白曉，李曉春

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院，山東萊陽(yáng)265200)

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藥房自動(dòng)化設(shè)備出藥裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

白曉，李曉春

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院，山東萊陽(yáng)265200)

摘要：針對(duì)藥房自動(dòng)化設(shè)備容易出現(xiàn)的不出藥問(wèn)題，提出一種藥房自動(dòng)化設(shè)備出藥裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)形式。利用MATLAB軟件對(duì)其中關(guān)鍵的翻板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化仿真，得出合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。最后，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)藥品的快速可靠發(fā)放，達(dá)到系統(tǒng)預(yù)期指標(biāo)。

關(guān)鍵詞:自動(dòng)化藥房出藥裝置翻板MATLAB優(yōu)化

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各學(xué)科之間相互滲透，互為補(bǔ)充，也把自動(dòng)化技術(shù)推向一個(gè)新階段，自動(dòng)化控制技術(shù)已深入到各個(gè)領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也有廣泛的應(yīng)用，醫(yī)院藥房的自動(dòng)化革新已然成為其新的發(fā)展方向。20世紀(jì)90年代，德國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始了藥房自動(dòng)化方面的研究，并研制出了諸多與本國(guó)醫(yī)院藥房配套的各種自動(dòng)化設(shè)備[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)藥房自動(dòng)化設(shè)備的研究正式起于2004年由深圳三九集團(tuán)承擔(dān)的國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“智能化藥房”，在國(guó)家相關(guān)政策的扶持和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的引導(dǎo)下，目前國(guó)內(nèi)已有多家科研院所和高新技術(shù)企業(yè)開(kāi)展了對(duì)藥房自動(dòng)化設(shè)備的研制并形成多種醫(yī)院藥房自動(dòng)化解決方案[2-4]。

本文研究的是針對(duì)盒裝藥密集存儲(chǔ)和快速發(fā)放的一種藥房自動(dòng)化設(shè)備，由自動(dòng)上藥裝置、儲(chǔ)藥裝置和自動(dòng)出藥裝置三部分組成[5]。自動(dòng)上藥裝置通過(guò)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)盒裝藥的自動(dòng)有序定位存放；儲(chǔ)藥裝置主要是由傾斜式儲(chǔ)物槽實(shí)現(xiàn)藥品的安全密集存儲(chǔ)，并便于利用重力落料原理配合完成出藥；出藥裝置在無(wú)處方要求時(shí)對(duì)藥品可靠定位，有處方要求時(shí)對(duì)藥品快速發(fā)放。由于國(guó)內(nèi)門(mén)診藥房有處方量大、患者集中和發(fā)藥強(qiáng)度高的特點(diǎn)，自動(dòng)化藥房在實(shí)際使用中容易出現(xiàn)出藥錯(cuò)誤的問(wèn)題，其中最主要的狀況即為不出藥[6-7]，所以對(duì)出藥裝置的可靠性要求更加突出，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1出藥裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1工作原理

出藥裝置主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是無(wú)處方要求時(shí)藥品在儲(chǔ)藥槽中的可靠及準(zhǔn)確定位；二是有處方要求時(shí)藥品的可靠及快速發(fā)放。為實(shí)現(xiàn)密集存儲(chǔ)，盡量壓縮出藥裝置體積以減小輔助裝置帶來(lái)的空間浪費(fèi)，提高藥品存儲(chǔ)率。

出藥裝置由翻板機(jī)構(gòu)和帶有電磁鐵的升降機(jī)組成。每個(gè)儲(chǔ)藥槽端口固定一個(gè)翻板機(jī)構(gòu)，多個(gè)電磁鐵安裝在升降機(jī)上一字排開(kāi)，與每行儲(chǔ)藥槽數(shù)量相對(duì)應(yīng)。有處方要求時(shí)，升降機(jī)運(yùn)動(dòng)至處方藥所在行，進(jìn)行行定位實(shí)現(xiàn)“行選”，處方藥所在列對(duì)應(yīng)的電磁鐵動(dòng)作，使處方藥所在儲(chǔ)藥槽槽口的翻板克服扭簧扭矩翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)“列選”，藥品發(fā)放，電磁鐵動(dòng)作至藥品數(shù)量發(fā)放完成。無(wú)處方要求時(shí)，翻板通過(guò)扭簧作用使藥品可靠定位在儲(chǔ)藥槽中。因電磁鐵行程有限，故需設(shè)計(jì)在翻板有限的翻轉(zhuǎn)角度內(nèi)可靠出藥。

1.2翻板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1　翻板結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

翻板機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)藥品可靠存儲(chǔ)和發(fā)放的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，主要由翻板、擋邊滾輪、后滾輪、翻板軸和復(fù)位扭簧組成，如圖1。藥品入庫(kù)儲(chǔ)存時(shí)，翻板機(jī)構(gòu)為復(fù)位狀態(tài)，其擋邊直立于藥品前側(cè)，對(duì)藥品起限位作用；藥品出庫(kù)時(shí)，升降機(jī)將電磁鐵帶至處方藥所在行，與處方藥所在列對(duì)應(yīng)的電磁鐵通電動(dòng)作，推動(dòng)翻板克服扭簧扭矩翻轉(zhuǎn)，翻板的后滾輪抬高藥盒前端，輔助藥盒越過(guò)降低的擋邊滾輪，在重力下滑力作用下完成出庫(kù)。翻板機(jī)構(gòu)擋邊滾輪和后滾輪的設(shè)計(jì)是為了將藥盒與翻板機(jī)構(gòu)之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，便于藥盒下滑。當(dāng)電磁鐵的頂出動(dòng)作結(jié)束后，立即復(fù)位，電磁鐵頂桿施加在翻板上的驅(qū)動(dòng)力撤銷(xiāo)，扭簧產(chǎn)生的復(fù)位作用力使翻板復(fù)位，后滾輪推動(dòng)后續(xù)藥盒回位，擋邊滾輪直立后繼續(xù)對(duì)后續(xù)藥盒限位，出藥動(dòng)作周期完成。

對(duì)于翻板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有以下三個(gè)問(wèn)題：

①擋邊滾輪有效高度：擋邊滾輪有效高度是指儲(chǔ)藥槽底面到擋邊滾輪軸線(xiàn)的垂直距離。該高度過(guò)小，無(wú)法有效阻止藥盒下滑，從而導(dǎo)致上藥時(shí)藥盒沖出，出藥時(shí)藥盒連出、多出；擋邊滾輪高度過(guò)大，則出藥困難，提高對(duì)電磁鐵頂桿有效行程的要求，同時(shí)要求各儲(chǔ)藥層高度增加，導(dǎo)致總體儲(chǔ)藥量的減少。

②翻邊長(zhǎng)度：電磁鐵行程不變的情況下，較大的翻邊長(zhǎng)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(zhǎng)短相差較大，對(duì)于一些長(zhǎng)度較小的藥盒，若翻邊長(zhǎng)度超過(guò)藥盒長(zhǎng)度的一半，在某些情況下會(huì)出現(xiàn)短藥盒卡在翻邊與擋輪之間的狀況，藥品無(wú)法發(fā)放，輕則系統(tǒng)癱瘓，耽擱病人用藥，重則設(shè)備毀壞，造成人機(jī)事故。

③翻板翻轉(zhuǎn)角度：由于電磁鐵行程有限，推動(dòng)翻板翻轉(zhuǎn)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(lèi)問(wèn)題，除盡量增大電磁鐵行程之外還需優(yōu)化翻板結(jié)構(gòu)，使在電磁鐵行程一定的情況下翻板翻轉(zhuǎn)角度達(dá)到最大，即將擋藥高度無(wú)限接近于零。

2翻板結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化

由以上分析知翻板擋藥前枝長(zhǎng)度和翻邊長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)對(duì)于出藥可靠性尤為關(guān)鍵，前枝過(guò)短，則擋藥不可靠，過(guò)長(zhǎng)，則不利于出藥；而翻邊過(guò)短則不足以抬高藥盒從而協(xié)助其越過(guò)前枝，過(guò)長(zhǎng)則易使短藥盒陷入其中無(wú)法發(fā)放。為了得出翻板前枝和翻邊的合理長(zhǎng)度，基于翻板和藥盒結(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)圖2。

圖2　翻板簡(jiǎn)化模型

以靜止時(shí)藥盒前頂點(diǎn)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，翻板簡(jiǎn)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(xiàn)與藥盒的長(zhǎng)重合，為X軸；過(guò)擋藥前枝端翻邊的垂線(xiàn)與藥盒的高重合，為Y軸。出藥時(shí)，翻板轉(zhuǎn)過(guò)角度θ，則三角形以翻板軸為中心轉(zhuǎn)過(guò)θ。

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

(1)

(2)

直線(xiàn)A′B′的斜率

(3)

將A′、B′坐標(biāo)帶入，得：

(4)

直線(xiàn)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(biāo)函數(shù)。

共有4個(gè)函數(shù)自變量：擋藥前枝長(zhǎng)l1、翻邊長(zhǎng)l2、翻板旋轉(zhuǎn)角度θ和翻板軸中心橫坐標(biāo)a，分別設(shè)為x(1)、x(2)、x(3)、x(4)。

限制條件如下：

① 防止儲(chǔ)存的藥品與運(yùn)動(dòng)的升降機(jī)干涉，設(shè)定翻板軸中心在藥盒的外側(cè)，即a≤0；

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

④ 由于電磁鐵行程有限，設(shè)定翻板轉(zhuǎn)過(guò)角度不大于45°，即0°<θ<45°；

⑤ 邊長(zhǎng)均大于0，即l1>0，l2>0。

用MATLAB軟件優(yōu)化，計(jì)算得最終優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3　翻板邊長(zhǎng)MATLAB優(yōu)化結(jié)果

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

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4　翻板試驗(yàn)

根據(jù)MATLAB優(yōu)化結(jié)果確定翻板加工尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，見(jiàn)圖4所示。藥盒長(zhǎng)度在40 mm至224 mm范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)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(cuò)率極低，達(dá)到系統(tǒng)預(yù)期技術(shù)指標(biāo)。

4結(jié)論

本研究對(duì)影響自動(dòng)化藥房出藥可靠性的翻板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)MATLAB軟件仿真，得到翻板結(jié)構(gòu)的理想?yún)?shù)，并由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)合理有效，對(duì)于提升藥房自動(dòng)化設(shè)備的出藥可靠性有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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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(jiǎn)介：白曉(1984-)，女，河北衡水人，漢族,工程師，碩士，研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)01-0055-03