基于TRIZ理論醫藥配送機器人的設計

摘 要：為解決現有醫藥配送機器人空間容量小、智能化程度低、配送過程藥品防護不到位等問題，基于醫院實際工況提出合理性解決方案。以TRIZ理論為基礎，運用創新工具對配送機器人各部分進行創新設計，完成拖車式醫藥配送機器人結構設計和控制系統設計，并通過樣機驗證了方案的可行性。所設計的醫藥配送機器人在拖車式結構和立式循環車廂配合下極大地提高了容積，采用機械臂實現藥品的取放，大大提高了智能化程度，自適應底盤的設計增加了對藥品的防護性。該機器人運行過程不需要人為介入即可穩定、可靠地完成整個藥品配送過程，有效解決了現有藥品的配送難題，具有廣闊的推廣運用價值。

關鍵詞：TRIZ理論；藥品配送；拖車式機器人；循環車廂

中圖分類號：TH122; TP242文獻標志碼：A文章編號：1671-5276（2024）03-0199-05

Design of Medicine Distribution Robot Based on TRIZ Theory

Abstract：In order to solve the problems of small space capacity， low degree of intelligence， and inadequate drug protection during the distribution process of the existing medical distribution robots， a reasonable solution is proposed based on the actual working conditions of the hospital. On the basis of TRIZ theory， innovative tools are used to innovatively design all parts of the distribution robot， complete the structural design and control system design of the trailer-type medical distribution robot， and the feasibility of the scheme is verified through prototype. The designed medicine distribution robot greatly increases the volume under the cooperation of the trailer structure and the vertical circulation carriage. The taking of medicines by means of robotic arm greatly improves the degree of intelligence， and the design of the adaptive chassis enhances the protection of medicines. The robot can complete the entire drug distribution process stably and reliably with no human intervention in the running process， which effectively solves the problem of existing drug distribution， and has broad promotion and application value.

Keywords：TRIZ theory; drug delivery; trailer-mounted robots; circulating carriages

0 引言

近年來因為疫情等因素的影響導致醫療服務的需求逐年增加，醫護人員缺口日益顯著。由于病毒的高傳染性和高隱蔽性導致醫護人員在配送藥物時需要多層防護，其過程繁瑣且存在感染風險，醫護人員工作強度和壓力巨大。隨著近年來機器人技術的高速發展，各領域積極結合機器人技術打造智能化產業［1］，國內外眾多學者對醫藥配送機器人做了深入研究［2］。從TRC公司研制的第一款名為“Helpmate”的醫藥配送機器人［3］到中國海洋大學研制的“海樂福”醫用機器人［4］，機器人正代替醫護人員完成醫療設備、藥品以及食物等配送工作［5-6］。目前，醫藥配送機器人的研究熱點主要集中在機器人的導航定位等控制技術［7-8］。想要機器人更高效可靠配送藥品，不僅要提升機器人導航定位能力和配送速度，更應該改進機器人自身容積和提升藥品配送過程中的防護措施。因此，利用TRIZ理論對醫藥配送機器人的方案進行合理設計，擴展配送機器人的有效容積，增加藥品配送過程中的防護，提高機器人的智能化程度，對配送機器人的進一步發展具有積極意義。

1 TRIZ理論

TRIZ理論是前蘇聯發明家阿奇舒勒等研究人員在分析研究世界各國250萬件高價值專利后所提出的一種發明問題解決原理［9-10］。本文對醫藥配送機器人的設計主要采用了TRIZ理論中的物-場模型、技術關鍵和發明原理等內容，根據標準解和發明原理的啟發，結合專業知識對醫藥配送機器人進行了創新設計。

2 基于TRIZ理論的方案分析

2.1 系統的“物-場”模型構建

現有單車體醫藥配送機器人通過移動底盤對配送車廂起到支撐和驅動作用。考慮到醫藥配送機器人在運動過程中需要實現動態避障和路徑規劃等復雜功能，使得移動底盤需要占據較大空間，對配送車廂的容積產生了不利影響，兩者之間的物-場模型如圖1所示。F為移動底盤和配送車廂之間的機械場，S1為配送車廂，S2為移動底盤。

消除移動底盤和配送車廂之間不利因素的關鍵是不占用配送車廂空間的同時實現驅動導航等功能。通過物-場模型分析后發現，可通過引入外部物質消除不利因素。將移動底盤的支撐和驅動導航等功能分離，引入新物質S3（牽引車）來實現驅動導航等復雜功能，僅保留移動底盤的支撐功能。根據圖2所示的物-場模型標準解可設計出一種拖車式醫藥配送機器人，在保證足夠儲藥空間的同時，可根據需要增加配送車廂的數量，極大地提高了配送效率。

2.2 醫藥配送機器人系統矛盾分析

經過調查發現，現有配送機器人只能實現簡單的運送功能，在物品存取階段仍需人為介入。為進一步完善機器人的各項功能，提高配送機器人的智能化程度，不僅需要解決物品存取過程中的自動化問題，還應結合拖車式結構進一步優化配送車廂。在調研中還發現，醫院的樓棟連接處會存在部分斜坡路面，由于配送藥品中會有液體存在，所以機器人在各類路面上行駛時應該保證收納盒中藥品的平穩性和安全性。

基于上述分析，結合TRIZ理論的標準工程參數得出系統技術關鍵。在解決機器人物品存取過程中自動化問題時，需要引入復雜物品輸送、存取結構，使得整個裝置復雜性大大提高，即改善參數為自動化程度，惡化參數為裝置復雜性。通過增加儲存車廂容量提高單次藥品配送數量是提高配送效率的有效方式。但增加單次藥品配送數量會使整個儲存車廂體積變大，即改善參數為物質或事物的數量，惡化參數為運動物體的體積。為提高配送過程中藥品的穩定和安全性，使配送機器人可適應各類傾斜路面，就需要加入復雜的懸掛結構等，即改善參數為適應性和多用性，惡化參數為裝置復雜性。根據改善和惡化參數，結合表1中矛盾矩陣可得到解決工程問題的發明原理。

利用矛盾矩陣所列出的發明原理，結合設計需求和經驗，對各個發明原理進行分析篩選，最后優選出15號（動態原則）、20號（有效作用的連續性）和24號（中介物原則）發明原理作為醫藥配送機器人創新設計的指導思路，各個發明原理細則如表2所示。

3 醫藥配送機器人的結構設計

3.1 整體方案設計

根據物-場模型標準解、15號、20號和24號發明原理的指導，對醫藥配送機器人進行創新設計。

根據前文分析，在物-場模型標準解的啟發下，將機器人整體設計為拖車式結構。拖車式底盤結構簡圖如圖3所示。牽引車為兩輪差速式驅動，配送車廂底盤通過連接裝置與牽引車連接，拖車式結構不僅使得機器人運行更加靈活，還可根據需要改變配送車廂數量。

醫藥配送機器人整體結構如圖4所示。由牽引車提供動力，通過激光雷達和攝像頭構建地圖模型并實現導航避障功能；位于牽引車上部的顯示屏可實時顯示機器人的運行信息和需配送藥品的患者信息，便于患者確定藥品，提高配送的準確性。在配送藥品時，通過機械臂抓取藥品放置于立式循環車廂的收納盒中，待藥品配送至患者病床邊后，利用循環車廂將對應藥品運送至最高點，上蓋打開通過機械臂將藥品抓取放置患者床邊，完成配送過程［11］。

為防止藥品傾倒，提高機器人的道路適應能力，保證機器人在斜坡路段運行過程中使循環車廂保持水平狀態，運用15號發明原理，將立式循環車廂支架與底盤分離，設計為如圖5所示的自適應性底盤結構。在底盤支架下端安裝萬向輪保證牽引車帶動時運行的靈活性，在支架之間設置弧形導軌，通過滾輪配合支撐循環車廂支架。在機器人運行至斜坡路段時，底盤支架由于地形作用發生傾斜，在重力作用下滾輪會沿弧形導軌滑動，使上端循環支架保持水平，進而防止收納盒中的藥品傾倒。

3.3 機械手及收納盒設計

為實現機器人的自主存取功能，運用24號發明原理引入如圖6所示的機械手來完成藥品的存取，可使機器人自動化程度大大提高。在具體實施階段發現，雖然引入機械手可實現藥品的存取，但藥品具有多種包裝形式，不同藥品抓取時需要機械手識別藥品并根據藥品包裝調節機械手抓取位姿，大大增加了機械手的控制難度。所以再次運用24號發明原理引入如圖7所示的子收納盒。由于子收納盒形狀規整統一，在護士將需要配送的藥品有序放入子收納盒后，機械手直接抓取子收納盒存取即可，使機械手抓取時難度大大降低。

3.4 立式循環車廂設計

利用機械臂實現存取功能提高了機器人的自動化程度，但傳統框架式存儲車廂需要較大空間來滿足機械臂篩選不同收納盒的需求。為保證有效提高儲存空間減小機械臂的運行空間，運用20號發明原理采用如圖8所示的立式循環車廂結構。在存取藥品時，通過步進電機和鏈傳動機構配合驅動收納盒沿環形軌道運動，在平衡齒輪的作用下保證收納盒始終處于水平狀態，當對應收納盒運動至最高點后停止，上蓋打開機械臂存取藥品。由于機械臂在存取藥品時，對應收納盒均可通過立式循環機構送至最高點，所以機械臂的工作空間小，識別和定位收納盒中藥品難度低。整個立式循環車廂結構緊湊，空間容量大，可有效提高配送效率。

4 機器人控制系統設計

4.1 軟件控制系統設計

機器人軟件控制系統如圖9所示，分為3層，分別是系統操作層、驅動層和硬件層［12］。操作層是機器人控制系統的控制核心，采用MiniPC主機與遠程PC從機組成的分布式ROS控制系統將各個功能模塊集成，用于機器人的上層決策。驅動層通過下位機預處理傳感器收集相關數據信息。硬件層根據系統操作層發出的指令，完成對機器人的驅動。

4.2 硬件控制系統設計

機器人硬件控制系統如圖10所示，采用上/下位機的結構實現。以MiniPC作為上位機控制器實現上層規劃與控制，以STM32作為移動導航平臺及循環車廂的下位機控制器、Arduino作為機械臂抓取平臺的下位機實現對機械臂舵機的控制。移動導航平臺由驅動模塊、電源模塊、上/下位機控制器、帶編碼器裝置的電機以及激光雷達等組成。編碼器實現對機器人的測速，下位機完成底盤的里程計算，采用串口實現上/下位機間的通信，利用激光雷達采集周圍環境數據結合SLAM算法完成機器人的自主導航功能。機械臂主要由本體、控制器和攝像頭組成，通過攝像頭對待抓物品進行識別與定位，上位機控制機械臂的運動實現自主抓取功能。

5 設計計算與樣機實驗

5.1 循環車廂設計計算

對循環車廂中收納盒進行合理布局是提升機器人存儲空間的關鍵。根據對各類藥品尺寸的調研分析，將收納盒尺寸設計為400mm×150mm×80mm，循環導軌的寬度為240mm。考慮到在收納盒運動至最高點時，若兩收納盒之間距離太近會發生干涉，距離太遠又會浪費配送車廂空間。圖11所示為兩收納盒發生干涉的臨界狀態，保證兩收納盒安裝距離大于弧長lAC（單位：mm）即可。其計算過程如下：

式中：lAC為弧長；d為直徑；b為弦長。

現有大多數藥品包裝高度小于200mm，綜合考慮兩收納盒之間的安裝距離，設計為200mm即可滿足使用要求。

5.2 樣機制作與實驗

根據設計方案制作拖車式醫藥配送機器人1∶1實驗樣機如圖12所示。在牽引車后端增加單個立式循環車廂和整個配送過程不需要人為介入的情況下，該樣機可自主完成藥品的配送過程。整個實驗過程機器人運行平穩可靠，為后續對機器人的進一步研制提供了實驗基礎。

6 結語

本文針對現有醫藥配送機器人存在的不足，運用TRIZ理論中的創新工具對醫藥配送機器人各部分進行了創新設計并制作了樣機完成配送實驗。實驗結果表明，該機器人能夠實現醫用不同場景下對藥品、食品的配送，緩解了醫院內醫護人員的工作強度及壓力，提高了醫院的智能化水平和藥品配送效率，推動了護理領域生活性服務業創新，改進了服務流程，實現了智能化、自動化、無人化，具有重要的工程實踐意義和廣闊的發展前景。

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