一種智能輔助藥箱機構設計與分析

劉人菊， 陳胡， 陳軍， 談杰明， 郝曉曦

（五邑大學 智能制造學部，廣東 江門529020）

0 引言

傳統醫院藥品分發流程是: 藥劑師根據醫生的藥方配制藥品,交付給病房護士，然后由護士分發藥物。在這段時間里,藥物信息將按照“三查七對”[1]的原則進行檢查,最后護士向病患解釋說明藥物的使用方法和禁忌, 并在核發表上簽名。其中，“三查七對”耗費了護士的大量精力。如果加上送藥時間，則護士會消耗更多時間在整個藥品分發過程。因此，為了克服手工分發藥品費時費力的缺點，設計一種新型實用設備——智能輔助藥箱。其目的是減少醫療事故的發生和減輕醫護人員的工作負擔。

圖1 智能輔助藥箱外部結構

1 智能輔助藥箱總體結構設計

如圖1所示，箱體分為3層，分別是上、中、下層，上層安裝升降云臺機構及其控制系統，中層為箱體主體機構，配置4個裝載藥品的門，箱體底層為漏斗收集口、出倉槽和外置檢驗攝像頭。

箱體頂層設置箱體門禁系統，只需要用IC門卡靠近頂部感應器，4個門的電子鎖就會打開，進入裝載藥品模式。箱體頂部還設置有人機交互觸摸屏，用于箱體內系統的控制。

箱體中層為箱體主要機構部分，分為4個裝配箱門，每個門的開合都設置位置傳感器，作為箱體運作時裝藥模式與送藥模式的基礎轉換條件，箱體門設置隱藏門把。

箱體底部裝有與智能導航尋跡車[2]接合的卡槽孔位，只需將其與小車上的螺桿孔位對齊，通過螺栓連接，便可固定在小車上，實現智能藥箱的自動尋跡送藥功能。底層的長邊一側是二維碼外置攝像頭和出倉槽，可根據實際情況定制安裝位置，另一側為電源與系統的散熱風口門。

智能輔助藥箱外觀大致為長方體，具體規格約為57 cm ×24.7 cm×90 cm，每層板厚2 mm，采用不銹鋼材料制作[3]。可按照醫院內住院人數變更箱體裝藥規模，通過改變箱體內的裝載器皿排列數量，修改箱體長寬尺寸，以適應多功能任務需要。

2 關鍵結構與特點

2.1 送藥機構的設計

送藥機構位于箱體門板上，是整個裝置的重要的關鍵部件之一。其主要作用是實現儲藥和彈藥功能。由運動部件和支撐部件組成，如圖2所示。

具體的工作流程如圖3所示。開始時每個盒子都位于初始已推送狀態（盒子內的彈簧片沒有壓緊，當手動拉下頂部的鎖緊拉閘，拉閘通過動力壓桿帶動裝配箱兩邊的凸輪，凸輪通過連桿帶動每一層的凸輪一起轉動，凸輪轉動將每層的橫壓桿往下壓。每個盒子后方伸出一個撥動長桿并配置一個電磁鐵，供橫壓桿動作時鎖緊盒子內部彈簧片使用。當鎖緊拉閘拉到極限位置時，橫壓桿將每一層的盒子的撥動長桿壓下至電磁鐵鎖頭下端實現鎖緊盒子內的彈簧片作用，使盒子處于預推送狀態。此時松開鎖緊拉閘，拉閘和凸輪將會在橫壓桿兩端布置的拉伸彈簧作用下復位至初始狀態。

圖2 送藥機構圖

當需要釋放盒子中的藥品袋時，將電磁鐵通電，電磁鐵動作回縮鎖頭釋放撥動長桿，在彈簧片的彈性勢能下將托盤上的藥品袋推送出去，藥品袋落入中置的出倉漏斗平臺。

2.2 藥盒機構設計

藥盒是送藥機構的核心部分，作為儲藥和彈藥的裝載體，如圖4所示，其主要由導柱托盤、導槽外殼、撥動長桿、支撐連桿、銷、彈簧片和外殼等組成。導柱托盤用于托住藥袋，導槽外殼背部開有3個豎列槽，用于定位導柱托盤水平下移防止傾斜。在鎖緊拉閘向下拉動時，聯動機構下壓藥盒后部的撥動長桿，帶動導柱托盤下移，彈簧片被壓縮。設計過程中要保證豎列槽邊緣的光滑度，防止導柱托盤沿導槽外殼豎列槽滑動時所受摩擦力大于彈簧片對托盤的支撐力，破壞機構整體運動。

圖4 藥盒結構圖

2.3 信息校驗機構設計

信息校驗機構主要由伸縮導軌、360°旋轉云臺、步進電動機、攝像頭等部件組成，通過在箱體內部的頂部中置一個伸縮線性機構（由伸縮導軌構成） 和360°旋轉云臺（并且具有一定的俯仰角度功能），云臺上安置攝像頭可360°定位旋轉識別藥瓶條形碼（或二維碼）。完成對藥盒內藥品信息與系統內信息的最后一步校驗工作，以此確保所分發藥品為唯一指定藥品，避免錯發的事故發生。因此，信息校驗機構也是智能輔助送藥箱的重要一環。

由于本環節攝像頭作為核心零件，如選取精度指標不合格，嚴重影響校驗效果，設計要求攝像頭的最小有效識別距離應為5 cm，同時應考慮區域范圍，攝像頭的長、寬不應大于14 cm，并保證信息校驗的穩定、可靠。

3 系統控制流程

智能輔助藥箱的控制系統采用stm32F103作為主控制器。控制系統通過觸摸屏設置初始命令，限位開關、二維碼讀取器作為輸入信號，主控通過讀取二維碼的信號進行信息校對，根據校驗結果響應執行機構動作，系統結構框圖如圖5所示。

圖5 智能輔助藥箱控制系統結構框圖

圖6 控制系統主流程圖

控制系統主流程圖如圖6所示。主要分為裝藥模式和校驗模式。其中，裝藥模式是利用IC門卡識別使用者身份確定是否授權后再開門，開門后行程開關斷開激活條形碼識別模塊識別信息和光敏電阻模塊（記錄藥品物理地址并轉換為信息地址儲存）。校驗模式通過外置條形碼識別病患信息，尋找系統內相對應的藥品信息，對藥品尋址控制中置導軌云臺機構上的條形碼識別，攝像頭再次檢測校對信息，校對正確無誤后控制電磁鐵的開合，藥品袋被推送至底部的滑臺出倉至指定位置，最后語音模塊對藥品信息與醫囑進行反饋。

具體動作指令為：首先護士準備進行裝藥階段，利用IC卡判斷職員身份，如果不符合身份，則電子門鎖不動作，如果符合身份，則電子門鎖打開；開啟箱門后，門旁限位開關輸出高電平，控制器控制開關打開二維碼、光敏電阻的電源；識別藥品信息，如果識別錯誤，則提示識別失敗，并返回上一步，繼續藥品識別，如果正常，則進行地址存儲。地址存儲錯誤則亮紅燈，回到上一步，地址存儲正確則亮綠燈；裝藥完成，關閉箱門，限位開關變為低電平，切斷箱內條形碼識別和藥品識別存儲。若未完成，則繼續裝藥。判斷觸摸屏是否開啟送藥模式，如果開啟，則進行智能尋跡小車尋跡送藥，否則待機休眠。小車行駛至指定位置后，進行掃碼識別，由主控判斷信息是否匹配，如果不對，則進行信息報警，如果正確則開啟信息內部自檢，使得步進電動機動作帶動攝像頭進行掃描自檢，再由主控判斷自檢信息是否正確，如果不正確，則進行信息報警，如果自檢信息正確，主控輸出動作脈沖信號，讓對應的藥盒后背電磁鐵頭吸合，彈出藥盒。同時，程序指令控制減速電動機動作，齒輪帶動齒條傳動，使得測量模塊滑出。當對射光電傳感器輸出個高電平時，減速電動機反轉，測量模塊復位。程序判斷送藥是否完成，如果完成智能尋跡小車尋跡回程，待機休眠，否則返回程序，繼續送藥。

隨著數字孿生技術的日益成熟，技術人員可以在PC上實時觀察并控制小車行跡和送藥過程。數字孿生關鍵過程為“數化”，即將物理對象轉化為可以度量的數據，再通過數據建立合理的數字化模型。“數化”是建立數字孿生體的第一步，也是數字孿生技術的基石。數字化的核心技術之一為建模，只有模型建立正確并得到完整的輸入信息，仿真得到的結果才能符合實際。智能輔助藥箱的模型在NX12.0環境下建立，NX軟件下的MCD模塊可以將裝配體分解為機械、電氣、自動化的通用語言，通過OPC通信協議，將模型與PLC程序建立聯系，得到機電一體化產品的自動化行為的正確仿真結果。

4 結語

目前，市面上尚未出現能夠自動派發醫療藥品的輔助醫療設備。本課題設計的智能輔助送藥設備能實現對病患藥品識別、存取和檢驗信息[4]的功能。幫助醫護人員完成簡單、重復的日常發送藥品工作，為繁忙的醫院節省出大量人工成本[5]，提高工作效率的同時還可以降低護士的人為出錯率。