一種智能輔助藥箱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

劉人菊， 陳胡， 陳軍， 談杰明， 郝曉曦

（五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門529020）

0 引言

傳統(tǒng)醫(yī)院藥品分發(fā)流程是: 藥劑師根據(jù)醫(yī)生的藥方配制藥品,交付給病房護(hù)士，然后由護(hù)士分發(fā)藥物。在這段時(shí)間里,藥物信息將按照“三查七對(duì)”[1]的原則進(jìn)行檢查,最后護(hù)士向病患解釋說明藥物的使用方法和禁忌, 并在核發(fā)表上簽名。其中，“三查七對(duì)”耗費(fèi)了護(hù)士的大量精力。如果加上送藥時(shí)間，則護(hù)士會(huì)消耗更多時(shí)間在整個(gè)藥品分發(fā)過程。因此，為了克服手工分發(fā)藥品費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型實(shí)用設(shè)備——智能輔助藥箱。其目的是減少醫(yī)療事故的發(fā)生和減輕醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)。

圖1 智能輔助藥箱外部結(jié)構(gòu)

1 智能輔助藥箱總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，箱體分為3層，分別是上、中、下層，上層安裝升降云臺(tái)機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)，中層為箱體主體機(jī)構(gòu)，配置4個(gè)裝載藥品的門，箱體底層為漏斗收集口、出倉(cāng)槽和外置檢驗(yàn)攝像頭。

箱體頂層設(shè)置箱體門禁系統(tǒng)，只需要用IC門卡靠近頂部感應(yīng)器，4個(gè)門的電子鎖就會(huì)打開，進(jìn)入裝載藥品模式。箱體頂部還設(shè)置有人機(jī)交互觸摸屏，用于箱體內(nèi)系統(tǒng)的控制。

箱體中層為箱體主要機(jī)構(gòu)部分，分為4個(gè)裝配箱門，每個(gè)門的開合都設(shè)置位置傳感器，作為箱體運(yùn)作時(shí)裝藥模式與送藥模式的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換條件，箱體門設(shè)置隱藏門把。

箱體底部裝有與智能導(dǎo)航尋跡車[2]接合的卡槽孔位，只需將其與小車上的螺桿孔位對(duì)齊，通過螺栓連接，便可固定在小車上，實(shí)現(xiàn)智能藥箱的自動(dòng)尋跡送藥功能。底層的長(zhǎng)邊一側(cè)是二維碼外置攝像頭和出倉(cāng)槽，可根據(jù)實(shí)際情況定制安裝位置，另一側(cè)為電源與系統(tǒng)的散熱風(fēng)口門。

智能輔助藥箱外觀大致為長(zhǎng)方體，具體規(guī)格約為57 cm ×24.7 cm×90 cm，每層板厚2 mm，采用不銹鋼材料制作[3]。可按照醫(yī)院內(nèi)住院人數(shù)變更箱體裝藥規(guī)模，通過改變箱體內(nèi)的裝載器皿排列數(shù)量，修改箱體長(zhǎng)寬尺寸，以適應(yīng)多功能任務(wù)需要。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

2.1 送藥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

送藥機(jī)構(gòu)位于箱體門板上，是整個(gè)裝置的重要的關(guān)鍵部件之一。其主要作用是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)藥和彈藥功能。由運(yùn)動(dòng)部件和支撐部件組成，如圖2所示。

具體的工作流程如圖3所示。開始時(shí)每個(gè)盒子都位于初始已推送狀態(tài)（盒子內(nèi)的彈簧片沒有壓緊，當(dāng)手動(dòng)拉下頂部的鎖緊拉閘，拉閘通過動(dòng)力壓桿帶動(dòng)裝配箱兩邊的凸輪，凸輪通過連桿帶動(dòng)每一層的凸輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)將每層的橫壓桿往下壓。每個(gè)盒子后方伸出一個(gè)撥動(dòng)長(zhǎng)桿并配置一個(gè)電磁鐵，供橫壓桿動(dòng)作時(shí)鎖緊盒子內(nèi)部彈簧片使用。當(dāng)鎖緊拉閘拉到極限位置時(shí)，橫壓桿將每一層的盒子的撥動(dòng)長(zhǎng)桿壓下至電磁鐵鎖頭下端實(shí)現(xiàn)鎖緊盒子內(nèi)的彈簧片作用，使盒子處于預(yù)推送狀態(tài)。此時(shí)松開鎖緊拉閘，拉閘和凸輪將會(huì)在橫壓桿兩端布置的拉伸彈簧作用下復(fù)位至初始狀態(tài)。

圖2 送藥機(jī)構(gòu)圖

當(dāng)需要釋放盒子中的藥品袋時(shí)，將電磁鐵通電，電磁鐵動(dòng)作回縮鎖頭釋放撥動(dòng)長(zhǎng)桿，在彈簧片的彈性勢(shì)能下將托盤上的藥品袋推送出去，藥品袋落入中置的出倉(cāng)漏斗平臺(tái)。

2.2 藥盒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

藥盒是送藥機(jī)構(gòu)的核心部分，作為儲(chǔ)藥和彈藥的裝載體，如圖4所示，其主要由導(dǎo)柱托盤、導(dǎo)槽外殼、撥動(dòng)長(zhǎng)桿、支撐連桿、銷、彈簧片和外殼等組成。導(dǎo)柱托盤用于托住藥袋，導(dǎo)槽外殼背部開有3個(gè)豎列槽，用于定位導(dǎo)柱托盤水平下移防止傾斜。在鎖緊拉閘向下拉動(dòng)時(shí)，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)下壓藥盒后部的撥動(dòng)長(zhǎng)桿，帶動(dòng)導(dǎo)柱托盤下移，彈簧片被壓縮。設(shè)計(jì)過程中要保證豎列槽邊緣的光滑度，防止導(dǎo)柱托盤沿導(dǎo)槽外殼豎列槽滑動(dòng)時(shí)所受摩擦力大于彈簧片對(duì)托盤的支撐力，破壞機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)。

圖4 藥盒結(jié)構(gòu)圖

2.3 信息校驗(yàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

信息校驗(yàn)機(jī)構(gòu)主要由伸縮導(dǎo)軌、360°旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、攝像頭等部件組成，通過在箱體內(nèi)部的頂部中置一個(gè)伸縮線性機(jī)構(gòu)（由伸縮導(dǎo)軌構(gòu)成） 和360°旋轉(zhuǎn)云臺(tái)（并且具有一定的俯仰角度功能），云臺(tái)上安置攝像頭可360°定位旋轉(zhuǎn)識(shí)別藥瓶條形碼（或二維碼）。完成對(duì)藥盒內(nèi)藥品信息與系統(tǒng)內(nèi)信息的最后一步校驗(yàn)工作，以此確保所分發(fā)藥品為唯一指定藥品，避免錯(cuò)發(fā)的事故發(fā)生。因此，信息校驗(yàn)機(jī)構(gòu)也是智能輔助送藥箱的重要一環(huán)。

由于本環(huán)節(jié)攝像頭作為核心零件，如選取精度指標(biāo)不合格，嚴(yán)重影響校驗(yàn)效果，設(shè)計(jì)要求攝像頭的最小有效識(shí)別距離應(yīng)為5 cm，同時(shí)應(yīng)考慮區(qū)域范圍，攝像頭的長(zhǎng)、寬不應(yīng)大于14 cm，并保證信息校驗(yàn)的穩(wěn)定、可靠。

3 系統(tǒng)控制流程

智能輔助藥箱的控制系統(tǒng)采用stm32F103作為主控制器。控制系統(tǒng)通過觸摸屏設(shè)置初始命令，限位開關(guān)、二維碼讀取器作為輸入信號(hào)，主控通過讀取二維碼的信號(hào)進(jìn)行信息校對(duì)，根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果響應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 智能輔助藥箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖6 控制系統(tǒng)主流程圖

控制系統(tǒng)主流程圖如圖6所示。主要分為裝藥模式和校驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｆ渲校b藥模式是利用IC門卡識(shí)別使用者身份確定是否授權(quán)后再開門，開門后行程開關(guān)斷開激活條形碼識(shí)別模塊識(shí)別信息和光敏電阻模塊（記錄藥品物理地址并轉(zhuǎn)換為信息地址儲(chǔ)存）。校驗(yàn)?zāi)Ｊ酵ㄟ^外置條形碼識(shí)別病患信息，尋找系統(tǒng)內(nèi)相對(duì)應(yīng)的藥品信息，對(duì)藥品尋址控制中置導(dǎo)軌云臺(tái)機(jī)構(gòu)上的條形碼識(shí)別，攝像頭再次檢測(cè)校對(duì)信息，校對(duì)正確無(wú)誤后控制電磁鐵的開合，藥品袋被推送至底部的滑臺(tái)出倉(cāng)至指定位置，最后語(yǔ)音模塊對(duì)藥品信息與醫(yī)囑進(jìn)行反饋。

具體動(dòng)作指令為：首先護(hù)士準(zhǔn)備進(jìn)行裝藥階段，利用IC卡判斷職員身份，如果不符合身份，則電子門鎖不動(dòng)作，如果符合身份，則電子門鎖打開；開啟箱門后，門旁限位開關(guān)輸出高電平，控制器控制開關(guān)打開二維碼、光敏電阻的電源；識(shí)別藥品信息，如果識(shí)別錯(cuò)誤，則提示識(shí)別失敗，并返回上一步，繼續(xù)藥品識(shí)別，如果正常，則進(jìn)行地址存儲(chǔ)。地址存儲(chǔ)錯(cuò)誤則亮紅燈，回到上一步，地址存儲(chǔ)正確則亮綠燈；裝藥完成，關(guān)閉箱門，限位開關(guān)變?yōu)榈碗娖剑袛嘞鋬?nèi)條形碼識(shí)別和藥品識(shí)別存儲(chǔ)。若未完成，則繼續(xù)裝藥。判斷觸摸屏是否開啟送藥模式，如果開啟，則進(jìn)行智能尋跡小車尋跡送藥，否則待機(jī)休眠。小車行駛至指定位置后，進(jìn)行掃碼識(shí)別，由主控判斷信息是否匹配，如果不對(duì)，則進(jìn)行信息報(bào)警，如果正確則開啟信息內(nèi)部自檢，使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作帶動(dòng)攝像頭進(jìn)行掃描自檢，再由主控判斷自檢信息是否正確，如果不正確，則進(jìn)行信息報(bào)警，如果自檢信息正確，主控輸出動(dòng)作脈沖信號(hào)，讓對(duì)應(yīng)的藥盒后背電磁鐵頭吸合，彈出藥盒。同時(shí)，程序指令控制減速電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，齒輪帶動(dòng)齒條傳動(dòng)，使得測(cè)量模塊滑出。當(dāng)對(duì)射光電傳感器輸出個(gè)高電平時(shí)，減速電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，測(cè)量模塊復(fù)位。程序判斷送藥是否完成，如果完成智能尋跡小車尋跡回程，待機(jī)休眠，否則返回程序，繼續(xù)送藥。

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的日益成熟，技術(shù)人員可以在PC上實(shí)時(shí)觀察并控制小車行跡和送藥過程。數(shù)字孿生關(guān)鍵過程為“數(shù)化”，即將物理對(duì)象轉(zhuǎn)化為可以度量的數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)建立合理的數(shù)字化模型。“數(shù)化”是建立數(shù)字孿生體的第一步，也是數(shù)字孿生技術(shù)的基石。數(shù)字化的核心技術(shù)之一為建模，只有模型建立正確并得到完整的輸入信息，仿真得到的結(jié)果才能符合實(shí)際。智能輔助藥箱的模型在NX12.0環(huán)境下建立，NX軟件下的MCD模塊可以將裝配體分解為機(jī)械、電氣、自動(dòng)化的通用語(yǔ)言，通過OPC通信協(xié)議，將模型與PLC程序建立聯(lián)系，得到機(jī)電一體化產(chǎn)品的自動(dòng)化行為的正確仿真結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，市面上尚未出現(xiàn)能夠自動(dòng)派發(fā)醫(yī)療藥品的輔助醫(yī)療設(shè)備。本課題設(shè)計(jì)的智能輔助送藥設(shè)備能實(shí)現(xiàn)對(duì)病患藥品識(shí)別、存取和檢驗(yàn)信息[4]的功能。幫助醫(yī)護(hù)人員完成簡(jiǎn)單、重復(fù)的日常發(fā)送藥品工作，為繁忙的醫(yī)院節(jié)省出大量人工成本[5]，提高工作效率的同時(shí)還可以降低護(hù)士的人為出錯(cuò)率。