中藥顆粒袋裝藥品智能生產設計

姜貴中， 馬慶恒， 尹永富， 劉子春， 徐源東

（中國機械總院集團云南省機械研究設計院， 云南省機電一體化應用技術重點實驗室，云南省先進制造技術研究中心， 云南昆明650031）

0 引言

機器人是20 世紀最偉大的發明之一，近年來隨著科學技術的發展，大眾對生產的自動化程度要求越來越高。計算機軟件、機器視覺的快速發展，都為機器人技術的發展創造了良好的社會環境、提供了堅實的技術支撐。而“工業4.0”，機器人無疑扮演著不可或缺的執行者的角色。

醫藥分揀安全性要求高，分揀設備講究的不僅是快，還要求高準確率，低損壞。 要求達到精準分揀，以保證藥品分揀的正確性，減少誤揀、錯揀等情況。其中，也要求對藥品實現無損分揀，做到分揀中對藥品的保護，又能實現連續、快速地大批量分揀。

并聯機器人是工廠人工智能的代表， 又被稱為蜘蛛手機器人、delta 機器人、分揀機器人等。 其具有無累積誤差，精度較高；運動部分重量輕，速度高，動態響應好；結構緊湊，剛度高；工作空間較小等特點。

并聯機器人發展至今，分揀系統識別正確率達99.99%，且能適應各類包裝貨物，對貨物的破損率幾乎為0。 被廣泛應用于食品、電子、藥品、輕工等行業。已具備本項目藥品分揀能力，使袋裝藥品無人化生產成為可能。

云南白藥集團股份有限公司中藥顆粒袋裝產品有板藍根顆粒、 風寒風熱感冒顆粒、 田七花葉顆粒、小柴胡顆粒、小兒感冒顆粒、小兒寶泰康顆粒等，受眾面廣、口碑好、需求旺盛。 自產品面世以來，其銷售額每年均保持顯著增長，占據中國市場同類產品銷量前列。

圖1 不同種類的并聯機器人

圖2 袋裝藥品

1 現狀及存在的問題

中藥顆粒袋裝藥品由于是軟包、包裝袋為“三面封”，生產線的生產工序“分揀”及分揀后的“說明書插入”、“裝盒”工作較復雜，還是由人工完成。 每天2 班，每班12 人，每條線一天需24 人，人工費用高、勞動強度大、重復性勞動程度高，急需智能化、自動化設備替代人工操作。

圖3 云白藥袋裝藥品人工分揀

圖4 云白藥袋裝藥品人工裝盒

云南省機械研究設計院與云南白藥集團股份有限公司合作，共同研發“中藥顆粒袋裝藥品智能裝盒設備”。對“三面封多通道藥品包裝機”、“軟包裝袋藥品裝盒機”的產能、規格及設備與設備之間的接口量身訂制，每條線使用兩臺并聯四軸機器人，替代人工“分揀”，組成智能裝盒生產線。

2 項目總體結構

通過對云南白藥集團股份有限公司袋裝藥品生產線人工分揀及裝盒的研究，實現包裝、分揀、裝盒全自動一條龍，替代人工勞作。 設備由多通道包裝機1、皮帶輸送機2、帶式提升機4、攤平裝置5、視覺識別系統6、并聯四軸機器人7、皮帶輸送機8、鏈板輸送機10、裝盒機11 和控制系統等組成，見圖5。

圖5 設備總體結構圖

采用視覺識別系統6，以圖象識別方式、配合四軸并聯工業機器人完成藥袋的跟蹤拾取， 并根據圖像計算出藥袋方向、角度。 根據裝盒機11 的速度控制多通道包裝機1 的包裝速度，根據裝盒機速度計算機器人跟蹤情況，智能分配給兩臺機器人任務，以完成分揀工作。

工作原理： 多通道包裝機1 及裝盒機11 為成熟設備，根據產品規格，產能及組線接口量身訂制即可。 包裝好的藥袋3 落下后， 設計皮帶輸送機2， 接住落下的藥袋，通過帶式提升機4 提升到一定高度，藥袋有可能疊在一起，攤平裝置5 的作用是把疊在一起的攤平。而后視覺識別系統6 對其拍照，將信息傳輸給處理器，藥包識別后由帶式輸送機8 進入分揀區。

在分揀區安裝兩臺并聯四軸機器人7， 機器人根據視覺識別系統6 提供的信息，運用跟蹤、抓取功能，結合藥品裝盒信息，兩臺機器人合理分工，智能化的把藥品9從皮帶輸送機8 上抓到鏈板輸送機10 的格子里，由鏈板輸送機10 輸送入裝盒機11，裝盒機11 完成盒子打開、藥品入盒、說明書折疊插入、封盒、打碼、貼標等工序，每格一盒藥，工作流程見圖6。

圖6 工作流程圖

2.1 多通道藥品包裝機

多通道藥品包裝機主要用于包裝膠囊、片劑、膠丸、栓劑或顆粒劑等固狀藥品。 目前市場上的藥品包裝機有兩種：條包機和三面封袋裝機。本設計選用西班牙生產的SC－A-012 八通道三面封多袋包裝機，見圖7，藥袋尺寸為60×60mm，效率為400 袋/min。 包裝好的藥袋直接落到輸送機上， 通過輸送系統輸送，并在輸送過程中實現智能分撿。

圖7 西班牙SC－A-012八通道多袋包裝機

2.2 輸送系統

輸送系統在藥袋提升、攤平、視覺識別、分揀、裝盒等工序時起橋梁作用。它由一臺帶式提升機，一臺帶式輸送機、一臺鏈板輸送機組成，見圖8。 藥品包裝成袋后，一般處于低位，帶式提升機的作用是把藥包提升到高位； 帶式輸送機帶面同時也是分撿位置， 藥包在輸送過程中， 兩臺機器人有選擇的把藥包吸取到鏈板輸送機上并堆疊起來。

圖8 輸送系統原理圖

2.3 智能分撿

分撿系統由攤平裝置、視覺識別系統、并聯四軸機器人及夾具組成，見圖9。 上一工序輸送來的袋裝藥品，會出現堆疊的情況，攤平裝置的作用是把其攤平，保證后面識別系統的全面成像，同時也方便機器人抓取。

圖9 智能分撿系統

2.3.1 并聯四軸機器人

每條線采用兩臺并聯四軸機器人， 把藥品從皮帶輸送機上抓取并在鏈板輸送機的U 形槽里有序堆碼。 每格U 型槽1 盒藥。

選用ABB 的IRB 360-1 并聯四軸機器人， 見圖10，具有運動性能佳、節拍時間短、精度高等優點，能夠在狹窄或者廣闊空間內高速運行，誤差極小。

圖10 并聯四軸機器人

（1）機器人重32kg，負載1 kg。

（2）4 軸機構設計增加了作業區兩旁工件輸送的可用空間。

（3）獨特的平行連桿機構最大幅度提高了動作速度。

（4）分離式臺架，能夠更簡便地安置在機械內。

（5）配有內置式隱藏視覺攝像頭。

（6）新型控制器提供智能的機器人功能。

（7）碰撞檢測功能可瞬時檢測到來自外部物體的碰撞并緊急停機，使得對工件和機器人的損壞降低到最小。

（8）機器人鏈網功能通過網絡通信交換機器人的位置信息，可同時控制多臺機器人并使之協調作業，見表1。

表1

2.3.2 夾具

夾具安裝在機器人第四軸上，見圖11。藥包為柔性物料，表面凹凸不平，用海綿真空吸盤抓取。

圖11 夾具

海綿吸盤每個孔中內置獨立的單向閥， 防止吸取物件時物件小于海綿吸盤、 或者被吸物沒有完全覆蓋于吸盤下而泄露真空。 單向閥在沒有接觸物件時會自動關閉， 不影響其動作的進行。

海綿吸盤成本低廉，吸板墊磨損后可迅速進行更換，簡便快捷，控制閥保護，免遭粉塵影響，便于清潔。

2.3.3 視覺識別系統

視覺識別系統是機器人能否準確分揀的關鍵。 藥包攤平后， 通過采用雙目輔助的形式來完成并聯機器人的視覺分揀與實時跟蹤。在視覺識別系統內安裝工業相機，用來檢測即將進入機器人分揀范圍的藥包信息。 根據信息規劃機器人的分揀軌跡，從而控制機器人完成分揀；另一方面， 采用另一工業相機獲取機器人運動范圍內的實時圖像數據，再經過系統處理，將處理的圖像數據結果傳送給計算機， 配合前端攝像機的輔助預測數據完成對藥袋的實時跟蹤作業。

（1）基于機器視覺的工業機器人分揀系統構成。機器視覺系統主要由工業相機、 視覺控制器以及監視顯示器等組成，能夠檢測出藥包的數量、形狀以及顏色等特性，然后通過串行總線連接到機器人控制器， 進而指揮機器人進行分揀操作。

此外，在工業機器人分揀系統中，還必須有PLC 可編程控制器單元。 它主要是用來控制工業機器人來執行相關操作，處理檢測信號，管理生產過程中的數據傳輸和生產流程等工作。

（2）機器人分揀藥品分為四個步驟：定位、識別、抓取以及放置。 基于機器視覺的工業機器人分揀工作流程在生產流水線運行過程中， 首先要借助工業相機對傳送帶上已經進入工作區域的藥包進行圖像采集， 然后由計算機對圖像進行分析和處理，傳遞并識別、定位藥包的具體位置，然后建立坐標系，根據該坐標系和機器人坐標系之間的關系，引導工業機器人進行準確分揀。

2.3.4 分揀機器人跟蹤系統解決方案

并聯機器人四個自由度分別是指空間三個平移自由度和機器人末端中心的旋轉自由度， 機器人重復定位精度為15μm。

若采用傳統的單目視覺方案， 搭建一個正視的分揀系統。 則只能在藥包進入機器人運動范圍前進行視覺檢測， 而無法完成傳送帶上速度變化的視覺分揀與跟蹤分揀任務；若只搭建一個斜視的分揀系統，只能在藥包運動到機器人運動范圍內才進行視覺檢測并啟動機械手分揀操作， 容易出現因傳送帶運動速度過快而導致機器人不能及時分揀的情況。另一方面，由于該相機不能正視傳送帶，只能從側面觀察傳送帶上的藥品，造成所采集目標的圖像具有軸測投影視圖特征。 這些視圖特征給藥包準確定位造成了困難。

通過以上分析， 本系統采用兩套視覺系統來實現跟蹤的功能。底層環境采用嵌入式操作系統。在嵌入式系統上搭載視覺系統， 并在這個視覺系統上完成對圖像的采集和處理，再將處理的最終數據傳輸給控制計算機。

2.3.5 高速并聯機器人拾取控制系統

像機采集到藥包信息，傳給視覺系統識別，識別系統再把識別情況反饋給主機。主機根據生產要求及數據一方面控制傳輸系統，另一方面控制機器人分揀。 兩者必須協調配合，見圖12。

采用網絡可編程機器人控制器作為四自由度并聯機器人控制系統系統的核心部件， 對機器人控制器的工作原理和程序結構、 機器人脈沖控制、機器人模型、曲線插補、加減速控制和指令封裝等部分進行詳細規劃。

圖12 并聯四軸機器人高速分揀原理圖

3 藥用裝盒機的選用

藥品分撿好后，通過鏈板輸送機，進入藥用裝盒機。

使用并聯機器人分揀，要求裝盒機裝盒速度快、可靠性高，由于機器人只能完成分揀動作，這就要求裝盒機必須具備盒子打開、藥品入盒、說明書插入、封盒、打碼、貼標等工序。

一般裝盒機內包物只能適應硬性狀物， 當遇到類似顆粒劑軟袋、膏藥貼劑等軟性狀內包物時，裝盒機就無法裝盒。浙江浩通機械有限公司引用國外先進技術，開發出的DXH-130 全自動裝盒機，適用于顆粒袋及類似袋狀包裝物的自動裝盒。上料機構調節方便，可在操作屏上任意設定所需裝盒的袋數。可自動實現在線物料輸送與檢測，說明書折疊與傳送，說明書檢測，紙盒吸取成型與傳送、物料入盒、打印批號、紙盒兩端紙舌封裝，缺料剔除及成品輸出等。 完全能滿足本設計的組線要求。

4 結束語

本中藥顆粒袋裝藥品智能裝盒設備技術含量高、應用面廣。 項目的成功實施將優化中藥顆粒制造技術的發展，對推動中藥行業向智能化、自動化轉換具有積極的作用。