一種基于膠囊類藥物的新型分揀裝置設計

◇西南石油大學 吳 岳 郭世建 劉 科 陳 超

目前，隨著我國人口老齡化問題日益凸顯和老年人對于身體健康問題的愈加重視，我國用藥的人數和平均服藥量也在日益增加。數據顯示，2020年我國生物醫藥市場規模達3,870億元，同比增長22%，2014-2020年復合年增長率達22.1%。在老年人群中，用藥依從性差的發生率為50%，因此對于藥物的分揀問題也開始成為一個需要解決的問題。其中，膠囊類藥物由于其包裝的問題，其分揀是相對不容易的。目前市面上專門針對膠囊類藥物的分揀機構幾乎為零，因此設計提供了一種能夠實現從板狀藥包裝當中剝離出藥物并且準確控制每次服用藥品顆數的自動出藥裝置。該裝置由破藥機構、分離機構、計數機構三部分組成，能夠實現藥物從包裝中破出，按順序下落到精準計數這樣的一系列控制功能。

數據預測，2021年后，我國生物藥市場規模每年將增加近1000億元，到2030年市場規模將達到1.3萬億元。在老年人群中，用藥依從性差的發生率為50%，也就是說有一半的老年人都不按照醫囑用藥。這其中，大部分老年人是因為記憶力不好導致“忘了吃藥”，“吃兩天、忘三天”的情況并不少見；有的老年人能每天堅持吃藥，但吃了上頓就忘了下頓。數據顯示，在各類藥物中，傳統丸劑劑型所占比例為54.7%，膠囊劑型為45%（其中膠囊30%，軟膠囊15%），其他劑型0.3%。膠囊類藥物在藥物系統中占有重要的地位。因此，設計制作一種服務于我國醫療藥物和老年人身體健康的藥物分揀裝置是非常有必要的。

1 該裝置設計原因

在老年人群中，用藥依從性差的發生率為50%，也就是說有一半的老年人都不按照醫囑用藥。這其中，大部分老年人是因為記憶力不好導致“忘了吃藥”，“吃兩天、忘三天”的情況并不少見；有的老年人能每天堅持吃藥，但吃了上頓就忘了下頓。對于各個身體方面健康指標普遍低于中青年的老年人，這種行為對于健康的危害不可謂不大。

膠囊類藥物歷史悠久，在世界藥物中具有重要地位。老年人的服用藥物中有約二分之一為膠囊類藥物。

1.1 老年人記性差

由于老年人所患有的疾病多為慢性病，少吃一頓多吃一頓對于老年人來說可能沒有顯著變化，導致用藥意識薄弱。還有就是隨著年齡的增長，記憶力顯著下降，若沒有親人在身邊時刻提醒，定時定量服用藥物對老年人來說也不是一件能順利堅持的事情。

1.2 膠囊類藥物占比重

公元前1500年，第一粒膠囊在埃及誕生。1730年，維也納的藥劑師開始用淀粉制造膠囊。1834年，膠囊制造技術在巴黎獲得專利。1846年，兩節式硬膠囊制造技術在法國獲得專利。1872年，在法國誕生了第一臺膠囊制造充填機。近些年來，膠囊類藥物快速發展，在國民用藥中占比約為45%，占有重要地位。

1.3 藥物不易準確取出

現在的老年人生活自理能力下降，在取用膠囊類藥物是常常會出現多取或少取藥物用完的情況，對于多取的藥物如果沒有專門的存放地點，那么絕大概率被多取的藥物會被浪費。同時，老年人記憶力下降，如果有多種膠囊類藥物需要同時服用，會常常忘記自己剛剛吃沒吃藥，吃了幾顆藥，吃了幾種藥物，最終導致用藥不準確、不及時，從而對身體產生不可逆轉的慢性傷害，嚴重時甚至會危及生命。

2 設計裝置現狀分析

近幾年，我國出現了許多針對不同藥物的分揀裝置，其中主要包括兩大類：純機械裝置和非純機械裝置。其中，不管是純機械裝置還是非純機械裝置，除了統一是為了更好服務于人們用藥外，都兼顧了非常多的模塊，每一中裝置都想要將幾乎市面上能夠用來分揀的藥物分別設計一個模塊加以分揀，但是往往只能在特定的規格下使用，雖然能夠分揀的藥物種類多，但是使用規格單一，不能很好的滿足人們對于用藥的需求。

2.1 純機械式豎式停放裝置

對于純機械的藥物分揀裝置，由于其設計者一般力求盡善盡美，會囊括幾乎所有的藥物種類的分揀，這樣就不可避免的導致機械裝置體量過大，不易搬動，無法根據多種需要適應不同場合。但該裝置較為復雜，零件較多，且每次更換不同的藥物，需要重復進入不同模塊，效率較低。

2.2 非純機械式豎式停放裝置

對于非純機械的藥物分揀裝置，雖然體量在一定程度上有所減少，但是其智能化模塊并不能識別所有藥物，其智能操作和微信小程序或者單獨的APP都不夠成熟，老年人中還有占比不少的人群不會使用智能機，尤其是在農村地區，而恰恰是農村老人的發病率高于城市老年人。

本文要介紹的裝置相比于市面上其他裝置最大的特點在于在體量輕的同時兼顧效率，用簡單的機械裝置實現膠囊類藥物的分揀。由于膠囊類藥物的規格相對于其他袋裝或瓶裝藥物來說更加規范，而且在裝置運行過程中幾乎沒有危險刀具的存在，在安全的同時兼顧高效。

3 裝置設計

3.1 設計原則

存放藥物操作簡單，即開即用，精準計數，特別是實現膠囊類藥物破出過程中，輕松便捷，防止老年人因操作不穩造成藥物浪費，定量出藥。

3.2 設計裝置組成

該裝置由破藥機構、分離機構、計數機構三部分組成。能夠實現藥物從包裝中破出，按順序下落到精準計數這樣的一系列控制功能。

（1）破藥機構。破藥機構主要由空間中前后和上下交錯的雙排齒輪互相嚙合組成，用以對藥物的破出；破藥機構主要結構組成：傳動齒輪、鏈條、主動齒輪、破藥齒輪1、破藥齒輪2、破藥齒輪3、破藥齒輪4、破藥齒輪5、破藥齒輪1*、破藥齒輪2*、破藥齒輪3*（如圖1所示）。

圖1 破藥機構主要結構

上排5個齒輪，下排的3個齒輪分別與上排第1，第3，第5個齒輪嚙合，用于固定并且帶動膠囊藥板往前移動，上排的第2第4兩個齒輪輪空用于擠壓膠囊，使膠囊從空位當中落入下方的軌道。上排的齒輪連桿外面連接有帶有電機的傳動齒輪。通過鏈條帶動外齒輪轉動，從而通過連桿帶動上排和下排齒輪同步轉動，將藥板帶動使膠囊有序的從藥板當中擠出。

（2）分離機構。分離機構有內外互相嵌合的雙層漏斗組成，解決了膠囊在破出后堵塞的問題，實現有序下落。分離機構主要結構組成：外漏斗、內漏斗、導管、導桿，如圖2所示。

圖2 分離機構

其中外漏斗固定，內漏斗上下移動從而使漏斗當中的膠囊震動不斷地變換位置，落入外漏斗的導管當中，導管的內徑比膠囊略大，故而能使膠囊單列由下往上的排序在導管當中。

（3）計數機構。在設計中，計數機構不可避免用到傳感器，但是如何設計簡易有效的機械裝置就變成我們需要考慮的問題。最終該設計的計數機構由上下貼合帶有不同數量落藥孔的雙層圓盤組成，實現對膠囊的控制計數。上層圓盤設計有十二個接藥孔（由其圓盤直徑分析得到），下層圓盤只有一個落藥孔，落藥孔旁邊放置傳感器用以計數。此設計中計數機構的主要結構組成為：上層圓盤、下層圓盤、光電傳感器，如圖3所示。

圖3 計數機構

3.3 裝置設計原理

（1）破藥分離過程。①將板裝類膠囊水平推入交錯嚙合的兩排平行齒輪間，電機帶動下排主動齒輪順時針旋轉，從動齒輪被帶動著逆時針旋轉，膠囊從前側掉落，被擠壓后的板裝空殼從后側被推出，直至藥物全部落出或停止主動齒輪電機。②被全部破出藥物的板裝空殼從后側掉落至預先設置的垃圾槽內。從前方落出的膠囊全部落入下方的大漏斗中，大漏斗的漏斗口是固定連接于內漏斗。內外漏斗相互嵌合。內漏斗固定不動，下方連接內徑略大于膠囊直徑的導管；外漏斗連接導桿，導桿和與電機相連的凸輪接觸。③凸輪電機啟動后，帶動凸輪做旋轉運動，外漏斗由與凸輪接觸的導桿帶動進行往復的上下運動，帶動漏斗內面的膠囊通過慣性排練進入導管內。實現膠囊在導管內的順序排列。

（2）分離計數過程。①導管下方和具有十二個落藥孔的上層圓盤距離大概二分之一個膠囊的長度距離。上層圓盤厚度約為二分之一個膠囊長度，落藥孔為通孔。上層圓盤中心處連接有圓盤齒輪，和電動機相連的齒輪與圓盤齒輪相互嚙合，啟動電機后，上層圓盤被帶動做旋轉運動，只有打有落藥孔的圓孔處才能使膠囊落入圓盤中，實驗對藥物的有序分離。②下層圓盤只有一個與落藥圓孔，其厚度是上層圓盤的三分之一，一般情況下下層圓盤保持相對固定，但是可以根據人為需要旋轉一定角度。下層圓盤的下方在落藥孔的兩邊安裝有光電傳感器，每當有藥物下落，則計數一次，當完成計數后，控制上層圓盤旋轉的電機停止，裝置不在落藥，實現膠囊類藥物的分離計數。

圖4 裝置原理圖

3.4 裝置關鍵部件設計

（1）雙層漏斗的設計。為了解決膠囊類藥物在下落過程中堵塞在導管中，設計了收集漏斗的內外雙層結構，內漏斗固定，凸輪隨電機轉動而轉動，凸輪與連桿末端軸承接觸在轉動的過程中使外漏斗上下運動，內外漏斗發生相對運動，從而產生往復運動使漏斗內堆積的藥物在慣性的作用下有序排列而不會發生堵塞，順利落入漏斗管，并且在漏斗管內從下往上依次挨個排列。內外漏斗相互嵌合，往復運動的前后距離在兩個漏斗可接受的距離范圍內，不會發生兩漏斗分離致使藥物滑出的情況。

（2）雙層圓盤的設計。為了能使每粒膠囊都能夠實現精準計數，所以需要每一粒都能單獨分離。所以特別設計了上下雙層帶有不同數量的落藥孔的不同厚度的圓盤。下層圓盤相對固定，可以人為調整角度。上層圓盤與電機相連，以一定的速度勻速旋轉，使得藥物一粒粒落入圓盤中的落藥孔中，實現分離計數。

4 設計裝置具體制作

根據理論的設計和推演，我們在建立了三維仿真模型的基礎上開始對其進行實物化，最終完成了該膠囊類藥物分揀機構裝置的加工制作與組裝（如圖5所示）。

圖5 膠囊類藥物分揀機構裝置實物圖

設計組裝完成后，我們對其應用效果進行了實際測試，結果表明：該裝置結構簡單，安裝維護方便，能實現一定規格的不同膠囊類藥物的，且使用省時省力，方便快捷。