谷洪陽(yáng)，張敏良

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院）

0 引言

中藥是華夏民族的寶藏，2020 年，中醫(yī)藥管理局發(fā)布了英文版新冠肺炎中醫(yī)藥診療方案，中藥的獨(dú)特作用得到國(guó)際認(rèn)可[1-2]。中西醫(yī)結(jié)合為一些疑難雜癥治療提供了新方法，是中醫(yī)對(duì)世界醫(yī)療的貢獻(xiàn)。目前中藥有1 120余種，臨床常用的有225種。

隨著科技發(fā)展和人民生活水平的提高以及中藥的國(guó)際化，中藥的用量逐年增大，中藥生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，配藥從過(guò)去稱量配藥變?yōu)槎啃“b方式[3]，提高了配藥速度。但是在配藥、煎藥環(huán)節(jié)仍然主要靠人工，效率低，不能適合現(xiàn)代化發(fā)展要求，影響中藥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。解放軍302 醫(yī)院引進(jìn)國(guó)外自動(dòng)化配液機(jī)器人配置注射用藥品[4]；上海交通大學(xué)研制的螺旋下藥中藥計(jì)量裝置，理論上能實(shí)現(xiàn)下藥定量精準(zhǔn)化，但是如果儲(chǔ)藥裝置中進(jìn)入空氣，則容易造成顆粒藥品的潮解，影響物料的流動(dòng)性[5]；三九醫(yī)藥[6]推出了一種半自動(dòng)配藥系統(tǒng)，將每味中藥以小質(zhì)量單位封裝，放于分層藥柜，取藥時(shí)根據(jù)醫(yī)生處方撕取每味藥n袋，缺陷是成本高、不環(huán)保并且處方應(yīng)為封裝的整數(shù)倍，患者服藥困難；四川大學(xué)研制的中藥顆粒自動(dòng)配藥柜[7]利用體積稱量法使得中藥下藥順利；德國(guó)ROWA 公司設(shè)計(jì)的自動(dòng)化藥房中的機(jī)械手能根據(jù)發(fā)藥指令將藥品送達(dá)指定窗口[8]。

本文在SolidWorks 仿真軟件環(huán)境下基于事件創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種中藥袋卷儲(chǔ)盤(pán)開(kāi)盤(pán)輸送系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的主要機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模[9]與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型設(shè)計(jì)。通過(guò)各個(gè)組成機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)配合，利用基于事件仿真分析的分類(lèi)觸發(fā)機(jī)制，模擬出中藥袋卷儲(chǔ)盤(pán)開(kāi)盤(pán)與輸送全過(guò)程，由仿真結(jié)果評(píng)估了系統(tǒng)的工作性能。該系統(tǒng)的研究彌補(bǔ)了目前中藥市場(chǎng)智能配藥系統(tǒng)中關(guān)鍵的藥袋儲(chǔ)盤(pán)開(kāi)盤(pán)與輸送功能的空缺，是智能中藥配藥系統(tǒng)的核心裝備[10-11]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成與各部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的中藥袋卷儲(chǔ)盤(pán)開(kāi)盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)分為中藥袋卷儲(chǔ)盤(pán)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)取袋機(jī)構(gòu)與平皮帶輸送機(jī)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system

1.1 中藥袋卷儲(chǔ)盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有的中藥連續(xù)袋卷實(shí)物（如圖2 所示），建立了圖3 所示的三維模型。藥袋材料為PE 低密度結(jié)膜，單個(gè)藥袋規(guī)格為90 mm×60 mm，藥袋鼓包處高為20 mm。藥袋符合醫(yī)用高分子產(chǎn)品包裝與制造，斷裂強(qiáng)力性能符合FZ/T 64005-2021《衛(wèi)生用薄型非織造布 》合格品的規(guī)范要求。藥袋均勻纏繞在儲(chǔ)盤(pán)上，且纏繞結(jié)束位置用如圖4 所示的銷(xiāo)釘夾緊裝置壓緊。夾緊裝置與儲(chǔ)盤(pán)固結(jié)，夾緊環(huán)通過(guò)平鍵與銷(xiāo)釘連接，銷(xiāo)釘置于儲(chǔ)盤(pán)內(nèi)部，待需開(kāi)盤(pán)時(shí)擰開(kāi)夾緊裝置取出銷(xiāo)釘，進(jìn)行后續(xù)開(kāi)盤(pán)輸送動(dòng)作。

圖2 中藥連續(xù)袋卷Fig.2 Traditional Chinese medicine bag roll

圖3 中藥袋卷三維模型圖Fig.3 3D model of traditional Chinese medicine bag roll

圖4 手動(dòng)壓緊裝置爆炸圖Fig.4 Exploded view of manual pressing device

1.2 旋轉(zhuǎn)取袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

中藥袋卷纏繞于儲(chǔ)盤(pán)上，藥袋尾端與下層藥袋之間的3 種位置關(guān)系如圖5 所示。根據(jù)藥袋形狀、尺寸和材質(zhì)，若用傳統(tǒng)機(jī)械手加持容易造成藥袋變形、加持脫落，以致不能正確送到平皮帶輸送機(jī)，所以創(chuàng)新采用專(zhuān)門(mén)用于吸附小包裝藥品類(lèi)外包裝丁腈橡膠材質(zhì)的帶肋平型真空吸盤(pán)[12]，尺寸如圖6所示，使易變形的中藥藥袋能可靠地開(kāi)盤(pán)與脫離，并順利進(jìn)入平皮帶輸送機(jī)。根據(jù)需求設(shè)計(jì)的機(jī)架與分氣盤(pán)固接、主動(dòng)軸與轉(zhuǎn)盤(pán)固接，轉(zhuǎn)臂前部裝有真空吸盤(pán)，后部裝有平衡配重的滾子部件，轉(zhuǎn)臂與轉(zhuǎn)盤(pán)鉸接，取袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖5 接觸藥袋貼合形態(tài)Fig.5 Contact medicine bag fitting form

圖6 吸盤(pán)尺寸圖Fig.6 Suction cup size chart

圖7 旋轉(zhuǎn)取袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structural diagram of rotary bag pick-up mechanism

1.3 平皮帶輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的中藥藥袋形狀特殊、質(zhì)量輕、藥袋與平皮帶之間的摩擦系數(shù)小，藥袋傳送到一般平皮帶上易打滑，故創(chuàng)造性地加裝了由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輥輪壓緊藥袋。平皮帶輸送機(jī)構(gòu)如圖8 所示，整機(jī)長(zhǎng)、寬、高分別為970、306、306 mm；輥輪與皮帶高度間隙16 mm；移動(dòng)速度150 mm/s。

圖8 平皮帶輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Flat belt conveyor structure diagram

2 個(gè)電機(jī)的選型計(jì)算：根據(jù)負(fù)載扭矩與慣性力矩選擇電機(jī)，根據(jù)工件的移動(dòng)時(shí)間選擇齒輪比。條件值：電機(jī)轉(zhuǎn)速=1 300 r/min，同步帶輪比為2∶1；電機(jī)轉(zhuǎn)速≈60×齒輪比×帶輪比，齒輪比≈10.8，齒輪頭的齒輪比選1∶10。

（1）計(jì)算負(fù)載扭矩Tm

式中：m=2.0 kg；g=9.80 m/s2；η=0.81；r=0.075 m；Sf——安全系數(shù)，取值Sf=2。

（2）計(jì)算負(fù)載慣性力矩

皮帶輪承受的慣性力矩：

式中：J1、J2——大、小皮帶輪承受的慣性力矩，J1=1.816 2×10-2kg·m2，J2=1.331 2×10-5kg·m2；b/a——齒輪比。

馬達(dá)軸的慣性力矩：

馬達(dá)尾部容許慣性力矩為0.735 kg·m2，馬達(dá)端蓋容許扭矩2.25 N·m，0.735 kg·m2＞0.455 kg·m2、2.25 N·m ＞1.816 N·m，說(shuō)明符合規(guī)范要求。

2 整機(jī)工作機(jī)理

把儲(chǔ)盤(pán)、取袋、運(yùn)輸?shù)葯C(jī)構(gòu)功能模塊[13-14]組合，藥袋流轉(zhuǎn)流程示意圖如圖9 所，機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)行機(jī)理為：（1）將軸上的中藥儲(chǔ)盤(pán)手動(dòng)壓緊裝置的銷(xiāo)釘拔出，讓中藥袋卷尾端伸出，高于此層藥袋位置；（2）旋轉(zhuǎn)取袋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)盤(pán)在主動(dòng)軸帶動(dòng)下逆時(shí)針開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)接近傳感器[15]sensor 1 探測(cè)到旋轉(zhuǎn)取袋機(jī)構(gòu)執(zhí)行端真空吸盤(pán)，主動(dòng)軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，吸盤(pán)在藥袋尾部位置；此時(shí)分氣盤(pán)真空腔通真空，通過(guò)測(cè)量傳感器測(cè)量到吸盤(pán)與藥袋距離為0 時(shí)，主動(dòng)軸繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；（3）主動(dòng)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，接近傳感器sensor 2 探測(cè)到真空吸盤(pán)，并觸發(fā)提醒，此時(shí)真空吸盤(pán)正好與傳送皮帶平行，測(cè)量傳感器測(cè)得皮帶前端與藥袋尾部部距離剛好為0 時(shí)，即貼合尾部時(shí)，主動(dòng)軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)；此時(shí)皮帶輸送機(jī)構(gòu)的輥輪部分和皮帶部分分別在電機(jī)軸和電機(jī)主軸傳動(dòng)的惰輪帶動(dòng)下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，在輥輪的壓力作用下順利將藥袋輸送到皮帶輸送機(jī)上，輸送至下一環(huán)節(jié)。

圖9 藥袋流轉(zhuǎn)流程示意圖Fig.9 Schematic diagram of the flow of medicine bags

3 機(jī)構(gòu)基于事件的仿真分析

基于事件的仿真是通過(guò)添加關(guān)鍵元件定義接觸與元件屬性，而后創(chuàng)建一系列由傳感器按順序進(jìn)行的任務(wù)，通過(guò)一個(gè)觸發(fā)事件和相關(guān)聯(lián)的任務(wù)操作定義每一項(xiàng)任務(wù)操作，進(jìn)而控制中藥袋從袋卷儲(chǔ)盤(pán)經(jīng)旋轉(zhuǎn)取袋機(jī)構(gòu)最終到皮帶運(yùn)輸機(jī)這個(gè)開(kāi)盤(pán)輸送過(guò)程。具體內(nèi)容包括：

（1）利用SolidWorks Motion 運(yùn)動(dòng)仿真插件生成一個(gè)運(yùn)動(dòng)算例；

（2）添加引力。加載一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)重力，在計(jì)算時(shí)考慮各機(jī)構(gòu)的質(zhì)量；

（3）添加電機(jī)。添加的旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)取袋機(jī)構(gòu)主動(dòng)軸，使其完成鉸鏈轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)盤(pán)逆時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)類(lèi)型為等速運(yùn)動(dòng)。為使轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程安全平穩(wěn)，到達(dá)藥袋位置前電機(jī)轉(zhuǎn)速為10 r/min，吸附藥品送到平皮帶輸送機(jī)構(gòu)時(shí)轉(zhuǎn)速為5 r/min，轉(zhuǎn)運(yùn)完成返回初始位置時(shí)轉(zhuǎn)速為10 r/min；

（4）添加傳感器。接近傳感器（上文所述sensor 1、sensor 2）如圖10 所示，當(dāng)藥袋進(jìn)入檢測(cè)距離，經(jīng)時(shí)間延緩測(cè)量距離為0 時(shí)，任務(wù)被傳感器觸發(fā)，進(jìn)而控制機(jī)構(gòu)的一系列運(yùn)動(dòng)；

圖10 傳感器及檢測(cè)距離Fig.10 Sensors and detection distance

（5）定義接觸。接觸是發(fā)生在2 個(gè)或多個(gè)實(shí)體間或者2 條曲線間的相互作用關(guān)系，在基于事件的仿真中必不可少。圖11 為定義中藥袋卷與儲(chǔ)盤(pán)、袋卷各小袋以及中藥袋卷與旋轉(zhuǎn)取袋機(jī)構(gòu)上的真空吸盤(pán)之間的接觸以及被轉(zhuǎn)運(yùn)的藥袋與平皮帶輸送機(jī)構(gòu)中平皮帶和壓力輥輪之間的實(shí)體接觸。為簡(jiǎn)化接觸方案[16-17]，定義接觸組忽略相同項(xiàng)目間的接觸；

圖11 接觸的定義Fig.11 Definition of contact

（6）創(chuàng)建任務(wù)。仿真中的任務(wù)表格、時(shí)間序列與邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)如圖12 所示。

圖12 基于事件的運(yùn)動(dòng)視圖Fig.12 Event-based motion view

基于事件的仿真分析結(jié)果如圖13 所示，時(shí)間線視圖完整，仿真過(guò)程無(wú)報(bào)錯(cuò)，機(jī)構(gòu)按照任務(wù)設(shè)計(jì)運(yùn)行，說(shuō)明機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工作性能良好，能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)性能。

圖13 基于事件的時(shí)間線視圖Fig.13 Event-based timeline view

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)設(shè)計(jì)的中藥袋卷儲(chǔ)盤(pán)開(kāi)盤(pán)輸送系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理性分析，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了選型計(jì)算。在運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中，各機(jī)構(gòu)按正確運(yùn)動(dòng)軌跡合理運(yùn)動(dòng)，表明設(shè)計(jì)比較可靠；

（2）通過(guò)基于事件的運(yùn)動(dòng)仿真分析，完整且可靠地模擬了中藥袋的開(kāi)盤(pán)輸送過(guò)程。仿真顯示出機(jī)構(gòu)各時(shí)間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及各構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)配合。仿真結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期目的；

（3）仿真中得到的事件時(shí)間幀序列可用來(lái)修改每個(gè)機(jī)構(gòu)各部分系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，為后續(xù)系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。