自動(dòng)化藥房分揀機(jī)械手的設(shè)計(jì)

柴啟茗，李成群，高小康

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

在現(xiàn)代社會(huì)飛速發(fā)展的趨勢(shì)下，我國社會(huì)的主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為日益增長(zhǎng)的人民對(duì)美好生活的需要與不充分不平衡的發(fā)展之間的矛盾。雖然國內(nèi)大型醫(yī)院的醫(yī)療技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，但與醫(yī)療技術(shù)水平相比，醫(yī)療衛(wèi)生的服務(wù)質(zhì)量卻不盡如人意[1]。在大多數(shù)醫(yī)院門診藥房仍是傳統(tǒng)的人工售藥，在急診高峰期，總會(huì)出現(xiàn)人員擁擠的現(xiàn)象，傳統(tǒng)模式下的藥師仍是依據(jù)門診開的處方對(duì)藥品進(jìn)行實(shí)時(shí)的手工調(diào)配，人工取藥存在著工作效率低、有時(shí)可能因藥師個(gè)人原因出藥錯(cuò)誤等問題。藥房自動(dòng)化可以有效地減少患者排隊(duì)時(shí)間，改善就診環(huán)境，提高發(fā)藥的準(zhǔn)確率，降低藥師勞動(dòng)強(qiáng)度，提高藥房的自動(dòng)化管理水平[2]。因此，醫(yī)院藥房自動(dòng)化是藥房發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)主要由整筐出藥裝置、取藥機(jī)械手、拍照識(shí)別裝置和臨時(shí)儲(chǔ)藥裝置組成的自動(dòng)化藥房分揀機(jī)械手。

1 分揀機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)化藥房分揀機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其主要包括臨時(shí)儲(chǔ)藥裝置6、整筐出藥裝置5、拍照識(shí)別裝置4、機(jī)械手3和坐標(biāo)機(jī)器人2。坐標(biāo)機(jī)器人是以XYZ直角坐標(biāo)系為基本數(shù)學(xué)模型，以伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的單軸機(jī)械臂為基本工作單元，以滾珠絲桿、同步皮帶為常用的傳動(dòng)方式所架構(gòu)起來的機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)械手安裝在由X方向、Y方向?qū)к壗M成的坐標(biāo)機(jī)器人上。

1.1 整筐出藥裝置

整筐出藥裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。最下層底板16固定在框架上，伺服電機(jī)11固定在中層底板19下方，同步帶12分別與最上層底板5的連接架15和最下層底板16的連接架10連接。支撐架4放置于最上層底板上，儲(chǔ)藥筐2放置于支撐架上。此種結(jié)構(gòu)能夠保證儲(chǔ)藥筐置于指定位置，并且能夠做平穩(wěn)的平行運(yùn)動(dòng)。

1-Y方向?qū)к墸?-坐標(biāo)機(jī)器人；3-機(jī)械手；4-拍照識(shí)別裝置；5-整筐出藥裝置；6-臨時(shí)儲(chǔ)藥裝置；7-X方向?qū)к増D1 自動(dòng)化藥房分揀機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)

整筐出藥裝置與抽屜功能類似，利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪，帶動(dòng)底板共同彈出。由于最下層底板固定在框架上，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最下層底板不動(dòng)，中層底板沿著導(dǎo)軌向外運(yùn)動(dòng)，最上層底板沿著直線導(dǎo)軌向外運(yùn)動(dòng)，三層底板分別有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)固定在中間底板，跟隨底板運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)整筐出藥裝置的目的是為了快速獲取大量藥品，大大加快出藥速度。

1-擋板；2-儲(chǔ)藥筐；3-儲(chǔ)藥筐拉手；4-支撐架；5-最上層底板；6-墊板；7，18-滑塊；8,17-直線導(dǎo)軌；9-彈簧；10-最下層連接架；11-伺服電機(jī)；12-同步帶；13-同步帶輪；14-張緊裝置；15-最上層連接架；16-最下層底板；19-中層底板圖2 整筐出藥裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 取藥機(jī)械手

機(jī)械手工作時(shí)，僅依靠X、Y、Z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)即可完成取藥動(dòng)作。機(jī)械手X、Y方向的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由水平直線導(dǎo)軌、同步帶、同步帶輪和交流伺服電機(jī)構(gòu)成；其上下方向的運(yùn)動(dòng)主要由滾珠絲杠和交流伺服電機(jī)構(gòu)成。機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

1，14,20,26-伺服電機(jī)；2,13-電機(jī)托板；3-圓形導(dǎo)軌；4,6-滑塊；5-連接塊；7-手爪連接架；8-固定手爪；9-吸盤；10-吸盤連接架；11-軸承；12，24-聯(lián)軸器；15-底托；16-滑動(dòng)手爪；17-齒輪；18-齒條；19-齒條連接架；21-連接架；22-絲杠；23-直線導(dǎo)軌；25-架體圖3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

伺服電機(jī)1驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)架體25向待取藥品方向運(yùn)動(dòng)，待到達(dá)指定位置后，吸盤9吸住藥品，伺服電機(jī)1反轉(zhuǎn)，將藥品提升到設(shè)定高度后，伺服電機(jī)26轉(zhuǎn)動(dòng)通過聯(lián)軸器24帶動(dòng)絲杠22轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制滑動(dòng)手爪16向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)合適位置后，伺服電機(jī)20轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪17、齒條18控制滑動(dòng)手爪16夾緊，之后伺服電機(jī)26反轉(zhuǎn)控制滑動(dòng)手爪16向上運(yùn)動(dòng)，使固定手爪8從下方拖住藥品；之后坐標(biāo)機(jī)器人通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪帶動(dòng)機(jī)械手在X方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)落藥口位置時(shí)，伺服電機(jī)14旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)藥品360°旋轉(zhuǎn)，并且每90°拍照識(shí)別一次；完成360°旋轉(zhuǎn)并且完成4次拍照之后，手爪張開，吸盤松開，使藥品落入臨時(shí)儲(chǔ)藥裝置中，隨后手爪回到初始位置，機(jī)械手取藥過程完成。

1.3 臨時(shí)儲(chǔ)藥裝置

臨時(shí)儲(chǔ)藥裝置整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。推藥板2通過連接板4與直線導(dǎo)軌9相連接，直線導(dǎo)軌9固定于底板6上，推藥板2可以沿直線導(dǎo)軌9方向平行移動(dòng)；電動(dòng)推桿5安置于底板的下方，其一端與底板連接，另一端與連接板4相連接，電動(dòng)推桿5提供動(dòng)力，帶動(dòng)推藥板2向出藥口方向運(yùn)動(dòng)，完成送藥；待送藥完畢，電動(dòng)推桿5帶動(dòng)推藥板2回到初始位置。

1-限位擋板；2-推藥板；3-擋板；4-連接板；5-電動(dòng)推桿；6-底板；7-框架；8-支撐架；9-直線導(dǎo)軌；10-滑塊；11-臨時(shí)儲(chǔ)藥箱體圖4 臨時(shí)儲(chǔ)藥裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

將推藥板的接收落藥部位設(shè)計(jì)成斜面，其目的是減小藥品在落入儲(chǔ)藥裝置時(shí)對(duì)外包裝的損壞程度，并且，落入臨時(shí)儲(chǔ)藥裝置的藥品可以沿斜面順利滑下，以便被推藥板推出。

2 分揀機(jī)械手的控制系統(tǒng)

分揀機(jī)械手的控制采用二級(jí)控制系統(tǒng)，上位機(jī)為工控機(jī)，下位機(jī)為PLC，下位機(jī)通過接收上位機(jī)的指令進(jìn)行動(dòng)作。充分發(fā)揮下位機(jī)穩(wěn)定、易控、結(jié)構(gòu)緊湊和上位機(jī)交互界面友好、數(shù)據(jù)計(jì)算能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。控制系統(tǒng)由6個(gè)伺服電機(jī)和1個(gè)電動(dòng)推桿組成，以歐姆龍CP1H PLC為關(guān)鍵部件，協(xié)同完成取藥功能。其中，6個(gè)伺服電機(jī)分別用M1、M2、M3、M4、M5和M6表示。M1、M2分別通過驅(qū)動(dòng)同步帶輪帶動(dòng)同步帶完成機(jī)械手的X方向、Y方向上的運(yùn)動(dòng)，M3通過驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)機(jī)械手Z方向上的運(yùn)動(dòng)，M4通過驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)輔助手爪在Z方向上運(yùn)動(dòng)，M5驅(qū)動(dòng)齒輪通過齒條帶動(dòng)手爪的夾緊和張開，M6驅(qū)動(dòng)軸通過吸盤連接架控制吸盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。選用CP1W-40EDR I/O繼電器輸出擴(kuò)展模塊來控制電動(dòng)推桿、氣泵和伺服電機(jī)M6，與PLC聯(lián)合實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制。控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)框圖

2.1 機(jī)械手取藥的控制原理

取藥時(shí)，通過PLC對(duì)系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向上的精準(zhǔn)定位。分別由三個(gè)交流伺服電機(jī)M1、M2、M3控制，待取藥機(jī)械手到達(dá)指定位置后，指令驅(qū)使伺服電機(jī)M4正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)支架向前運(yùn)動(dòng)指定行程；到達(dá)指定位置后，由CP1W-40EDR擴(kuò)展模塊控制氣泵，由吸盤抓取藥品，之后伺服電機(jī)M3反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，待藥品到達(dá)指定位置，伺服電機(jī)M4正轉(zhuǎn)，到達(dá)指定位置后，伺服電機(jī)M5正轉(zhuǎn)夾緊，隨后伺服電機(jī)M4反轉(zhuǎn)；藥品移動(dòng)至儲(chǔ)藥裝置上方，伺服電機(jī)M6旋轉(zhuǎn)，待旋轉(zhuǎn)360°后，伺服電機(jī)M5反轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)M4反轉(zhuǎn)，CP1W-40EDR擴(kuò)展模塊控制氣泵，使藥品掉落；藥品落入臨時(shí)儲(chǔ)藥裝置后，CP1W-40EDR擴(kuò)展模塊控制電動(dòng)推桿動(dòng)作，送出藥品，隨后控制電動(dòng)推桿將推藥板帶回初始位置。

2.2 拍照識(shí)別裝置的控制原理

藥品到達(dá)臨時(shí)儲(chǔ)藥裝置正上方時(shí)，由攝像頭對(duì)藥品拍照識(shí)別來采集藥品信息。它利用光電元件識(shí)別藥品，將拍照獲得的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將電信號(hào)通過模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中處理，更新存檔藥品信息，當(dāng)未檢測(cè)到藥品信息時(shí)，將信息反饋給計(jì)算機(jī)，再進(jìn)行一次藥品的抓取[5]。此裝置可以保證出藥的穩(wěn)定，同時(shí)將未穩(wěn)定抓取信息提供給工作人員，并做出相應(yīng)處理。

3 控制系統(tǒng)軟件功能的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工作要求，自動(dòng)化藥房分揀機(jī)械手采用CX-Program對(duì)PLC進(jìn)行編程。PLC的編程理念是在滿足設(shè)備運(yùn)行要求的情況下，語言簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單，并不斷優(yōu)化[6]。控制系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。在所選驅(qū)動(dòng)裝置中，基本上都選擇了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以著重進(jìn)行電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。當(dāng)取藥動(dòng)作開始時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給需要運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)傳遞啟動(dòng)信號(hào)，接收到信號(hào)后要進(jìn)一步確定運(yùn)動(dòng)方式，獲得系統(tǒng)中設(shè)定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度值與可允許的最大運(yùn)轉(zhuǎn)速度值。由于各種原因，電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中不會(huì)一直按照設(shè)定的值運(yùn)行，所以一般都會(huì)給出一個(gè)誤差范圍[7]。對(duì)綜合實(shí)時(shí)反饋給系統(tǒng)的電機(jī)速度與誤差范圍做PI運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制矯正電機(jī)速度。在存在速度反饋的同時(shí)，將電機(jī)電流大小也實(shí)時(shí)反饋給系統(tǒng)，同樣電流的數(shù)值大小也會(huì)給出一個(gè)誤差范圍，相比之后得到電流的誤差，再進(jìn)行一次PI運(yùn)算，確保電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 控制系統(tǒng)軟件流程

4 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前我國藥房出現(xiàn)的問題，提出了一種可實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化藥房分揀機(jī)械手，并且介紹了自動(dòng)化藥房分揀機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)、控制原理和系統(tǒng)軟件功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，充分利用CP1H PLC的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的控制。藥房自動(dòng)化是當(dāng)代中國醫(yī)院藥房的發(fā)展方向。自動(dòng)化藥房分揀機(jī)械手的研究，提高了藥房的工作效率，為我國藥房自動(dòng)化、藥學(xué)服務(wù)行業(yè)的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。