自动化药房存取药品机械手的设计
发布时间：2020-06-04
摘要：在分析了国内医疗单位药房现状及对现有的自动化药房进行研究的基础上，提出了一种新型自动化药房存取药品机械手。通过改进机械结构提高对药品处理效率的同时，增设位移补偿装置，可自动实现机械手与储药架间空隙的自动补偿，以提高取药过程的稳定性。介绍了该机械手的工作原理及各组成部件的结构和功能，对各执行机构控制系统硬件及软件进行了设计。新型自动化药房存取药品机械手的设计及应用提高了医院药房的工作效率和药品调配的自动化水平。
关键词：自动化药房;存取药品机械手;间隙补偿;控制系统
0引言
目前，我国医疗卫生单位大多数药房仍采用传统人工售药的运营模式，在急诊高峰期，门诊侯药大厅病患拥挤现象严重。同时，传统模式下药师需对处方进行手工调配，劳动强度大，工作效率低，没时间为患者提供专业的药学服务。所以，为了改善药房医护人员的工作环境，提高发药效率，减少患者等待时间，医院药房自动化是药房发展的必然趋势[1]。
为解决上述问题，本文提出了一种新型自动化药房存取药品机械手，通过创新性机械结构及硬件选型来实现该设备对目标药品精确、快速、稳定的存取功能[2-3]。
1自动化药房工作环境分析
医院药房药品摆放规整，药品多为四方形包装。存取药品机械手由坐标机器人和末端两指式手爪架构而成。自动化药房内部两侧设有分层式的储药架，存取药品机械手的旋转中心置于两侧储药架的中心线上，存取药品机械手可根据医师处方或者特定指令自动完成取药和上药动作。药房自动化可以有效地减少患者排队时间，改善就诊环境，提高发药的准确率，降低药师劳动强度，提高药房的自动化管理水平等[4]。
存取药品机械手是自动化药房内部的重要组成部分，除实现药品的精确、快速定位外，还可提高对处方药品的调配效率，增加对盒装药品的处理数量及实现机械手与储药架空隙间的自动补偿。
2机械手的结构及参数设计
自动化药房是接收医师通过HIS(HospitalInformationSystem)发来的电子处方信息完成药品出库，或是根据自身药品库存完成自动上药的一种自动化设备。由于医院的特殊性，对整套设备卫生环境有较高的要求，清洁低噪，所以针对液压、气压、电动机三种驱动方式应选择精度、清洁度较高的电动机驱动方式。
自动化药房存取药品机械手主要由坐标机器人和机械手组成，坐标机器人是以XYZ直角坐标系统为基本数学模型，以伺服电动机、步进电动机为驱动的单轴机械臂为基本工作单元，以滚珠丝杆、同步带为常用的传动方式所架构起来的机器人系统。如图1所示，机械手安装在由横、纵导轨组成的坐标机器人上。
自动化药房存取药品机械手各主要组成部件的基本尺寸如表1所示。
2.1直角坐标机器人
由于医院药品摆放的特殊性，选择直角式机器人作为存取药的定位结构，同步带作为机器人的传动系统，
如图2所示。选择同步带是为避免大距离传动滚珠丝杠变形问题和齿轮齿条安装要求高等问题，同时选择伺服电动机作为其驱动系统，保证机械手定位快速、准确。
为了提高纵向导轨运动的灵活性及底部导轨的承重能力，一组滚轮及其侧面调节导轮代替传统的直线导轨机构实现纵向立柱在水平方向自由移动。通过两光轮使绕过中间同步轮的同步带产生包角，形成一种类齿轮齿条的传动机构，传动效率高，安装方便，成本低。机械手的纵向定位选择直线导轨加滑块的形式，带法兰的双滑块结构增加了机械手与导轨的连接强度。
2.2存取药品机械手
机械手是自动化药房最核心的执行装置。为适应医院药房各种品规药物，提高存取药品的灵活性，设计了一种两指式机械手，其结构如图3所示。
为适应药品处方的多样性，提高取药效率，增加机械手工作的稳定性和灵活性，两手指设置小角度转动机构，手指内部设置一个可旋动的折弯细杆。根据实际处方信息，机械手可实现单盒单次抓取、多盒同品一次抓取、多盒不同品调配抓取等多种抓取模式;同时根据药房内药品空缺情况，配合弯折细杆，可实现对空缺药品的快速补充。
图4所示为机械手取药示例。当药房接收到由医师开的电子处方后，机械手在依靠横纵导轨对目标药品定位完成后，两手指根据目标药品尺寸自动调整宽度，令其宽度略大于药盒宽度。随后手爪根据所需处方药品数量向前移动相应距离，两手指相向运动夹住目标药品，此时推杆向前动作使两指有一向内夹紧摆动动作，以避免药品滑动、脱落。
图3中的夹药方式在提高对处方处理效率的同时，还增加了机械手自身宽度，导致机械手转动过程中与药架间出现较大间隙。为保证药品抓取不从该缝隙中掉落，设计了一种间隙自动补偿装置，其原理如图5所示，该装置所在位置如图3所示。
弹簧始终为拉伸状态，连接基台与可动托盘使之存在相对运动趋势，无动作时钩爪限制其相对运动。当执行取药动作时钩爪向前运动，同时可动托板在拉簧作用下紧跟钩爪同向运动，运动到限位挡块时，可动托板停止运动，完成间隙补偿，其余部件继续运动完成取药动作。手爪基台向回运动时，将可动托盘拉回初始位置。
3机械手的控制系统
系统控制应满足机器人各轴协调控制，使其能够高效、稳定地完成升降、平移、抓取等动作;实现各轴单动、连续工作等运行模式;具有设备运行状态监测和异常状况报警等功能。在此基础上，控制系统应使机器人具有较高的系统稳定性[5-6]。
3.1控制系统硬件设计
存取药品机械手的控制系统由上位机和下位机两部分组成，上位机又与医院的HIS系统无缝对接。上位机在工业控制当中又被称为HMI，它的作用是监控现场设备的运行状态。下位机是整个控制系统核心硬件之一，选择可靠性、稳定性较高的欧姆龙CP1H系列PLC作为下位机，系统组成框图如图6所示。
系统选用欧姆龙公司CP1H-X40DT-D具有高度扩展性的小型PLC作为控制器，可以满足工控领域对设备的维护、性能及集成度的较高要求，其处理速度可与大型PLC的指令处理速度相媲美[7-9]。该PLC设有输入24点、输出16点;配备100kHz的4轴高速脉冲输出，实现高速、高精度定位控制;搭载100kHz的4轴、50kHz相位差高速计数器，将其接到伺服电动机编码器可进行高速计数输入，实现多轴控制，反馈伺服实时位置;标配USB外设端口实现串行通信;内置最高8点中断输入，凭借对指令的高速处理，有助于整个设备的高速化。
此外，CP1H-X40DT-D还具有语言简单、维护调试方便和扩展性好等特点。配合24点DC输入和16点继电器输出的CP1W-40EDR扩展模块及RS485总线实现对机械手各元器件的信息交流和数据传递，以保证机械手可以准确地完成指定动作。
3.2控制系统软件设计
采用CX-Program和CX-Position欧姆龙专用软件对PLC进行编程，PLC的编程理念是在满足设备运行要求的情况下，语言简洁，操作简单，令其不断优化[10]。对于自动化药房存取药品机械手控制的编程思想以图7控制系统软件流程框图为主进行程序编写。
自动化药房接收处方信息，机械手通过3台伺服电动机驱动直角坐标机器人及连接机械手的中空转盘快速定位目标药品，调节指间宽度大于药品宽度，以使得两指向前运动时可将药品抓起，根据药品的品规及处理数量指部状态(向内微摆或不动作)自动做出调整。根据处方要求，机械手自动判断执行连续取药还是出药动作，若抓取药品符合处方要求或者达到机械手可动托盘临时存储最大值，3台伺服电动机驱动坐标机器人及中空转盘使其移至自动化药房的出药口处，手爪整体向前运动，两指松开夹持药品，靠手爪向前运动时两手指末端安装的推药板将药物推落至出药口，机械手复位，取药过程完成，设备停止。
上药过程与取药类似，只是药品流向发生变化，即将外部输入的待补药品通过机械手摆放到储药架上的指定位置，值得注意的是，当待补药品为该储药单元最大值时，两指间凹槽需超过最后一盒药品，此时直线电动机不动作，折弯细杆转动90°，将全部药品“抱拉”至机械手的可动托盘上。
4设计效果评价
与现有的自动化药房相比，本文所述的自动化药房存取药品机械手的优势在于：加宽的机械手可动托盘及所涉补偿装置可提高对单次处方药品的处理数量及处方处理效率;采用伺服电动机作为驱动器，结合药品数据库及传感器装置可实现对目标药品的精确定位;取药时，根据药品尺寸参数快速对手指宽度及夹紧状态做出调整;机械手上安装的摄像头可与药品数据库中药物信息进行实时匹配，实现药品的无差别出药，避免不必要的医疗事故。
5结语
针对国内药房现存问题，提出了一种可实现自动化管理的自动化药房存取药品机械手。进行了自动化药房存取药品机械手工作原理和机械结构的研究，设计了该机械手的各重要组成部分及其控制系统。药房自动化是当代中国医院药房的发展方向，自动化药房存取药品机械手的研究提高了药房的管理水平和工作效率，降低了出药差错率，具有极大的市场推广价值，同时为食品、化工及烟草等领域的自动化存储提供解决方案。
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