自動化藥房分揀機械手的設計

柴啟茗，李成群，高小康

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

在現代社會飛速發展的趨勢下，我國社會的主要矛盾已經轉化為日益增長的人民對美好生活的需要與不充分不平衡的發展之間的矛盾。雖然國內大型醫院的醫療技術水平已經達到世界領先水平，但與醫療技術水平相比，醫療衛生的服務質量卻不盡如人意[1]。在大多數醫院門診藥房仍是傳統的人工售藥，在急診高峰期，總會出現人員擁擠的現象，傳統模式下的藥師仍是依據門診開的處方對藥品進行實時的手工調配，人工取藥存在著工作效率低、有時可能因藥師個人原因出藥錯誤等問題。藥房自動化可以有效地減少患者排隊時間，改善就診環境，提高發藥的準確率，降低藥師勞動強度，提高藥房的自動化管理水平[2]。因此，醫院藥房自動化是藥房發展的必然趨勢[3]。

本文設計了一臺主要由整筐出藥裝置、取藥機械手、拍照識別裝置和臨時儲藥裝置組成的自動化藥房分揀機械手。

1 分揀機械手結構的設計

自動化藥房分揀機械手整體結構簡圖如圖1所示，其主要包括臨時儲藥裝置6、整筐出藥裝置5、拍照識別裝置4、機械手3和坐標機器人2。坐標機器人是以XYZ直角坐標系為基本數學模型，以伺服電機為驅動的單軸機械臂為基本工作單元，以滾珠絲桿、同步皮帶為常用的傳動方式所架構起來的機器人系統。機械手安裝在由X方向、Y方向導軌組成的坐標機器人上。

1.1 整筐出藥裝置

整筐出藥裝置整體結構如圖2所示。最下層底板16固定在框架上，伺服電機11固定在中層底板19下方，同步帶12分別與最上層底板5的連接架15和最下層底板16的連接架10連接。支撐架4放置于最上層底板上，儲藥筐2放置于支撐架上。此種結構能夠保證儲藥筐置于指定位置，并且能夠做平穩的平行運動。

1-Y方向導軌；2-坐標機器人；3-機械手；4-拍照識別裝置；5-整筐出藥裝置；6-臨時儲藥裝置；7-X方向導軌圖1 自動化藥房分揀機械手整體結構

整筐出藥裝置與抽屜功能類似，利用伺服電機驅動同步帶輪，帶動底板共同彈出。由于最下層底板固定在框架上，伺服電機驅動，最下層底板不動，中層底板沿著導軌向外運動，最上層底板沿著直線導軌向外運動，三層底板分別有相對運動。伺服電機固定在中間底板，跟隨底板運動。設計整筐出藥裝置的目的是為了快速獲取大量藥品，大大加快出藥速度。

1-擋板；2-儲藥筐；3-儲藥筐拉手；4-支撐架；5-最上層底板；6-墊板；7，18-滑塊；8,17-直線導軌；9-彈簧；10-最下層連接架；11-伺服電機；12-同步帶；13-同步帶輪；14-張緊裝置；15-最上層連接架；16-最下層底板；19-中層底板圖2 整筐出藥裝置結構簡圖

1.2 取藥機械手

機械手工作時，僅依靠X、Y、Z三個方向運動即可完成取藥動作。機械手X、Y方向的運動機構主要由水平直線導軌、同步帶、同步帶輪和交流伺服電機構成；其上下方向的運動主要由滾珠絲杠和交流伺服電機構成。機械手結構簡圖如圖3所示。

1，14,20,26-伺服電機；2,13-電機托板；3-圓形導軌；4,6-滑塊；5-連接塊；7-手爪連接架；8-固定手爪；9-吸盤；10-吸盤連接架；11-軸承；12，24-聯軸器；15-底托；16-滑動手爪；17-齒輪；18-齒條；19-齒條連接架；21-連接架；22-絲杠；23-直線導軌；25-架體圖3 機械手結構簡圖

伺服電機1驅動絲杠帶動架體25向待取藥品方向運動，待到達指定位置后，吸盤9吸住藥品，伺服電機1反轉，將藥品提升到設定高度后，伺服電機26轉動通過聯軸器24帶動絲杠22轉動，從而控制滑動手爪16向下運動，到達合適位置后，伺服電機20轉動帶動齒輪17、齒條18控制滑動手爪16夾緊，之后伺服電機26反轉控制滑動手爪16向上運動，使固定手爪8從下方拖住藥品；之后坐標機器人通過伺服電機驅動同步帶輪帶動機械手在X方向運動，到達落藥口位置時，伺服電機14旋轉帶動藥品360°旋轉，并且每90°拍照識別一次；完成360°旋轉并且完成4次拍照之后，手爪張開，吸盤松開，使藥品落入臨時儲藥裝置中，隨后手爪回到初始位置，機械手取藥過程完成。

1.3 臨時儲藥裝置

臨時儲藥裝置整體結構簡圖如圖4所示。推藥板2通過連接板4與直線導軌9相連接，直線導軌9固定于底板6上，推藥板2可以沿直線導軌9方向平行移動；電動推桿5安置于底板的下方，其一端與底板連接，另一端與連接板4相連接，電動推桿5提供動力，帶動推藥板2向出藥口方向運動，完成送藥；待送藥完畢，電動推桿5帶動推藥板2回到初始位置。

1-限位擋板；2-推藥板；3-擋板；4-連接板；5-電動推桿；6-底板；7-框架；8-支撐架；9-直線導軌；10-滑塊；11-臨時儲藥箱體圖4 臨時儲藥裝置結構簡圖

將推藥板的接收落藥部位設計成斜面，其目的是減小藥品在落入儲藥裝置時對外包裝的損壞程度，并且，落入臨時儲藥裝置的藥品可以沿斜面順利滑下，以便被推藥板推出。

2 分揀機械手的控制系統

分揀機械手的控制采用二級控制系統，上位機為工控機，下位機為PLC，下位機通過接收上位機的指令進行動作。充分發揮下位機穩定、易控、結構緊湊和上位機交互界面友好、數據計算能力強等優點[4]。控制系統由6個伺服電機和1個電動推桿組成，以歐姆龍CP1H PLC為關鍵部件，協同完成取藥功能。其中，6個伺服電機分別用M1、M2、M3、M4、M5和M6表示。M1、M2分別通過驅動同步帶輪帶動同步帶完成機械手的X方向、Y方向上的運動，M3通過驅動絲杠帶動機械手Z方向上的運動，M4通過驅動絲杠帶動輔助手爪在Z方向上運動，M5驅動齒輪通過齒條帶動手爪的夾緊和張開，M6驅動軸通過吸盤連接架控制吸盤的轉動。選用CP1W-40EDR I/O繼電器輸出擴展模塊來控制電動推桿、氣泵和伺服電機M6，與PLC聯合實現伺服電機控制。控制系統框圖如圖5所示。

圖5 控制系統框圖

2.1 機械手取藥的控制原理

取藥時，通過PLC對系統的控制實現X、Y、Z三個方向上的精準定位。分別由三個交流伺服電機M1、M2、M3控制，待取藥機械手到達指定位置后，指令驅使伺服電機M4正轉，帶動支架向前運動指定行程；到達指定位置后，由CP1W-40EDR擴展模塊控制氣泵，由吸盤抓取藥品，之后伺服電機M3反轉驅動，待藥品到達指定位置，伺服電機M4正轉，到達指定位置后，伺服電機M5正轉夾緊，隨后伺服電機M4反轉；藥品移動至儲藥裝置上方，伺服電機M6旋轉，待旋轉360°后，伺服電機M5反轉，伺服電機M4反轉，CP1W-40EDR擴展模塊控制氣泵，使藥品掉落；藥品落入臨時儲藥裝置后，CP1W-40EDR擴展模塊控制電動推桿動作，送出藥品，隨后控制電動推桿將推藥板帶回初始位置。

2.2 拍照識別裝置的控制原理

藥品到達臨時儲藥裝置正上方時，由攝像頭對藥品拍照識別來采集藥品信息。它利用光電元件識別藥品，將拍照獲得的光信號轉換成電信號，再將電信號通過模擬、數字轉換器轉化為數字信號傳輸到計算機中處理，更新存檔藥品信息，當未檢測到藥品信息時，將信息反饋給計算機，再進行一次藥品的抓取[5]。此裝置可以保證出藥的穩定，同時將未穩定抓取信息提供給工作人員，并做出相應處理。

3 控制系統軟件功能的設計

根據實際工作要求，自動化藥房分揀機械手采用CX-Program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，并不斷優化[6]。控制系統軟件流程如圖6所示。在所選驅動裝置中，基本上都選擇了電機驅動，所以著重進行電機的軟件設計。當取藥動作開始時，系統會給需要運轉的電機傳遞啟動信號，接收到信號后要進一步確定運動方式，獲得系統中設定的運轉速度值與可允許的最大運轉速度值。由于各種原因，電機在實際運行過程中不會一直按照設定的值運行，所以一般都會給出一個誤差范圍[7]。對綜合實時反饋給系統的電機速度與誤差范圍做PI運算，實現實時控制矯正電機速度。在存在速度反饋的同時，將電機電流大小也實時反饋給系統，同樣電流的數值大小也會給出一個誤差范圍，相比之后得到電流的誤差，再進行一次PI運算，確保電機穩定運行。

圖6 控制系統軟件流程

4 結束語

針對當前我國藥房出現的問題，提出了一種可實現的自動化藥房分揀機械手，并且介紹了自動化藥房分揀機械手的總體結構、控制原理和系統軟件功能。系統結構簡單，充分利用CP1H PLC的強大功能，實現了對系統的控制。藥房自動化是當代中國醫院藥房的發展方向。自動化藥房分揀機械手的研究，提高了藥房的工作效率，為我國藥房自動化、藥學服務行業的發展起到了積極的促進作用。