醫(yī)院軌道物流小車系統(tǒng)設計與應用

徐 凱，李 波，王坤勝，李 強，張永權

(中國地質(zhì)大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引言

在醫(yī)院運行過程中，需要在不同科室間傳遞大量的藥品、醫(yī)療器械、單據(jù)、標本、血液等小型物品，需要醫(yī)護人員頻繁往來于各個科室，存在效率低，勞動強度大和醫(yī)療物品意外損壞等問題，影響醫(yī)院的正常運行和患者的就診體驗[1]。對此，研制一款基于醫(yī)療物品自動運輸?shù)男≤囅到y(tǒng)顯得十分重要。

目前，室內(nèi)物流傳輸系統(tǒng)很多，主要包括氣動式、高架單軌推車式、AGV自動引導車和軌道式等物流傳輸系統(tǒng)。氣動傳輸系統(tǒng)通過特制氣管連接各個節(jié)點，以壓縮空氣為動力實現(xiàn)微小型物品的站點間傳輸，一般只能用于重量輕、體積小的物品傳遞[2]；高架單軌推車利用滑動吊架在鋼制軌道上移動，常用于較大、較重物體的傳輸；AGV自動引導車經(jīng)磁、激光等標志物為引導并沿著制定路徑移動，完成一系列物品傳遞，一般在大型無人化物流中心使用[3]。以上3種物流方案方式在醫(yī)院內(nèi)使用存在局限，軌道式物流傳輸系統(tǒng)使用載物小車在鋪設于房間頂部和大樓弱電井的專用軌道上傳輸物品，小車和軌道可根據(jù)醫(yī)院需求選擇不同規(guī)格，傳輸物品適應性強，十分適合醫(yī)院數(shù)量品類繁多的醫(yī)療物品傳遞工作[4-5]。

在此，基于軌道式物流傳輸系統(tǒng)，設計一款醫(yī)療物流小車，實現(xiàn)醫(yī)院多科室、病區(qū)間的物料傳遞工作。

1 物流小車系統(tǒng)結構設計

1.1 總體方案設計

醫(yī)院物流小車最小系統(tǒng)總體結構如圖1所示，主要包括載物小車、導軌和換軌器3個部分組成，導軌可將不同科室、病區(qū)房間連接起來，載物小車在導軌上通過電刷和紅外通信模塊獲取電力和控制信號，車內(nèi)電機經(jīng)減速后帶動驅(qū)動輪旋轉，驅(qū)動小車沿特定軌道運行，換軌器模擬小車在醫(yī)院內(nèi)連接各個科室、病區(qū)復雜軌道的變軌功能。載物小車一次最大可運載量為30 kg或體積50 L的物品，額定10 kg負載下小車運行速度為水平速度0.80 m/s，垂直速度0.30 m/s。

圖1 醫(yī)院物流小車系統(tǒng)結構

1.2 載物小車結構設計

載物小車是醫(yī)院軌道物流系統(tǒng)的主要執(zhí)行單元，如圖2所示，載物小車主要由載物箱和小車主體2大部分組成，載物箱的功能是裝載醫(yī)療用品和安裝小車操作窗口；小車主體是載物小車的核心，主體由車架、底座、動力單元、控制單元、防碰撞單元、受電刷和紅外通信模塊組成，車架與底座構成小車骨架，受電刷與導軌中三極滑觸線連接，為小車供電和獲取緊急停車信號，動力單元在控制單元的控制下，由電機驅(qū)使齒輪和橡膠輪旋轉，驅(qū)動小車前進和后退；防碰撞單元用于防止多輛載物小車發(fā)生碰撞[6]；紅外通信模塊用于小車與控制系統(tǒng)間的通信；車架前輪可隨動轉向，并安裝模具彈簧用于自動回正，可有效降低入彎阻力，提高通過性。

圖2 載物小車結構

1.3 導軌、換軌器結構設計

導軌結構如圖3所示，導軌主要由鋁合金框架、齒條、三極滑觸線和連接鉚釘組成。鋁合金框架呈C型，將小車底座的4組輪子限制在C型內(nèi)部。三極滑觸線用于小車的供電和應急通信，齒條與小車動力單元齒輪嚙合，在動力單元橡膠輪打滑時確保小車按要求運動，在非啟動段水平位置的導軌中，齒條可以不安裝。導軌整體為直線型和圓弧形2種，通過多段組成實現(xiàn)不同房間之間的連接。

圖3 導軌結構

換軌器是醫(yī)院軌道物流系統(tǒng)中的重要組成部分，實際使用過程中，一般需要通過導軌將幾十層樓接近百個站點連接起來，軌道設計需要有干線、支線和維修線等，換軌器就是小車變軌的裝置，具體結構如圖4所示，基本原理為：通過絲杠滑臺驅(qū)動短導軌移動，實現(xiàn)小車的變軌。

圖4 換軌器結構

1.4 動力單元選型計算

動力單元需要克服小車重力和摩擦力驅(qū)動小車在導軌上運動，最大動力需求發(fā)生在垂直軌道上，該工況下小車的受力如圖5所示。

圖5 小車爬升受力示意

載物小車需要的最小驅(qū)動力F為：

F>m1g+m2g+μ(F1+F2)

(1)

m1gl3+m2gl4-(F1+Fr)l1-F2l2=0

(2)

F1+Fr-F2=0

(3)

m1為載物小車自重，數(shù)值為16.3 kg；m2為負載質(zhì)量，30.0 kg；g為重力加速度，數(shù)值為9.8 m/s2；F1為導軌對小車前輪的垂向力；F2為導軌對小車后輪的垂向力；Fr為齒輪對齒條的垂向壓力；l1～l4分別為4個力相對于齒輪嚙合點的力臂，其中l(wèi)1為0，l2數(shù)值為170.0 mm，l3數(shù)值為212.0 mm，l4數(shù)值為392.2 mm；μ為車輪與導軌面的滾動摩擦系數(shù)，取0.012。

小車動力單元的結構及齒輪輸出力情況如圖6所示。

圖6 小車動力單元結構及齒輪輸出力示意

動力單元繞點A旋轉，在彈簧拉力作用下，齒輪與導軌上的齒條嚙合。伺服步進電機經(jīng)渦輪蝸桿減速后帶動齒輪旋轉，則齒輪輸出力F和彈簧拉力Ft為[7]：

ηMi-0.5FD=ma

(4)

Fr=Ftanα

(5)

Ftl5≥1.5×(Frl6+Fl7)

(6)

M為伺服步進電機扭矩；i為渦輪蝸桿減速比；D為齒輪分度圓直徑，數(shù)值為120.0 mm；η為傳遞效率，取值0.7；m為載物小車質(zhì)量；a為加速度；α為齒輪壓力角;l5～l7分別為3個力對點A的力臂，數(shù)值分別為99.7 mm、78.4 mm和26.3 mm；1.5為彈簧拉力安全系數(shù)。

綜合式(1)～式(6)計算可知：減速后驅(qū)動力F需大于485.4 N,電機扭矩M×i需大于41.6 N·m，彈簧力Ft需大于349.4 N。綜合考慮電機運動精度、扭矩轉速特性和電機、減速器安裝空間限制，動力單元選型情況如表1所示。

表1 動力單元選型參數(shù)

電機選擇TC60-40高速閉環(huán)步進電機，最大輸出扭矩為4.2 N·m,在800 r/min時輸出扭矩為3.5 N·m，最大轉速3 000 r/min；渦輪蝸桿減速器選擇RV 30單輸出軸型，減速比10；齒輪選擇模數(shù)2.5，齒數(shù)48。載物小車在該系列參數(shù)和額定負載工況下，水平最大移動速度為0.80 m/s，垂向速度最大為0.30 m/s，滿足設計要求。

2 物流小車結構有限元分析

為了檢驗小車結構設計的合理性和可靠性，提出對小車整體結構進行有限元分析，確保小車樣機能夠符合設計預期目標。

小車制作材料選擇主要考慮適用性和輕量化，大部分使用6061-T6鋁合金，齒條需要在弧形軌道上鋪設，材料選為尼龍PA6材質(zhì)，齒輪為45#鋼，箱體考慮到醫(yī)療用品的衛(wèi)生需求，采用304不銹鋼，各材料特性參數(shù)如表2所示。

表2 物流小車的材料特性參數(shù)

根據(jù)物流小車工況情況分析，垂直爬升加速時受力最大，選擇這種工況進行有限元仿真，在SolidWorks軟件中對物流小車系統(tǒng)進行簡化，導入ANSYS Workbench中進行有限元分析，材料、接觸、約束和載荷按實際情況進行加載，如圖7所示，在垂直段軌道加速工況中，A為小車加載1.1倍重力，模擬0.1G加速；B為導軌兩端添設置固定約束；C為箱體下端側壁加載負載等效力300 N；小車4個齒輪與導軌之間的接觸為摩擦接觸，數(shù)值0.01；齒輪與齒條間接觸條件定義為摩擦接觸，數(shù)值取0.1；其他部件為固定接觸。等效應力和位移云圖分別如圖8和圖9所示。

圖7 仿真邊界條件加載

圖8 小車應力云圖

由小車等效應力云圖和形變云圖可知，在垂直爬升加速工況下，小車最大等效應力91.81 MPa，最大形變9.448 2 mm，小車本體最大等效應力發(fā)生在齒輪嚙合處(圖8放大視圖)，數(shù)值為91.81 MPa，此處材料為45#鋼；鋁合金材料部分最大應力為小車車架部分，數(shù)值達到81.50 MPa，滿足強度要求；導軌在該工況下呈現(xiàn)彎曲變形，最大變形量0.3 mm，變形情況不會影響小車通過性。綜合分析可以得出，小車和軌道結構設計合理，強度和剛度均滿足設計要求，可以進行實物樣機制作。

圖9 小車形變云圖

3 樣機測試

醫(yī)院軌道物流小車系統(tǒng)已全部設計完成，并完成了實物樣機的制作，圖10所示為樣機實物，圖11為樣機換軌時的工作情況。

圖10 醫(yī)療軌道物流小車實物

圖11 換軌工況

樣機測試包括小車功能測試、紅外通信測試、換軌測試和載荷測試。經(jīng)測試后，得出以下結論：

a.小車功能和紅外通信測試中符合設計預期。

b.換軌測試中，調(diào)節(jié)換軌器上的2個限位開關及換軌器安裝高度后，換軌器可準確完成物流小車的換軌，小車電刷在2次跨越不同滑觸線時，小車供電正常。

c.在載荷測試中，空載及10 kg額定負載下，小車在水平導軌最大速度為0.75 m/s；極限負載下，水平穩(wěn)定速度為0.60 m/s；導軌垂直布置情況下，空載及額定負載最大速度為0.20 m/s；極限負載下，為保持步進電機不丟步，穩(wěn)定轉速為400 r/min，爬升速度為0.10 m/s。

4 結束語

設計研制了一款醫(yī)療軌道物流小車。其有以下特點：

a.采用步進電機作為動力單元，利用其低速大扭矩特性及較高的運動精度，從而獲得高負載和穩(wěn)定的運行。

b. 水平軌道采用常規(guī)鋁型材及滑觸線組成，成本低廉，十分適合國內(nèi)部分醫(yī)院的物品運輸?shù)统杀靖脑臁?/p>

c. 軌道物流小車底座前輪采用隨動機構，可有效降低小車在入彎道時的運行阻力，提高通過性。所設計的小車已經(jīng)完成制造、安裝和測試。

測試結果表明，速度與載荷基本達到了預期的指標。該小車的不足在于運行過程噪音較大，受電刷在超過50 V供電時，3個電刷間容易被擊穿，這些問題需要在后續(xù)的設計中進一步優(yōu)化改進。