單軌式搬運機器人在自動化藥房中的應用分析

陳 思，李成群

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

隨著科學技術水平的不斷發展和全球市場的多元化，機器人技術已經從工業制造業延伸至各行各業中，各類型的機器人企業也不斷涌現，尤其是在醫藥行業，自動化藥房應運而生。機器人能夠在繁重的藥房任務中代替人工進行作業，尤其是在經歷2020年初的新冠疫情后，讓我們看到機器人技術代替人工的重要性[1]。在醫療行業中已經有很多種類型的機器人被投入到臨床使用中，比如手術機器人、康復機器人、分揀機器人、搬運機器人等被應用到日常醫務工作中，而在藥品管理方面很多醫院的門診藥房仍然采用傳統的人工搬運模式，每天面對龐大的就醫量，工作強度大，藥品復核錯誤率高，也降低了醫院整體的運轉效率[2]。

因此，本文針對以上問題提出一種可在自動化藥房中應用的單軌懸掛式智能搬運機器人系統，通過頂部制動的方式，以最小的人力投入獲得最大限度的藥房存儲率，實現藥品快速、安靜、精準的搬運功能。

1 藥房智能搬運機器人整體設計思路

在當前自動化藥房的背景下，為改變傳統藥房工作模式中勞動強度大、藥品復核率低、藥房管理繁瑣等現狀，本文提出一種新型的藥房自動化模式——單軌懸掛式智能搬運機器人，將其懸掛于特殊布置的空間軌道上，在終端系統的控制下，以動態分配的管理方式對有藥品發放、分配、補充需求的指定藥倉區同時進行平穩、高效、有序的藥物分揀、搬運、倉儲。其充分利用了藥房有限的空間，使藥師不必再苦于尋找不同藥品或試劑而多次往返于不同貨架之間[3]，是適用于藥房場合的一種應用方案。

結合藥房日常工作流程及功能要求擬定設計思路，藥房智能搬運機器人設計流程如圖1所示。

圖1 藥房智能搬運機器人設計流程

2 藥房智能搬運機器人系統方案設計

在查閱相關文獻資料后，結合當前自動化藥房在實際使用中所面臨的問題，對整理出的相關方案進行可行性分析，同時運用動力學分析、運動學分析并結合機械設計的準則，通過功能分析并考慮到零部件的材料和加工難易程度等，確定結構尺寸、裝配關系等，最終采用確定單軌懸掛式的藥房智能搬運機器人方案。

本文所提出的單軌搬運機器人系統主要由平行機械手、智能搬運電車、軌道系統等組成，通過無線終端設備采用動態任務分配模式，對電車進行調度編排，以實現藥品在不同倉區的識別、分揀、搬運。

2.1 機械手裝置

機械手是藥房智能搬運機器人系統的基礎部分，主要包括搬運爪、定位支架和支撐主體，如圖2所示。機械手機構在系統中主要承擔對指定倉區藥品的平行抓取功能，實現對指定藥品倉區的精準分揀。

根據運動要求，機械手的驅動方式分為三種類型：氣動驅動、液動驅動和電動驅動。其中，氣動和液動兩種驅動方式可承受較大負載，但成本較高，這里選擇電動驅動方式。根據抓取動作的實現方式分為自動鎖緊機構和推桿伸縮抓緊機構，其特點分別是：自動鎖緊機構無需動力僅依靠重力作用，在接觸藥箱后通過內部的空間旋轉凸輪結構實現抓取動作，其精度較低，穩定性差；推桿伸縮抓緊機構通過PLC控制推桿的伸縮動作，能夠使機械爪精準實現對藥箱的抓、放動作。綜上所述，這里我們選擇電動推桿驅動的方式。

待搬運的藥品通常放置于藥箱內，當機械手到達系統指定分揀區后，藥箱與接觸開關觸碰后將觸發信號傳遞到PLC，控制電動推桿驅動平行機械爪進行抓、放動作，機械手采用碳素結構鋼(Q235B)制作，具有良好的韌性和剛度，保證在抓取的過程中機械手不變形。

2.2 智能搬運電車

智能搬運電車是搬運系統的核心部分，主要包括提升機構、行走機構和電車車體，如圖3所示。

提升機構主要承擔著機械手的下放和起升，是系統的中樞部分；電車車體是整體設計方案的關鍵，電車在行駛過程中，既要保證靈活性，減小周期性軌跡誤差，避免偏離軌道，又要充分利用內部空間，控制車體尺寸，所以后輪軸徑不應過大，車體內各部件在滿足功能要求的前提下布置要合理。

通過查閱文獻資料可知，搬運電車的驅動方式一般分為以下三種：單輪驅動方式、雙輪同步驅動方式、雙輪差速驅動方式[4]。

當電車在軌道上行駛和轉彎時，并行輪間必然會產生速度差，常規情況下的單輪驅動和雙輪同步驅動方式并不能解決上述問題，因此這里選用雙輪差速驅動方式，不僅能成功地消除差速現象的影響，而且電車行駛在彎道時能很好地避免轉彎打滑的問題。此外，由于電車運行時始終處于懸掛軌道上，為保證傳動的可靠性和運行的平穩性，因此采取同步帶輪進行動力傳輸，并設置張緊裝置。

智能搬運電車主要承擔著系統的運輸功能，能夠實現指定分揀區到指定藥品倉區的精準搬運。

2.3 單軌系統

軌道系統采用的是單軌系統，如圖4所示。單軌系統懸置于頂部房梁，可根據藥房自身的使用要求進行自主布局調整，其主要由直道和彎道組成，并結合45°型和Y型兩種規格的自動分流、合流單元，根據搬運任務的不同配合智能電車搬運系統，將小車軌道延伸至藥房不同位置的倉區。

1-搬運爪；2-定位支架；3-支撐主體 1-提升機構；2-行走機構；3-電車車體

3 藥房搬運系統動態調度總流程設計

3.1 動態調度系統

整個藥房搬運系統的運動通過程序控制實現有序的動態編排[5]，可同時對多臺電車的運行速度、行駛軌跡和任務完成情況等運動狀態進行實時監測，保證各電車在行駛過程中的安全性和運動順序的合理性，提高藥房系統整體的工作效率。

此外，藥房動態調度系統是整個運動系統的信息中樞，可通過程序控制的動態調度系統即時查看電車的運行任務、運行次數和行駛時間，及時掌握藥房的出藥狀況并進行必要的調整，保證藥房始終處于高效、穩定的運轉狀態。

3.2 系統搬運流程設計

根據醫院藥房的工作流程將整個藥房系統分為5個區，包括藥品倉儲區、分揀區、配藥區、窗口發藥區和其他使用區，其中藥房智能搬運系統主要在倉儲區、分揀區和發藥區運動。由于搬運系統在不同倉區的功能不同，可概括為三個分流程，具體如下：

(1) 藥方處理。當患者與醫生完成就醫環節后，醫生通過計算機生成處方信息并直接反饋給患者，在與患者確認后，將處方信息傳送至動態調度系統，動態調度系統生成處方編號并與處方信息自動匹配，在藥師完成配藥后調度電車來搬運，同時為電車規劃最優路線。

(2) 電車搬運。無線終端在接收到藥師的處方信息后，通過動態調度系統，將任務分配給距離最近的電車，同時對任務路徑進行最優化分析，并將藥品準確運送至指定發藥區，完成任務后自動返回緩沖區等待下一步指令。

(3) 藥倉補給。通過動態調度系統實時對藥房的出藥情況進行分析匯總，及時對存儲不足的藥品倉區進行補給搬運。

系統搬運流程如圖5所示。

圖5 系統搬運流程

4 總結與展望

隨著藥房自動化的不斷發展，對藥房的管理模式和柔性化有了更高的要求。藥房智能搬運系統通過引入物流搬運模式，采用動態分配的管理方式對處方信息進行加工處理，無需藥師再次進入藥房貨區進行搬運，直接調度安排智能電車實現對藥物的定點搬運、無障礙搬運，將藥師從繁重的工作中解放出來，降低了藥物人為復核差錯率，減輕了藥師的勞動強度，能夠更好地給患者提供醫療服務，對引導未來藥房智能化、無人化的發展具有現實意義。