摘要：为解决传统洗护装置中洗护分离、高度不可调、洗护繁琐等问题， 从传统婴幼儿洗护装置出发， 设计一款基于智能语音技 术的多功能母婴护理装置， 旨在实现洗护一体， 优化洗护结构， 减轻家长洗护负担。通过调研婴儿洗护过程并分析现有洗浴装置 结构， 选用 SolidWorks 、UG 软件建立装置三维模型， 完成结构受力分析。装置整体设计由高度升降模块、浴盆护理台切换模块、 排水模块、语音模块、恒温模块、温度检测模块、人机交互模块、控制模块组成。控制系统选用三菱 FX3U 系列 PLC 作为中央控制 器， 直流电机作为装置执行机构部分。在实验室进行 1 000 余次各项测试。结果表明： 所设计的结构合理、功能完善、性能稳定， 能够较好地协助用户完成洗浴护理工作; 与传统洗浴装置相比， 该装置完成了洗护一体、高度智能可调等创新性设计， 有效地缓 解了新生儿父母的洗浴负担，保障了婴幼儿的洗浴安全。

　　关键词：智能语音技术;控制系统;人机交互

　　Design of Multifunctional Maternal and Baby Care Device Based on Intelligent

　　Voice Technology

　　Lei Bin ，Su Jiang ，Li Yiying ，Chen Jiancong ，Liang Jiansheng ，Li Chunchun ，Yang Danyi ，Huang Meixiu

　　(School of Robotics, Guangdong Vocational College of Science and Technology, Zhuhai, Guangdong 519090. China)

　　Abstract: In order to solve the problems of washing and care separation, height unadjustable, and complicated washing and care in traditional washing and care devices, a multifunctional maternal and baby care device based on intelligent voice technology is designed from the traditional infant washing and care device, aiming to realize the integration of washing and care, optimize the washing and care structure, and reduce the burden of parents ’washing and care. By investigating the baby washing process and analyzing the existing bath device structure, the three -dimensional model of SolidWorks and UG software are used to complete the structure stress analysis. The overall design of the device is composed of height lifting module, bath nursing table switching module, drainage module, voice module, constant temperature module, temperature detection module, human-computer interaction module and control module. The control system uses the Mitsubishi FX3U series PLC as the central controller and the DC motor as the device execution mechanism. More than 1 000 times test are carried out in the laboratory. The results show that the design has reasonable structure, perfect function and stable performance, and can assist the bath care; compared with the traditional bath device, the innovative design is highly intelligent and adjustable, which effectively alleviates the bath burden of new parents and guarantees the bath safety of infants.

　　Key words: intelligent voice technology; control system; human-computer interaction

　　引言

　　随着三胎政策[1]普及与水平的日益发展， 现有婴幼 儿洗护装置低端、低效， 具有诸多痛点， 已无法满足市 场需求[2]。本文从传统婴幼儿护理装置出发， 设计一种 基于智能语音技术[3] 的洗护一体多功能母婴护理装置， 旨在优化洗护结构，减轻用户洗护负担。

　　通过调研分析， 现有婴幼儿洗护装置无法同时完成 洗浴与护理两部分工作， 洗浴装置繁琐笨重， 多数操作 以手动操作为主， 无法实现智能控制[4] ，具有如下问题： ( 1 )高度固定， 无法兼顾各类型使用人群;(2) 外形笨 重， 占地空间较大， 取用不便;(3) 功能单一， 无法实现智能控制;(4)洗护分离，洗浴与护理无法同地进行。

　　基于上述现状， 现有洗护设施主要依赖于传统的护 理平台。由行业现状出发， 本文主要优化机械结构、功 能管理系统， 实现以下功能。

　　( 1) 高度升降功能[5]。平台可以自主调节到适合使 用者身高的高度， 便于家长给婴幼儿洗浴， 避免因长时 间弯腰导致出现腰疼。

　　(2) 智能音乐台功能。平台配备了智能显示屏， 可 以实时检测水温， 并且可以播放婴幼儿喜欢的音乐或者 动画片来安抚婴幼儿。

　　(3) 语音控制功能[6]。平台配备了智能语音控制系统， 可以语音控制所需要的水温以及音乐动画片的播放， 同时当水温降低会进行提示，从而更换浴盆的水。

　　(4 )恒温暖炉功能。在婴幼儿沐浴期间可自动加热 衣服至最适穿温度， 且在冬天可以将护理工作台维持在 一定温度，保障婴幼儿沐浴出浴不受凉。

　　1 结构设计

　　1.1 机械结构及功能

　　多功能母婴护理装置主要由控制模块、高度升降模 块、人机交互模块、洗护切换模块、智能安抚模块五大 部分组成[7]。多功能母婴护理装置结构如图 1 所示。

　　( 1) 控制模块。控制模块主要是控制程序发送指令， 完成各种动作， 以及响应按键， 如进水排水、高度升降、 恒温暖炉、智能音乐播放、宝宝安抚、按键响应等功能[8]。

　　(2) 高度升降模块。高度升降模块主要是实现浴盆 高度可调节， 通过智能屏控制， 由显示器发送具体指令 至 PLC[9] ，PLC 通过程序控制步进电机与旋转装置配合实 现高度的调节， 并更新高度信息实时上传至人机交互模 块，从而实现高度精确调节。

　　(3)人机交互模块。人机交互模块主要实现智能控 制屏调节该装置的智能功能， 与其传感器密切联系， 通过触摸屏的各类按钮及指示灯实现沐浴盆的各式操 作， 并实时监视及反馈数据[10]。

　　(4)洗护切换模块。洗护切换模块主要实现护理/沐 浴功能的切换， 通过智能屏的控制， 由传感器判断产品 所处状态护理/沐浴是否可执行指令， 情况可行则通过智 能屏的指令操作， 控制直流电机推进可站立平台， 从而 取代沐浴盆， 实现护理/沐浴功能切换。

　　(5) 智能安抚模块。智能安抚模块主要通过语音或 智能屏操作来实现控制高度、温度记录、歌曲播放、与 他人视频、电话等功能。在给婴幼儿洗浴的过程中， 可 借此功能播放各类型的育儿诗词歌曲、故事集等， 吸引 婴儿的注意力及培养婴幼儿兴趣爱好。

　　1.2 细分结构设计与功能

　　( 1) 人工智能。利用人工智能系统， 家长可通过语 音实现语音控制高度、温度， 动画与歌曲的播放及与其他人视频、电话等功能[11] ，可以解决为婴幼儿洗浴时接 听电话、湿手触碰各处等不便[12]。

　　(2) 实时温控。洗护台拥有实时监测温度的装置， 实时反馈温度的变化， 可以在难以察觉的温度差下及时 提醒水温是否适合该岁龄的孩童， 且可记录孩童的适宜 水温，在下次洗浴中达到该水温时做出提醒[13]。

　　(3) 育儿播放。在给婴幼儿洗浴的过程中， 可借此 播放各类型的育儿诗词歌曲、故事集等， 以吸引婴儿的 注意力及培养婴幼儿兴趣爱好， 播放婴幼儿喜欢的音乐 或者动画片来安抚婴幼儿的情绪[14]。

　　(4) 信息记录。每次洗浴都会记录婴幼儿洗澡使用 时的沐浴数据， 后台将会根据大数据平台[15] ，结合婴幼 儿身体各状况， 给予家长给婴幼儿沐浴时需要注意的细 节及意见。

　　(5)危险预警。通过传感器，实时监测各项数据及反 馈，并作出预警，预防事故的发生。如检测到水温升高、有 漏电触电的可能或其他不当操作，产品将通过音响做出预 警， 提醒家长[16]。

　　(6) 恒温暖炉。此功能通过传感器与测温装置判断 当前所处的状态与温度， 并与人机交互模块配合， 将浴 盆底部外处所设的发热板调整到婴幼儿适宜的温度， 实 现水温稳定、供暖的作用， 避免婴幼儿洗浴或护理时着 凉感冒。

　　(7) 进水排水。此功能通过智能屏的控制， 由传感 器判断产品所处护理/沐浴状态， 执行进水或排水指令， 与洗护切换模块配合， 当浴盆展开完毕后将进行自动加 水进入洗浴状态， 当洗浴完毕后将进行自动排水至排水 完毕。

　　1.3 控制系统工作流程简要说明

　　控制系统装置总体由高度升降电机、洗浴切换丝杆、 智能控制屏、控温发热板、传感器、排水口、播放器组成。

　　工作开始前， 放置好设备， 通过按钮或智能屏控， 发送洗浴指令至 PLC ，PLC 通过控制程序驱动电机与旋 转装置实现高度调节， 通过控制程序驱动丝杆装置(左 旋/右旋)， 实现浴盆张开。浴盆完成展开后， 盆内开始 加水，控制程序与人机交互配合，加入适温的水到浴盆， 并实时显示水温。开启恒温暖炉功能， 测温装置与人机 交互模块配合， 将发热板调至婴儿适宜的温度， 执行信 息实时上传人机交互模块， 检测数据是否有误[17] ，直至 完成操作, 产品进入洗浴状态。

　　洗浴过程， 使用智能安抚功能吸引婴儿的注意力及 培养婴幼儿兴趣爱好。洗浴完成后， 通过语音控制或智 能屏控， 发送护理指令至 PLC ，PLC 通过控制程序， 浴 盆开始排水， 排水完毕， 驱动丝杆装置(左旋/右旋)， 实现洗浴切换， 执行信息上传至人机交互模块， 进行数据监视及反馈，直至完毕，产品进入护理状态[18]。

　　当护理结束后， 通过按钮或智能屏控， 发送折叠指 令至 PLC ，PLC 通过控制程序驱动电机与旋转装置， 实 现折叠， 回到初始状态。

　　2 设计原理

　　2.1 高度升降模块

　　高度升降模块由步进电机、旋转装置、 PLC 控制器 和相关传感器组成。当通过智能屏幕下达升降指令时， 智能屏幕向 PLC 发送指令， PLC 通过预先编写好的程序 控制步进电机与旋转装置的配合工作， 实现升降模块的 高度调节。同时， 相关传感器可以实时检测沐浴盆的高 度信息， 并将其上传至人机交互模块， 能够提供实时的 高度调节反馈信息， 可以更加方便地使用沐浴盆， 实现 高度的个性化调节。

　　2.2 人机交互模块

　　人机交互模块由控制屏、控制器以及各类传感器组 成， 该模块的核心是智能控制屏， 可以通过触摸屏幕上 的按钮实现对浴盆各项功能的控制和调节。此外， 人机 交互模块还与其他传感器紧密联系， 如高度探测传感器、 温度传感器等，通过实时监测并反馈沐浴盆的状态信息， 为使用者提供更加安全、便利的使用体验。在设计原理 上， 智能控制屏是采用触摸式液晶屏幕， 通过内置的控 制系统将用户操作转化成系统指令， 进而实现对各项功 能的调节和控制。

　　2.3 洗护切换模块

　　通过智能屏上的指令， 对该模块进行控制， 切换护 理和沐浴功能。先由传感器判断产品所处的状态， 再确 定执行何种指令。由直流电机将可折叠浴盆进行折叠或 展开， 电机将浴盆展开， 实现沐浴功能; 电机推进浴盆 底部完成折叠， 实现护理功能。

　　2.4 进水排水模块

　　采用传感器判断当前产品处于沐浴还是护理状态， 当系统判断当前处于沐浴状态时， 智能屏将向进水排水 模块发送进水指令， 进水排水模块将打开进水阀门， 水 将流入浴盆中， 从而实现自动加水。当系统判断沐浴结 束， 需要排水时， 智能屏将向进水排水模块发送排水指 令，进水排水模块将打开排水阀门，水将从浴盆中流出， 从而实现自动排水。同时， 进水排水模块还与洗护切换 模块配合使用， 当浴盆展开完毕后将进行自动加水进入 洗浴状态， 当洗浴完毕后将进行自动排水至排水完毕。

　　2.5 恒温暖炉

　　通过使用传感器和测温装置实时检测浴盆内部的温 度和状态， 配合人机交互模块进行数据交换， 以便将浴 盆底部设有的发热板调整到适当的温度， 实现对婴幼儿洗浴或护理过程中水温的稳定供应和保温作用， 从而避 免婴幼儿着凉感冒。在该设计中， 采用了智能化的恒温 控制技术， 可精准测量和调控水温， 提高婴幼儿护理的 舒适性和安全性。

　　3 控制系统设计

　　3.1 控制系统的组成

　　为保证系统的正常运行，本装置有如下控制要求。

　　( 1) 自动断电： 为了保证人员安全， 当设备出现漏 电故障时， 通过设备漏电保护器具有过载和短路保护功 能， 自动断开设备电路[19]。

　　(2) 危险预警： 在设备使用过程中， 通过传感器实 时监测各项数据及反馈， 如果检测到水温过高、漏电迹 象、机械故障等异常情况， 传感器检测异常后， 传递信 号给 PLC ，PLC 检测到信号后控制对应机构， 同时控制 操作按钮处功能按钮进行预警， 人工进行排除故障后， 操作人员按下功能按钮即可重新运行设备[20]。

　　(3)急停处理： 为了保证使用人员使用过程的安全， 当设备出现紧急情况时， 操作人员需要立即按下操作按 钮处的急停钮， 确保该设备工作区域内人员安全， 当紧 急情况处理结束后， 操作人员可重新按下操作按钮处所 需功能按钮即可重启开始正常使用[21]。

　　3.2 控制系统的组成

　　本控制系统的主要任务是根据人体站立操作舒适高 度以及产品功能选择， 自由调节设备高度以及功能切换， 其主要包括高度升降、护洗切换、智能安抚、恒温暖炉 等。根据以上控制要求， 本控制系统主要由 2 个可刹车 24 V 直流电机推拉杆及 4个电机丝杆螺母、硅橡胶加热 板、 DC24 V 开关电源(双输出 DC24 V/DC5 V)、 DC5 V 整流变压器及急停开关构成。

　　3.3 硬件选型

　　分析整个产品运行原理、机架升降、盆的压缩伸展， 得知在机架实现升降时需要 2 个直流电机推拉杆作为源 动力来推动机架， 从而达到起升或下降的能力。由于需 要实现浴盆的伸缩功能， 用到了 4 个带导轨电动丝杆螺 母与支承板和浴盆地步相连， 恒温暖炉功能使用了可调 节温度的硅橡胶加热板， 另外在启动机器时， 浴盆的伸 缩与机架的升降同步运行会产生干涉， 由于可编程逻辑 控制器(PLC) 是专门为工业自动化生产行业配备的， 其具有很强的逻辑运算、顺序控制、定时、技术等指 令[22] ，并可以将传感器、光电开关、机械开关以及继电 器等数据作为输入信号， 以电机、电磁阀、线圈等数据 作为输出信号， 进行自动化生产过程的控制， 不仅可以 作为输入设备， 也可以作为输出设备， 是工业控制、交 通控制、环保控制、自动化领域等应用的最佳平台[23]。

　　因此， 本系统控制器采用三菱公司生产的 FX3U-32MT系列 PLC 实现对产品启动时进行顺序定时启动功能运转等自动化控制， 以解决机器运行干涉的问题。

　　3.4 系统输入、输出和人机界面地址分配

　　根据婴儿护理床的控制要求， 确定控制系统需要配置 4 个输入端口和 4 个输出端口，其分配信息如图 2 所示。

　　3.5 控制软件编程

　　根据系统控制要求[24] ，设计该系统控制软件流程如图 3 所示。采用顺序控制设计进行直观梯形图编程， 设 备根据其内部状态， 在输入信号执行时， 使各个执行机构按动作执行的先后次序自动依次进行工作。

　　该装置的PLC 软件设计采用三菱公司的GX Works 2编程软件，在分配好各个输入/输出地址后进行PLC程序编程。根据机器起升下降，浴盆伸展收缩及排水口等功能运作。

　　4 设备测试验证

　　4.1 设备运行测试

　　该设备属于家用器械， 主要用于婴儿洗护， 在实际投入之前需要大量测试验证其安全性。根据设备运行过 程中可能会出现的问题， 进行了对高度、水温调节及洗护功能切换的测试， 如图 4~6 所示。

　　该设备在实验室环境下共进行了 9 次模拟运行测试，总计高度调节的效率为 99%， 过程中设备稳固。初始温度为 39.6 ℃ , 15 min 沐浴结束， 温度还维持在 39 ℃。共实行进行 150 次洗护切换测试，成功切换 145 次，切换成功率为 96% 。

　　由实验数据可知， 每一轮输液成功率均在 95% 以上， 模拟运行数据比较理想， 能够满足设备设计要求(要求成功率大于 95%)。该设备总体运行安全、稳定， 可靠性较好， 能够较好地完成婴儿的洗护作业。

　　4.2 效率改善对比

　　通过分析比较传统洗护用具与该设备可知， 使用该设备减少了传统洗护用具在家里空间的占有率，在婴幼儿洗浴进行到一半时， 会自动检测水的温度并维持在 37~42 ℃之间，帮助家长们能在一个舒适的高度给婴幼儿进洗护，成功实现了使用方便，操作简单， 多功能一体化。

　　5 结束语

　　根据资料分析， 我国平均每年新生儿数量在 1 500 万以上， 而目前现有的婴幼儿洗护装置低端低效， 存在诸多痛点， 急需创新性设计解决现有问题。由此可见， 婴幼儿产品应用市场巨大， 设计一款智能洗护一体的婴幼儿洗护装置具有实际意义及广阔的应用前景。

　　本文从传统婴幼儿护理装置出发， 基于上述现状， 设计出了一款用于协助婴幼儿洗浴护理的智能母婴洗护装置， 通过优化洗护结构， 增加智能控制模块， 创新性地实现了洗护一体、高度可调、智能控制等诸多功能，有效地缓解了婴幼儿洗浴负担， 减轻了父母的工作量，保障了婴幼儿的洗浴安全， 填补了婴幼儿洗护市场高端产品的空白， 具有十分广阔的市场前景和现实意义[25]。

参考文献：

　　[1] 本刊编辑部 . " 三胎时代 " 下的母婴行业[J]. 中国商界, 2021(7): 4.

　　[2] 张丽莉 . 婴幼儿洗护用品资讯[J]. 中国洗涤用品工业, 2020(6): 198-201.

　　[3] 许小春 . 关于智能语音识别技术的应用与发展研究[J].科技 风, 2022(25): 1-3.