔板劃分成多個置藥箱,藥箱被劃分成多個空格,裝有不同的藥物,藥箱內設有鬧鐘功能,提醒老人按時服用藥物。 該小車控制系統為STC89C52單片機,該單片機可以實現循跡,紅外避障,機器人遙控,尋光,超聲波避障,無線藍牙控制等功能。同時小車上裝有藍牙模塊與智能手機連接,可以通過手機控制小車的行走方向,藍牙模塊還可以與智能手環連接,當設置的服藥時間來臨,小車上的鬧鐘會自動響起,智能手環也會發生微振動,此時小車會自動尋找手環位置,將藥品送到目標點。藍牙程序總共分為兩塊:一是下位機程序也就是智能送藥小車主控單片機上的程序,此程序需要初始化串口通信,并對接收到的指令做出相應的邏輯處理,控制小車該如何運行;二是上位機程序也就是手機控制端軟件,可以合理控制小車行走路線[4]。 1)小車裝有藍牙模塊,連接智能手環或手機等其他智能設備,可以通過微振動來提醒老人吃藥的時間。同時因為智能手環連接著小車上的藍牙模塊,可以引導小車自動尋跡到手環附近。 2)藥箱具備鬧鐘功能。病人家屬或醫生可以設置科學的用藥時間,當用藥時間來臨,鬧鐘會自動響起,提醒老年人吃藥。 3)小車擁有獨立的避障,尋跡功能。可以在行進過程中躲避障礙物,重新選擇路線,順利到達目標地點,并且在送藥任務結束后,能夠安全返回。 初始由護士或者家人將送藥箱里面裝好必須的藥品,將小型飲水桶中充滿水。當需要服藥時,單片機控制驅動電機轉動,使小車行動,并自動尋找正確的道路,將藥品送到患者身邊。到達患者身邊停止后,驅動模塊控制升降步進電機工作,進而帶動聯軸器和絲桿轉動,絲桿轉動會帶動套在其上的送藥箱上升,當藥箱上升到適合的高度后,患者將藥取出。藥取出后,升降步進電機間接帶動藥箱下降,下降到原位后,驅動模塊再控制另一個升降步進電機使送水箱上升,上升到與適合高度后,舵機控制板會控制舵機旋轉一定角度,使連接在其上的水龍頭旋轉一定角度,使水從小型飲水桶中流出,流出一定時間后,舵機控制板控制舵機旋轉為初始狀態,水龍頭閉,流水停止,患者將水杯取出,喝水服藥。之后將水杯放回原處后,送水箱在升降步進電機的間接控制下下降,下降回原位后,令小車自動回到初始處。 據了解,對于醫院、敬老院等病人聚集公共場所來說,通過雇傭一個專門的護工工資為100~150元/d,對于獨居病人家庭更加昂貴。但是我們所設計的智能送藥小車產品成本低,全部設計完成僅僅需要1 000元左右;實用性強,擁有送藥、送水、尋跡、避障等多種功能;并且簡單易操作,通過簡單的觀看使用說明書可以使大部分人了解如何使用,因此,它可以滿足國內大部分家庭的需求。智能送藥小車的應用前景廣闊,可以應用于獨居病人家庭、醫院、敬老院等多個場所,可以適應不同的環境。 綜合國內老年人服藥問題的形式和產品優點,相信該產品一定能給廣大群眾帶來福音。3.2 尋跡電路(見圖3)
4 小車升降裝置
5 小車箱體設計
6 小車控制裝置
7 創新設計
8 使用方式
9 結語