劉 凱， 姜 凱

(1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣技術(shù)學(xué)院， 廣東廣州 510550； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097)

引言

開(kāi)發(fā)具有自動(dòng)取藥功能的自動(dòng)化設(shè)備可以縮短患者排隊(duì)候藥的時(shí)間，降低藥師的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高醫(yī)院自動(dòng)化水平[1-2]。國(guó)外從20世紀(jì)90年代，就已經(jīng)大規(guī)模開(kāi)展取藥設(shè)備的研究，我國(guó)從2000年開(kāi)始逐漸引進(jìn)進(jìn)口設(shè)備，并逐漸實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)并生產(chǎn)，江蘇、廣東等藥廠也生產(chǎn)了一系列取藥設(shè)備[3-4]。

目前，針對(duì)盒裝藥品(西藥、中成藥)的自動(dòng)取藥設(shè)備研究已比較成熟[5]，但中藥房的傳統(tǒng)中藥飲片由于形態(tài)各異，較難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化取藥。近十幾年，市面上出現(xiàn)了一種袋裝中藥配方顆粒，憑借其安全衛(wèi)生、藥效高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到各大醫(yī)院的廣泛使用[6-8]。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)針對(duì)中藥配方顆粒的取藥工作仍普遍由人工完成，實(shí)際取藥過(guò)程中常出現(xiàn)取錯(cuò)藥的情況，主要原因是配方顆粒均采用袋式包裝，其形態(tài)相似、尺寸規(guī)格相同[9-10]，但是這一特點(diǎn)反而利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化取藥，因此開(kāi)發(fā)一種針對(duì)袋裝中藥配方顆粒的取藥設(shè)備勢(shì)在必行，本研究基于氣吸原理，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)取藥設(shè)備，并進(jìn)行了作業(yè)性能試驗(yàn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)械臂

自動(dòng)取藥機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)械臂由1個(gè)垂直方向的鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和2個(gè)水平方向的同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，2個(gè)抓藥機(jī)械手分別固定在2個(gè)滑塊上，在同步帶的帶動(dòng)下沿導(dǎo)軌做水平方向運(yùn)動(dòng)，并在鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下整體做垂直方向運(yùn)動(dòng)。由于發(fā)藥系統(tǒng)使用了2個(gè)抓藥機(jī)械手，既提高了發(fā)藥效率，又兼顧了設(shè)備成本，同時(shí)避免因抓藥機(jī)械手故障造成整機(jī)無(wú)法正常發(fā)藥的情況發(fā)生。2個(gè)抓藥機(jī)械手可獨(dú)立動(dòng)作，根據(jù)控制系統(tǒng)的安排分別完成各自的抓取動(dòng)作。當(dāng)其中1個(gè)抓藥機(jī)械手發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)采用應(yīng)急方案，將故障的抓藥機(jī)械手?？吭谝粋?cè)等待維修，另1個(gè)抓藥機(jī)械手完成所有抓取動(dòng)作，此時(shí)發(fā)藥時(shí)間有所增加，但不會(huì)產(chǎn)生停滯。待故障的抓藥機(jī)械手修復(fù)后，2個(gè)抓藥機(jī)械手再次同時(shí)工作。

圖1 自動(dòng)取藥機(jī)主要結(jié)構(gòu)

1.2 自動(dòng)供藥裝置

如圖2所示，市面上常用的配方顆粒普遍為方形袋式塑料包裝，最常見(jiàn)的有50 mm×60 mm和60 mm×60 mm，設(shè)計(jì)自動(dòng)供藥裝置的關(guān)鍵是有效存儲(chǔ)藥品且方便依次提取顆粒袋。自動(dòng)供藥裝置如圖3所示，由藥盒、卷簧推進(jìn)器、柔性阻尼條構(gòu)成。所有顆粒袋均整齊擺放在儲(chǔ)藥盒內(nèi)，并在卷簧推進(jìn)器的預(yù)緊壓片作用下緊密貼合，每次機(jī)械手取出1袋顆粒袋后，其他顆粒袋自動(dòng)向前依次補(bǔ)充。出藥口處安裝的柔性阻尼條的作用是防止中藥顆粒袋取出時(shí)因相鄰2袋發(fā)生摩擦作用引起多取的情況發(fā)生。

圖2 袋式中藥配方顆粒

1.3 取藥機(jī)械手設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的取藥機(jī)械手包括水平雙桿氣缸、豎直雙桿氣缸和1個(gè)吸嘴組成，如圖3所示。水平氣缸用于機(jī)械手的伸出與縮回，豎直氣缸用于機(jī)械手的上升與下降，吸盤用于中藥配方顆粒袋的吸取與釋放。

圖3 中藥配方顆粒取藥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

吸盤按材質(zhì)分為剛性吸盤和柔性吸盤，柔性吸盤整體硬度比較小，一般只受垂直于吸附面的力。與柔性吸盤相比，剛性吸盤可以承受與吸附面平行的力，而且在吸附柔性吸附面時(shí)還可以保證良好的密封性[11]，因此取藥機(jī)械手采用了剛性吸盤。為了維持機(jī)械手吸取配方顆粒的穩(wěn)定性，在吸盤真空回路中串聯(lián)了1個(gè)真空壓力傳感器，用于檢測(cè)真空度，始終保證吸盤的真空度在一定范圍內(nèi)。

如圖4所示，儲(chǔ)藥盒中藥袋露在取藥機(jī)械手前端的范圍較小(15 mm×15 mm)，且機(jī)械手定位精度小于1 mm，故本研究使用的吸盤直徑為12 mm，通過(guò)抓取試驗(yàn)證明效果較好，未發(fā)生因定位導(dǎo)致的漏抓問(wèn)題。

圖4 藥盒尺寸簡(jiǎn)圖

1.4 工作原理

取藥機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程如圖5所示。初始時(shí)氣缸都處于縮回位置，具體動(dòng)作過(guò)程如下：

(1) 取藥機(jī)械手移動(dòng)到待發(fā)藥品位置，水平氣缸伸出，同時(shí)真空發(fā)生器啟動(dòng)；

(2) 當(dāng)氣嘴接觸到顆粒袋時(shí)且真空壓力達(dá)到設(shè)定值后豎直氣缸伸出，在儲(chǔ)藥盒中的顆粒袋被提起；

(3) 水平氣缸縮回，氣嘴吸力保持；

(4) 豎直氣缸縮回，真空發(fā)生器停止工作，失去吸力的顆粒袋在重力的作用下掉落，完成一次取藥和放藥過(guò)程。

一次取藥作業(yè)結(jié)束后，所有氣缸回到初始狀態(tài)，等待到下一個(gè)位置進(jìn)行取藥。

圖5 取藥機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 取藥機(jī)械手氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

圖6為取藥機(jī)械手的氣動(dòng)回路，取藥機(jī)械手以氣吸為主，氣壓驅(qū)動(dòng)為輔，氣缸和電磁閥均采用無(wú)油潤(rùn)滑型。吸盤與真空發(fā)生器相連，當(dāng)真空發(fā)生器啟動(dòng)，吸盤對(duì)配方顆粒袋表面可產(chǎn)生吸力。

圖6 取藥機(jī)械手氣動(dòng)回路

2個(gè)電控二位三通電磁閥分別控制豎直氣缸和水平氣缸；平移氣缸和升降氣缸分別采用雙作用氣缸，通過(guò)單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)運(yùn)行速度。

2.2 氣嘴吸附力的分析計(jì)算

真空吸盤是真空系統(tǒng)的執(zhí)行元件，由于周圍壓力高于真空吸盤和配方顆粒袋表面間的壓力，故真空吸盤吸附于表面。真空吸盤與真空發(fā)生器相連，壓力越低，吸盤里面的真空度越高[12]，真空吸盤的吸附力越大，吸盤吸附就越牢靠。

大氣作用下的壓力計(jì)算公式為：

式中，W為吸附力(在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下產(chǎn)生的壓力)； Δp為真空度(壓強(qiáng)差)，MPa；S為吸盤與吸盤面接觸的有效接觸面積，mm2。

由于中藥配方顆粒的可作用面積僅在25 mm直徑范圍內(nèi)，為了保障抓取的穩(wěn)定性，滿足對(duì)配方顆粒袋的吸附需求本研究設(shè)計(jì)的取藥機(jī)械手的吸盤直徑為20 mm，由于真空發(fā)生器最大壓強(qiáng)差為0.68 MPa，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算，得出吸盤吸力為2.19 N。

3 取藥作業(yè)性能試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)取藥機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能，本研究進(jìn)行了中藥袋取藥作業(yè)性能試驗(yàn)，在儲(chǔ)藥盒內(nèi)放置70袋以上的中藥配方顆粒，取藥機(jī)械手由PLC控制電磁閥實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，配方顆粒袋的規(guī)格是50 mm×60 mm，氣嘴真空度為0.68 MPa。圖7為取藥機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)。

圖7 取藥機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)過(guò)程機(jī)械手按照預(yù)設(shè)好的路徑進(jìn)行取藥動(dòng)作，過(guò)程中采用攝像機(jī)進(jìn)行攝錄，同時(shí)記錄100 s內(nèi)漏抓次數(shù)、多抓次數(shù)和成功次數(shù)，并計(jì)算成功率。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

在總共進(jìn)行的4次試驗(yàn)過(guò)程中，268個(gè)中藥配方顆粒袋進(jìn)行了抓取，成功率在92%～96%之間變動(dòng)，平均成功率在94%。

不同取藥失敗的原因見(jiàn)表2，造成漏取得原因主要有2個(gè)，第1個(gè)原因是機(jī)械手安裝誤差造成的氣嘴沒(méi)有完全接觸到顆粒袋，取藥機(jī)械手定位不準(zhǔn)確造成氣嘴沒(méi)有吸取顆粒袋正中位置；造成多取的原因同樣有2個(gè)，第1個(gè)原因是儲(chǔ)藥盒上方的阻尼條阻力過(guò)小，第2個(gè)原因是取藥機(jī)械手的豎直氣缸提升過(guò)快。

表2 失敗原因分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的位置進(jìn)行校對(duì)后再次進(jìn)行作業(yè)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)成功率顯著提高，漏抓、多抓情況較少出現(xiàn)，機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本研究介紹了一種中藥配方顆粒自動(dòng)取藥設(shè)備，采用氣吸機(jī)理實(shí)現(xiàn)了配方顆粒的1次取1袋的作業(yè)要求，為突破中藥自動(dòng)化取藥這一瓶頸提供了新的思路。

根據(jù)成功率、漏取、多取等方面分析了4次取藥試驗(yàn)出現(xiàn)失敗的原因，為設(shè)備的調(diào)整優(yōu)化提供了依據(jù)。