一种智能辅助药箱机构设计与分析

刘人菊， 陈胡， 陈军， 谈杰明， 郝晓曦

（五邑大学 智能制造学部，广东 江门529020）

0 引言

传统医院药品分发流程是: 药剂师根据医生的药方配制药品,交付给病房护士，然后由护士分发药物。在这段时间里,药物信息将按照“三查七对”[1]的原则进行检查,最后护士向病患解释说明药物的使用方法和禁忌, 并在核发表上签名。其中，“三查七对”耗费了护士的大量精力。如果加上送药时间，则护士会消耗更多时间在整个药品分发过程。因此，为了克服手工分发药品费时费力的缺点，设计一种新型实用设备——智能辅助药箱。其目的是减少医疗事故的发生和减轻医护人员的工作负担。

图1 智能辅助药箱外部结构

1 智能辅助药箱总体结构设计

如图1所示，箱体分为3层，分别是上、中、下层，上层安装升降云台机构及其控制系统，中层为箱体主体机构，配置4个装载药品的门，箱体底层为漏斗收集口、出仓槽和外置检验摄像头。

箱体顶层设置箱体门禁系统，只需要用IC门卡靠近顶部感应器，4个门的电子锁就会打开，进入装载药品模式。箱体顶部还设置有人机交互触摸屏，用于箱体内系统的控制。

箱体中层为箱体主要机构部分，分为4个装配箱门，每个门的开合都设置位置传感器，作为箱体运作时装药模式与送药模式的基础转换条件，箱体门设置隐藏门把。

箱体底部装有与智能导航寻迹车[2]接合的卡槽孔位，只需将其与小车上的螺杆孔位对齐，通过螺栓连接，便可固定在小车上，实现智能药箱的自动寻迹送药功能。底层的长边一侧是二维码外置摄像头和出仓槽，可根据实际情况定制安装位置，另一侧为电源与系统的散热风口门。

智能辅助药箱外观大致为长方体，具体规格约为57 cm ×24.7 cm×90 cm，每层板厚2 mm，采用不锈钢材料制作[3]。可按照医院内住院人数变更箱体装药规模，通过改变箱体内的装载器皿排列数量，修改箱体长宽尺寸，以适应多功能任务需要。

2 关键结构与特点

2.1 送药机构的设计

送药机构位于箱体门板上，是整个装置的重要的关键部件之一。其主要作用是实现储药和弹药功能。由运动部件和支撑部件组成，如图2所示。

具体的工作流程如图3所示。开始时每个盒子都位于初始已推送状态（盒子内的弹簧片没有压紧，当手动拉下顶部的锁紧拉闸，拉闸通过动力压杆带动装配箱两边的凸轮，凸轮通过连杆带动每一层的凸轮一起转动，凸轮转动将每层的横压杆往下压。每个盒子后方伸出一个拨动长杆并配置一个电磁铁，供横压杆动作时锁紧盒子内部弹簧片使用。当锁紧拉闸拉到极限位置时，横压杆将每一层的盒子的拨动长杆压下至电磁铁锁头下端实现锁紧盒子内的弹簧片作用，使盒子处于预推送状态。此时松开锁紧拉闸，拉闸和凸轮将会在横压杆两端布置的拉伸弹簧作用下复位至初始状态。

图2 送药机构图

当需要释放盒子中的药品袋时，将电磁铁通电，电磁铁动作回缩锁头释放拨动长杆，在弹簧片的弹性势能下将托盘上的药品袋推送出去，药品袋落入中置的出仓漏斗平台。

2.2 药盒机构设计

药盒是送药机构的核心部分，作为储药和弹药的装载体，如图4所示，其主要由导柱托盘、导槽外壳、拨动长杆、支撑连杆、销、弹簧片和外壳等组成。导柱托盘用于托住药袋，导槽外壳背部开有3个竖列槽，用于定位导柱托盘水平下移防止倾斜。在锁紧拉闸向下拉动时，联动机构下压药盒后部的拨动长杆，带动导柱托盘下移，弹簧片被压缩。设计过程中要保证竖列槽边缘的光滑度，防止导柱托盘沿导槽外壳竖列槽滑动时所受摩擦力大于弹簧片对托盘的支撑力，破坏机构整体运动。

图4 药盒结构图

2.3 信息校验机构设计

信息校验机构主要由伸缩导轨、360°旋转云台、步进电动机、摄像头等部件组成，通过在箱体内部的顶部中置一个伸缩线性机构（由伸缩导轨构成） 和360°旋转云台（并且具有一定的俯仰角度功能），云台上安置摄像头可360°定位旋转识别药瓶条形码（或二维码）。完成对药盒内药品信息与系统内信息的最后一步校验工作，以此确保所分发药品为唯一指定药品，避免错发的事故发生。因此，信息校验机构也是智能辅助送药箱的重要一环。

由于本环节摄像头作为核心零件，如选取精度指标不合格，严重影响校验效果，设计要求摄像头的最小有效识别距离应为5 cm，同时应考虑区域范围，摄像头的长、宽不应大于14 cm，并保证信息校验的稳定、可靠。

3 系统控制流程

智能辅助药箱的控制系统采用stm32F103作为主控制器。控制系统通过触摸屏设置初始命令，限位开关、二维码读取器作为输入信号，主控通过读取二维码的信号进行信息校对，根据校验结果响应执行机构动作，系统结构框图如图5所示。

图5 智能辅助药箱控制系统结构框图

图6 控制系统主流程图

控制系统主流程图如图6所示。主要分为装药模式和校验模式。其中，装药模式是利用IC门卡识别使用者身份确定是否授权后再开门，开门后行程开关断开激活条形码识别模块识别信息和光敏电阻模块（记录药品物理地址并转换为信息地址储存）。校验模式通过外置条形码识别病患信息，寻找系统内相对应的药品信息，对药品寻址控制中置导轨云台机构上的条形码识别，摄像头再次检测校对信息，校对正确无误后控制电磁铁的开合，药品袋被推送至底部的滑台出仓至指定位置，最后语音模块对药品信息与医嘱进行反馈。

具体动作指令为：首先护士准备进行装药阶段，利用IC卡判断职员身份，如果不符合身份，则电子门锁不动作，如果符合身份，则电子门锁打开；开启箱门后，门旁限位开关输出高电平，控制器控制开关打开二维码、光敏电阻的电源；识别药品信息，如果识别错误，则提示识别失败，并返回上一步，继续药品识别，如果正常，则进行地址存储。地址存储错误则亮红灯，回到上一步，地址存储正确则亮绿灯；装药完成，关闭箱门，限位开关变为低电平，切断箱内条形码识别和药品识别存储。若未完成，则继续装药。判断触摸屏是否开启送药模式，如果开启，则进行智能寻迹小车寻迹送药，否则待机休眠。小车行驶至指定位置后，进行扫码识别，由主控判断信息是否匹配，如果不对，则进行信息报警，如果正确则开启信息内部自检，使得步进电动机动作带动摄像头进行扫描自检，再由主控判断自检信息是否正确，如果不正确，则进行信息报警，如果自检信息正确，主控输出动作脉冲信号，让对应的药盒后背电磁铁头吸合，弹出药盒。同时，程序指令控制减速电动机动作，齿轮带动齿条传动，使得测量模块滑出。当对射光电传感器输出个高电平时，减速电动机反转，测量模块复位。程序判断送药是否完成，如果完成智能寻迹小车寻迹回程，待机休眠，否则返回程序，继续送药。

随着数字孪生技术的日益成熟，技术人员可以在PC上实时观察并控制小车行迹和送药过程。数字孪生关键过程为“数化”，即将物理对象转化为可以度量的数据，再通过数据建立合理的数字化模型。“数化”是建立数字孪生体的第一步，也是数字孪生技术的基石。数字化的核心技术之一为建模，只有模型建立正确并得到完整的输入信息，仿真得到的结果才能符合实际。智能辅助药箱的模型在NX12.0环境下建立，NX软件下的MCD模块可以将装配体分解为机械、电气、自动化的通用语言，通过OPC通信协议，将模型与PLC程序建立联系，得到机电一体化产品的自动化行为的正确仿真结果。

4 结语

目前，市面上尚未出现能够自动派发医疗药品的辅助医疗设备。本课题设计的智能辅助送药设备能实现对病患药品识别、存取和检验信息[4]的功能。帮助医护人员完成简单、重复的日常发送药品工作，为繁忙的医院节省出大量人工成本[5]，提高工作效率的同时还可以降低护士的人为出错率。