基于单片机控制的一种中药材自动取药机的研究

张正勋，邓静，陈金权，宋里，万江，潘勇

（贵州师范大学，贵州贵阳，550000）

0 引言

中医院、中药店在取药时的人工抓药、人工称量、人工包装效率较低，并且药剂师因疲劳[1]也可能造成一些失误，因此，有很多学者在研究自动抓药设备。1993年，德国ROWA公司开始形成有关的设计理念[2]。2006年，位于上海南京路的上海市第一医院商店引进并启用该公司的自动化药房系统它的工作原理与自动售米机相似[3]。但受当时科学技术水平条件的影响，该款自动抓药机在实践中屡屡碰壁。由于该自动抓药机科技含量较低，又因中药材形状、类型、结构的复杂多样的限制，导致在取药的定量、精准称量及包装等很多方面都存在困难，具体操作起来并不方便，故实用价值不高，不久便被市场淘汰。然而，对于中药，需要精准的称量，尤其是异形药材的精准称量，每种疾病根据病情程度的不同，其所需的药材克数也不一样。

将更多种类、形状不同的中药材纳入自动取药的范围，提供现场自动包装的能力，最大限度的解放人工劳动力，建立一个专属于中药材信息的数据库，不断地提高取药机的智能化程度，推动现代化医学在硬件方向的发展，是当下发展的趋势。

1 总体方案设计

■1.1 中药研磨系统

中药自动取药机的主要结构如图1所示，整体采用箱体式结构，标注1处数个漏斗分别储藏不同种类的中药材，最右侧的漏斗储藏待研磨的片块状中药材，在电磁阀门开启后进入筒状研磨缸，研磨缸内有高速电机控制刀片，将片块状的中药材研磨成粉末状的中药粉。标注2处的由步进电机控制的传送带将中药粉末传送至标注3处的中药粉称量系统。

■1.2 中药粉末称量系统[4]

标注3处中药材称量系统由伺服电机和连接在伺服电机的称量盘所组成，称量盘下方与压电传感器相连。传送带将中药粉送入称量盘后，压电传感器利用压电效应实时测量出中药粉的重量。在传送带持续地将中药粉送入称量盘中，随着所称量的中药粉重量的不断增加，直至达到设定的目标重量值后，传送带立马停止送入中药粉，完成药粉的称量，伺服电机转动一定角度，中药粉进入标注4处的塑料软管。

图1 中药材自动取药机主要结构

■1.3 药粉混合打包系统[5]

不同种类已称量完成中药粉，经由塑料软管在标注5处的漏斗汇集并进入标注6处的药粉包装袋，等待打包。打包系统分别由标注7、8、9处的贴标签机、电热封口机、十字导轨以及相连的吸盘手构成。吸盘手可在十字滑轨上呈十字形移动，先是利用移动吸盘将药粉袋吸引固定住并移动取出，再移动至电热封口机端处，电热封口机将包装袋封口，又移动至贴标签机端将包装袋标签贴入并记录数据，最后移动至标注10处的出药滑梯，吸盘手释放吸盘压力，药粉袋落入滑梯，完成打包出药。

■1.4 控制流程

如图2所示，各个中药材各有一套称量系统独立运作，解决使用单一称量系统所产生的药物残留问题，同时，支持多种中药材称量同时运作，大大提高取药效率[6]。

2 控制系统的设计

如图3所示，中药材自动取药机系统主要由PC端控制程序、MCU（单片机型微型计算机）、研磨、传送、称量、打包系统部分组成。

图2 中药材控制流程

MCU在收到PC端用户所设定的抓药数据[7]，负责对控制其他传感器、伺服电机等运动动作，完成研磨、传送、称量、包装等动作。（1）研磨系统，中药材在进入研磨缸后，研磨刀高速电机设定时长为2分钟，之后研磨缸旁电磁门打开，缓慢释放中药粉进入传送带。（2）传送系统，传送进步电机被调节为1cm/s的匀速运动，使得中药粉得以均匀的平铺在传送带上，匀速送入称量盘中。（3）在称量系统，称量压电传感器会将测量出的重量电位值实时反馈给MCU，重量电位值会随着中药材的重量增加而增加，当MCU判断出重量电位值一旦超过目标值，立马向传送带系统的步进电机发出停止指令，输送的药材停止，又向发出称量系统的伺服电机发出运动指令，于是称量盘翻转，中药材被倾倒入塑料软管。（4）打包系统，会按照吸盘手会在按照在MCU中编辑好的固定路线运动，依次完成吸附、封口、贴标签、释放等动作。

图3 系统组成

3 软件设计

如图4所示，专为该中药材取药机所设计的桌面应用程序，在PC端用户可以很方便的对改中药材取药机对抓药的种类，重量，时长等详细参数进行设定。

图4 中药材取药系统PC端用户界面

4 取药性能试验

为了检验自动取药机的称量精确性，进行中药重量测量性能试验（如图5），在系统控制端设置测量5g某中药粉，称量完成后，取出该中药粉在专业电子称进行检验测量，重复测试5次，得出结果为：第1组数据差值较大，分析原因可能由于传送带速度过大所致，后调低传送带速度又测出后4组。可见除了因传送带调速较大第一组数据差值较大，自动称量系统在低速状态下测量精度基本可以控制在0.01g，满足中药材重量药理要求[8]，见表1。

表1 电子称进行检验测量表

图5 称量试验

5 结论

本研究介绍了一种中药材自动取药机，采用箱体式结构，集成了传统中药材取药使用的打粉、称量、打包步骤，并采用分布式的称量结构缩短称量时间。为传统人工中药材取药遇到的类目多、称量时长等问题，提供了一站式自动化的解决方案。

并对该中药自动取药机称量系统的准确性进行试验，确保称量满足传统中药药理要求。

该中药系统具有以下特点：

(1)应用现代网络技术实现选药、称量、运输和包装过程的全自动化操作，安全卫生，避免了人为误差、降低劳动强度，提高了抓取中药的效率；

(2)自动化的中药原材打粉，封闭设计，减少粉尘污染浪费；

(3)自动化的称量多种药品，称量准确度高，速度快，药品成分含量精准；

(4)自动化的打包，结构简单，效率高；

(5)自动化的贴标签，便于区分；

(6)后期可与医院中的药品系统对接，扫描医生开的药单即可取药，更智能化的一体式操作。