小型化拋棄型醫(yī)療藥盒上電子計(jì)數(shù)方案設(shè)計(jì)

捷普/耐普羅公司（上海） 王哲恒

0 引言

計(jì)數(shù)——也就是數(shù)數(shù)，是算術(shù)的基本概念之一。從小我們就被教著用手指來(lái)數(shù)“1.2.3…”用于對(duì)應(yīng)相應(yīng)的事情或物體。這也許就是大多數(shù)人從小一開始認(rèn)識(shí)到的計(jì)數(shù)方法。不僅在中國(guó)古代，而且在古代歐洲，很早就有“結(jié)繩計(jì)數(shù)”的方法，古老的方法后來(lái)發(fā)展成刻印計(jì)數(shù)，并逐漸演變成數(shù)字符號(hào)，這是一項(xiàng)光輝的成就。

隨著近代和現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，越來(lái)越多的計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)方法的出現(xiàn)，極大豐富了這一領(lǐng)域的技術(shù)。同時(shí)各種各樣的產(chǎn)品的涌現(xiàn)和各種各樣的使用場(chǎng)合的要求，也從另一方面刺激了電子計(jì)數(shù)方法的技術(shù)的發(fā)展。

1 電子計(jì)數(shù)方法在醫(yī)療產(chǎn)品上的運(yùn)用

自從人類誕生，疾病就開始困惱的人類，影響著人們的生活，為了提升人類的生活品質(zhì)，醫(yī)療產(chǎn)品，醫(yī)療器械就孕育而生。它們都是為了滿足特定的功能和需要而設(shè)計(jì)，服務(wù)于各式各樣的人類群體。尤其是近代科技飛躍進(jìn)步后，小型化的醫(yī)療產(chǎn)品越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的生活中，而且有很多一部分是可拋棄型的一次性的小型化產(chǎn)品。它們的出現(xiàn)極大地滿足了人們的方便攜帶和簡(jiǎn)單易用的使用需求，占據(jù)了目前醫(yī)療產(chǎn)品領(lǐng)域一塊非常大的份額。

方便，簡(jiǎn)單，易用是人們對(duì)該類產(chǎn)品的要求，同時(shí)作為醫(yī)療產(chǎn)品，安全，有效也是衡量產(chǎn)品的重要標(biāo)桿。因此讓產(chǎn)品智能化是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的重要方法。在如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品智能化的道理上，精準(zhǔn)的計(jì)數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)是很多醫(yī)療產(chǎn)品需要滿足的重要基石。

很多特殊疾病如哮喘，心臟，癲癇等疾病的患者需要在日常生活中時(shí)刻帶著藥，以便在突發(fā)狀況下能夠及時(shí)服藥以控制或者緩解病情癥狀，更好的融入正常人的生活。一種方便攜帶的小型化的藥盒非常常見，公司開發(fā)出一套智能的計(jì)數(shù)裝置能很好的集成到小型藥盒上，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)監(jiān)測(cè)病人用藥的狀況，藥盒所剩余的藥量，控制藥盒內(nèi)的安全的藥量，實(shí)現(xiàn)及時(shí)，提前提醒病人的功能。

2 智能電子計(jì)數(shù)方案

2.1 磁感應(yīng)計(jì)數(shù)法

磁場(chǎng)是自然界中最常見的一種物理場(chǎng)，它雖然是看不見，摸不著的特殊物質(zhì)，但是它是客觀存在的。同時(shí)磁場(chǎng)具有波粒的輻射特性，這使得磁鐵之間不需要相互接觸也能發(fā)生相互作用。和電場(chǎng)相似，磁鐵周圍的磁場(chǎng)是一定空間區(qū)域內(nèi)聯(lián)系分布的向量場(chǎng)。

霍爾效應(yīng)是一種應(yīng)用很廣的電磁效應(yīng)，當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差也被稱為霍爾電勢(shì)差。霍爾傳感器就是用這個(gè)原理做成的一種磁電相互關(guān)聯(lián)的傳感器。當(dāng)外界的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，霍爾傳感器能偵測(cè)出磁場(chǎng)的微弱變化。

公司目前設(shè)計(jì)的小型藥盒中有一系列旋轉(zhuǎn)的齒輪零件，當(dāng)藥盒的主動(dòng)齒輪在外界的旋轉(zhuǎn)推力的作用下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后，通過(guò)一系列的齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)，將固定在藥帶上的藥粉顆粒旋轉(zhuǎn)帶出。基于這樣的基本運(yùn)動(dòng)原理，配合選擇磁體產(chǎn)生變化磁場(chǎng)的原理，于是設(shè)計(jì)誕生了磁感應(yīng)方案。

圖1

圖2 磁場(chǎng)圖

圖3

具體設(shè)計(jì)思路，如圖1所示在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的齒輪上，根據(jù)設(shè)計(jì)要安裝四個(gè)圓柱形小磁鐵（紅色箭頭所指），在對(duì)應(yīng)的磁鐵旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)矩的上方有一霍爾傳感器（藍(lán)色零件）。每個(gè)磁體都會(huì)形成如圖2所示的磁場(chǎng)，當(dāng)該磁輪旋轉(zhuǎn)一周，并展開成平面時(shí)，就形成圖2中的磁場(chǎng)平面分布圖。對(duì)于固定在磁鐵上方的某一位置的霍爾傳感器，就可以得到圖3所示的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線，從而通過(guò)計(jì)算電路回路中電壓的變化，對(duì)應(yīng)得出磁場(chǎng)的變化，從而感知齒輪零件的旋轉(zhuǎn)角度。

由于圓柱形磁體的制作和安裝有其尺寸和長(zhǎng)度的要求，如上述方案，磁場(chǎng)的最小變化精度為四分之一圓周，即90度。當(dāng)如果遇到需要更加精密的角度控制偵測(cè)時(shí)，即需要更加緊密的磁極排布，因此環(huán)形磁片式方案可以滿足這樣的需求，

圖4

圖5

如圖4所示，環(huán)形的磁極片緊密排布了更多的磁極，下方的霍爾傳感器就能偵測(cè)到更小的角度旋轉(zhuǎn)量。對(duì)應(yīng)于實(shí)際產(chǎn)品齒輪，設(shè)計(jì)了如圖5所示的淡紅色的變化磁環(huán)來(lái)達(dá)到使用要求。

具體的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，選擇合適的磁鐵的型號(hào)和尺寸以配合現(xiàn)有的齒輪零件是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用分析軟件對(duì)磁場(chǎng)的空間分布進(jìn)行模擬，量化取得磁場(chǎng)強(qiáng)度的空間分布圖，同時(shí)配合藥盒的結(jié)構(gòu)，找到合適的霍爾傳感器的安裝固定位置，配合相關(guān)的放大電路及完成了磁感應(yīng)計(jì)數(shù)的方案設(shè)計(jì)

2.2 微動(dòng)撥桿開關(guān)計(jì)數(shù)法

在同樣的藥盒產(chǎn)品中，由于使用到一系列的齒輪傳動(dòng)，齒輪的每個(gè)齒距是均勻分布的，因此齒輪的每一次旋轉(zhuǎn)都意味著有相對(duì)應(yīng)數(shù)量的輪齒經(jīng)過(guò)。根據(jù)這樣的基本原則，如果能準(zhǔn)確地計(jì)算出在一次連續(xù)運(yùn)動(dòng)中有多少齒數(shù)通過(guò)某一固定參照點(diǎn)，就可以計(jì)算出該齒輪旋轉(zhuǎn)的角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)藥品用量的計(jì)數(shù)功能。

圖6

如圖6所示，當(dāng)綠色的齒輪逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，每一個(gè)齒輪輪齒經(jīng)過(guò)撥桿開關(guān)的位置時(shí)，輪齒會(huì)推動(dòng)和按壓開關(guān)的推桿并激發(fā)開關(guān)。開關(guān)的一次開閉即代表一個(gè)輪齒通過(guò)。配合相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)檢測(cè)出對(duì)應(yīng)的電路上的通斷次數(shù)，既可以準(zhǔn)確的計(jì)算齒輪的選擇角度和對(duì)應(yīng)的用藥狀況。

圖7

圖8

撥桿式微動(dòng)開關(guān)是一種非常常見的電子器件，市面上的類型和樣式成千上萬(wàn)種，考慮到在藥盒產(chǎn)品中使用，體積尺寸，準(zhǔn)確性是零件選型的重點(diǎn)，對(duì)于一款拋棄型產(chǎn)品，開關(guān)行業(yè)零件本身的壽命是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于藥盒內(nèi)藥量所需要計(jì)量的使用次數(shù)，但是對(duì)于零件的成本價(jià)格卻提出了苛刻的要求。因此如何開發(fā)出有競(jìng)爭(zhēng)性的開關(guān)零件是這個(gè)計(jì)數(shù)方案能否運(yùn)用于拋棄型醫(yī)療產(chǎn)品的關(guān)鍵。

微動(dòng)開關(guān)的基本組成包括：驅(qū)動(dòng)桿，觸點(diǎn)，可動(dòng)片，端子，外殼這幾大部分（圖7所示）。其中外殼體一般都采用工程塑料制作，驅(qū)動(dòng)桿配合外部的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)有不同的長(zhǎng)度，形狀。零件內(nèi)部的可動(dòng)片和觸電及連接端子的設(shè)計(jì)是零件的關(guān)鍵，很大程度上決定了零件的成本和品質(zhì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算齒輪的大小直徑和每個(gè)輪齒旋轉(zhuǎn)的角度，進(jìn)而計(jì)算出能夠撥動(dòng)開關(guān)驅(qū)動(dòng)片的形變位移。經(jīng)零件的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，定制出圖8所示的簡(jiǎn)易開關(guān)。撥桿位于中間，兩端有觸點(diǎn)，在正常情況下，開關(guān)零件處于短路位置，零件安裝到位后，中間的長(zhǎng)撥桿嵌入到輪齒中間，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)后，中間的撥桿在外力作用下向左或向右變形，和旁邊的觸點(diǎn)接觸，回路接通，完成一次激發(fā)，即完成一次計(jì)數(shù)。

3 系統(tǒng)整合集成

有了成熟可行的技術(shù)方案，在具體的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，仍需要多方面的考慮才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)與產(chǎn)品的完美整合，如，針對(duì)一次性藥盒類的醫(yī)療產(chǎn)品，如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的自動(dòng)化量產(chǎn)要求，如何確保產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠，如何對(duì)新增加的新零件進(jìn)行消毒處理，確保安全，等等。

在具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，工程設(shè)計(jì)人員通過(guò)多方面合作，設(shè)計(jì)研究了磁體本體與塑膠齒輪的一體模具成型工藝，自動(dòng)點(diǎn)膠安裝工藝，塑膠和磁鐵成型后的后充磁工藝，配合電路板器件的防水涂布工藝等，為技術(shù)方案的準(zhǔn)確實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)與討論

隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的方便可靠的醫(yī)療產(chǎn)品走入人們的視野，一項(xiàng)項(xiàng)實(shí)用的功能背后是很多扎實(shí)的基礎(chǔ)技術(shù)的累計(jì)。如在本文中提到的，磁電轉(zhuǎn)換技術(shù)是成熟的方案，在很多領(lǐng)域都被廣泛運(yùn)用，微動(dòng)開關(guān)更是非常普遍的電子元件，如何使的成熟的技術(shù)，普通的電子元件成功移植到新的產(chǎn)品，使得產(chǎn)品煥發(fā)新的生命，技術(shù)得到進(jìn)一步的拓展需要每個(gè)設(shè)計(jì)人仔細(xì)，周到和心中的執(zhí)著。