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     考慮到服務(wù)對(duì)象是老年人和下肢行動(dòng)障礙者，結(jié)合家庭室內(nèi)空間限制，個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人采用立式結(jié)構(gòu)。以中國(guó)老年人體尺寸數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人的輔助站立系統(tǒng)、搓澡系統(tǒng)、洗頭系統(tǒng)、水路及循環(huán)利用系統(tǒng)等主要組成部分進(jìn)行三維模型的建立和運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)滿足要求。 搓澡系統(tǒng)采用遞階控制策略?？刂葡到y(tǒng)上層為基于舒適度模型的參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，它根據(jù)洗浴者自身皮膚狀況、實(shí)時(shí)測(cè)試的搓澡壓力和搓澡過(guò)程中洗浴者的普遍舒適度反應(yīng)，通過(guò)遺傳算法對(duì)搓澡過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，輸出搓澡的時(shí)間和速度指令；下層為搓澡系統(tǒng)速度位移控制系統(tǒng)，根據(jù)優(yōu)化的搓澡速度和時(shí)間控制搓澡裝置。搓澡系統(tǒng)速度控制器包括背部、腿部和臀部搓澡速度位移控制器。 搓澡舒適度是指人搓澡時(shí)是否舒適和干凈的心理和生理總體感覺(jué)。分析由皮膚和搓頭之間摩擦產(chǎn)生的皮膚法向和切向形變吸收的能量，進(jìn)而可計(jì)算整個(gè)搓澡過(guò)程中人體吸收的總能量。分析與實(shí)驗(yàn)證明人體的反應(yīng)量與吸收能量之間為對(duì)數(shù)關(guān)系，其取值范圍為零到無(wú)窮大，搓澡過(guò)程中吸收的能量越大，反應(yīng)量就越大，吸收的能量越小，反應(yīng)量越小。在整個(gè)搓澡過(guò)程產(chǎn)生的能量與搓頭運(yùn)動(dòng)的幅度關(guān)系不大而與速度、壓力關(guān)系大。舒適度函數(shù)與人體反應(yīng)量之間并非簡(jiǎn)單的單調(diào)關(guān)系，與正態(tài)分布函數(shù)具有相似的分布特性。以人體反應(yīng)量為自變量，對(duì)正態(tài)分布函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整，構(gòu)造并簡(jiǎn)化出舒適度函數(shù)表達(dá)式。為擬合適應(yīng)度函數(shù)表達(dá)式中的待定系數(shù)，利用模擬搓澡試驗(yàn)裝置對(duì)不同受試者手臂前側(cè)進(jìn)行模擬搓澡實(shí)驗(yàn)。受試者根據(jù)自己的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定此次實(shí)驗(yàn)條件下的主觀舒適度，并采用“最大、最小”法進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)行非線性最小二乘法擬合，得到舒適度模型的待定系數(shù)。 根據(jù)實(shí)測(cè)搓澡壓力，選擇舒適度函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在給定的約束條件下，采用偽并行遺傳算法優(yōu)化最佳的搓澡時(shí)間和搓澡速度。搓澡裝置的運(yùn)動(dòng)速度控制采用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)。控制器以基于舒適度模型而優(yōu)化的搓澡參數(shù)作為指令。 個(gè)人衛(wèi)生服務(wù)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)坐姿與立姿的自動(dòng)轉(zhuǎn)換（輔助人體站起），該轉(zhuǎn)換是通過(guò)兩軸伺服控制的輔助站立系統(tǒng)完成的。為使輔助站立過(guò)程符合人體的生理結(jié)構(gòu)和心理需求，對(duì)照正常人體站立過(guò)程，規(guī)劃了后向輔助站立的人體重心軌跡，構(gòu)建了可調(diào)座椅式機(jī)械結(jié)構(gòu)、兩軸伺服系統(tǒng)和站立減重系統(tǒng)；采用逐點(diǎn)比較插補(bǔ)技術(shù)，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制器，根據(jù)向后站立重心軌跡曲線的擬合方程建立偏差函數(shù)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)建立插補(bǔ)規(guī)則及偏差函數(shù)遞推公式，根據(jù)重心運(yùn)動(dòng)軌跡及減重要求建立插補(bǔ)終點(diǎn)判據(jù)。試驗(yàn)中樣機(jī)可輔助不同身高和體重的人體站立，輔助過(guò)程符合人性化要求。 采用PC機(jī)為上位機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制器為下位機(jī)的主從控制硬件結(jié)構(gòu)。PC機(jī)負(fù)責(zé)搓澡運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化、輔助站立軌跡插補(bǔ)以及水、氣控制。運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)將運(yùn)動(dòng)指令轉(zhuǎn)換成脈沖量控制信號(hào)給各個(gè)分系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器最終驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)并帶動(dòng)機(jī)械本體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輔助洗浴。搓澡系統(tǒng)和輔助站立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制采用閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，伺服驅(qū)動(dòng)器、低慣量交流伺服電機(jī)及測(cè)速裝置組成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。輔助站立系統(tǒng)中稱重傳感器實(shí)時(shí)采集人體體重信號(hào)，搓澡壓力采用在V形彈性支撐架上安裝電阻應(yīng)變式傳感器，采用全橋電測(cè)法測(cè)量。采用SVPWM變頻調(diào)速方式調(diào)節(jié)變頻泵，控制管路壓強(qiáng)，使安裝在洗頭罩中的多排環(huán)狀噴頭的出水流量、速度以及水柱形狀不斷變化，實(shí)現(xiàn)洗發(fā)。氣路系統(tǒng)可噴出熱風(fēng)，以便洗浴后干身。 在操作系統(tǒng)上利用Visual C++ 6.0開發(fā)工具，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，開發(fā)護(hù)理機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件，主要包括：人機(jī)界面監(jiān)控軟件、基于舒適度模型的遞階控制軟件、基于插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制的輔助站立軟件、洗頭控制軟件和其他輔助控制軟件等。 綜上，應(yīng)用研究成果能夠優(yōu)化搓洗運(yùn)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)人體自然站立經(jīng)驗(yàn)，減重輔助站立，還能夠自動(dòng)洗發(fā)。洗浴效果滿意度和節(jié)水、空間、勞動(dòng)力等指標(biāo)明顯優(yōu)于當(dāng)前同類設(shè)備。