藥房自動化設備出藥裝置的結構優(yōu)化設計

白曉，李曉春

(青島農業(yè)大學海都學院，山東萊陽265200)

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藥房自動化設備出藥裝置的結構優(yōu)化設計

白曉，李曉春

(青島農業(yè)大學海都學院，山東萊陽265200)

摘要：針對藥房自動化設備容易出現的不出藥問題，提出一種藥房自動化設備出藥裝置的工作原理和結構形式。利用MATLAB軟件對其中關鍵的翻板結構進行了優(yōu)化仿真，得出合理的設計參數。最后，通過試驗驗證優(yōu)化后的結構能夠實現藥品的快速可靠發(fā)放，達到系統(tǒng)預期指標。

關鍵詞:自動化藥房出藥裝置翻板MATLAB優(yōu)化

0引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，各學科之間相互滲透，互為補充，也把自動化技術推向一個新階段，自動化控制技術已深入到各個領域，在醫(yī)學領域中也有廣泛的應用，醫(yī)院藥房的自動化革新已然成為其新的發(fā)展方向。20世紀90年代，德國、美國、日本等發(fā)達國家開始了藥房自動化方面的研究，并研制出了諸多與本國醫(yī)院藥房配套的各種自動化設備[1]。國內對藥房自動化設備的研究正式起于2004年由深圳三九集團承擔的國家863計劃項目“智能化藥房”，在國家相關政策的扶持和市場經濟的引導下，目前國內已有多家科研院所和高新技術企業(yè)開展了對藥房自動化設備的研制并形成多種醫(yī)院藥房自動化解決方案[2-4]。

本文研究的是針對盒裝藥密集存儲和快速發(fā)放的一種藥房自動化設備，由自動上藥裝置、儲藥裝置和自動出藥裝置三部分組成[5]。自動上藥裝置通過機械手實現盒裝藥的自動有序定位存放；儲藥裝置主要是由傾斜式儲物槽實現藥品的安全密集存儲，并便于利用重力落料原理配合完成出藥；出藥裝置在無處方要求時對藥品可靠定位，有處方要求時對藥品快速發(fā)放。由于國內門診藥房有處方量大、患者集中和發(fā)藥強度高的特點，自動化藥房在實際使用中容易出現出藥錯誤的問題，其中最主要的狀況即為不出藥[6-7]，所以對出藥裝置的可靠性要求更加突出，需要進行優(yōu)化設計。

1出藥裝置的結構設計

1.1工作原理

出藥裝置主要實現兩個功能：一是無處方要求時藥品在儲藥槽中的可靠及準確定位；二是有處方要求時藥品的可靠及快速發(fā)放。為實現密集存儲，盡量壓縮出藥裝置體積以減小輔助裝置帶來的空間浪費，提高藥品存儲率。

出藥裝置由翻板機構和帶有電磁鐵的升降機組成。每個儲藥槽端口固定一個翻板機構，多個電磁鐵安裝在升降機上一字排開，與每行儲藥槽數量相對應。有處方要求時，升降機運動至處方藥所在行，進行行定位實現“行選”，處方藥所在列對應的電磁鐵動作，使處方藥所在儲藥槽槽口的翻板克服扭簧扭矩翻轉，實現“列選”，藥品發(fā)放，電磁鐵動作至藥品數量發(fā)放完成。無處方要求時，翻板通過扭簧作用使藥品可靠定位在儲藥槽中。因電磁鐵行程有限，故需設計在翻板有限的翻轉角度內可靠出藥。

1.2翻板結構設計

圖1　翻板結構側視圖

翻板機構是實現藥品可靠存儲和發(fā)放的關鍵機構，主要由翻板、擋邊滾輪、后滾輪、翻板軸和復位扭簧組成，如圖1。藥品入庫儲存時，翻板機構為復位狀態(tài)，其擋邊直立于藥品前側，對藥品起限位作用；藥品出庫時，升降機將電磁鐵帶至處方藥所在行，與處方藥所在列對應的電磁鐵通電動作，推動翻板克服扭簧扭矩翻轉，翻板的后滾輪抬高藥盒前端，輔助藥盒越過降低的擋邊滾輪，在重力下滑力作用下完成出庫。翻板機構擋邊滾輪和后滾輪的設計是為了將藥盒與翻板機構之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，便于藥盒下滑。當電磁鐵的頂出動作結束后，立即復位，電磁鐵頂桿施加在翻板上的驅動力撤銷，扭簧產生的復位作用力使翻板復位，后滾輪推動后續(xù)藥盒回位，擋邊滾輪直立后繼續(xù)對后續(xù)藥盒限位，出藥動作周期完成。

對于翻板機構設計主要有以下三個問題：

①擋邊滾輪有效高度：擋邊滾輪有效高度是指儲藥槽底面到擋邊滾輪軸線的垂直距離。該高度過小，無法有效阻止藥盒下滑，從而導致上藥時藥盒沖出，出藥時藥盒連出、多出；擋邊滾輪高度過大，則出藥困難，提高對電磁鐵頂桿有效行程的要求，同時要求各儲藥層高度增加，導致總體儲藥量的減少。

②翻邊長度：電磁鐵行程不變的情況下，較大的翻邊長度更有利于將藥盒抬起到需要的高度，使出藥更加順利；但由于藥盒長短相差較大，對于一些長度較小的藥盒，若翻邊長度超過藥盒長度的一半，在某些情況下會出現短藥盒卡在翻邊與擋輪之間的狀況，藥品無法發(fā)放，輕則系統(tǒng)癱瘓，耽擱病人用藥，重則設備毀壞，造成人機事故。

③翻板翻轉角度：由于電磁鐵行程有限，推動翻板翻轉角度受限，從而不能使定位藥品的擋邊高度降至合理高度，藥品不能快速、可靠發(fā)放。為避免這類問題，除盡量增大電磁鐵行程之外還需優(yōu)化翻板結構，使在電磁鐵行程一定的情況下翻板翻轉角度達到最大，即將擋藥高度無限接近于零。

2翻板結構的仿真優(yōu)化

由以上分析知翻板擋藥前枝長度和翻邊長度的設計對于出藥可靠性尤為關鍵，前枝過短，則擋藥不可靠，過長，則不利于出藥；而翻邊過短則不足以抬高藥盒從而協(xié)助其越過前枝，過長則易使短藥盒陷入其中無法發(fā)放。為了得出翻板前枝和翻邊的合理長度，基于翻板和藥盒結構，建立數學模型，見圖2。

圖2　翻板簡化模型

以靜止時藥盒前頂點作為坐標系原點，翻板簡化為由翻板軸、擋藥前枝和翻邊組成的三角形。翻板軸和翻邊端的連線與藥盒的長重合，為X軸；過擋藥前枝端翻邊的垂線與藥盒的高重合，為Y軸。出藥時，翻板轉過角度θ，則三角形以翻板軸為中心轉過θ。

ΔQAB的初始頂點坐標分別為Q(a，0)、A(0，y1)、B(x2，0)。邊QA，即翻板前枝長l1；QB，即翻板翻邊長l2。翻板旋轉角度θ后點A′與B′的坐標分別為：

(1)

(2)

直線A′B′的斜率

(3)

將A′、B′坐標帶入，得：

(4)

直線A′B′斜率越大，即擋藥前枝高度越小，翻邊抬起高度越大，越利于出藥。所以，斜率-tgδ最小化是優(yōu)化的目標函數。

共有4個函數自變量：擋藥前枝長l1、翻邊長l2、翻板旋轉角度θ和翻板軸中心橫坐標a，分別設為x(1)、x(2)、x(3)、x(4)。

限制條件如下：

① 防止儲存的藥品與運動的升降機干涉，設定翻板軸中心在藥盒的外側，即a≤0；

③ 藥盒伸入翻邊的長度不得大于自身長度的一半，以防藥品卡入翻板。經統(tǒng)計，藥盒最短為40mm，即0

④ 由于電磁鐵行程有限，設定翻板轉過角度不大于45°，即0°<θ<45°；

⑤ 邊長均大于0，即l1>0，l2>0。

用MATLAB軟件優(yōu)化，計算得最終優(yōu)化結果見圖3。

圖3　翻板邊長MATLAB優(yōu)化結果

由優(yōu)化結果可知，當翻板擋藥前枝長度為15 mm，翻邊長度為25 mm，翻板軸距藥盒角點12.7 mm時，翻板翻轉45°，即翻板的最終狀態(tài)時，擋藥前枝與翻邊頂端連線傾角最大，為atan1，即0.8°，此時最利于出藥。

3實驗驗證

圖4　翻板試驗

根據MATLAB優(yōu)化結果確定翻板加工尺寸進行試驗，見圖4所示。藥盒長度在40 mm至224 mm范圍內均能實現快速可靠發(fā)放，使系統(tǒng)在平均單張?zhí)幏教幚硭俣?8 s、日處理處方1 600張的情況下發(fā)藥差錯率極低，達到系統(tǒng)預期技術指標。

4結論

本研究對影響自動化藥房出藥可靠性的翻板結構進行優(yōu)化設計，通過MATLAB軟件仿真，得到翻板結構的理想參數，并由實驗驗證該結構合理有效，對于提升藥房自動化設備的出藥可靠性有一定的指導意義。

參考文獻

[2]龔從揚,臧鐵鋼,袁金虎.藥房快速自動發(fā)藥機單元的研發(fā)[J].中國制造業(yè)信息化,2012,41(3)：64-66.

[3]李成群,黃寶旺,樊鴻偉,張凈霞.基于PLC的自動化藥房出藥系統(tǒng)的研究[J].制造業(yè)自動化,2014,36(21):99-101.

[4]方龍偉,贠超,鹿紅超.快速發(fā)藥系統(tǒng)出藥方式優(yōu)化研究及仿真[J].機電工程,2013,30(6):689-692.

[5]白曉,贠超.一種倉儲物流系統(tǒng)出庫對比研究[J].現代制造工程,2010(10)43-46.

[6]陳智,蘇銀法.門診藥房快速發(fā)藥系統(tǒng)在使用中發(fā)現的問題分析[J].中國藥房,2015,26(4):568-569.

[7]朱慧娟.我院門診藥房自動化發(fā)藥系統(tǒng)工作實踐[J].中國藥業(yè),2014,23(14):76-77.

The structural optimization design of drug-dropping unit of pharmacy automation equipment

BAI Xiao，LI Xiaochun

Abstract:Aimed at the frequent failure of pharmacy automation equipment, this paper proposes a new principle and structure of drug unit for pharmacy automation equipment, and the key flap structure is optimized using MATLAB software so that reasonable design parameters are obtained. And the tests verify that the optimized structure enables fast and reliable delivery of drugs, and meets the expected requirements.

Keywords:pharmacy automation；drug-dropping unit；flap；MATLAB；optimization

收稿日期：2015-08-21

作者簡介：白曉(1984-)，女，河北衡水人，漢族,工程師，碩士，研究領域：機械設計及理論。

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0055-03