黃曉冉，董小雷

（河北聯(lián)合大學(xué) 機械工程學(xué)院，唐山 063009）

0 引言

隨著社會的進步和人民生活水平的不斷提高，人們對醫(yī)療服務(wù)水平的要求也是越來越高[1]。醫(yī)藥技術(shù)的不斷創(chuàng)新，催生了形形色色的藥品種類，如何對藥品進行科學(xué)化管理，為人們提供更加高效的醫(yī)藥服務(wù)，成為當(dāng)前大中型醫(yī)院藥房面臨的一個棘手的問題。

自動化藥房的誕生，實現(xiàn)了藥品信息化、集中化管理。上藥系統(tǒng)是自動化藥房系統(tǒng)中一個重要的組成部分。一個運行穩(wěn)定、快速、定位精確的上藥系統(tǒng)，能夠大大降低醫(yī)務(wù)工作人員的勞動強度和提高藥房設(shè)備的自動化水平。市場上現(xiàn)有的上藥機械手存在單次上藥數(shù)量少、定位不精準的問題，為了解決這一問題，設(shè)計了一種自動上藥機械手，采用兩端四發(fā)藥槽機構(gòu)和齒輪嚙合旋轉(zhuǎn)機構(gòu)配合，保證自動化儲藥設(shè)備快速、高效的的補藥。

1 機械結(jié)構(gòu)原理

上藥機械手由水平雙直線導(dǎo)軌、豎直雙直線軌道、回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、從動齒輪、齒輪軸和移動架等組成。上藥機械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

移動架在伺服電機的驅(qū)動下沿著豎直方向的導(dǎo)軌做上下直線運動，豎直導(dǎo)軌整體沿著水平方向的導(dǎo)軌做左右直線運動，從而實現(xiàn)機械手的定位。為保證其運行的穩(wěn)定性，在豎直和水平方向均采用雙直線導(dǎo)軌。

豎直雙直線導(dǎo)軌的底部和頂部均安裝有回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，如圖1所示，在電機的驅(qū)動下能夠使得豎直雙直線導(dǎo)軌完成180度的旋轉(zhuǎn)，設(shè)計的兩端四個發(fā)藥槽都可以向儲藥柜上藥，這樣很好的解決了機械手單次上藥量少的問題。

圖1 上藥機械手整體結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)藥槽的上表面與水平面成一定的傾角，如圖2所示，藥品平放在發(fā)藥槽中時，會依靠重力作用緊貼著發(fā)藥槽側(cè)壁。同時每個發(fā)藥槽前端開矩形孔，三角擋板與電磁鐵相連，穿過矩形孔擋住發(fā)藥槽中的藥品，對藥品起到定位的作用。當(dāng)電磁鐵得電，三角擋板向下收縮，藥品則沿著發(fā)藥槽滑落。在每個發(fā)藥槽出口處的兩側(cè)和中間擋板處分別開通孔，并安裝光電開關(guān)，一個光點開關(guān)實現(xiàn)對一端兩個發(fā)藥槽中藥品發(fā)送情況進行檢測。

圖2 雙發(fā)藥槽主視圖示意圖

兩端的雙發(fā)藥槽尾部分別安裝從動齒輪，如圖3所示，并與轉(zhuǎn)動軸固定在一起，成為一個整體，轉(zhuǎn)動軸通過軸承與移動架連接。主動齒輪軸帶動從動齒輪軸轉(zhuǎn)動，同時兩個齒輪軸分別與固定在發(fā)藥槽上的從動齒輪嚙合，在齒輪軸的驅(qū)動下，兩端的發(fā)藥槽以轉(zhuǎn)動軸為中心旋轉(zhuǎn)，可根據(jù)自動化儲藥柜中儲藥道的傾斜角度來設(shè)置發(fā)藥槽的旋轉(zhuǎn)角度。齒輪嚙合旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，提高了發(fā)藥手旋轉(zhuǎn)角度的準確性，保證機械手上藥定位的精度。

圖3 兩端四發(fā)藥槽機構(gòu)仰視示意圖

2 控制系統(tǒng)及原理

2.1 上藥機械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

上藥機械手的控制系統(tǒng)采用由上位機和下位機組成的二級控制系統(tǒng)[2]，硬件控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。上位機采用液晶觸摸屏工控機，主要對上藥機械手起檢測作用，并通過上位機對機械手的一些動作參數(shù)進行設(shè)置。下位機控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括四個伺服電機、四個電磁鐵和兩個光電開關(guān)，根據(jù)設(shè)計需求，選用性價比較高的歐姆龍CP1H型PLC，能夠發(fā)送四路脈沖，并配合CP1W—40EDRIO擴展模塊和四個SGDV—5R5A01A伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)對下位機硬件的控制。

結(jié)合圖4，上藥機械手的工作過程如下：上位機液晶觸摸屏提示需要上藥的種類和數(shù)量，工作人員將藥品別平放在發(fā)藥槽中，并設(shè)置機械手工作時的一些參數(shù)，隨后啟動機械手工作按鈕，PLC發(fā)出指令，機械手在伺服電機M1和M2的驅(qū)動下精確到達指定的位置，在此過程中伺服電機M3也得到指令，驅(qū)動主動齒輪軸帶動前后端四個發(fā)藥槽旋轉(zhuǎn)至設(shè)定好的角度，此時由發(fā)藥槽1首先進行上藥，電磁鐵得電三角擋板向下收縮，藥品沿著發(fā)藥槽滑落至儲藥柜，同時光電開關(guān)檢測藥品的發(fā)送情況，當(dāng)發(fā)藥結(jié)束時，PLC控制發(fā)藥槽2繼續(xù)上藥。當(dāng)前端兩個發(fā)藥槽全部上藥完畢時，如果需要繼續(xù)上藥，伺服電機M4控制驅(qū)動回轉(zhuǎn)裝置，使得機械手完成180°旋轉(zhuǎn)，接著后端兩個發(fā)藥槽以相同的方式繼續(xù)進行上藥，整個過程結(jié)束后，機械手復(fù)位。

圖4 上藥機械手控制系統(tǒng)組成框圖

上藥機械手上位機與下位機之間的信息交流和數(shù)據(jù)交換采用RS485總線作為介質(zhì)。RS485總線與其他總線相比具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗干擾性強[3]等的優(yōu)點，從而保證通信的速度和穩(wěn)定性。

為保證機械手動作的準確性，對伺服電機M1、M2和M3均采用閉環(huán)控制。PLC通過脈沖輸出通道1、2和3，向三個伺服電機驅(qū)動器發(fā)送不同數(shù)量和頻率脈沖，驅(qū)動器將脈沖轉(zhuǎn)化成電信號去控制伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，編碼器會將伺服電機發(fā)出的脈沖反饋信號經(jīng)由高速脈沖計數(shù)器1、2和3傳遞至PLC的CPU，經(jīng)過處理與計算，最后輸出補償脈沖，從而實現(xiàn)對伺服電機的閉環(huán)控制[4]。伺服電機M4則由PLC脈沖輸出通道4進行開環(huán)控制，以實現(xiàn)機械手180°旋轉(zhuǎn)。PLC主單元模塊輸出地址分配如表1所示。

表1 PLC主單元輸出功能分配表

PLC通過CP1W—40EDRIO擴展模塊，控制繼電器KM1、KM2、KM3和KM4的通斷，來控制電磁鐵的得電和失電，實現(xiàn)三角擋板的伸縮運動，從而分別控制四個發(fā)藥槽中的藥品的定位和發(fā)送。擴展模塊輸出功能分配如表2所示。

表2 CP1W—40EDRIO擴展單元輸出功能分配表

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

機械手自動上藥的過程是嚴格按照順序控制的方式執(zhí)行，其軟件控制系統(tǒng)由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊四個部分組成。

初始化模塊主要對PLC系統(tǒng)進行初始化，并對機械手工作時所需的一些參數(shù)進行設(shè)置。數(shù)據(jù)采集模塊主要收集由編碼器反饋回來的信號，對伺服電機進行閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)處理模塊主要是將人工設(shè)置的數(shù)據(jù)和反饋回來的信號由CPU進行處理。數(shù)據(jù)輸出模塊則主要是根據(jù)指令進行脈沖輸出和繼電器輸出，控制機械手上藥的動作。軟件設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計流程圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的上藥機械手，通過前后兩端四個發(fā)藥槽機構(gòu)與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置相互配合，很大程度提高了機械手自動上藥的數(shù)量，直線導(dǎo)軌和齒輪嚙合傳動機構(gòu)配合實現(xiàn)機械手的準確定位。由PLC控制伺服電機和電磁鐵，保證機械手高效運行。整個機械手系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，在自動化藥房領(lǐng)域里有積極的意義。

[1] 李成群,王偉,贠超,朱賢,曹建波,張銀花.自動化藥房的現(xiàn)狀和新進展[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2007,05：27-32.

[2] 劉貫華.基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].機電工程技術(shù),2008,01：86-88+110.

[3] 耿立中,王鵬,馬騁,賈惠波.RS485高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,08：1311-1314.

[4] 王有慶,田涌濤,王占杭,李從心.用PLC實現(xiàn)電機速度閉環(huán)控制[J].機床與液壓,2002,03：28-29.