劉明德，蘇 蕓，王 江，范微波，李曉燕

(江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 前言

智能藥房直接對(duì)接醫(yī)院的處方系統(tǒng)，患者繳費(fèi)后系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)藥，發(fā)藥準(zhǔn)確，效率高，節(jié)省人力成本。 我國越來越多的大醫(yī)院正在逐步向著智能化方向發(fā)展。 智能藥房極大地提高了發(fā)藥速度，藥房受空間的限制，不便存放太多的藥品量，使得有些常用藥需要經(jīng)常添加補(bǔ)充。 為減輕人工負(fù)擔(dān)，加藥機(jī)器人的需求也越來越大。 為此，筆者設(shè)計(jì)了一款智能藥房的加藥機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)。

1 技術(shù)需求分析

在智能藥房中，使用加藥機(jī)器人對(duì)藥柜加藥，對(duì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)有其特殊要求。 行走機(jī)構(gòu)既要能夠在存藥的庫房到發(fā)藥的藥房間行走，還要能在狹窄的藥柜間巷道中行走，因此車體的寬度要窄，要小于巷道的寬度。 由于智能藥房中的藥柜都較高，加藥機(jī)器人的機(jī)械手動(dòng)作位置也必須能達(dá)到較高位置，從而容易導(dǎo)致機(jī)器人的重心偏移較大，一般車輛容易側(cè)翻。 要保證小車穩(wěn)定可靠、晃動(dòng)小、不翻倒是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 另外，小車還要能準(zhǔn)確定位到目標(biāo)位置，便于準(zhǔn)確取藥和加藥操作[1-2]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

藥房場(chǎng)地特點(diǎn)是地面較為平直，藥柜間的通道基本是以行列排布，適應(yīng)于軌道車行走方式。 而一般的軌道運(yùn)輸車在轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑過大，不便于在藥房中使用。 為解決這一問題，采用在交叉路口位置設(shè)置轉(zhuǎn)向臺(tái)，當(dāng)軌道車完全進(jìn)入到轉(zhuǎn)向臺(tái)后，控制轉(zhuǎn)向臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°，停在轉(zhuǎn)向臺(tái)上的軌道車即可就地轉(zhuǎn)向90°，消除了轉(zhuǎn)彎半徑的問題。軌道車的駐車制動(dòng)采用夾軌方式可以防止停止的車輛發(fā)生移動(dòng)和傾斜，對(duì)機(jī)器人的取藥或加藥動(dòng)作可提供準(zhǔn)確定位的條件[3-5]。

2.1 軌道總體布局

因各家的藥房和庫房布置情況各不相同，不失一般性，本文僅以一條縱向軌道和兩條橫向軌道的簡(jiǎn)單模型進(jìn)行說明。如圖1 所示，固定軌道由縱向軌道（1）和橫向軌道（2）形成行列交叉，在縱向軌道（1）與橫向軌道（2）的交叉位置處斷開。在斷開位置均設(shè)置轉(zhuǎn)向臺(tái)（3），通過轉(zhuǎn)向臺(tái)（3）上的連接軌道實(shí)現(xiàn)各軌道間的連通。

圖1 軌道總體布局

軌道用槽鋼制作，每條軌道的兩根軌道槽口相向布置。 軌道車的車輪在軌道槽內(nèi)行走。

2.2 轉(zhuǎn)向臺(tái)

圖2 轉(zhuǎn)向臺(tái)

轉(zhuǎn)向臺(tái)可將交叉位置的固定軌道實(shí)現(xiàn)連通作用，可直行通過，也可轉(zhuǎn)向90°通過。 如圖2 所示，轉(zhuǎn)向臺(tái)由圓形的臺(tái)板（1）為主體，其上固定有連接軌道（2），連接軌道（2）可以將在交叉處斷開的縱向軌道或橫向軌道連通。 在臺(tái)板（1）的下方中心位置有旋轉(zhuǎn)軸（3）和轉(zhuǎn)軸座（4），還有控制臺(tái)板（1）旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（5）。 為了加強(qiáng)臺(tái)板的穩(wěn)定性，還設(shè)置了支撐輪（6）。 為控制轉(zhuǎn)向臺(tái)的連接軌道（2）與縱向軌道或橫向軌道準(zhǔn)確對(duì)接，特設(shè)置了定位鎖緊裝置（7）。在軌道對(duì)齊后，定位鎖緊裝置（7）將臺(tái)板（1）鎖緊固定。 當(dāng)臺(tái)板（1）需要旋轉(zhuǎn)時(shí)，定位鎖緊裝置（7）解鎖，然后才能在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（5）的控制下，使臺(tái)板（1）旋轉(zhuǎn)。

2.3 軌道車

如圖3 所示，軌道車的車輪（1）在軌道槽內(nèi)行走，可以保證車體不傾翻。 采用單軸驅(qū)動(dòng)方式，由步進(jìn)電機(jī)（2）驅(qū)動(dòng)，可以根據(jù)需要隨時(shí)控制運(yùn)行速度，也方便實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。在車輛停止時(shí)，利用駐車制動(dòng)器（3）進(jìn)行固定。駐車制動(dòng)器（3）采用夾軌的方式制動(dòng)，將軌道車鎖定在軌道上，保證位置不移動(dòng)。 軌道車在軌道上的實(shí)際行走距離專門設(shè)置有位移測(cè)量裝置（4）。 位移測(cè)量裝置（4）安裝在軌道車上，其壓輪始終保持與軌道緊密接觸。 壓輪隨著軌道車的行駛而轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移轉(zhuǎn)換成編碼器的輸出編碼，從而換算出軌道車的行走位移量。 絕對(duì)編碼器的輸出還可以識(shí)別軌道車的行駛方向。 通過位移測(cè)量裝置（4）的反饋信息，可以使軌道車的移動(dòng)定位形成閉環(huán)控制，保證定位的高精度。

圖3 軌道車

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用集散式控制方式，總控制臺(tái)為車輛運(yùn)行的控制中心，既需要控制軌道車運(yùn)行，又要控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)向，還要負(fù)責(zé)與智能藥房發(fā)藥系統(tǒng)和庫房管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

圖4 控制系統(tǒng)框圖

如圖4 所示，圖中列出了一臺(tái)軌道車和兩個(gè)轉(zhuǎn)向臺(tái)的控制系統(tǒng)框圖 （未含車載設(shè)備部分）。 加藥機(jī)器人總控制臺(tái)通過串行通信與智能藥房發(fā)藥系統(tǒng)及庫房管理系統(tǒng)連接。 總控制臺(tái)與軌道車隨時(shí)保持雙向的無線通信，保證軌道車順利執(zhí)行總控制臺(tái)安排的任務(wù)。 旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)控制由總控制臺(tái)直接發(fā)信號(hào)進(jìn)行控制。 旋轉(zhuǎn)臺(tái)的狀態(tài)由對(duì)應(yīng)的傳感器發(fā)信號(hào)傳給總控制臺(tái)。

3.1 總控制臺(tái)

加藥機(jī)器人總控制臺(tái)接收到智能藥房發(fā)藥系統(tǒng)的藥柜缺藥的信息（包括藥柜地址編號(hào)、藥品名稱和藥品包裝規(guī)格等）后，向庫房管理系統(tǒng)提出需求信息（藥品名稱、藥品包裝規(guī)格和數(shù)量等），如果庫房管理系統(tǒng)中確認(rèn)該藥品有庫存，則將庫存地址編號(hào)發(fā)送給總控制臺(tái)；否則，給出庫房缺藥的提示信息。

總控制臺(tái)在收到庫房管理系統(tǒng)的庫存地址編號(hào)后，則把庫房的藥品庫存地址和藥房的藥柜地址以及軌道車的規(guī)劃路徑發(fā)送給軌道車。 總控制臺(tái)還需要合理安排轉(zhuǎn)向臺(tái)的動(dòng)作節(jié)奏。 在軌道車需要經(jīng)過轉(zhuǎn)向臺(tái)位置之前，需控制轉(zhuǎn)向臺(tái)作好提前準(zhǔn)備，轉(zhuǎn)向臺(tái)準(zhǔn)備就緒信號(hào)由總控制臺(tái)發(fā)送給軌道車。 如果轉(zhuǎn)向臺(tái)需要載著軌道車轉(zhuǎn)向時(shí)，總控制臺(tái)在控制轉(zhuǎn)向臺(tái)完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作后，還要給軌道車發(fā)信息通知其可以駛離轉(zhuǎn)向臺(tái)。

3.2 軌道車行走控制模塊

軌道車的任務(wù)是運(yùn)送車上載荷（包括貨架、藥盒和機(jī)械手等）從庫房到藥柜間的行駛。 1）要找到庫房中取藥的位置；2）要找到藥房的需加藥的藥柜位置。

當(dāng)軌道車需要駛?cè)牖蝰傠x轉(zhuǎn)向臺(tái)時(shí)，轉(zhuǎn)向臺(tái)的連接軌道必須處在與對(duì)應(yīng)固定軌道對(duì)接狀態(tài)。 軌道車通過轉(zhuǎn)向臺(tái)只存在兩種情形：1）直行通過轉(zhuǎn)向臺(tái)；2）經(jīng)過轉(zhuǎn)向臺(tái)拐90°彎。

3.2.1 直行通過轉(zhuǎn)向臺(tái)

當(dāng)軌道車需要直行通過轉(zhuǎn)向臺(tái)時(shí)，軌道車需收到總控制臺(tái)發(fā)出的轉(zhuǎn)向臺(tái)準(zhǔn)備就緒信號(hào)，才能讓軌道車進(jìn)入到轉(zhuǎn)向臺(tái)并直行通過，否則必須在轉(zhuǎn)向臺(tái)附近等待。 一般正常情況下，轉(zhuǎn)向臺(tái)都是在總控制臺(tái)的協(xié)調(diào)下提前準(zhǔn)備就緒，這樣可提高軌道車的總體運(yùn)輸效率。

3.2.2 經(jīng)過轉(zhuǎn)向臺(tái)拐 90°彎

軌道車需要通過轉(zhuǎn)向臺(tái)拐90°彎時(shí)，首先是要將軌道車駛?cè)氲睫D(zhuǎn)向臺(tái)上，然后轉(zhuǎn)向臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°，軌道車再駛離轉(zhuǎn)向臺(tái)。 軌道車需要收到總控制臺(tái)發(fā)來的轉(zhuǎn)向臺(tái)準(zhǔn)備就緒信號(hào)，才能駛?cè)氲睫D(zhuǎn)向臺(tái)，否則需在將要駛?cè)氲霓D(zhuǎn)向臺(tái)之前停下來等待。 當(dāng)軌道車停在轉(zhuǎn)向臺(tái)后，轉(zhuǎn)向臺(tái)在總控制臺(tái)的控制下載著軌道車旋轉(zhuǎn)90°，軌道車收到總控制臺(tái)駛離信號(hào)后，方可駛離轉(zhuǎn)向臺(tái)。

3.3 轉(zhuǎn)向臺(tái)的控制

轉(zhuǎn)向臺(tái)由總控制臺(tái)集中控制。 每個(gè)轉(zhuǎn)向臺(tái)需要兩路控制信號(hào)，分別控制轉(zhuǎn)向和定位鎖緊。 每個(gè)轉(zhuǎn)向臺(tái)還需要采集兩個(gè)位置信號(hào)，一個(gè)轉(zhuǎn)向臺(tái)縱向到位信號(hào)和一個(gè)橫向到位信號(hào)。 當(dāng)轉(zhuǎn)向臺(tái)需要轉(zhuǎn)向時(shí)，總控制臺(tái)先將定位鎖緊裝置解鎖，然后發(fā)送旋轉(zhuǎn)信號(hào)，改變當(dāng)前轉(zhuǎn)向臺(tái)方向（如果當(dāng)前是縱向位，則將其變?yōu)闄M向位；如果當(dāng)前是橫向位則將其變?yōu)榭v向位）。 當(dāng)轉(zhuǎn)向臺(tái)旋轉(zhuǎn)到位后，總控制臺(tái)控制鎖緊裝置將位置鎖定。

3.4 軌道車的位置標(biāo)記

軌道車所處的位置有兩種標(biāo)記，一種用于軌道車自身采集位置信號(hào)，一種用于總控制臺(tái)采集軌道車當(dāng)前位置。

3.4.1 軌道車自身位置采集標(biāo)記

任意一段固定的縱向軌道或橫向軌道都會(huì)連接到轉(zhuǎn)向臺(tái)，末端軌道只有一端連接到轉(zhuǎn)向臺(tái)。 軌道車的行進(jìn)方向可歸納為駛?cè)朕D(zhuǎn)向臺(tái)（從固定軌道駛向連接軌道）和駛出轉(zhuǎn)向臺(tái)（從連接軌道駛向固定軌道）兩種。 駛?cè)朕D(zhuǎn)向臺(tái)的軌道后段需要設(shè)置兩個(gè)標(biāo)記位置T1 和T2，T1 比T2 離轉(zhuǎn)向臺(tái)邊沿的距離遠(yuǎn)。 在軌道車需要駛?cè)朕D(zhuǎn)向臺(tái)前，需要收到總控制臺(tái)發(fā)來的轉(zhuǎn)向臺(tái)準(zhǔn)備就緒信號(hào)，否則，軌道車在T1 位置開始就要減速，并在到達(dá)T2 位置就要停車。 在轉(zhuǎn)向臺(tái)中間位置設(shè)置T3 標(biāo)記，表示軌道車已完全進(jìn)入轉(zhuǎn)向臺(tái)。 在軌道車完全駛出轉(zhuǎn)向臺(tái)后，如果進(jìn)入到末端軌道段，設(shè)定T4 標(biāo)記，用于編碼器誤差修正。

3.4.2 總控制臺(tái)采集軌道車位置標(biāo)記

對(duì)于總控制臺(tái)而言，并不需要獲取軌道車的精確定位，只需要了解軌道車處于哪段軌道上或是在哪個(gè)轉(zhuǎn)向臺(tái)上。 因此，一個(gè)運(yùn)行方向上，每段固定軌道只需在的首端附近各設(shè)置一個(gè)軌道車檢測(cè)位，用于檢測(cè)軌道車完全進(jìn)入該段軌道。兩個(gè)運(yùn)行方向則需要兩個(gè)檢測(cè)裝置。對(duì)于末端軌道，只需要在靠近轉(zhuǎn)向臺(tái)側(cè)設(shè)置一個(gè)檢測(cè)裝置。 在每個(gè)轉(zhuǎn)向臺(tái)上也需要各設(shè)置一個(gè)軌道車檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)軌道車是否完全進(jìn)入轉(zhuǎn)向臺(tái)。

由于總控制臺(tái)是預(yù)先知道軌道車的規(guī)劃路線的，它還需要根據(jù)軌道車的位置控制轉(zhuǎn)向臺(tái)的動(dòng)作節(jié)奏和給軌道車發(fā)通知信息。 當(dāng)軌道車進(jìn)入到某段軌道并收到首端檢測(cè)確認(rèn)后，就要控制即將到達(dá)的轉(zhuǎn)向臺(tái)作好軌道連接準(zhǔn)備。 如果轉(zhuǎn)向臺(tái)需要轉(zhuǎn)向，總控制臺(tái)在收到該轉(zhuǎn)向臺(tái)檢測(cè)裝置發(fā)來的到位信息后，控制轉(zhuǎn)向臺(tái)轉(zhuǎn)向。

4 結(jié)語

軌道車技術(shù)一般應(yīng)用在重載荷運(yùn)輸中，將其輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用到智能藥房中，可實(shí)現(xiàn)加藥機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行不側(cè)翻。 通過采用夾軌方式進(jìn)行駐車制動(dòng)，保證軌道車定位牢固；通過外置的轉(zhuǎn)向臺(tái)轉(zhuǎn)向方式，實(shí)現(xiàn)了在小空間里的軌道車無轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向功能；使用末端軌道設(shè)置定位標(biāo)志的方法，可消除編碼器測(cè)距的累計(jì)誤差，可保證軌道車的定位精度。 若對(duì)現(xiàn)有智能藥房進(jìn)行改造升級(jí)，則存在較大的施工工作量。