單軌式搬運(yùn)機(jī)器人在自動化藥房中的應(yīng)用分析

陳 思，李成群

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

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展和全球市場的多元化，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)從工業(yè)制造業(yè)延伸至各行各業(yè)中，各類型的機(jī)器人企業(yè)也不斷涌現(xiàn)，尤其是在醫(yī)藥行業(yè)，自動化藥房應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)器人能夠在繁重的藥房任務(wù)中代替人工進(jìn)行作業(yè)，尤其是在經(jīng)歷2020年初的新冠疫情后，讓我們看到機(jī)器人技術(shù)代替人工的重要性[1]。在醫(yī)療行業(yè)中已經(jīng)有很多種類型的機(jī)器人被投入到臨床使用中，比如手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、分揀機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等被應(yīng)用到日常醫(yī)務(wù)工作中，而在藥品管理方面很多醫(yī)院的門診藥房仍然采用傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)模式，每天面對龐大的就醫(yī)量，工作強(qiáng)度大，藥品復(fù)核錯誤率高，也降低了醫(yī)院整體的運(yùn)轉(zhuǎn)效率[2]。

因此，本文針對以上問題提出一種可在自動化藥房中應(yīng)用的單軌懸掛式智能搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)，通過頂部制動的方式，以最小的人力投入獲得最大限度的藥房存儲率，實(shí)現(xiàn)藥品快速、安靜、精準(zhǔn)的搬運(yùn)功能。

1 藥房智能搬運(yùn)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)思路

在當(dāng)前自動化藥房的背景下，為改變傳統(tǒng)藥房工作模式中勞動強(qiáng)度大、藥品復(fù)核率低、藥房管理繁瑣等現(xiàn)狀，本文提出一種新型的藥房自動化模式——單軌懸掛式智能搬運(yùn)機(jī)器人，將其懸掛于特殊布置的空間軌道上，在終端系統(tǒng)的控制下，以動態(tài)分配的管理方式對有藥品發(fā)放、分配、補(bǔ)充需求的指定藥倉區(qū)同時進(jìn)行平穩(wěn)、高效、有序的藥物分揀、搬運(yùn)、倉儲。其充分利用了藥房有限的空間，使藥師不必再苦于尋找不同藥品或試劑而多次往返于不同貨架之間[3]，是適用于藥房場合的一種應(yīng)用方案。

結(jié)合藥房日常工作流程及功能要求擬定設(shè)計(jì)思路，藥房智能搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 藥房智能搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)流程

2 藥房智能搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料后，結(jié)合當(dāng)前自動化藥房在實(shí)際使用中所面臨的問題，對整理出的相關(guān)方案進(jìn)行可行性分析，同時運(yùn)用動力學(xué)分析、運(yùn)動學(xué)分析并結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，通過功能分析并考慮到零部件的材料和加工難易程度等，確定結(jié)構(gòu)尺寸、裝配關(guān)系等，最終采用確定單軌懸掛式的藥房智能搬運(yùn)機(jī)器人方案。

本文所提出的單軌搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)主要由平行機(jī)械手、智能搬運(yùn)電車、軌道系統(tǒng)等組成，通過無線終端設(shè)備采用動態(tài)任務(wù)分配模式，對電車進(jìn)行調(diào)度編排，以實(shí)現(xiàn)藥品在不同倉區(qū)的識別、分揀、搬運(yùn)。

2.1 機(jī)械手裝置

機(jī)械手是藥房智能搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，主要包括搬運(yùn)爪、定位支架和支撐主體，如圖2所示。機(jī)械手機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)中主要承擔(dān)對指定倉區(qū)藥品的平行抓取功能，實(shí)現(xiàn)對指定藥品倉區(qū)的精準(zhǔn)分揀。

根據(jù)運(yùn)動要求，機(jī)械手的驅(qū)動方式分為三種類型：氣動驅(qū)動、液動驅(qū)動和電動驅(qū)動。其中，氣動和液動兩種驅(qū)動方式可承受較大負(fù)載，但成本較高，這里選擇電動驅(qū)動方式。根據(jù)抓取動作的實(shí)現(xiàn)方式分為自動鎖緊機(jī)構(gòu)和推桿伸縮抓緊機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)分別是：自動鎖緊機(jī)構(gòu)無需動力僅依靠重力作用，在接觸藥箱后通過內(nèi)部的空間旋轉(zhuǎn)凸輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抓取動作，其精度較低，穩(wěn)定性差；推桿伸縮抓緊機(jī)構(gòu)通過PLC控制推桿的伸縮動作，能夠使機(jī)械爪精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對藥箱的抓、放動作。綜上所述，這里我們選擇電動推桿驅(qū)動的方式。

待搬運(yùn)的藥品通常放置于藥箱內(nèi)，當(dāng)機(jī)械手到達(dá)系統(tǒng)指定分揀區(qū)后，藥箱與接觸開關(guān)觸碰后將觸發(fā)信號傳遞到PLC，控制電動推桿驅(qū)動平行機(jī)械爪進(jìn)行抓、放動作，機(jī)械手采用碳素結(jié)構(gòu)鋼(Q235B)制作，具有良好的韌性和剛度，保證在抓取的過程中機(jī)械手不變形。

2.2 智能搬運(yùn)電車

智能搬運(yùn)電車是搬運(yùn)系統(tǒng)的核心部分，主要包括提升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和電車車體，如圖3所示。

提升機(jī)構(gòu)主要承擔(dān)著機(jī)械手的下放和起升，是系統(tǒng)的中樞部分；電車車體是整體設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵，電車在行駛過程中，既要保證靈活性，減小周期性軌跡誤差，避免偏離軌道，又要充分利用內(nèi)部空間，控制車體尺寸，所以后輪軸徑不應(yīng)過大，車體內(nèi)各部件在滿足功能要求的前提下布置要合理。

通過查閱文獻(xiàn)資料可知，搬運(yùn)電車的驅(qū)動方式一般分為以下三種：單輪驅(qū)動方式、雙輪同步驅(qū)動方式、雙輪差速驅(qū)動方式[4]。

當(dāng)電車在軌道上行駛和轉(zhuǎn)彎時，并行輪間必然會產(chǎn)生速度差，常規(guī)情況下的單輪驅(qū)動和雙輪同步驅(qū)動方式并不能解決上述問題，因此這里選用雙輪差速驅(qū)動方式，不僅能成功地消除差速現(xiàn)象的影響，而且電車行駛在彎道時能很好地避免轉(zhuǎn)彎打滑的問題。此外，由于電車運(yùn)行時始終處于懸掛軌道上，為保證傳動的可靠性和運(yùn)行的平穩(wěn)性，因此采取同步帶輪進(jìn)行動力傳輸，并設(shè)置張緊裝置。

智能搬運(yùn)電車主要承擔(dān)著系統(tǒng)的運(yùn)輸功能，能夠?qū)崿F(xiàn)指定分揀區(qū)到指定藥品倉區(qū)的精準(zhǔn)搬運(yùn)。

2.3 單軌系統(tǒng)

軌道系統(tǒng)采用的是單軌系統(tǒng)，如圖4所示。單軌系統(tǒng)懸置于頂部房梁，可根據(jù)藥房自身的使用要求進(jìn)行自主布局調(diào)整，其主要由直道和彎道組成，并結(jié)合45°型和Y型兩種規(guī)格的自動分流、合流單元，根據(jù)搬運(yùn)任務(wù)的不同配合智能電車搬運(yùn)系統(tǒng)，將小車軌道延伸至藥房不同位置的倉區(qū)。

1-搬運(yùn)爪；2-定位支架；3-支撐主體 1-提升機(jī)構(gòu)；2-行走機(jī)構(gòu)；3-電車車體

3 藥房搬運(yùn)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)度總流程設(shè)計(jì)

3.1 動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)

整個藥房搬運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)動通過程序控制實(shí)現(xiàn)有序的動態(tài)編排[5]，可同時對多臺電車的運(yùn)行速度、行駛軌跡和任務(wù)完成情況等運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，保證各電車在行駛過程中的安全性和運(yùn)動順序的合理性，提高藥房系統(tǒng)整體的工作效率。

此外，藥房動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)是整個運(yùn)動系統(tǒng)的信息中樞，可通過程序控制的動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)即時查看電車的運(yùn)行任務(wù)、運(yùn)行次數(shù)和行駛時間，及時掌握藥房的出藥狀況并進(jìn)行必要的調(diào)整，保證藥房始終處于高效、穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)搬運(yùn)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)醫(yī)院藥房的工作流程將整個藥房系統(tǒng)分為5個區(qū)，包括藥品倉儲區(qū)、分揀區(qū)、配藥區(qū)、窗口發(fā)藥區(qū)和其他使用區(qū)，其中藥房智能搬運(yùn)系統(tǒng)主要在倉儲區(qū)、分揀區(qū)和發(fā)藥區(qū)運(yùn)動。由于搬運(yùn)系統(tǒng)在不同倉區(qū)的功能不同，可概括為三個分流程，具體如下：

(1) 藥方處理。當(dāng)患者與醫(yī)生完成就醫(yī)環(huán)節(jié)后，醫(yī)生通過計(jì)算機(jī)生成處方信息并直接反饋給患者，在與患者確認(rèn)后，將處方信息傳送至動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)，動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)生成處方編號并與處方信息自動匹配，在藥師完成配藥后調(diào)度電車來搬運(yùn)，同時為電車規(guī)劃最優(yōu)路線。

(2) 電車搬運(yùn)。無線終端在接收到藥師的處方信息后，通過動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)，將任務(wù)分配給距離最近的電車，同時對任務(wù)路徑進(jìn)行最優(yōu)化分析，并將藥品準(zhǔn)確運(yùn)送至指定發(fā)藥區(qū)，完成任務(wù)后自動返回緩沖區(qū)等待下一步指令。

(3) 藥倉補(bǔ)給。通過動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)實(shí)時對藥房的出藥情況進(jìn)行分析匯總，及時對存儲不足的藥品倉區(qū)進(jìn)行補(bǔ)給搬運(yùn)。

系統(tǒng)搬運(yùn)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)搬運(yùn)流程

4 總結(jié)與展望

隨著藥房自動化的不斷發(fā)展，對藥房的管理模式和柔性化有了更高的要求。藥房智能搬運(yùn)系統(tǒng)通過引入物流搬運(yùn)模式，采用動態(tài)分配的管理方式對處方信息進(jìn)行加工處理，無需藥師再次進(jìn)入藥房貨區(qū)進(jìn)行搬運(yùn)，直接調(diào)度安排智能電車實(shí)現(xiàn)對藥物的定點(diǎn)搬運(yùn)、無障礙搬運(yùn)，將藥師從繁重的工作中解放出來，降低了藥物人為復(fù)核差錯率，減輕了藥師的勞動強(qiáng)度，能夠更好地給患者提供醫(yī)療服務(wù)，對引導(dǎo)未來藥房智能化、無人化的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。