中藥配方顆粒袋自動發藥機控制系統設計

劉 凱，陳思敏，陳 斌

（1.廣東機電職業技術學院電氣技術學院，廣州 510550；2.廣州高譜技術有限公司，廣州 513623）

0 引言

自動發藥機作為藥房的核心設備，在縮短患者排隊候藥時間、降低藥師配藥勞動強度、提高藥房自動化程度等方面發揮了不可替代的作用[1]。目前，盒裝藥品（西藥、中成藥）的自動發藥機已比較成熟[2-3]，但中藥房的傳統中藥飲片由于形態各異，較難實現自動化發藥。近幾年來，大多數中醫類醫療機構的中藥房普遍采用“中藥飲片+中藥配方顆粒袋”組合的發藥方式[4]。本研究利用配方顆粒袋尺寸規格一致這一特點[5]，以PLC可編程控制器為控制核心，觸摸屏和組態軟件為上位機監控系統，抓藥機械手、搬運機械臂和分藥裝袋機構為主體控制對象，進行了中藥配方顆粒袋自動發藥機控制系統的設計與開發，以期為中藥藥房自動化改造提供參考。

1 發藥機結構和工作流程

本課題組設計的中藥配方顆粒袋發藥機（發明專利號：ZL0151701703.1）實物如圖1所示，其結構如圖2所示。發藥機由儲藥架、抓藥機械手、搬運機械臂和分藥裝袋機構組成。搬運機械臂由1個豎直方向的鏈傳動模組和2個水平方向的同步帶傳動模組組成；分藥裝袋機構由2個輸送帶、1個出藥口和1個分藥裝袋機器人組成。

發藥機的工作流程如下。

（1）確定藥品位置和抓藥路徑。與醫院信息管理系統（HIS）對接的藥品管理軟件首先確定藥品種類和數量，然后進行路徑優化并將結果信息發送到PLC控制器。

（2）抓藥。2 個抓藥機械手在搬運機械臂的帶動下提升至儲藥機構最高一層，抓藥機械手從上向下按照系統已優化的路徑逐層抓取顆粒袋。

（3）分藥裝袋。抓藥機械手每次從藥盒成功抓取配方顆粒袋后，自動釋放藥品，顆粒袋在重力作用下自行掉落到輸送帶上，藥品集中匯集到出藥口，機器人自動完成分藥和裝袋動作。

圖1 發藥機實物圖

2 發藥機控制系統

圖3 所示為控制系統原理圖。觸摸屏和組態軟件構成上位機監控系統軟件。觸摸屏用于本機調試、參數設定、手動選擇藥劑和狀態監控；組態軟件用于藥品管理、處方設定、數據庫存儲等。在執行部件的控制上，PLC 作為系統的核心控制器，通過I/O控制搬運機械臂、抓藥機械手和分藥裝袋機構的實時運動。

圖2 發藥機結構簡圖

圖3 控制系統原理圖

根據系統設計要求，本系統所選用的主要硬件產品如下。

（1）觸摸屏配置。觸摸屏選用昆侖通泰TP1061TX型，與PLC之間采用串口RS232接口通訊。

（2）組態軟件配置。組態軟件選用組態王6.55 版進行圖形界面的設計、運行和調試。

（3）PLC 配置。考慮到系統性能要求和現場試驗環境，采用可靠性高、抗干擾能力強、工作穩定的三菱FX3U 系列PLC作為核心控制器，共24點輸入，24點輸出，電源輸入為220 V AC，輸出為24 V和+5 V DC。

（4）伺服電機及驅動器配置。選用中達電通產臺達伺服電機及驅動器。鏈傳動模組使用的伺服電機額定功率為1.5 kW，同步帶傳動模組使用的伺服電機額定功率為0.4 kW，所有伺服電機配置減速比為1∶10的行星減速器。

（5）機器人配置。分藥抓藥機器人選擇的是ABB IRB 120型工業機器人，該款機器人為6軸通用機器人，可用于搬運、碼垛、焊接等場合，最大負載為3 kg，工作范圍達580 mm。

3 控制系統策略

3.1 抓藥路徑規劃策略

本系統2 個抓藥機械手初始位置在儲藥架的第一排，抓藥時從上向下協同配合依次從待抓藥盒中抓取顆粒袋。當控制系統獲得發藥單上待抓藥品的種類和數量信息后，系統首先要進行路徑規劃，確定每個抓藥機械手要抓的藥盒和路徑，從而避免發生抓藥機械手閑置等待和時間浪費的現象。

假設發藥單上的待抓藥盒在圖4 中用灰色方框表示，不抓藥品用白色方框表示，借鑒多旅行商問題數學模型，提出如下假設：

（1）2個抓藥機械手為純抓取，不運輸顆粒袋；

（2）每個藥盒的抓取只能由一個機械手完成，且所有藥盒位置都應該到達；

（3）機械手出發點與藥盒、各藥盒之間的距離已知，要求機械手一次行走的最大距離要大于其抓取路徑的長度。

圖4 中藥發藥機平面圖

設有K個抓藥機械手，需要到L個藥盒抓取，di,j（i,j=1,2,…,L），d0j為出發點到各藥盒的距離，nk為機械手k 抓取的藥盒總數，當nk=0時，表示機械手沒有抓取任何藥盒；集合Rk為機械手k抓取的藥盒點集合，其中的元素rki為該藥盒在機械手k的抓取路線中的順序為i，rk0為該機械手k的出發點。

抓藥路徑數學模型如下:

上述表達式中，式（1）為目標抓取總距離最小；式（2）表示每條路徑上藥盒數量不超過總的藥盒數；式（3）為每個藥盒均得到抓取；式（4）為每條路徑的需求點組成；式（5）為判斷機械手k是否參與配送。

本文涉及到一種多旅行商問題，其最廣泛的應用是車輛路徑調度問題（VRP 問題），目前已提出了許多求解的算法，大致可分為精確算法和啟發式算法兩大類。VRP 問題目前較難避免求解過程中計算量會隨問題規模的增大呈指數增長的問題[6-8]，因此只適用于小規模的VRP 問題；而實際的抓藥過程中，抓藥數量多，限制了精確算法的應用。本文應用了啟發式算法中的差分進化算法，該算法具有待定參數少、較強的群體收縮和協同收索能力[9-11]，通過Matlab仿真驗證了該算法可以實現預定的功能，在機器人最優軌跡規劃中具有很強的實用性和實時性。

3.2 抓藥動作流程

圖5 所示為抓藥機械手動作過程，機械手包括水平雙桿氣缸、豎直雙桿氣缸和真空吸嘴組成。水平氣缸用于機械手的伸出與縮回，豎直氣缸用于機械手的上升與下降，吸盤用于中藥配方顆粒袋的吸取與釋放。抓取流程如下：首先，真空發生器啟動，抓藥機械手水平氣缸伸出，當氣嘴接觸到顆粒袋時且真空壓力達到設定值后豎直氣缸伸出，在儲藥盒中的顆粒袋被提起，接著水平氣缸縮回，豎直氣缸縮回，真空發生器停止工作，失去吸力的顆粒袋在重力的作用下掉落，完成一次抓藥和放藥過程。

圖5 抓藥機械手動作過程

3.3 分藥與裝袋策略

分藥裝袋機構是實現發藥機全自動發藥的關鍵機構，由于中藥發藥的特點（同一處方，多副藥劑，每副藥劑藥品種類相同），而抓藥機械手只能1次抓取1 袋，因此需要對掉落的顆粒袋進行分類。本團隊采用5 個分藥盒逐個接取顆粒袋，每次接收成功自動移動1 個分藥盒，模擬人工分藥動作。圖6 所示為分藥裝袋機構控制策略流程，當抓藥機械手掉落的藥袋從出藥口滑出并掉落到1 個分藥盒后，觸發光電傳感器，分藥盒向右移1 位，移動4 次后開始向左移，以此類推，待所有藥劑收集好后，機器人整體提升裝袋。

圖6 分藥裝袋控制策略流程圖

4 上位機監控系統設計

根據發藥機的實際需求，采用“觸摸屏+組態軟件”組合，開發了上位機監控系統。

4.1 觸摸屏監控程序

觸摸屏監控程序由主菜單、調試菜單、參數調整、取藥界面等界面組成，每幅界面可將相應的命令、數據輸送給PLC，也從PLC 讀出相應參數或狀態信息，以此實現人機交互。整體程序主要實現機械手位置和速度設定、藥品選擇、整機調試和工作狀態顯示等功能。該系統監控畫面簡單、實時、直觀顯示裝置狀態參數和重要的系統信息，便于調試人員直接操控PLC 控制器，也利于醫院藥房和藥店的藥師直接選擇藥劑進行發藥。監控主要界面如圖7所示。

圖7 主要監控界面

4.2 組態軟件藥品管理程序

藥品管理界面如圖8 所示，該界面在組態王6.55 版編程環境下編制，主要通過接口程序與醫院管理信息系統（HIS）連接，并進行藥品的管理（分析藥品的名稱、數量、路徑等信息）和發藥機動作過程監控。

圖8 藥品管理界面

系統的工作過程是：首先通過醫院內部局域網將在終端電腦上開出的處方傳至藥品管理系統計算機；然后由主控計算機在查詢藥品數據庫的基礎上形成配藥清單并下達指令給抓藥機，在患者完成付款的前提下開始自動抓藥；同時發藥系統顯示患者信息，并驅動打印機輸出處方的綜合信息，由醫務人員將處方綜合信息連同抓藥機配好的藥品一起交付給患者使用。

5 結束語

本文針對各大醫院普遍使用的中藥配方顆粒袋，依托PLC、觸摸屏和組態軟件等通用平臺，開發了中藥機全自動發藥控制系統。通過對抓藥路徑和抓藥機械手的作業流程優化，實現了發藥機穩定、高效地工作，該設計方案具有較強的可行性，研究結果有助于提高中藥配方顆粒袋的發藥效率，也可為中藥房自動化改造提供參考。