自動化藥房存取藥品機械手的設計

自動化藥房存取藥品機械手的設計李牧;李成群;劉磊;李奇【期刊名稱】《《機械工程師》》【年(卷)，期】2019(000)012【總頁數(shù)】4頁(P22-25)【關鍵詞】自動化藥房;存取藥品機械手;間隙補償;控制系統(tǒng)【作者】李牧;李成群;劉磊;李奇【作者單位】華北理工大學機械工程學院河北唐山063000;唐山晟群科技有限公司河北唐山063000【正文語種】中文【中圖分類】TP241.30引言目前，我國醫(yī)療衛(wèi)生單位大多數(shù)藥房仍采用傳統(tǒng)人工售藥的運營模式，在急診高峰期，門診侯藥大廳病患擁擠現(xiàn)象嚴重。同時，傳統(tǒng)模式下藥師需對處方進行手工調配，勞動強度大，工作效率低，沒時間為患者提供專業(yè)的藥學服務。所以，為了改善藥房醫(yī)護人員的工作環(huán)境，提高發(fā)藥效率，減少患者等待時間，醫(yī)院藥房自動化是藥房發(fā)展的必然趨勢［1］。為解決上述問題，本文提出了一種新型自動化藥房存取藥品機械手，通過創(chuàng)新性機械結構及硬件選型來實現(xiàn)該設備對目標藥品精確、快速、穩(wěn)定的存取功能［2-3］。1自動化藥房工作環(huán)境分析醫(yī)院藥房藥品擺放規(guī)整，藥品多為四方形包裝。存取藥品機械手由坐標機器人和末端兩指式手爪架構而成。自動化藥房內部兩側設有分層式的儲藥架，存取藥品機械手的旋轉中心置于兩側儲藥架的中心線上，存取藥品機械手可根據(jù)醫(yī)師處方或者特定指令自動完成取藥和上藥動作。藥房自動化可以有效地減少患者排隊時間，改善就診環(huán)境，提高發(fā)藥的準確率，降低藥師勞動強度，提高藥房的自動化管理水平等[4]。存取藥品機械手是自動化藥房內部的重要組成部分，除實現(xiàn)藥品的精確、快速定位外，還可提高對處方藥品的調配效率，增加對盒裝藥品的處理數(shù)量及實現(xiàn)機械手與儲藥架空隙間的自動補償。2機械手的結構及參數(shù)設計自動化藥房是接收醫(yī)師通過HIS(HospitalInformationSystem)發(fā)來的電子處方信息完成藥品出庫，或是根據(jù)自身藥品庫存完成自動上藥的一種自動化設備。由于醫(yī)院的特殊性，對整套設備衛(wèi)生環(huán)境有較高的要求，清潔低噪，所以針對液壓、氣壓、電動機三種驅動方式應選擇精度、清潔度較高的電動機驅動方式。自動化藥房存取藥品機械手主要由坐標機器人和機械手組成，坐標機器人是以XYZ直角坐標系統(tǒng)為基本數(shù)學模型，以伺服電動機、步進電動機為驅動的單軸機械臂為基本工作單元，以滾珠絲桿、同步帶為常用的傳動方式所架構起來的機器人系統(tǒng)。如圖1所示，機械手安裝在由橫、縱導軌組成的坐標機器人上。自動化藥房存取藥品機械手各主要組成部件的基本尺寸如表1所示。表1主要部件尺寸表mm部件長度橫向導軌3000縱向導軌1800機械手框架500框架導軌350可動托盤400手爪手指380寬度高度30608080200401515190252552.1直角坐標機器人圖1自動化藥房存取藥品機械手1.橫向下導軌2.存取藥品機械手3.縱向導軌4.橫向上導軌由于醫(yī)院藥品擺放的特殊性，選擇直角式機器人作為存取藥的定位結構，同步帶作為機器人的傳動系統(tǒng)，如圖2所示。選擇同步帶是為避免大距離傳動滾珠絲杠變形問題和齒輪齒條安裝要求高等問題，同時選擇伺服電動機作為其驅動系統(tǒng)，保證機械手定位快速、準確。圖2坐標機器人傳動系統(tǒng)1,18.光面帶輪2,17,19,21.同步輪3.光面帶輪4.橫向導軌5.同步帶6.張緊裝置7.限位擋塊8.伺服電動機9.直線導軌10.滑塊11.機械手安裝座12.活動齒板13.鋁型材立柱14.支撐滾輪15.調節(jié)輪16.減速器20.基座22.長軸為了提高縱向導軌運動的靈活性及底部導軌的承重能力，一組滾輪及其側面調節(jié)導輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直線導軌機構實現(xiàn)縱向立柱在水平方向自由移動。通過兩光輪使繞過中間同步輪的同步帶產生包角，形成一種類齒輪齒條的傳動機構，傳動效率高，安裝方便，成本低。機械手的縱向定位選擇直線導軌加滑塊的形式，帶法蘭的雙滑塊結構增加了機械手與導軌的連接強度。2.2存取藥品機械手機械手是自動化藥房最核心的執(zhí)行裝置。為適應醫(yī)院藥房各種品規(guī)藥物，提高存取藥品的靈活性，設計了一種兩指式機械手，其結構如圖3所示。圖3存取藥品機械手1.攝像頭2.直線電動機3.直流電動機4.凸輪軸承5.手指中部6.手指根部7.手爪基座8.拖鏈支撐板9.手指10.折彎細桿11.基臺12.彈簧13.托板14.可動托盤15.盒裝藥16.鉤爪17.推桿18.伺服電動機為適應藥品處方的多樣性，提高取藥效率，增加機械手工作的穩(wěn)定性和靈活性，兩手指設置小角度轉動機構，手指內部設置一個可旋動的折彎細桿。根據(jù)實際處方信息，機械手可實現(xiàn)單盒單次抓取、多盒同品一次抓取、多盒不同品調配抓取等多種抓取模式；同時根據(jù)藥房內藥品空缺情況，配合彎折細桿，可實現(xiàn)對空缺藥品的快速補充。圖4所示為機械手取藥示例。當藥房接收到由醫(yī)師開的電子處方后，機械手在依靠橫縱導軌對目標藥品定位完成后，兩手指根據(jù)目標藥品尺寸自動調整寬度，令其寬度略大于藥盒寬度。隨后手爪根據(jù)所需處方藥品數(shù)量向前移動相應距離，兩手指相向運動夾住目標藥品，此時推桿向前動作使兩指有一向內夾緊擺動動作，以避免藥品滑動、脫落。圖4機械手取藥過程示例圖3中的夾藥方式在提高對處方處理效率的同時，還增加了機械手自身寬度，導致機械手轉動過程中與藥架間出現(xiàn)較大間隙。為保證藥品抓取不從該縫隙中掉落，設計了一種間隙自動補償裝置，其原理如圖5所示，該裝置所在位置如圖3所示。圖5間隙補償簡圖1.基臺2.彈簧3.限位擋塊4.可動托盤5.鉤爪彈簧始終為拉伸狀態(tài)，連接基臺與可動托盤使之存在相對運動趨勢，無動作時鉤爪限制其相對運動。當執(zhí)行取藥動作時鉤爪向前運動，同時可動托板在拉簧作用下緊跟鉤爪同向運動，運動到限位擋塊時，可動托板停止運動，完成間隙補償，其余部件繼續(xù)運動完成取藥動作。手爪基臺向回運動時，將可動托盤拉回初始位置。3機械手的控制系統(tǒng)系統(tǒng)控制應滿足機器人各軸協(xié)調控制，使其能夠高效、穩(wěn)定地完成升降、平移、抓取等動作；實現(xiàn)各軸單動、連續(xù)工作等運行模式；具有設備運行狀態(tài)監(jiān)測和異常狀況報警等功能。在此基礎上，控制系統(tǒng)應使機器人具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性［5-6］。3.1控制系統(tǒng)硬件設計存取藥品機械手的控制系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成，上位機又與醫(yī)院的HIS系統(tǒng)無縫對接。上位機在工業(yè)控制當中又被稱為HMI，它的作用是監(jiān)控現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)。下位機是整個控制系統(tǒng)核心硬件之一，選擇可靠性、穩(wěn)定性較高的歐姆龍CP1H系列PLC作為下位機，系統(tǒng)組成框圖如圖6所示。圖6控制系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)選用歐姆龍公司CP1H-X40DT-D具有高度擴展性的小型PLC作為控制器，可以滿足工控領域對設備的維護、性能及集成度的較高要求，其處理速度可與大型PLC的指令處理速度相媲美［7-9］。該PLC設有輸入24點、輸出16點；配備100kHz的4軸高速脈沖輸出，實現(xiàn)高速、高精度定位控制；搭載100kHz的4軸、50kHz相位差高速計數(shù)器，將其接到伺服電動機編碼器可進行高速計數(shù)輸入，實現(xiàn)多軸控制，反饋伺服實時位置；標配USB外設端口實現(xiàn)串行通信；內置最高8點中斷輸入，憑借對指令的高速處理，有助于整個設備的高速化。此外，CP1H-X40DT-D還具有語言簡單、維護調試方便和擴展性好等特點。配合24點DC輸入和16點繼電器輸出的CP1W-40EDR擴展模塊及RS485總線實現(xiàn)對機械手各元器件的信息交流和數(shù)據(jù)傳遞，以保證機械手可以準確地完成指定動作。3.2控制系統(tǒng)軟件設計采用CX-Program和CX-Position歐姆龍專用軟件對PLC進行編程，PLC的編程理念是在滿足設備運行要求的情況下，語言簡潔，操作簡單，令其不斷優(yōu)化［10］。對于自動化藥房存取藥品機械手控制的編程思想以圖7控制系統(tǒng)軟件流程框圖為主進行程序編寫。圖7控制系統(tǒng)軟件流程框圖自動化藥房接收處方信息，機械手通過3臺伺服電動機驅動直角坐標機器人及連接機械手的中空轉盤快速定位目標藥品，調節(jié)指間寬度大于藥品寬度，以使得兩指向前運動時可將藥品抓起，根據(jù)藥品的品規(guī)及處理數(shù)量指部狀態(tài)（向內微擺或不動作）自動做出調整。根據(jù)處方要求，機械手自動判斷執(zhí)行連續(xù)取藥還是出藥動作，若抓取藥品符合處方要求或者達到機械手可動托盤臨時存儲最大值，3臺伺服電動機驅動坐標機器人及中空轉盤使其移至自動化藥房的出藥口處，手爪整體向前運動，兩指松開夾持藥品，靠手爪向前運動時兩手指末端安裝的推藥板將藥物推落至出藥口，機械手復位，取藥過程完成，設備停止。上藥過程與取藥類似，只是藥品流向發(fā)生變化，即將外部輸入的待補藥品通過機械手擺放到儲藥架上的指定位置，值得注意的是，當待補藥品為該儲藥單元最大值時，兩指間凹槽需超過最后一盒藥品，此時直線電動機不動作，折彎細桿轉動90°，將全部藥品〃抱拉”至機械手的可動托盤上。4設計效果評價與現(xiàn)有的自動化藥房相比，本文所述的自動化藥房存取藥品機械手的優(yōu)勢在于：加寬的機械手可動托盤及所涉補償裝置可提高對單次處方藥品的處理數(shù)量及處方處理效率；采用伺服電動機作為驅動器，結合藥品數(shù)據(jù)庫及傳感器裝置可實現(xiàn)對目標藥品的精確定位；取藥時，根據(jù)藥品尺寸參數(shù)快速對手指寬度及夾緊狀態(tài)做出調整；機械手上安裝的攝像頭可與藥品數(shù)據(jù)庫中藥物信息進行實時匹配，實現(xiàn)藥品的無差別出藥，避免不必要的醫(yī)療事故。5結語針對國內藥房現(xiàn)存問題，提出了一種可實現(xiàn)自動化管理的自動化藥房存取藥品機械手。進行了自動化藥房存取藥品機械手工作原理和機械結構的研究，設計了該機械手的各重要組成部分及其控制系統(tǒng)。藥房自動化是當代中國醫(yī)院藥房的發(fā)展方向，自動化藥房存取藥品機械手的研究提高了藥房的管理水平和工作效率，降低了出藥差錯率，具有極大的市場推廣價值，同時為食品、化工及煙草等領域的自動化存儲提供解決方案。［參考文獻］【相關文獻】劉相權，員超，趙雪峰，等.藥動化裝置的設計與應用[J].機械設計,2009,26(7):65-68.周建浩，董小雷,黃曉冉.五自由度上藥機械手的研究[J].機床與液壓,2017(21):79-81,86.張英坤，郝存明，甄卓，等.西林瓶拾取機械手的設計與研究[J].組合機床與自動化加工技術2015(10):38-40.魏夢琳，豆大海,張登力，等.門診藥房大規(guī)模使用自動發(fā)藥機的效果與問題分析[J].現(xiàn)代醫(yī)院2019,19(4):518-521.陳彥宇，田東莊,許翠華，等.基于PLC直角坐標式機器人控制系統(tǒng)的設計凹.自動化儀表,2018,39(4):42-45.劉媛媛.基于PLC的絲杠回程誤差檢測和補償方法[J].組合機床與自動化加工技術,2015(1