盧中凱，夏信堂

（山東大學(xué)附屬兒童醫(yī)院器材設(shè)備管理科，山東 濟(jì)南 250000）

目前，我國(guó)大多數(shù)醫(yī)院靜脈輸液藥物由人工配制，配制過(guò)程中存在一定的職業(yè)危害，如針尖刺傷，西林瓶、安瓶瓶割傷等操作風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期進(jìn)行藥物配制，容易對(duì)配藥護(hù)士造成藥品飛沫及銳器傷害，嚴(yán)重影響其生活質(zhì)量和生理功能。人工配藥不僅占據(jù)了寶貴的醫(yī)護(hù)資源，而且還會(huì)造成人員疲勞過(guò)度導(dǎo)致配藥效率低下，差錯(cuò)率升高。發(fā)生如SARS、COVID-19 等突發(fā)性公共衛(wèi)生事件時(shí)，人工配藥難以滿足臨床需求。深圳衛(wèi)邦科技發(fā)明的WEINAS 系列配藥機(jī)器人每完成一次配藥，均需要人工取藥，人工更換溶媒袋，注射器、清理醫(yī)療垃圾及擺放藥品，自動(dòng)化程度比較低；意大利Health Robotics 公司研制的CytoCare 配藥機(jī)器人不僅價(jià)格昂貴，而且需要多人值守；加拿大Intelligent Hospital Systems 公司研發(fā)的RIVA 是一款比較成功的全自動(dòng)靜脈藥物配制機(jī)器人，但其執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，占地面積較大。針對(duì)以上問(wèn)題，本文研發(fā)設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)配制靜脈輸液藥物機(jī)器人，其成本低廉，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，不僅能夠自動(dòng)存儲(chǔ)輸送待配藥品，批量更換注射器，自動(dòng)取藥及清理藥物垃圾，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多種規(guī)格西林瓶及安瓿瓶藥物的自動(dòng)配置，提高了配藥效率，節(jié)省了寶貴的醫(yī)護(hù)資源。

1 設(shè)計(jì)

自動(dòng)配制靜脈輸液藥物機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，其機(jī)械系統(tǒng)主要包括層流凈化裝置模塊、多功能配藥機(jī)械手模塊、藥品自動(dòng)輸送裝置模塊、三坐標(biāo)取藥機(jī)械手模塊、藥品輸出裝置模塊、注射器儲(chǔ)存裝置模塊及廢料儲(chǔ)存裝置模塊，機(jī)器人系統(tǒng)的整體尺寸為長(zhǎng)1170 ㎜、寬780 ㎜、高2000 ㎜、總重量約為1200 ㎏。

圖1 自動(dòng)配制靜脈輸液藥物機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證配藥環(huán)境的潔凈度，自動(dòng)配制靜脈輸液藥物機(jī)器人頂部安裝層流凈化裝置模塊，左側(cè)空間內(nèi)設(shè)置有藥品自動(dòng)輸送裝置模塊，上部空間內(nèi)設(shè)置了與藥品自動(dòng)輸送裝置模塊銜接的三坐標(biāo)取藥機(jī)械手模塊，三坐標(biāo)取藥機(jī)械手模塊下部設(shè)置有多功能配藥機(jī)械手模塊，多功能配藥機(jī)械手模塊的右側(cè)設(shè)置藥品輸出裝置模塊和注射器儲(chǔ)存裝置模塊，注射器儲(chǔ)存裝置模塊下部設(shè)置有廢料儲(chǔ)存裝置模塊。

1.1 多功能配藥機(jī)械手模塊的設(shè)計(jì)

多功能配藥機(jī)械手模塊整體結(jié)構(gòu)分為上層模塊、中層模塊和下層模塊三部分，各部件之間均采用螺栓固定，多功能配藥機(jī)械手模塊整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 多功能配藥機(jī)械手模塊整體結(jié)構(gòu)示意圖

上層模塊設(shè)置有自動(dòng)打印裝置和溶媒袋固定夾手。自動(dòng)打印裝置用于打印患者用藥信息，將信息自動(dòng)黏貼在溶媒袋固定夾手所夾持的溶媒袋上。

中層模塊設(shè)置有旋轉(zhuǎn)固定板、定量抽吸機(jī)械手、第一旋轉(zhuǎn)電機(jī)、第二旋轉(zhuǎn)電機(jī)、第一豎直運(yùn)動(dòng)機(jī)械手、注射器固定盤。定量抽吸機(jī)械手及第二旋轉(zhuǎn)電機(jī)均安裝在旋轉(zhuǎn)固定板上，通過(guò)第一旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)固定板上的部件進(jìn)行180°轉(zhuǎn)動(dòng)，在第一豎直運(yùn)動(dòng)機(jī)械手的作用下，實(shí)現(xiàn)注射器插入和拔出藥瓶和溶媒袋的動(dòng)作；通過(guò)第一旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)注射器固定盤旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)注射器固定盤上注射器的更換使用；通過(guò)定量抽吸機(jī)械手夾持注射器活塞桿進(jìn)行定量抽吸注射藥品。

下層模塊設(shè)置有第一水平運(yùn)動(dòng)機(jī)械手、精密氣缸、托盤架、旋轉(zhuǎn)托架、第四旋轉(zhuǎn)電機(jī)、消毒系統(tǒng)、藥瓶夾手、第二豎直運(yùn)動(dòng)機(jī)械手、第三旋轉(zhuǎn)電機(jī)、第二水平運(yùn)動(dòng)機(jī)械手、廢料漏斗。在第二水平運(yùn)動(dòng)機(jī)械手和精密氣缸的作用下，實(shí)現(xiàn)托盤架的水平運(yùn)動(dòng)和上下運(yùn)動(dòng)，以同步完成托盤架自藥品輸送裝置藥瓶取藥工位取藥移動(dòng)安放至旋轉(zhuǎn)托架工位和空藥瓶輸送至廢料代取工位，第四旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)托架動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)待用藥品旋轉(zhuǎn)至藥瓶夾手下部的開啟藥瓶工位和注射器抽吸藥品工位，藥瓶開啟前，在消毒系統(tǒng)的作用下對(duì)藥瓶進(jìn)行消毒殺菌。藥瓶夾手在第二豎直運(yùn)動(dòng)機(jī)械手的作用下實(shí)現(xiàn)夾取藥瓶豎直運(yùn)動(dòng)，在第三旋轉(zhuǎn)電機(jī)的作用下，實(shí)現(xiàn)開啟藥瓶和藥品搖勻動(dòng)作；第二豎直運(yùn)動(dòng)機(jī)械手在第一水平運(yùn)動(dòng)機(jī)械手的作用下，夾持開啟的藥瓶廢料運(yùn)動(dòng)到廢料漏斗上方，將藥瓶廢料丟進(jìn)廢料漏斗滑入廢料儲(chǔ)存裝置模塊。

1.2 藥品自動(dòng)輸送裝置模塊的設(shè)計(jì)

藥品自動(dòng)輸送裝置模塊如圖1 中3 所示，其內(nèi)部由流利條、固定架、溶媒袋盛放盒、溶媒袋托盤、直線導(dǎo)軌、輸送機(jī)械手、視覺(jué)檢測(cè)裝置、藥瓶托盤、藥瓶盛放盒組成。

為減小摩擦，將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，采用流利條安裝在固定架上，以便于溶媒袋盛放盒上下運(yùn)動(dòng)；溶媒袋盛放盒通過(guò)卡槽層層疊放后最下層溶媒袋盛放盒再通過(guò)卡槽安裝在溶媒袋托盤上，溶媒袋托盤安裝在直線導(dǎo)軌和輸送機(jī)械手上；視覺(jué)檢測(cè)裝置安裝在固定架上，用于檢測(cè)西林瓶和安瓿瓶，藥瓶托盤固定在直線導(dǎo)軌和輸送機(jī)械手上，藥瓶盛放盒通過(guò)定位孔安裝在藥瓶托盤上；兩條直線導(dǎo)軌和兩套輸送機(jī)械手分別安裝在溶媒袋自動(dòng)儲(chǔ)存輸送側(cè)和藥瓶自動(dòng)儲(chǔ)存輸送側(cè)的固定架上，以實(shí)現(xiàn)溶媒袋和藥瓶獨(dú)立輸送至各自取藥工位，以便于三坐標(biāo)取藥機(jī)械手模塊和多功能配藥機(jī)械手模塊取藥。

1.3 三坐標(biāo)取藥機(jī)械手模塊的設(shè)計(jì)

三坐標(biāo)取藥機(jī)械手模塊主要包括X 軸機(jī)械手、Y 軸機(jī)械手、Z 軸機(jī)械手、取藥夾手和安裝架組成，安裝架采用焊接固定，其余部件采用螺栓固定，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 三坐標(biāo)取藥機(jī)械手模塊結(jié)構(gòu)示意圖

兩側(cè)的X 軸機(jī)械手固定在安裝架上，Y 軸機(jī)械手固定在兩個(gè)X 軸機(jī)械手上部，Z 軸機(jī)械手固定在Y 軸機(jī)械手上，取藥夾手固定在Z 軸機(jī)械手上，X、Y、Z 三個(gè)機(jī)械手聯(lián)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)取藥夾手抓取溶媒袋盛放盒，并夾取溶媒袋放置在溶媒袋固定夾手上進(jìn)行配藥，待配制完成后，取藥夾手再將溶媒袋夾取放置在藥品輸出裝置模塊內(nèi)等待輸出。

1.4 藥品輸出裝置模塊的設(shè)計(jì)

藥品輸出裝置模塊包括輸出機(jī)械手、承載盒和輸出裝置盛放盒輸出機(jī)械手安裝在輸出裝置盛放盒內(nèi)，承載盒固定在輸出機(jī)械手上，輸出裝置盛放盒固定在整套系統(tǒng)的框架上，當(dāng)三坐標(biāo)取藥機(jī)械手模塊將放置在承載盒上的溶媒袋盛放盒擺滿配置完成的藥品后，通過(guò)輸出機(jī)械手送至人工取藥的窗口。

1.5 廢料儲(chǔ)存裝置模塊的設(shè)計(jì)

廢料儲(chǔ)存裝置模塊包括廢料滑道、夾手、第一旋轉(zhuǎn)機(jī)械手、廢料盒、第二旋轉(zhuǎn)機(jī)械手、藥品盛放盒回收箱，各部件之間采用螺栓固定。

廢料滑道連接廢料漏斗與廢料盒,將廢料由廢料漏斗滑入廢料盒，夾手處于廢料代取工位，以?shī)A取托盤架輸送的裝有空藥瓶的藥瓶盛放盒，由第一旋轉(zhuǎn)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180°將藥瓶盛放盒中的空藥瓶倒入廢料盒中，再由第二旋轉(zhuǎn)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180°將藥瓶盛放盒放入藥品盛放盒回收箱，以便藥瓶盛放盒消毒后再利用。

1.6 層流凈化裝置模塊及注射器儲(chǔ)存裝置模塊的設(shè)計(jì)

將層流凈化裝置模塊采用螺栓固定安裝在機(jī)器人的最頂部，以便于更好地對(duì)機(jī)器人內(nèi)部進(jìn)行凈化，保障配藥環(huán)境的潔凈度。注射器儲(chǔ)存裝置模塊安裝在機(jī)器人的最右側(cè)，內(nèi)部可以有序放置裝滿注射器的注射器固定盤，以便于快速更換多功能配藥機(jī)械手模塊使用完成的注射器。

根據(jù)安瓿瓶、西林瓶及注射器的常規(guī)規(guī)格設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的安瓿瓶、西林瓶藥品及注射器的盛放模塊以便達(dá)到快速更換藥品和注射器的目的，提高配藥效率。

1.7 電機(jī)選型

多功能配藥機(jī)械手模塊中第四旋轉(zhuǎn)電機(jī)選用伺服電機(jī)，其選型步驟如下：藥品及藥瓶托盤的總重量即為負(fù)載M 大約1.5kg，藥瓶托盤直徑為150mm，最高轉(zhuǎn)速60rpm。

負(fù)載部分的慣量：JL=MD2/8=1.5×225/8=42.2 kg·cm2；假設(shè)減速機(jī)減速比為1∶R, 則折算到伺服電機(jī)軸上負(fù)載慣量為42.2∶R2，按照負(fù)載慣量JL/ 電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM＜3 倍的原則，如果選擇50W 伺服電機(jī)，JM=0.0035kg·cm2，則42.2/R2＜3×0.0034，R ＞64，輸出轉(zhuǎn)速r=3000/64=47rpm，不能滿足要求。如果選擇100W 伺 服 電 機(jī)，JM=0.0098(kg·cm2)，則42.2/R2＜3×0.0098,R ＞38，輸出轉(zhuǎn)速r=3000/38=79rpm，根據(jù)以上計(jì)算，第四旋轉(zhuǎn)電機(jī)選擇松下MSME 100W 伺服電機(jī)滿足要求。

根據(jù)同樣的選型方法第一旋轉(zhuǎn)電機(jī)選擇MSME 150W伺服電機(jī)，第二旋轉(zhuǎn)電機(jī)選擇MSME 75W 伺服電機(jī)，第二旋轉(zhuǎn)電機(jī)選擇MSME 50W 伺服電機(jī)，其余單軸移動(dòng)式機(jī)械手均采用不同行程的MISUMI 單軸機(jī)器人RS3 馬達(dá)并列型。

輸送機(jī)械手采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠完成藥品輸送，其伺服電機(jī)選型步驟如下：藥品、藥瓶托盤及藥瓶盛放盒的總重量即為負(fù)載WA大約20kg，滾珠絲杠長(zhǎng)度BL為1m，滾珠絲杠直徑BD為0.04m，滾珠絲杠螺距BP為0.04m，滾珠絲杠效率Bη為0.9，移動(dòng)距離0.6m，聯(lián)軸器慣性JC=10×10-6(kg·cm2)；加速時(shí)間ta為0.1s，勻速時(shí)間tb為0.8s，減速時(shí)間td為0.1s，循環(huán)時(shí)間tc為30s，移動(dòng)距離0.6m。

滾珠絲杠質(zhì)量為：

負(fù)載部分的慣量：

慣量比為

若選1.5kW，

最高速度

1/2×ta×Vmax+tb×Vmax+1/2×td×Vmax=0.6m，最高速度

轉(zhuǎn)速

（2kW 伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）；

移動(dòng)轉(zhuǎn)矩

加速轉(zhuǎn)矩

減速轉(zhuǎn)矩

有效轉(zhuǎn)矩

（2kW 伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩）；

根據(jù)以上計(jì)算，選擇松下MSME 2kW 伺服電機(jī)。

三坐標(biāo)取藥機(jī)械手模塊中，X 軸機(jī)械手采用MISUMI單軸機(jī)器人RSH5 直柱型，Y 軸機(jī)械手和Z 軸機(jī)械手采用不同行程的MISUMI 單軸機(jī)器人RS3 馬達(dá)并列型。輸出機(jī)械手采用MISUMI 單軸機(jī)器人RS3 馬達(dá)并列型，廢料儲(chǔ)存裝置模塊中旋轉(zhuǎn)電機(jī)均采用MSME 50W 伺服電機(jī)。

2 使用方法

由于單臺(tái)自動(dòng)配置靜脈輸液藥物機(jī)器人占地面積較小，其既可以在臨床科室和輸液中心單機(jī)使用，也可以在靜配中心多臺(tái)機(jī)器人聯(lián)機(jī)使用。

當(dāng)在臨床科室及輸液中心護(hù)士使用自動(dòng)配置靜脈輸液藥物機(jī)器人進(jìn)行配藥時(shí)，醫(yī)生下達(dá)處方傳輸至機(jī)器人系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)機(jī)器人系統(tǒng)處方數(shù)據(jù)審核無(wú)誤后，通過(guò)顯示器提示需配制藥品的擺放順序，護(hù)士根據(jù)提示按照順序?qū)⑵垦b藥品和溶媒袋藥液分別擺放在藥瓶盛放盒和溶媒袋盛放盒中，分別將盛放藥品的藥瓶盛放盒和溶媒袋盛放盒放在指定的藥瓶托盤和溶媒袋托盤上，準(zhǔn)備就緒后，點(diǎn)擊顯示器中的開始配藥按鈕進(jìn)行自動(dòng)配藥，大約40s左右配置完成，提示取出配置完成的藥品，護(hù)士根據(jù)提示取出藥品給患者用藥。

在配藥過(guò)程中，可以隨時(shí)添加其余患者的配藥信息，為其余患者擺放待配藥品，以提高配藥效率。

當(dāng)在靜配中心配藥時(shí)，因相同配藥處方數(shù)量較多，可以采用多臺(tái)機(jī)器人聯(lián)機(jī)的流水線式配藥方式，配藥護(hù)士只負(fù)責(zé)將同種待配藥品放在同一機(jī)器人的藥品自動(dòng)輸送裝置模塊中，由機(jī)器人自動(dòng)加藥，按照配藥順序?qū)⑸弦粰C(jī)器人加藥完成的溶媒袋藥液轉(zhuǎn)入下一機(jī)器人進(jìn)行加藥直至藥液配制完成，配藥期間需要護(hù)士按時(shí)更換注射器。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)配制靜脈輸液藥物機(jī)器人相比國(guó)內(nèi)外研制的配藥機(jī)器人創(chuàng)新點(diǎn)如下。

（1）增加了藥品自動(dòng)儲(chǔ)存輸送裝置，將待配藥品按照順序排放在儲(chǔ)存裝置中，為保證配藥過(guò)程的連續(xù)性，可以隨時(shí)增加待配藥品，提高了配藥效率。

（2）針對(duì)配藥流程及西林瓶、安瓿瓶藥品規(guī)格的多樣性，對(duì)多功能配藥機(jī)械手模塊進(jìn)行分層次的模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間相互緊密配合完成配藥，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能。

（3）增加了藥品輸出裝置模塊和廢料儲(chǔ)存裝置模塊，每袋藥品配制完成后，無(wú)須打開艙門人員干預(yù)取藥和清除醫(yī)療垃圾，保證機(jī)器人內(nèi)部配藥環(huán)境的潔凈度和配藥的連續(xù)性。

（4）自動(dòng)配制靜脈輸液藥物機(jī)器人占地面積小，操作簡(jiǎn)單，既可以適用于臨床科室及輸液中心進(jìn)行單機(jī)配藥，也可以適用于靜配中心聯(lián)機(jī)流水線式配藥。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)設(shè)計(jì)的自動(dòng)配制靜脈輸液藥物機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，操作簡(jiǎn)單，節(jié)省了人力成本，不僅解決了待配藥品的儲(chǔ)存及輸送問(wèn)題，而且能夠?qū)Χ喾N規(guī)格的安瓿瓶及西林瓶藥品進(jìn)行配制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)取藥及自動(dòng)清除醫(yī)療垃圾的功能，保證了配藥環(huán)境的潔凈度，提高了配藥的效率，降低了配藥的差錯(cuò)率，能夠快速高效地應(yīng)對(duì)如SARS、COVID-19 等突發(fā)疫情造成的靜脈輸液藥物的急劇增長(zhǎng)，緩解醫(yī)護(hù)人員的救治壓力。