一种面向老年人的膏药敷贴装置设计.pdf
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1、机械与动力工程河南科技Henan Science and Technology总第807期第13期2023年7月收稿日期:2023-01-19基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目“敷贴助手新型老年人智能产品”(DCJX-G17227667);“皖维科技创新孵化基金”项目“敷贴助手新型老年人智能产品”(WWFH-202219)。作者简介:佘雪晴(2004),女,本科生,研究方向:物理学;高星(2003),男,本科生,研究方向:物理学;徐印伍(2002),男,本科生,研究方向:机械工程;刘牧青(2002),男,本科,研究方向:医学电子学、医学仪器;许雪艳(1976),女,硕士,教授,研究方向
2、:物理学、光学。一种面向老年人的膏药敷贴装置设计佘雪晴1高星1徐印伍1刘牧青2许雪艳1(1.巢湖学院,安徽合肥238024;2.首都医科大学,北京100069)摘要:【目的目的】解决老年人因关节不灵活导致无法自行敷贴膏药的问题。设计出一种面向老年人的膏药敷贴装置。【方法方法】该装置以STM32F103C8T6为主控芯片,可对红外传感器与压力传感器反馈的数据使用算法进行处理,得到背部位置与疼痛点位置,再根据程序指令来控制电机控制器、舵机、气泵等的运行,完成膏药敷贴。同时,其还包含膏药加热和语音播报功能。【结果结果】该装置操作简单,具有较高的精准度,可高效地定位到老年人痛点处,且老年人背部受力较合
3、理,避免因受力过重导致其他问题出现或因受力过轻导致膏药粘贴不牢固,可很好地满足老年人的日常生活需要。【结论结论】该装置为老年人的生活带来较大便利,从而让科技造福老年人的生活,应用前景广阔。关键词:老年人;STM32F103C8T6;算法处理;膏药敷贴中图分类号:TH789文献标志码:A文章编号:1003-5168(2023)13-0036-07DOI:10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.13.007Design of a Plaster Application Device for the ElderlySHE Xueqing1GAO Xing1XU Yinwu1L
4、IU Muqing2XU Xueyan1(1.Chaohu University,Hefei 238024,China;2.Capital Medical University,Beijing 100069,China)Abstract:Purposes This paper aims to solve the problem that the elderly cannot apply the plaster bythemselves due to their inflexible joints,a plaster application device for the elderly was
5、designed.Methods The device uses STM32F103C8T6 as the main control chip,which can process the feedback datafrom infrared sensor and pressure sensor algorithmically to get the back position and pain point position,and then control the motor controller,servo,air pump and other operation according to t
6、he program instruction to complete the plaster application process.It also contains plaster heating and voice broadcastfunction.Findings The device is easy to operate,has high accuracy,and can efficiently locate the painpoints of the elderly;and the device is reasonable for the back force of the eld
7、erly,which will not cause aseries of other problems due to too heavy force,nor will it cause the plaster paste to be insecure due totoo light force,which can well meet the needs of the elderly in their daily life.Conclusions The devicecan bring greater convenience to the life of the elderly,enable t
8、echnology to benefit the life of the elderly,and has a broad application prospect.Keywords:elderly;STM32F103C8T6;algorithm processing;plaster application第13期370引言中国已加速步入老龄化社会,老龄人口占总人口比重呈现逐年上升态势。与此同时,与老年人有关的产品需求也在不断增加。总体而言,目前市场上相关产品无论是数量还是质量,远远满足不了老年人的需求,尤其是无法满足老年人对产品功能化的需求1。同时,随着老年人年龄增加,肩周炎、脊椎病等接踵而来
9、,外敷膏药成为很多老年人的首选。根据市场调查,有86.45%的老年人经常或偶尔贴膏药,但老年人因身体机能下降,行动开始变得迟缓,需要在背部贴膏药时,会变得更加吃力甚至无法完成。近年来,我国空巢老人的数量呈上升趋势。随着第一代独生子女的父母陆续步入老年,到2030年,中国空巢老人的数量或将超过2亿,占老年人总数的 90%1。子女无法经常陪伴在老人的身边,而老年人独自完成膏药敷贴是比较困难的。因此,想要提高老年人生活质量,就要重视贴膏药等老年人生活中的细节问题。因此,本研究设计一种老年人膏药敷贴装置,该装置不用额外安装或调试,插电即可使用。开机后老年人背对装置坐好,系统即可精准判断背部位置,同时配
10、合滚轮在老年人背上按摩。当按摩到背部需要贴膏药位置时,老年人按下遥控按钮,装置就会自动完成贴膏药,且膏药与身体贴合紧密,敷贴位置准确。该装置可帮助老年人将膏药敷贴到背部,提高老年人的生活质量。1装置总体设计方案该老年人膏药敷贴装置包括敷贴膏药的敷贴机构、驱动敷贴机构移动到背部敷贴位置的XYZ 三维驱动机构。该装置配置一个红外遥控按钮,当敷贴机构移动到疼痛点时,老人可按下按钮,通过敷贴机构和 XYZ 三维驱动机构来共同完成膏药敷贴过程。XYZ 三维驱动机构包括底座、安装在底座上驱动敷贴机构在 XYZ轴方向上进行移动的 XYZ 三维驱动组件、安装在驱动组件上用于连接敷贴机构的连接杆。敷贴机构位于连
11、接杆远离 XYZ 三维驱动组件的一端,其主要包含的组件功能如下。红外传感器。其配合XYZ 三维驱动组件来采集背部位置信息,完成对背部位置的确定。膏药承接台。其内置气泵和恒温加热片,开机后将膏药的膜撕下后放在承接台上,膏药即可被吸附在承接台上,同时会对膏药进行加热,确定疼痛点后气泵放气,膏药即从承接台脱落,粘在皮肤上。滚轮。其内置的压力传感器可把压力值反馈给主控芯片,再经主控芯片 PID 调控后,反馈给 XYZ 三维驱动组件,来调整敷贴机构位置,连接滚轮的连接杆另一端连接着舵机,贴膏药时,舵机转动,使滚轮移动到膏药承接台后方,避免阻挡贴膏药。语音播报模块。可提示老年人装置的运行情况,开机时提示老
12、年人按照装置使用需求坐好,当滚轮移动到疼 痛 点 时 提 示 老 年 人,老 年 人 按 下 红 外 遥 控按钮。该老年人膏药敷贴装置模型如图1所示。2装置硬件部分设计2.1主控芯片STM32F103C8T6该装置以 STM32F103C8T6 为主控芯片,其使用的是高性能ARM Cortex-M3 32位RISC内核,工作频率为72 MHz,高速的运算能力可对各个模块1.底座;2.X轴滑竿;3.Y轴滑竿;4.Z轴滑竿;5.连接杆;6.敷贴机构。图1基于STM32F103的老年人膏药敷贴装置模型654132佘雪晴,等.一种面向老年人的膏药敷贴装置设计38第13期的信息进行接受与处理,丰富的I/
13、O资源可配合各个模块使用,冗余接口多,方便装置的后期维护2。同时,其还包含2个12位的ADC、3个通用的16位定时器和1个PWM定时器。其中,内置的ADC采集电路能弥补信息采集模块存在的不足,不仅简化电路,还可保证采集到的信息的精准度。该芯片内置的定时器可使装置在接收传感器数据的同时,使PWM控制电机、舵机完成行动指令,根据红外传感器和压力传感器的数据反馈来实现背部定位、膏药加热、膏药敷贴、滑台归位等动作。2.2XYZ三维驱动组件XYZ三维驱动组件由X轴滑竿、Y轴滑竿、Z轴滑竿(XYZ轴共由4个滑竿构成)、驱动滑竿移动的电机、电机控制器组成。其中,X轴滑竿是由两个滑竿组成的,使得载物台可前后移
14、动,同时使支撑整体的框架在载物台移动时不会出现倾倒,保证系统工作的稳定性。Y轴滑竿位于X轴滑竿两个滑竿之间,使得载物台可以左右移动,同样的,Z轴滑竿与Y轴滑竿相连,4个滑竿足以支持载物台进行三维移动。采用4个57步进电机来实现载物台移动,57步进电机的驱动能力强、移动精准。该装置采用TB6600控制器来驱动57步进电机。步进电机与控制器接线如图2所示。图2步进电机与控制器接线STM32F103C8T6主控芯片与TB6600步进电机驱动器采用共阳极接法,即 TB6600 驱动器的ENA+、DIR+、PUL+与 单 片 机 的 VCC 连 接。由STM32F103C8T6主控芯片的PA1来控制TB
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