面向慢性病中老年患者的智能機械藥盒設計

簡宏達，彭九九，胡文韜，陳周周，熊滿滿，李公法，陶 波

（武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，武漢430081）

隨著社會老齡化的日益加重，我國老年人所占人口比例越來越高，其人數居世界之最。而醫療問題是該群體是需要面對的主要問題之一，患多種慢性病、需長期服用不同種類和不同劑量藥物的情況在中老年人中屢見不鮮。對于行動不便、記憶力差且常年獨居的中老年人群體、需長期服用多種藥物的全年齡段患者來說，“忘吃藥、吃錯藥、吃多藥”問題亟待解決[1]。因此，各類輔助型藥盒產品開始活躍在市場上。傳統藥盒結構簡單、便于攜帶，但較小的尺寸使其存放藥物數量受到局限，續航能力較弱，在10次左右不等，無法做到一次裝填后長時間使用。傳統藥盒需要人工進行藥物計數與藥物裝填，一般只具備儲存藥物和鬧鐘提醒功能，對缺少照料的老年慢性病患者無疑是繁瑣且具有錯誤裝填風險的。

設計開發的智能機械藥盒區別于傳統藥盒，以電力驅動，結合機械結構與電子傳感器板塊，實現使用者“一次裝填，長期使用”的便捷服藥。針對老年慢性病患者在智能產品的使用上可能存在障礙，智能機械藥盒極大程度上簡化了使用操作[2，3，4]。

1 智能機械藥盒方案設計

1.1 系統組成

智能機械藥盒裝置設計了藥片和膠囊兩個部分（圖1）且均由5個子系統組成：儲藥出藥系統、傳動系統、計數收集系統、輔助系統、控制系統，每個子系統的功能如下[5]：

圖1 藥片部分（左）與膠囊部分（右）去外殼總體結構圖

（1）儲藥出藥系統：藥片部分中表現為類圓柱空心儲藥罐與帶負壓吸口推桿，推桿沿儲藥罐軸線往復直線運動，實現藥片的排出；在膠囊部分表現為類圓柱空心儲藥罐、膠囊滑軌和帶凹槽出藥滾子，出藥滾子周向旋轉用以實現膠囊的排出。

（2）傳動系統：兩個部分均由步進電機、傳動齒輪、棘輪機構組成。步進電機的換向旋轉由傳動齒輪帶動各部分兩組棘輪機構分別旋轉，實現對不同藥品不同數量的順序排出。

（3）計數收集系統：藥片部分表現為舵機、掃藥曲柄、掃藥桿、導軌、紅外光感傳感器，舵機由曲柄帶動掃藥桿將推桿頂部藥片掃入導軌，由導軌末端對射型紅外傳感器實現計數功能。在膠囊部分表現為導軌、力敏傳感器，膠囊由出藥滾子排出至導軌，在滑軌末端的薄膜式壓力傳感器實現計數功能。

（4）輔助系統：兩部分均包含用于固定儲藥出藥裝置的托臺、固定傳動系統的底部支架、防藥品在排出過程中粘黏的震蕩塊以及藥品干燥器裝置。

（5）控制系統：主要采用單片機作為主控芯片，用以實現各機構運動的配合銜接和時序控制。

1.2 工作原理

藥片部分由步進電機通過主傳動齒輪帶動與棘輪部分配合的副傳動齒輪轉動，兩側的棘輪沿相同的方向轉動帶動曲柄，安裝在兩側的棘輪輪齒方向相反，使步進電機在進行不同方向轉動時，僅有一側棘輪會帶動其所對應的藥片棘輪曲柄轉動，另一側保持靜止狀態，實現兩側出藥機構運轉的獨立控制。當曲柄沿著一個方向轉動時，對應轉動方向上的藥片棘輪曲柄帶動滑塊在豎直平面內做圓周運動，由于滑塊、滑道和推桿共同組成了一個曲柄滑塊機構，故推桿會隨藥片棘輪曲柄的轉動做豎直方向的往復運動，實現出藥動作。在完成出藥動作的過程中配合置于藥盒殼體背面的舵機所控制的掃藥桿，將藥片掃入導軌內，并由導軌末端對射型紅外傳感器實現計數反饋至集成控制板，最終完成出藥，藥片棘輪曲柄回到初始位置[6，7]。

膠囊部分與藥片機構的傳動方式類似，同樣使用步進電機作為動力源件，以兩個反裝棘輪實現兩組膠囊機構的獨立控制[8]。錐齒輪由傳動齒輪帶動，通過棘輪使出藥滾子轉動。出藥滾子沿著某一個方向轉動時，與其對應配合的膠囊滑軌底部開口的膠囊落入出藥滾子對應的凹槽中，由于步進電機的不斷運轉，出藥滾子會單方向不斷轉動，實現往復出藥動作，在膠囊由出藥滾子排出后，進入與之配合的膠囊導軌中，進而滑出藥口，由力敏傳感器實現計數并反饋至集成控制板，直至單側膠囊出藥數量達到設定值，步進電機換向旋轉，實現另一側的出藥動作。

1.3 不同規格藥品兼容問題的解決

對于藥片多具有片狀特征，在進行相關計算后，只需對氣泵參數進行相應的調節，即可配合特殊端部形狀的頂桿，由一確定負壓力實現對不同規格藥片的出藥任務。

對于膠囊多為類圓柱狀，進行相關市場調研，發現市面上常見的膠囊，最大的尺寸為17 mm×8 mm，最小尺寸的為12 mm×6.5 mm，滾子的凹槽尺寸為20 mm×9 mm的矩形凹槽，深度為10 mm，即可兼容絕大多數膠囊的出藥任務。

2 機械結構設計

2.1 藥片儲藥出藥裝置設計

藥片儲藥出藥裝置由一個類圓柱的空心儲藥罐與推桿組成，推桿可在儲藥罐內沿軸線方向線性運動，裝配關系如圖2所示，推桿由滑道、滑塊、棘輪曲柄構成的曲柄滑塊機構帶動，曲柄轉動時使滑塊相對滑道水平移動，滑道帶動推桿在豎直方向線性往復運動，其裝配關系如圖3所示[9]。推桿頂部采用錐形設計，頂端直徑為4 mm，與藥片最小直徑相當。推桿內部加工有小直徑通孔，用于連接外部的負壓裝置（氣泵），實現對單個藥片的吸附，保證在大多數情況下推桿上下運動一次，推出一顆藥片[10，11]。

圖2 藥片儲藥出藥模塊

圖3 藥片儲藥出藥裝置與曲柄部分的連接

針對氣泵負壓吸藥，對其具體數學模型采用近似的解。根據文獻查閱，相應的計算公式如下：

上式中：F為理論吸附力大小，kg（f公斤力）；P為絕對壓力，為微型真空泵的絕對真空度，kPa（千帕）；S為吸盤面積，為吸盤有效面積，cm2。

本產品中，推桿中間的氣孔直徑D=0.4 cm，有效吸盤面積為S=π×D2/4=0.12 566 cm2

選用的型號為VN-T4型號的氣泵，真空度為60 kPa，理論上能提供的抽吸壓力壓強為：

負壓通孔理論上能在豎直方向上吸附0.3 kg的物體，而常見的藥物通常僅有0.3 g左右，考慮到氣孔吸住藥片時吸盤有效面積不是整個氣孔孔口，但理論吸附質量遠大于單粒藥片，所以可以極大程度上增加頂出藥片的幾率。

曲柄的轉動是其運動的主要形式，其中所受最大應力的應是曲柄與滑塊連接銷所受剪切力，主要對此連接銷進行了有限元分析，即可驗證其強度是否滿足設計要求。將藥片出藥系統模型進行簡化，由于兩側裝置對稱，因此在導入網格時僅考慮一邊的受力情況即可，只保留一半進行分析，模型所采用的材料為聚酯樹脂，所有的零件之間都建立解除對，兩接觸面之間所設置的摩擦系數為0.05，載荷在曲柄的最外側施加切向力100 N，施加邊界條件后劃分網格進行求解得到的連接銷模型應力、應變云圖如圖4、圖5所示。

表1 智能機械藥盒主要材料屬性參數

圖4 連接銷工作部位應力圖

圖5 連接銷應變圖

2.2 膠囊儲藥出藥裝置設計

膠囊儲藥出藥裝置由一個下端接圓錐的類圓柱空心儲藥筒、膠囊傳輸桿、出藥滾子和膠囊導軌組成，出藥滾子可沿軸線旋轉，裝配關系如圖6所示。儲藥室下部為一偏心圓錐，底部有與膠囊直徑相符合的開孔，且開孔銜接于一傾斜空心傳輸桿，傳輸桿末端的開口長度與膠囊長度相當，且位于開口下端的出藥滾子上的凹槽也與其配合，保證在大多數情況下，出藥滾子旋轉一周，只排出一粒膠囊。

圖6 膠囊儲藥出藥裝置裝配關系

2.3 可獨立控制的傳動裝置設計

藥片、膠囊系統皆包含兩組（分別對應兩種藥片、膠囊藥物）機構，傳動齒輪的兩側分別裝有兩個剛性齒形表面方向相反的棘輪，當傳動齒輪朝著排出某類藥片或膠囊的對應方向轉動時，只有與其對應的棘輪在棘爪的帶動下隨之一起轉動，而另一側的棘輪曲柄會因剛性齒形表面的摩擦力而保持靜止，反向轉動時則排出另一類藥片或膠囊，實現不同種類藥物的獨立計數。用兩臺步進電機做動力源分別控制兩個系統，通過步進電機的正反轉動，實現傳動裝置的獨立控制。

本結構的動力元件為步進電機，通過齒輪傳動將動力傳遞到執行機構上，此處選擇齒輪所受應力最大的一對齒輪進行應力分析和強度校核此處兩齒輪相同，齒數均為20，模數為2 mm，分度圓直徑為20 mm，壓力角為20°，所承載的扭矩T=2 kN·m。

根據文獻查閱，直齒輪的接觸疲勞強度公式如下：

KH為接觸疲勞強度計算的載荷系數：

式中ZH為區域系數，ZE為彈性影響系數，Zε為基礎疲勞強度計算的重合度系數。

由公式可計算出此機構中齒輪接觸疲勞強度為9.36e7 N/mm2小于許用應力，故該設計中傳動齒輪應力分析和強度校核通過。

圖7 藥片棘輪機構（左）與膠囊棘輪機構（右）

圖8 步進電機、傳動齒輪在藥片部分（左）、膠囊部分（右）的裝配關系

3 控制系統設計

3.1 控制系統流程圖

控制系統主要采用STC15F2K60S2型集成CPU作為主控芯片，共使用兩個，分別控制藥片部分和膠囊部分的獨立工作，實現各機構運動之間的配合銜接、時序控制、和反饋信號檢測，其控制流程圖如圖9所示[12，13]。

圖9 智能機械藥盒控制系統流程圖

3.2 電路原理圖

藥盒電路主要由集成主板部分、時序控制部分、語音提醒部分、動力傳輸部分、取藥計數部分、輔助震蕩部分組成，其原理圖如圖10所示[14]。

圖10 藥片部分與膠囊部分的電路原理圖

4 應用效果

使用前由親屬或看護人員等將需長期服用的藥片與膠囊存放于對應的藥物儲藥罐（筒）內，并按醫囑完成各類藥物服用時間、服用劑量以及響鈴提醒時間等基礎參數的錄入。接通電源后，智能機械藥盒將在設定服藥時間響鈴提醒患者，患者從收集袋中取出藥物及時服用即可。該智能機械藥盒相比于傳統藥盒更便捷、更安全、智能化程度高，能有效提升中老年慢性病患者群體的醫療舒適度，為患者的康復提供客觀保障。

5 結論

智能機械藥盒設計利用了藥片和膠囊的特性，能兼容市場上的大多數藥物，實現不同種藥物的定時定量排出。該智能機械藥盒通過負壓、曲柄滑塊機構、棘輪傳感器計數等設計實現了藥片和膠囊藥物高效穩定的出藥，同時盡可能減少藥盒中的動力源數量，節約了成本，降低了編程難度，減小了藥盒體積。多種傳感器的運用使得藥物計數方便、可靠。順應生活用品數字化、智能化、可靠化的時代趨勢，家居智能機械藥盒必將會得到進一步的推廣和應用。