武文軒 劉同欣

（1.上海ABB工程有限公司 上海201319；2.同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院 上海200120）

機(jī)器人代替人工，已經(jīng)在各行各業(yè)廣泛滲透。機(jī)器人在替代重復(fù)勞動，降低勞動強(qiáng)度方面，有著毋庸置疑的優(yōu)勢[1]。特別是經(jīng)歷了2020年初的新冠肺炎疫情之后，更讓各行各業(yè)感受到，在重大災(zāi)害面前，用機(jī)器替代人工的重要意義。

在醫(yī)院的應(yīng)用場景下，已經(jīng)有多種類型的機(jī)器人投入到日常使用中。除了護(hù)理機(jī)器人、輔助康復(fù)機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人等高端應(yīng)用外，更多的常規(guī)機(jī)器人，被應(yīng)用在比如分揀、搬運(yùn)、清潔消毒等領(lǐng)域。特別是在這次湖北抗擊疫情的大考中，在人力嚴(yán)重不足，病毒傳染風(fēng)險(xiǎn)極高的惡劣工況下，機(jī)器人穩(wěn)定、可靠、不受環(huán)境及情緒影響的優(yōu)勢，展現(xiàn)得淋漓盡致。

本論文探討一種可以在醫(yī)院藥房應(yīng)用的分揀機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)，探討其工作原理、實(shí)現(xiàn)方式，并且對機(jī)械手的關(guān)鍵部位——腕部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析，并進(jìn)行計(jì)算校核。

1 藥品分揀自動搬運(yùn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本論文的研究對象是由三套獨(dú)立抓取單元組成的搬運(yùn)系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三套獨(dú)立抓取單元、三個(gè)藥品放置平臺和三個(gè)檢測讀碼器被安裝在一個(gè)整體式平臺上。每個(gè)抓取單元的下方都有用于放置藥品的平臺。在每個(gè)抓取單元的放藥臺側(cè)面都安裝了一個(gè)檢測讀碼器，用于檢測工作臺上是否有藥品，并且對所放藥品進(jìn)行條碼掃描識別。機(jī)械手負(fù)責(zé)把藥品從右側(cè)的工作臺搬運(yùn)到左側(cè)的工作臺上。

圖1 搬運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 藥品搬運(yùn)系統(tǒng)工作原理

當(dāng)搬運(yùn)系統(tǒng)開始工作時(shí)，藥房員工將待傳送藥品放在工作臺A上，放藥臺A配置的紅外檢測讀碼探頭開始掃描，確認(rèn)平臺A上有預(yù)置藥品并通過讀碼識別記錄藥品種類后，抓取機(jī)械臂1開始工作，完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)抓取、搬運(yùn)動作，把藥品放在平臺B上。此時(shí)，平臺B配置的紅外檢測頭開始掃描，確認(rèn)平臺 B上有放置藥品并識別記錄藥品種類后，抓取機(jī)械臂2開始工作，完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)抓取、搬運(yùn)動作，把藥品放在平臺C上。同樣，平臺C配置的紅外檢測頭開始掃描，確認(rèn)平臺C上有放置藥品并識別記錄藥品種類后，抓取機(jī)械臂3開始工作，完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)抓取、搬運(yùn)動作，把藥品放在平臺C上。這樣3個(gè)抓取單元根據(jù)指令完成指定的工作循環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)束工作時(shí)，抓取機(jī)械臂1完成最后一個(gè)循環(huán)指令停止，然后抓取機(jī)械臂 2、抓取機(jī)械臂 3也依次完成最后一個(gè)循環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)停止工作。

每個(gè)獨(dú)立抓取單元的一次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，可以分解成8個(gè)動作：(1)當(dāng)檢測到藥品放置平臺上有藥品時(shí)，抓取機(jī)械臂下降；(2)抓取機(jī)械臂在下工作位抓緊藥品盒；(3)抓取機(jī)械臂夾緊藥品盒抬升到可旋轉(zhuǎn)工位；(4)機(jī)械臂向左旋轉(zhuǎn) 180°；(5)機(jī)械臂夾緊藥品盒下降到下工作位；(6)在下工作位時(shí)松開藥品盒；(7)機(jī)械臂抬升到可旋轉(zhuǎn)工位；(8)機(jī)械臂向右旋轉(zhuǎn)180°，回到初始工位。

本設(shè)計(jì)項(xiàng)目要達(dá)到的目標(biāo)是，通過三套抓取機(jī)械手單元組成一個(gè)適用于醫(yī)院藥房的簡易藥品搬運(yùn)系統(tǒng)。通過機(jī)械手與紅外檢測探頭的配合工作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、可拓展的藥品搬運(yùn)過程。本系統(tǒng)可直接應(yīng)用于包裝上有識別碼的零售藥品搬運(yùn)。并且通過改裝，在每一套機(jī)械手之間的工作臺上方增配下藥料斗，并且配置帶有識別碼的裝藥盤，即可實(shí)現(xiàn)針對不同病人醫(yī)囑，差異化的配藥過程，并且不受中藥、西藥的限制。

1.2 機(jī)械手腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.2.1 機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化

腕部處于手臂的最前端，它和手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和載荷狀況，直接影響著機(jī)械臂部分的結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕[2]。

2）布局合理

腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，承擔(dān)連接和支撐的作用[3]。除了要考慮受力情況和滿足運(yùn)動的功能實(shí)現(xiàn)外，還應(yīng)對整體結(jié)構(gòu)宏觀考慮，在保證足夠的強(qiáng)度、剛度基礎(chǔ)上，合理布局，解決好腕部與機(jī)械臂和機(jī)械手爪的連接。

3）腕部的使用工況

本研究項(xiàng)目的搬運(yùn)系統(tǒng)，期望運(yùn)行的工況是在醫(yī)院內(nèi)常規(guī)藥房中分揀搬運(yùn)盒裝藥品。該類工況環(huán)境條件良好，沒有高溫和腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2 腕部的結(jié)構(gòu)

1）典型的腕部結(jié)構(gòu)[4]

（1）具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)[5]。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于腕部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中[6]。

（2）齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于 270°的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)[7]。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式機(jī)械臂結(jié)構(gòu)[8]。

（3）具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)，它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動兩個(gè)自由度[9]。

（4）機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)[10]。

2）腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇

本搬運(yùn)系統(tǒng)要求抓取機(jī)械臂手腕可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)180°的功能。綜合以上列舉分析，本次腕部選擇第一種典型結(jié)構(gòu)，液壓驅(qū)動的一個(gè)自由度回轉(zhuǎn)形式。

1.2.3 腕部的設(shè)計(jì)

1）參數(shù)預(yù)設(shè)

本設(shè)計(jì)預(yù)估極限工況夾取藥品最大重量60 kg，回轉(zhuǎn)180°。

2）腕部的驅(qū)動力矩計(jì)算

在腕部的設(shè)計(jì)過程中，主要有兩個(gè)參數(shù)：腕部的驅(qū)動力矩M慣；腕部的摩擦力矩M摩。

設(shè)計(jì)選型中，為了提高適應(yīng)性，我們考慮極限工況下，預(yù)估試抓取對象為棒料，直徑Φ100 mm，長度1000 mm，重量60 kg。

為方便計(jì)算，將機(jī)械手爪、驅(qū)動缸、回轉(zhuǎn)缸和所有轉(zhuǎn)動部件，簡化為一個(gè)高為220 mm，直徑Φ120 mm的圓柱體，其重力估算

摩擦力矩M摩=0.1M。

機(jī)械臂啟動所需轉(zhuǎn)過的角度：

φ啟=18°=0.314 rad，等速轉(zhuǎn)動角速度ω=2.616s-1。

查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：

代入：

3）腕部驅(qū)動力的計(jì)算

腕部的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定：根據(jù)表 1，預(yù)選液壓缸體內(nèi)腔直徑為Φ110 mm，外徑尺寸根據(jù)表2查得，預(yù)選為Φ121 mm，這個(gè)預(yù)選值為液壓缸壁可行的最小厚度，但需要綜合考慮裝配結(jié)構(gòu)的情況。最終選定的液壓缸外徑為D=226 mm；動片寬度b=66 mm，輸出軸r=22.5 mm。基本尺寸如圖2所示。則回轉(zhuǎn)液壓缸工作壓力為：

選擇8 MPa。

表1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm）

表2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）

圖2 腕部的結(jié)構(gòu)示意圖

4）液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算

缸蓋螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)，如圖3所示，t為兩顆螺釘之間的距離。間距的大小和液壓缸的工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表3。

表3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系

圖3 缸蓋螺釘間距示意

在這種連接結(jié)構(gòu)中，每個(gè)螺釘在其危險(xiǎn)截面上所承受的拉力為：

液壓缸的工作壓強(qiáng)為P=8 MPa，由表3可知，螺釘間距t＜80 mm，故選擇Z=8個(gè)螺釘，

所以，

螺釘材料選擇Q235，

螺釘?shù)闹睆剑?/p>

由計(jì)算結(jié)果可得，螺釘選擇M16的螺釘。

5）動片與輸出軸之間的螺釘計(jì)算

動片與輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)如上圖。連接螺釘數(shù)量一般選擇偶數(shù)，并且均布設(shè)計(jì)。連接螺釘?shù)闹饕饔?，是使動片和輸出軸之間實(shí)現(xiàn)更緊密的配合。

式中：D為動片的外徑；f為摩擦系數(shù)，鋼件對銅件取f= 0.15。

螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為：

代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得

螺釘材料選擇Q235，

螺釘?shù)闹睆竭x擇d=12 mm。結(jié)合裝配情況，選擇M12的開槽盤頭螺釘。

2 系統(tǒng)仿真

根據(jù)搬運(yùn)系統(tǒng)的工作原理，我們對系統(tǒng)中的主要動作，即單套抓取機(jī)械手單元的工作流程，編制了程序流程圖，如圖4所示。

圖4 機(jī)械手工作程序流程圖

本程序的設(shè)計(jì)是在西門子 STEP7-Micro/WIN V4.0SP3編程軟件編寫的。下面的程序在STEP7中編譯通過，無報(bào)錯(cuò)。

本程序在仿真軟件S7-200模擬器中成功模擬，如圖5為模擬圖。

圖5 程序仿真圖

3 結(jié)語

本文利用三套機(jī)械手單元，組成了一種可以應(yīng)用在醫(yī)院藥房環(huán)境下的抓取機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)。介紹了其工作原理，實(shí)現(xiàn)方法，并且對機(jī)械手腕部進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算。本文重在探索一種實(shí)現(xiàn)方法，希望能對今后類似工況環(huán)境下的機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是文中提到的針對不同病人醫(yī)囑，改裝中、西藥定制化配藥系統(tǒng)的搭建，提供一些思路。