自動化藥房取藥機械手爪的設計

李 泊,李成群

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

隨著我國醫療技術水平的不斷提高，傳統藥房在運行中的不足越來越明顯，因此藥房自動化成為現代醫院建設的重中之重。自動化技術的迅猛發展，使自動化藥房應運而生，其彌補了傳統藥房的很多不足，大大提高了藥房的工作效率。但現有自動化藥房的取藥機械手爪結構更多適用于盒裝藥品，對于抓取瓶裝且相對較重的藥品則略顯不足。針對此問題，本文設計了一種取藥機械手爪，有效地提高了抓取效率。

1 取藥機械手爪結構設計

取藥機械手是用來代替人手進行藥品抓取工作的，所以取藥機械手末端手爪的設計十分重要。目前自動化藥房中的藥品基本上以盒裝和瓶裝的形式存在，當機械手抓取瓶裝藥品時不但要保證穩定的夾緊力，還要保證包裝不會損壞。對于塑料材質的瓶裝藥品主要是保護外包裝，而玻璃材質的瓶裝藥品主要是保證穩定的夾緊力。

為了解決以上問題，本文在原有的二指平移型機械爪的基礎上，對其結構做了創新設計。本次設計的取藥機械手爪三維模型如圖1所示，其主要由氣缸、氣缸支撐平臺、底座、圓柱直線導軌、手爪手指、壓力傳感器、紅外線傳感器和吸盤等組成。

1-氣缸1；2-氣缸支撐平臺；3-氣缸2；4-底座；5-滑動導軌；6-手爪手指2；7-壓力傳感器；8-紅外線傳感器；9-吸盤；10-手爪手指1

該手爪以底座為依托，底座相對于手爪其他結構是固定不動的，其作用是在手爪抓取搬運期間暫時存放藥品，其左右兩端設計有光滑圓柱直線導軌，與氣缸支撐平臺上的導軌相配合，工作磨損程度低且能保證良好的定位精度。底座與氣缸支撐平臺之間留有1 mm間隙，可減少二者相互運動時產生的阻力。氣缸支撐平臺與電動推桿連接，由伺服電機為其提供動力，實現兩手爪手指在縱向上的移動，兩個手爪手指由氣缸實現其平移運動。圖2為取藥機械手爪平面結構示意圖，當氣缸1與氣缸2的后進氣口進氣時，活塞1和活塞2對向運動，使手爪手指1和手爪手指2靠攏，從而實現兩手爪手指的夾緊；當氣缸1與氣缸2的前進氣口進氣時，活塞1和活塞2背向運動，使手爪手指1和手爪手指2分離，從而實現兩手爪手指的松開。

1-氣缸1；2-氣缸1后氣口；3-氣缸1前氣口；4-底座；5-氣缸2前氣口；6-氣缸2；7-氣缸2后氣口；8-活塞2；9-紅外線傳感器；10-活塞1

本次主要是針對手爪抓取瓶裝藥品時夾緊力不足或夾緊力過大損壞包裝等情況的設計,其創新點在于將手爪手指前端結構部分設計為弧形，在其弧面端安裝壓力傳感器和吸盤。當手爪抓取瓶裝藥品時，藥品與手爪手指弧面接觸，夾緊時觸動壓力傳感器，壓力傳感器收到信號后吸盤開始工作，同時紅外線傳感器開始記次。當手爪夾緊藥品回到底座過程中第一次經過紅外線傳感器時工作狀態無變化，之后由手爪將藥品放到發藥口時再次經過紅外線傳感器，此次當藥品處于紅外線傳感器上方時，紅外線傳感器發出信號致使吸盤停止工作，最終將藥品放入發藥口中。

2 取藥機械手爪控制系統設計

2.1 控制系統硬件設計

為了獲得更高的速度和更大的存儲空間，控制系統以TURBO PMAC運動控制卡為核心，上位機選用工控機，下位機選用TURBO PMAC2A-ETH運動控制卡，配備DTC-8B轉接板、三菱MR-JE-20A伺服驅動器、三菱交流伺服電機、氣缸，其結構框圖如圖3所示。在自動化藥房的實際工作過程中，工控機要讀取藥房取藥系統的出藥清單，根據清單上藥品的不同包裝(盒裝或瓶裝)與PMAC建立通訊關系，再由PMAC運動控制卡根據工控機的要求發送不同的指令給伺服驅動器和氣缸，之后伺服驅動器驅動伺服電機完成工控機傳達的相關指令，從而保證手爪的正確位置。

圖3 取藥機械手爪控制系統結構框圖

三菱伺服驅動器MR-JE-20A為單相AC220 V供電，伺服電機的U、V、W電源及地線分別接入伺服驅動器電源輸出端及地線。使用空氣開關來完成伺服ON、緊急停止2、復位、正反轉行程末端的控制，如圖4所示。在伺服驅動器的CN1端口的DICOM(20針)和DOCOM(46針)上分別連接DC+24 V電源的正極和負極作為上述開關量的控制電源。本控制系統采用步進控制方式(脈沖+方向)，這時需要設置驅動器的參數PA13為＿＿01 h，由PP和PN分別輸出脈沖和方向信號，并將其連接到DTC-8B的#1的25針DB端口。伺服輸出的編碼器信號連接到DTC-8B的編碼器信號輸入端。

2.2 控制系統軟件設計

本設計以Win平臺為基礎，采用VC2010對上位機進行軟件開發，具有運行穩定、執行效率高等優點，其主要功能是實現整個自動化藥房系統的后臺實時監控與管理功能。對于取藥過程中機械手爪的運動軌跡規劃、路徑計算、伺服電機與氣缸的動作控制等功能則由PMAC來實現。使用PMAC的專用控制軟件Pewin32PRO2連接上位機與PMAC之間的通訊橋梁，實現兩者之間的信息交換。

圖4 伺服驅動器開關信號

當成功建立通訊后，首先設置完成以下參數，之后進行開環測試和PID參數調整。設置參數如下：

I102=$078004(選擇輸出寄存器的地址為C寄存器，C寄存器可以輸出PFM信號及模擬信號和PWM信號,而其他寄存器不能輸出PFM信號。$078004為C寄存器的地址)；

I7016=3(選擇C寄存器輸出PFM信號)；

I124=$120001(禁用限位及報警)；

I7010=8(反饋形式為假閉環，也可為0，為0時為真實的編碼器反饋)；

I100=1(激活電機#1)。

對于任何包括電機和伺服器的系統，必須配置PMAC的伺服算法才能達到正確的運動控制效果，調整與“PID增益”相關的I變量。確定合適的PID參數的過程稱為“整定”，經過“整定”階段后可以使得電機具有良好的響應特性，避免電機在工作過程中出現較大的振動。經過開環測試之后得到如圖5所示的響應曲線，表明開環特性良好，指令方向和反饋方向一致。

圖5 經開環測試得到的響應曲線

進行PID參數調節，設定參數I130=10 000(比例系數)，I131=0(微分系數)，I132=15042(速度前饋系數)，其余參數不變，得到的微動電機響應曲線如圖6所示。表明電機能快速地對命令進行響應，并且穩定。

3 結束語

本文設計的自動化藥房取藥機械手爪結構簡單，針對瓶裝藥品的抓取進行了結構創新設計，使抓取瓶裝藥品時更加穩定可靠。PMAC運動控制卡的應用使控制系統響應速度更快，運行更平穩，對于提高自動化藥房工作性能有一定的參考價值。

圖6 PID參數調節后得到的響應曲線

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