李 泊,李成群

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

隨著我國(guó)醫(yī)療技術(shù)水平的不斷提高，傳統(tǒng)藥房在運(yùn)行中的不足越來(lái)越明顯，因此藥房自動(dòng)化成為現(xiàn)代醫(yī)院建設(shè)的重中之重。自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，使自動(dòng)化藥房應(yīng)運(yùn)而生，其彌補(bǔ)了傳統(tǒng)藥房的很多不足，大大提高了藥房的工作效率。但現(xiàn)有自動(dòng)化藥房的取藥機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)更多適用于盒裝藥品，對(duì)于抓取瓶裝且相對(duì)較重的藥品則略顯不足。針對(duì)此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種取藥機(jī)械手爪，有效地提高了抓取效率。

1 取藥機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

取藥機(jī)械手是用來(lái)代替人手進(jìn)行藥品抓取工作的，所以取藥機(jī)械手末端手爪的設(shè)計(jì)十分重要。目前自動(dòng)化藥房中的藥品基本上以盒裝和瓶裝的形式存在，當(dāng)機(jī)械手抓取瓶裝藥品時(shí)不但要保證穩(wěn)定的夾緊力，還要保證包裝不會(huì)損壞。對(duì)于塑料材質(zhì)的瓶裝藥品主要是保護(hù)外包裝，而玻璃材質(zhì)的瓶裝藥品主要是保證穩(wěn)定的夾緊力。

為了解決以上問(wèn)題，本文在原有的二指平移型機(jī)械爪的基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)做了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的取藥機(jī)械手爪三維模型如圖1所示，其主要由氣缸、氣缸支撐平臺(tái)、底座、圓柱直線導(dǎo)軌、手爪手指、壓力傳感器、紅外線傳感器和吸盤等組成。

1-氣缸1；2-氣缸支撐平臺(tái)；3-氣缸2；4-底座；5-滑動(dòng)導(dǎo)軌；6-手爪手指2；7-壓力傳感器；8-紅外線傳感器；9-吸盤；10-手爪手指1

該手爪以底座為依托，底座相對(duì)于手爪其他結(jié)構(gòu)是固定不動(dòng)的，其作用是在手爪抓取搬運(yùn)期間暫時(shí)存放藥品，其左右兩端設(shè)計(jì)有光滑圓柱直線導(dǎo)軌，與氣缸支撐平臺(tái)上的導(dǎo)軌相配合，工作磨損程度低且能保證良好的定位精度。底座與氣缸支撐平臺(tái)之間留有1 mm間隙，可減少二者相互運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力。氣缸支撐平臺(tái)與電動(dòng)推桿連接，由伺服電機(jī)為其提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)兩手爪手指在縱向上的移動(dòng)，兩個(gè)手爪手指由氣缸實(shí)現(xiàn)其平移運(yùn)動(dòng)。圖2為取藥機(jī)械手爪平面結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)氣缸1與氣缸2的后進(jìn)氣口進(jìn)氣時(shí)，活塞1和活塞2對(duì)向運(yùn)動(dòng)，使手爪手指1和手爪手指2靠攏，從而實(shí)現(xiàn)兩手爪手指的夾緊；當(dāng)氣缸1與氣缸2的前進(jìn)氣口進(jìn)氣時(shí)，活塞1和活塞2背向運(yùn)動(dòng)，使手爪手指1和手爪手指2分離，從而實(shí)現(xiàn)兩手爪手指的松開(kāi)。

1-氣缸1；2-氣缸1后氣口；3-氣缸1前氣口；4-底座；5-氣缸2前氣口；6-氣缸2；7-氣缸2后氣口；8-活塞2；9-紅外線傳感器；10-活塞1

本次主要是針對(duì)手爪抓取瓶裝藥品時(shí)夾緊力不足或夾緊力過(guò)大損壞包裝等情況的設(shè)計(jì),其創(chuàng)新點(diǎn)在于將手爪手指前端結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)為弧形，在其弧面端安裝壓力傳感器和吸盤。當(dāng)手爪抓取瓶裝藥品時(shí)，藥品與手爪手指弧面接觸，夾緊時(shí)觸動(dòng)壓力傳感器，壓力傳感器收到信號(hào)后吸盤開(kāi)始工作，同時(shí)紅外線傳感器開(kāi)始記次。當(dāng)手爪夾緊藥品回到底座過(guò)程中第一次經(jīng)過(guò)紅外線傳感器時(shí)工作狀態(tài)無(wú)變化，之后由手爪將藥品放到發(fā)藥口時(shí)再次經(jīng)過(guò)紅外線傳感器，此次當(dāng)藥品處于紅外線傳感器上方時(shí)，紅外線傳感器發(fā)出信號(hào)致使吸盤停止工作，最終將藥品放入發(fā)藥口中。

2 取藥機(jī)械手爪控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了獲得更高的速度和更大的存儲(chǔ)空間，控制系統(tǒng)以TURBO PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，上位機(jī)選用工控機(jī)，下位機(jī)選用TURBO PMAC2A-ETH運(yùn)動(dòng)控制卡，配備DTC-8B轉(zhuǎn)接板、三菱MR-JE-20A伺服驅(qū)動(dòng)器、三菱交流伺服電機(jī)、氣缸，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。在自動(dòng)化藥房的實(shí)際工作過(guò)程中，工控機(jī)要讀取藥房取藥系統(tǒng)的出藥清單，根據(jù)清單上藥品的不同包裝(盒裝或瓶裝)與PMAC建立通訊關(guān)系，再由PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)工控機(jī)的要求發(fā)送不同的指令給伺服驅(qū)動(dòng)器和氣缸，之后伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)完成工控機(jī)傳達(dá)的相關(guān)指令，從而保證手爪的正確位置。

圖3 取藥機(jī)械手爪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三菱伺服驅(qū)動(dòng)器MR-JE-20A為單相AC220 V供電，伺服電機(jī)的U、V、W電源及地線分別接入伺服驅(qū)動(dòng)器電源輸出端及地線。使用空氣開(kāi)關(guān)來(lái)完成伺服ON、緊急停止2、復(fù)位、正反轉(zhuǎn)行程末端的控制，如圖4所示。在伺服驅(qū)動(dòng)器的CN1端口的DICOM(20針)和DOCOM(46針)上分別連接DC+24 V電源的正極和負(fù)極作為上述開(kāi)關(guān)量的控制電源。本控制系統(tǒng)采用步進(jìn)控制方式(脈沖+方向)，這時(shí)需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)PA13為＿＿01 h，由PP和PN分別輸出脈沖和方向信號(hào)，并將其連接到DTC-8B的#1的25針DB端口。伺服輸出的編碼器信號(hào)連接到DTC-8B的編碼器信號(hào)輸入端。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以Win平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用VC2010對(duì)上位機(jī)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，其主要功能是實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)化藥房系統(tǒng)的后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理功能。對(duì)于取藥過(guò)程中機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、路徑計(jì)算、伺服電機(jī)與氣缸的動(dòng)作控制等功能則由PMAC來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用PMAC的專用控制軟件Pewin32PRO2連接上位機(jī)與PMAC之間的通訊橋梁，實(shí)現(xiàn)兩者之間的信息交換。

圖4 伺服驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)信號(hào)

當(dāng)成功建立通訊后，首先設(shè)置完成以下參數(shù)，之后進(jìn)行開(kāi)環(huán)測(cè)試和PID參數(shù)調(diào)整。設(shè)置參數(shù)如下：

I102=$078004(選擇輸出寄存器的地址為C寄存器，C寄存器可以輸出PFM信號(hào)及模擬信號(hào)和PWM信號(hào),而其他寄存器不能輸出PFM信號(hào)。$078004為C寄存器的地址)；

I7016=3(選擇C寄存器輸出PFM信號(hào))；

I124=$120001(禁用限位及報(bào)警)；

I7010=8(反饋形式為假閉環(huán)，也可為0，為0時(shí)為真實(shí)的編碼器反饋)；

I100=1(激活電機(jī)#1)。

對(duì)于任何包括電機(jī)和伺服器的系統(tǒng)，必須配置PMAC的伺服算法才能達(dá)到正確的運(yùn)動(dòng)控制效果，調(diào)整與“PID增益”相關(guān)的I變量。確定合適的PID參數(shù)的過(guò)程稱為“整定”，經(jīng)過(guò)“整定”階段后可以使得電機(jī)具有良好的響應(yīng)特性，避免電機(jī)在工作過(guò)程中出現(xiàn)較大的振動(dòng)。經(jīng)過(guò)開(kāi)環(huán)測(cè)試之后得到如圖5所示的響應(yīng)曲線，表明開(kāi)環(huán)特性良好，指令方向和反饋方向一致。

圖5 經(jīng)開(kāi)環(huán)測(cè)試得到的響應(yīng)曲線

進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)節(jié)，設(shè)定參數(shù)I130=10 000(比例系數(shù))，I131=0(微分系數(shù))，I132=15042(速度前饋系數(shù))，其余參數(shù)不變，得到的微動(dòng)電機(jī)響應(yīng)曲線如圖6所示。表明電機(jī)能快速地對(duì)命令進(jìn)行響應(yīng)，并且穩(wěn)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化藥房取藥機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，針對(duì)瓶裝藥品的抓取進(jìn)行了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使抓取瓶裝藥品時(shí)更加穩(wěn)定可靠。PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的應(yīng)用使控制系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，運(yùn)行更平穩(wěn)，對(duì)于提高自動(dòng)化藥房工作性能有一定的參考價(jià)值。

圖6 PID參數(shù)調(diào)節(jié)后得到的響應(yīng)曲線

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