基于單片機(jī)控制的一種中藥材自動(dòng)取藥機(jī)的研究

張正勛，鄧靜，陳金權(quán)，宋里，萬(wàn)江，潘勇

（貴州師范大學(xué)，貴州貴陽(yáng)，550000）

0 引言

中醫(yī)院、中藥店在取藥時(shí)的人工抓藥、人工稱量、人工包裝效率較低，并且藥劑師因疲勞[1]也可能造成一些失誤，因此，有很多學(xué)者在研究自動(dòng)抓藥設(shè)備。1993年，德國(guó)ROWA公司開(kāi)始形成有關(guān)的設(shè)計(jì)理念[2]。2006年，位于上海南京路的上海市第一醫(yī)院商店引進(jìn)并啟用該公司的自動(dòng)化藥房系統(tǒng)它的工作原理與自動(dòng)售米機(jī)相似[3]。但受當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平條件的影響，該款自動(dòng)抓藥機(jī)在實(shí)踐中屢屢碰壁。由于該自動(dòng)抓藥機(jī)科技含量較低，又因中藥材形狀、類型、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多樣的限制，導(dǎo)致在取藥的定量、精準(zhǔn)稱量及包裝等很多方面都存在困難，具體操作起來(lái)并不方便，故實(shí)用價(jià)值不高，不久便被市場(chǎng)淘汰。然而，對(duì)于中藥，需要精準(zhǔn)的稱量，尤其是異形藥材的精準(zhǔn)稱量，每種疾病根據(jù)病情程度的不同，其所需的藥材克數(shù)也不一樣。

將更多種類、形狀不同的中藥材納入自動(dòng)取藥的范圍，提供現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)包裝的能力，最大限度的解放人工勞動(dòng)力，建立一個(gè)專屬于中藥材信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，不斷地提高取藥機(jī)的智能化程度，推動(dòng)現(xiàn)代化醫(yī)學(xué)在硬件方向的發(fā)展，是當(dāng)下發(fā)展的趨勢(shì)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

■1.1 中藥研磨系統(tǒng)

中藥自動(dòng)取藥機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體采用箱體式結(jié)構(gòu)，標(biāo)注1處數(shù)個(gè)漏斗分別儲(chǔ)藏不同種類的中藥材，最右側(cè)的漏斗儲(chǔ)藏待研磨的片塊狀中藥材，在電磁閥門開(kāi)啟后進(jìn)入筒狀研磨缸，研磨缸內(nèi)有高速電機(jī)控制刀片，將片塊狀的中藥材研磨成粉末狀的中藥粉。標(biāo)注2處的由步進(jìn)電機(jī)控制的傳送帶將中藥粉末傳送至標(biāo)注3處的中藥粉稱量系統(tǒng)。

■1.2 中藥粉末稱量系統(tǒng)[4]

標(biāo)注3處中藥材稱量系統(tǒng)由伺服電機(jī)和連接在伺服電機(jī)的稱量盤所組成，稱量盤下方與壓電傳感器相連。傳送帶將中藥粉送入稱量盤后，壓電傳感器利用壓電效應(yīng)實(shí)時(shí)測(cè)量出中藥粉的重量。在傳送帶持續(xù)地將中藥粉送入稱量盤中，隨著所稱量的中藥粉重量的不斷增加，直至達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)重量值后，傳送帶立馬停止送入中藥粉，完成藥粉的稱量，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，中藥粉進(jìn)入標(biāo)注4處的塑料軟管。

圖1 中藥材自動(dòng)取藥機(jī)主要結(jié)構(gòu)

■1.3 藥粉混合打包系統(tǒng)[5]

不同種類已稱量完成中藥粉，經(jīng)由塑料軟管在標(biāo)注5處的漏斗匯集并進(jìn)入標(biāo)注6處的藥粉包裝袋，等待打包。打包系統(tǒng)分別由標(biāo)注7、8、9處的貼標(biāo)簽機(jī)、電熱封口機(jī)、十字導(dǎo)軌以及相連的吸盤手構(gòu)成。吸盤手可在十字滑軌上呈十字形移動(dòng)，先是利用移動(dòng)吸盤將藥粉袋吸引固定住并移動(dòng)取出，再移動(dòng)至電熱封口機(jī)端處，電熱封口機(jī)將包裝袋封口，又移動(dòng)至貼標(biāo)簽機(jī)端將包裝袋標(biāo)簽貼入并記錄數(shù)據(jù)，最后移動(dòng)至標(biāo)注10處的出藥滑梯，吸盤手釋放吸盤壓力，藥粉袋落入滑梯，完成打包出藥。

■1.4 控制流程

如圖2所示，各個(gè)中藥材各有一套稱量系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)作，解決使用單一稱量系統(tǒng)所產(chǎn)生的藥物殘留問(wèn)題，同時(shí)，支持多種中藥材稱量同時(shí)運(yùn)作，大大提高取藥效率[6]。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

如圖3所示，中藥材自動(dòng)取藥機(jī)系統(tǒng)主要由PC端控制程序、MCU（單片機(jī)型微型計(jì)算機(jī)）、研磨、傳送、稱量、打包系統(tǒng)部分組成。

圖2 中藥材控制流程

MCU在收到PC端用戶所設(shè)定的抓藥數(shù)據(jù)[7]，負(fù)責(zé)對(duì)控制其他傳感器、伺服電機(jī)等運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，完成研磨、傳送、稱量、包裝等動(dòng)作。（1）研磨系統(tǒng)，中藥材在進(jìn)入研磨缸后，研磨刀高速電機(jī)設(shè)定時(shí)長(zhǎng)為2分鐘，之后研磨缸旁電磁門打開(kāi)，緩慢釋放中藥粉進(jìn)入傳送帶。（2）傳送系統(tǒng)，傳送進(jìn)步電機(jī)被調(diào)節(jié)為1cm/s的勻速運(yùn)動(dòng)，使得中藥粉得以均勻的平鋪在傳送帶上，勻速送入稱量盤中。（3）在稱量系統(tǒng)，稱量壓電傳感器會(huì)將測(cè)量出的重量電位值實(shí)時(shí)反饋給MCU，重量電位值會(huì)隨著中藥材的重量增加而增加，當(dāng)MCU判斷出重量電位值一旦超過(guò)目標(biāo)值，立馬向傳送帶系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)發(fā)出停止指令，輸送的藥材停止，又向發(fā)出稱量系統(tǒng)的伺服電機(jī)發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，于是稱量盤翻轉(zhuǎn)，中藥材被傾倒入塑料軟管。（4）打包系統(tǒng)，會(huì)按照吸盤手會(huì)在按照在MCU中編輯好的固定路線運(yùn)動(dòng)，依次完成吸附、封口、貼標(biāo)簽、釋放等動(dòng)作。

圖3 系統(tǒng)組成

3 軟件設(shè)計(jì)

如圖4所示，專為該中藥材取藥機(jī)所設(shè)計(jì)的桌面應(yīng)用程序，在PC端用戶可以很方便的對(duì)改中藥材取藥機(jī)對(duì)抓藥的種類，重量，時(shí)長(zhǎng)等詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

圖4 中藥材取藥系統(tǒng)PC端用戶界面

4 取藥性能試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)自動(dòng)取藥機(jī)的稱量精確性，進(jìn)行中藥重量測(cè)量性能試驗(yàn)（如圖5），在系統(tǒng)控制端設(shè)置測(cè)量5g某中藥粉，稱量完成后，取出該中藥粉在專業(yè)電子稱進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)量，重復(fù)測(cè)試5次，得出結(jié)果為：第1組數(shù)據(jù)差值較大，分析原因可能由于傳送帶速度過(guò)大所致，后調(diào)低傳送帶速度又測(cè)出后4組。可見(jiàn)除了因傳送帶調(diào)速較大第一組數(shù)據(jù)差值較大，自動(dòng)稱量系統(tǒng)在低速狀態(tài)下測(cè)量精度基本可以控制在0.01g，滿足中藥材重量藥理要求[8]，見(jiàn)表1。

表1 電子稱進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)量表

圖5 稱量試驗(yàn)

5 結(jié)論

本研究介紹了一種中藥材自動(dòng)取藥機(jī)，采用箱體式結(jié)構(gòu)，集成了傳統(tǒng)中藥材取藥使用的打粉、稱量、打包步驟，并采用分布式的稱量結(jié)構(gòu)縮短稱量時(shí)間。為傳統(tǒng)人工中藥材取藥遇到的類目多、稱量時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，提供了一站式自動(dòng)化的解決方案。

并對(duì)該中藥自動(dòng)取藥機(jī)稱量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)，確保稱量滿足傳統(tǒng)中藥藥理要求。

該中藥系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)選藥、稱量、運(yùn)輸和包裝過(guò)程的全自動(dòng)化操作，安全衛(wèi)生，避免了人為誤差、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了抓取中藥的效率；

(2)自動(dòng)化的中藥原材打粉，封閉設(shè)計(jì)，減少粉塵污染浪費(fèi)；

(3)自動(dòng)化的稱量多種藥品，稱量準(zhǔn)確度高，速度快，藥品成分含量精準(zhǔn)；

(4)自動(dòng)化的打包，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高；

(5)自動(dòng)化的貼標(biāo)簽，便于區(qū)分；

(6)后期可與醫(yī)院中的藥品系統(tǒng)對(duì)接，掃描醫(yī)生開(kāi)的藥單即可取藥，更智能化的一體式操作。