一種智能輔助藥箱機構(gòu)設(shè)計與分析

劉人菊， 陳胡， 陳軍， 談杰明， 郝曉曦

（五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門529020）

0 引言

傳統(tǒng)醫(yī)院藥品分發(fā)流程是: 藥劑師根據(jù)醫(yī)生的藥方配制藥品,交付給病房護士，然后由護士分發(fā)藥物。在這段時間里,藥物信息將按照“三查七對”[1]的原則進行檢查,最后護士向病患解釋說明藥物的使用方法和禁忌, 并在核發(fā)表上簽名。其中，“三查七對”耗費了護士的大量精力。如果加上送藥時間，則護士會消耗更多時間在整個藥品分發(fā)過程。因此，為了克服手工分發(fā)藥品費時費力的缺點，設(shè)計一種新型實用設(shè)備——智能輔助藥箱。其目的是減少醫(yī)療事故的發(fā)生和減輕醫(yī)護人員的工作負擔。

圖1 智能輔助藥箱外部結(jié)構(gòu)

1 智能輔助藥箱總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，箱體分為3層，分別是上、中、下層，上層安裝升降云臺機構(gòu)及其控制系統(tǒng)，中層為箱體主體機構(gòu)，配置4個裝載藥品的門，箱體底層為漏斗收集口、出倉槽和外置檢驗攝像頭。

箱體頂層設(shè)置箱體門禁系統(tǒng)，只需要用IC門卡靠近頂部感應(yīng)器，4個門的電子鎖就會打開，進入裝載藥品模式。箱體頂部還設(shè)置有人機交互觸摸屏，用于箱體內(nèi)系統(tǒng)的控制。

箱體中層為箱體主要機構(gòu)部分，分為4個裝配箱門，每個門的開合都設(shè)置位置傳感器，作為箱體運作時裝藥模式與送藥模式的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換條件，箱體門設(shè)置隱藏門把。

箱體底部裝有與智能導(dǎo)航尋跡車[2]接合的卡槽孔位，只需將其與小車上的螺桿孔位對齊，通過螺栓連接，便可固定在小車上，實現(xiàn)智能藥箱的自動尋跡送藥功能。底層的長邊一側(cè)是二維碼外置攝像頭和出倉槽，可根據(jù)實際情況定制安裝位置，另一側(cè)為電源與系統(tǒng)的散熱風(fēng)口門。

智能輔助藥箱外觀大致為長方體，具體規(guī)格約為57 cm ×24.7 cm×90 cm，每層板厚2 mm，采用不銹鋼材料制作[3]?？砂凑蔗t(yī)院內(nèi)住院人數(shù)變更箱體裝藥規(guī)模，通過改變箱體內(nèi)的裝載器皿排列數(shù)量，修改箱體長寬尺寸，以適應(yīng)多功能任務(wù)需要。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與特點

2.1 送藥機構(gòu)的設(shè)計

送藥機構(gòu)位于箱體門板上，是整個裝置的重要的關(guān)鍵部件之一。其主要作用是實現(xiàn)儲藥和彈藥功能。由運動部件和支撐部件組成，如圖2所示。

具體的工作流程如圖3所示。開始時每個盒子都位于初始已推送狀態(tài)（盒子內(nèi)的彈簧片沒有壓緊，當手動拉下頂部的鎖緊拉閘，拉閘通過動力壓桿帶動裝配箱兩邊的凸輪，凸輪通過連桿帶動每一層的凸輪一起轉(zhuǎn)動，凸輪轉(zhuǎn)動將每層的橫壓桿往下壓。每個盒子后方伸出一個撥動長桿并配置一個電磁鐵，供橫壓桿動作時鎖緊盒子內(nèi)部彈簧片使用。當鎖緊拉閘拉到極限位置時，橫壓桿將每一層的盒子的撥動長桿壓下至電磁鐵鎖頭下端實現(xiàn)鎖緊盒子內(nèi)的彈簧片作用，使盒子處于預(yù)推送狀態(tài)。此時松開鎖緊拉閘，拉閘和凸輪將會在橫壓桿兩端布置的拉伸彈簧作用下復(fù)位至初始狀態(tài)。

圖2 送藥機構(gòu)圖

當需要釋放盒子中的藥品袋時，將電磁鐵通電，電磁鐵動作回縮鎖頭釋放撥動長桿，在彈簧片的彈性勢能下將托盤上的藥品袋推送出去，藥品袋落入中置的出倉漏斗平臺。

2.2 藥盒機構(gòu)設(shè)計

藥盒是送藥機構(gòu)的核心部分，作為儲藥和彈藥的裝載體，如圖4所示，其主要由導(dǎo)柱托盤、導(dǎo)槽外殼、撥動長桿、支撐連桿、銷、彈簧片和外殼等組成。導(dǎo)柱托盤用于托住藥袋，導(dǎo)槽外殼背部開有3個豎列槽，用于定位導(dǎo)柱托盤水平下移防止傾斜。在鎖緊拉閘向下拉動時，聯(lián)動機構(gòu)下壓藥盒后部的撥動長桿，帶動導(dǎo)柱托盤下移，彈簧片被壓縮。設(shè)計過程中要保證豎列槽邊緣的光滑度，防止導(dǎo)柱托盤沿導(dǎo)槽外殼豎列槽滑動時所受摩擦力大于彈簧片對托盤的支撐力，破壞機構(gòu)整體運動。

圖4 藥盒結(jié)構(gòu)圖

2.3 信息校驗機構(gòu)設(shè)計

信息校驗機構(gòu)主要由伸縮導(dǎo)軌、360°旋轉(zhuǎn)云臺、步進電動機、攝像頭等部件組成，通過在箱體內(nèi)部的頂部中置一個伸縮線性機構(gòu)（由伸縮導(dǎo)軌構(gòu)成） 和360°旋轉(zhuǎn)云臺（并且具有一定的俯仰角度功能），云臺上安置攝像頭可360°定位旋轉(zhuǎn)識別藥瓶條形碼（或二維碼）。完成對藥盒內(nèi)藥品信息與系統(tǒng)內(nèi)信息的最后一步校驗工作，以此確保所分發(fā)藥品為唯一指定藥品，避免錯發(fā)的事故發(fā)生。因此，信息校驗機構(gòu)也是智能輔助送藥箱的重要一環(huán)。

由于本環(huán)節(jié)攝像頭作為核心零件，如選取精度指標不合格，嚴重影響校驗效果，設(shè)計要求攝像頭的最小有效識別距離應(yīng)為5 cm，同時應(yīng)考慮區(qū)域范圍，攝像頭的長、寬不應(yīng)大于14 cm，并保證信息校驗的穩(wěn)定、可靠。

3 系統(tǒng)控制流程

智能輔助藥箱的控制系統(tǒng)采用stm32F103作為主控制器?？刂葡到y(tǒng)通過觸摸屏設(shè)置初始命令，限位開關(guān)、二維碼讀取器作為輸入信號，主控通過讀取二維碼的信號進行信息校對，根據(jù)校驗結(jié)果響應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)動作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 智能輔助藥箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖6 控制系統(tǒng)主流程圖

控制系統(tǒng)主流程圖如圖6所示。主要分為裝藥模式和校驗?zāi)Ｊ健Ｆ渲?，裝藥模式是利用IC門卡識別使用者身份確定是否授權(quán)后再開門，開門后行程開關(guān)斷開激活條形碼識別模塊識別信息和光敏電阻模塊（記錄藥品物理地址并轉(zhuǎn)換為信息地址儲存）。校驗?zāi)Ｊ酵ㄟ^外置條形碼識別病患信息，尋找系統(tǒng)內(nèi)相對應(yīng)的藥品信息，對藥品尋址控制中置導(dǎo)軌云臺機構(gòu)上的條形碼識別，攝像頭再次檢測校對信息，校對正確無誤后控制電磁鐵的開合，藥品袋被推送至底部的滑臺出倉至指定位置，最后語音模塊對藥品信息與醫(yī)囑進行反饋。

具體動作指令為：首先護士準備進行裝藥階段，利用IC卡判斷職員身份，如果不符合身份，則電子門鎖不動作，如果符合身份，則電子門鎖打開；開啟箱門后，門旁限位開關(guān)輸出高電平，控制器控制開關(guān)打開二維碼、光敏電阻的電源；識別藥品信息，如果識別錯誤，則提示識別失敗，并返回上一步，繼續(xù)藥品識別，如果正常，則進行地址存儲。地址存儲錯誤則亮紅燈，回到上一步，地址存儲正確則亮綠燈；裝藥完成，關(guān)閉箱門，限位開關(guān)變?yōu)榈碗娖剑袛嘞鋬?nèi)條形碼識別和藥品識別存儲。若未完成，則繼續(xù)裝藥。判斷觸摸屏是否開啟送藥模式，如果開啟，則進行智能尋跡小車尋跡送藥，否則待機休眠。小車行駛至指定位置后，進行掃碼識別，由主控判斷信息是否匹配，如果不對，則進行信息報警，如果正確則開啟信息內(nèi)部自檢，使得步進電動機動作帶動攝像頭進行掃描自檢，再由主控判斷自檢信息是否正確，如果不正確，則進行信息報警，如果自檢信息正確，主控輸出動作脈沖信號，讓對應(yīng)的藥盒后背電磁鐵頭吸合，彈出藥盒。同時，程序指令控制減速電動機動作，齒輪帶動齒條傳動，使得測量模塊滑出。當對射光電傳感器輸出個高電平時，減速電動機反轉(zhuǎn)，測量模塊復(fù)位。程序判斷送藥是否完成，如果完成智能尋跡小車尋跡回程，待機休眠，否則返回程序，繼續(xù)送藥。

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的日益成熟，技術(shù)人員可以在PC上實時觀察并控制小車行跡和送藥過程。數(shù)字孿生關(guān)鍵過程為“數(shù)化”，即將物理對象轉(zhuǎn)化為可以度量的數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)建立合理的數(shù)字化模型?！皵?shù)化”是建立數(shù)字孿生體的第一步，也是數(shù)字孿生技術(shù)的基石。數(shù)字化的核心技術(shù)之一為建模，只有模型建立正確并得到完整的輸入信息，仿真得到的結(jié)果才能符合實際。智能輔助藥箱的模型在NX12.0環(huán)境下建立，NX軟件下的MCD模塊可以將裝配體分解為機械、電氣、自動化的通用語言，通過OPC通信協(xié)議，將模型與PLC程序建立聯(lián)系，得到機電一體化產(chǎn)品的自動化行為的正確仿真結(jié)果。

4 結(jié)語

目前，市面上尚未出現(xiàn)能夠自動派發(fā)醫(yī)療藥品的輔助醫(yī)療設(shè)備。本課題設(shè)計的智能輔助送藥設(shè)備能實現(xiàn)對病患藥品識別、存取和檢驗信息[4]的功能。幫助醫(yī)護人員完成簡單、重復(fù)的日常發(fā)送藥品工作，為繁忙的醫(yī)院節(jié)省出大量人工成本[5]，提高工作效率的同時還可以降低護士的人為出錯率。