劉明德，蘇 蕓，王 江，范微波，李曉燕

(江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 前言

智能藥房直接對接醫(yī)院的處方系統(tǒng)，患者繳費后系統(tǒng)自動發(fā)藥，發(fā)藥準確，效率高，節(jié)省人力成本。 我國越來越多的大醫(yī)院正在逐步向著智能化方向發(fā)展。 智能藥房極大地提高了發(fā)藥速度，藥房受空間的限制，不便存放太多的藥品量，使得有些常用藥需要經(jīng)常添加補充。 為減輕人工負擔，加藥機器人的需求也越來越大。 為此，筆者設(shè)計了一款智能藥房的加藥機器人行走機構(gòu)。

1 技術(shù)需求分析

在智能藥房中，使用加藥機器人對藥柜加藥，對機器人的行走機構(gòu)有其特殊要求。 行走機構(gòu)既要能夠在存藥的庫房到發(fā)藥的藥房間行走，還要能在狹窄的藥柜間巷道中行走，因此車體的寬度要窄，要小于巷道的寬度。 由于智能藥房中的藥柜都較高，加藥機器人的機械手動作位置也必須能達到較高位置，從而容易導(dǎo)致機器人的重心偏移較大，一般車輛容易側(cè)翻。 要保證小車穩(wěn)定可靠、晃動小、不翻倒是設(shè)計的重點。 另外，小車還要能準確定位到目標位置，便于準確取藥和加藥操作[1-2]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

藥房場地特點是地面較為平直，藥柜間的通道基本是以行列排布，適應(yīng)于軌道車行走方式。 而一般的軌道運輸車在轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)彎半徑過大，不便于在藥房中使用。 為解決這一問題，采用在交叉路口位置設(shè)置轉(zhuǎn)向臺，當軌道車完全進入到轉(zhuǎn)向臺后，控制轉(zhuǎn)向臺旋轉(zhuǎn)90°，停在轉(zhuǎn)向臺上的軌道車即可就地轉(zhuǎn)向90°，消除了轉(zhuǎn)彎半徑的問題。軌道車的駐車制動采用夾軌方式可以防止停止的車輛發(fā)生移動和傾斜，對機器人的取藥或加藥動作可提供準確定位的條件[3-5]。

2.1 軌道總體布局

因各家的藥房和庫房布置情況各不相同，不失一般性，本文僅以一條縱向軌道和兩條橫向軌道的簡單模型進行說明。如圖1 所示，固定軌道由縱向軌道（1）和橫向軌道（2）形成行列交叉，在縱向軌道（1）與橫向軌道（2）的交叉位置處斷開。在斷開位置均設(shè)置轉(zhuǎn)向臺（3），通過轉(zhuǎn)向臺（3）上的連接軌道實現(xiàn)各軌道間的連通。

圖1 軌道總體布局

軌道用槽鋼制作，每條軌道的兩根軌道槽口相向布置。 軌道車的車輪在軌道槽內(nèi)行走。

2.2 轉(zhuǎn)向臺

圖2 轉(zhuǎn)向臺

轉(zhuǎn)向臺可將交叉位置的固定軌道實現(xiàn)連通作用，可直行通過，也可轉(zhuǎn)向90°通過。 如圖2 所示，轉(zhuǎn)向臺由圓形的臺板（1）為主體，其上固定有連接軌道（2），連接軌道（2）可以將在交叉處斷開的縱向軌道或橫向軌道連通。 在臺板（1）的下方中心位置有旋轉(zhuǎn)軸（3）和轉(zhuǎn)軸座（4），還有控制臺板（1）旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動機構(gòu)（5）。 為了加強臺板的穩(wěn)定性，還設(shè)置了支撐輪（6）。 為控制轉(zhuǎn)向臺的連接軌道（2）與縱向軌道或橫向軌道準確對接，特設(shè)置了定位鎖緊裝置（7）。在軌道對齊后，定位鎖緊裝置（7）將臺板（1）鎖緊固定。 當臺板（1）需要旋轉(zhuǎn)時，定位鎖緊裝置（7）解鎖，然后才能在驅(qū)動機構(gòu)（5）的控制下，使臺板（1）旋轉(zhuǎn)。

2.3 軌道車

如圖3 所示，軌道車的車輪（1）在軌道槽內(nèi)行走，可以保證車體不傾翻。 采用單軸驅(qū)動方式，由步進電機（2）驅(qū)動，可以根據(jù)需要隨時控制運行速度，也方便實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。在車輛停止時，利用駐車制動器（3）進行固定。駐車制動器（3）采用夾軌的方式制動，將軌道車鎖定在軌道上，保證位置不移動。 軌道車在軌道上的實際行走距離專門設(shè)置有位移測量裝置（4）。 位移測量裝置（4）安裝在軌道車上，其壓輪始終保持與軌道緊密接觸。 壓輪隨著軌道車的行駛而轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動的角位移轉(zhuǎn)換成編碼器的輸出編碼，從而換算出軌道車的行走位移量。 絕對編碼器的輸出還可以識別軌道車的行駛方向。 通過位移測量裝置（4）的反饋信息，可以使軌道車的移動定位形成閉環(huán)控制，保證定位的高精度。

圖3 軌道車

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用集散式控制方式，總控制臺為車輛運行的控制中心，既需要控制軌道車運行，又要控制旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)向，還要負責與智能藥房發(fā)藥系統(tǒng)和庫房管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

圖4 控制系統(tǒng)框圖

如圖4 所示，圖中列出了一臺軌道車和兩個轉(zhuǎn)向臺的控制系統(tǒng)框圖 （未含車載設(shè)備部分）。 加藥機器人總控制臺通過串行通信與智能藥房發(fā)藥系統(tǒng)及庫房管理系統(tǒng)連接。 總控制臺與軌道車隨時保持雙向的無線通信，保證軌道車順利執(zhí)行總控制臺安排的任務(wù)。 旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)控制由總控制臺直接發(fā)信號進行控制。 旋轉(zhuǎn)臺的狀態(tài)由對應(yīng)的傳感器發(fā)信號傳給總控制臺。

3.1 總控制臺

加藥機器人總控制臺接收到智能藥房發(fā)藥系統(tǒng)的藥柜缺藥的信息（包括藥柜地址編號、藥品名稱和藥品包裝規(guī)格等）后，向庫房管理系統(tǒng)提出需求信息（藥品名稱、藥品包裝規(guī)格和數(shù)量等），如果庫房管理系統(tǒng)中確認該藥品有庫存，則將庫存地址編號發(fā)送給總控制臺；否則，給出庫房缺藥的提示信息。

總控制臺在收到庫房管理系統(tǒng)的庫存地址編號后，則把庫房的藥品庫存地址和藥房的藥柜地址以及軌道車的規(guī)劃路徑發(fā)送給軌道車。 總控制臺還需要合理安排轉(zhuǎn)向臺的動作節(jié)奏。 在軌道車需要經(jīng)過轉(zhuǎn)向臺位置之前，需控制轉(zhuǎn)向臺作好提前準備，轉(zhuǎn)向臺準備就緒信號由總控制臺發(fā)送給軌道車。 如果轉(zhuǎn)向臺需要載著軌道車轉(zhuǎn)向時，總控制臺在控制轉(zhuǎn)向臺完成轉(zhuǎn)向動作后，還要給軌道車發(fā)信息通知其可以駛離轉(zhuǎn)向臺。

3.2 軌道車行走控制模塊

軌道車的任務(wù)是運送車上載荷（包括貨架、藥盒和機械手等）從庫房到藥柜間的行駛。 1）要找到庫房中取藥的位置；2）要找到藥房的需加藥的藥柜位置。

當軌道車需要駛?cè)牖蝰傠x轉(zhuǎn)向臺時，轉(zhuǎn)向臺的連接軌道必須處在與對應(yīng)固定軌道對接狀態(tài)。 軌道車通過轉(zhuǎn)向臺只存在兩種情形：1）直行通過轉(zhuǎn)向臺；2）經(jīng)過轉(zhuǎn)向臺拐90°彎。

3.2.1 直行通過轉(zhuǎn)向臺

當軌道車需要直行通過轉(zhuǎn)向臺時，軌道車需收到總控制臺發(fā)出的轉(zhuǎn)向臺準備就緒信號，才能讓軌道車進入到轉(zhuǎn)向臺并直行通過，否則必須在轉(zhuǎn)向臺附近等待。 一般正常情況下，轉(zhuǎn)向臺都是在總控制臺的協(xié)調(diào)下提前準備就緒，這樣可提高軌道車的總體運輸效率。

3.2.2 經(jīng)過轉(zhuǎn)向臺拐 90°彎

軌道車需要通過轉(zhuǎn)向臺拐90°彎時，首先是要將軌道車駛?cè)氲睫D(zhuǎn)向臺上，然后轉(zhuǎn)向臺旋轉(zhuǎn)90°，軌道車再駛離轉(zhuǎn)向臺。 軌道車需要收到總控制臺發(fā)來的轉(zhuǎn)向臺準備就緒信號，才能駛?cè)氲睫D(zhuǎn)向臺，否則需在將要駛?cè)氲霓D(zhuǎn)向臺之前停下來等待。 當軌道車停在轉(zhuǎn)向臺后，轉(zhuǎn)向臺在總控制臺的控制下載著軌道車旋轉(zhuǎn)90°，軌道車收到總控制臺駛離信號后，方可駛離轉(zhuǎn)向臺。

3.3 轉(zhuǎn)向臺的控制

轉(zhuǎn)向臺由總控制臺集中控制。 每個轉(zhuǎn)向臺需要兩路控制信號，分別控制轉(zhuǎn)向和定位鎖緊。 每個轉(zhuǎn)向臺還需要采集兩個位置信號，一個轉(zhuǎn)向臺縱向到位信號和一個橫向到位信號。 當轉(zhuǎn)向臺需要轉(zhuǎn)向時，總控制臺先將定位鎖緊裝置解鎖，然后發(fā)送旋轉(zhuǎn)信號，改變當前轉(zhuǎn)向臺方向（如果當前是縱向位，則將其變?yōu)闄M向位；如果當前是橫向位則將其變?yōu)榭v向位）。 當轉(zhuǎn)向臺旋轉(zhuǎn)到位后，總控制臺控制鎖緊裝置將位置鎖定。

3.4 軌道車的位置標記

軌道車所處的位置有兩種標記，一種用于軌道車自身采集位置信號，一種用于總控制臺采集軌道車當前位置。

3.4.1 軌道車自身位置采集標記

任意一段固定的縱向軌道或橫向軌道都會連接到轉(zhuǎn)向臺，末端軌道只有一端連接到轉(zhuǎn)向臺。 軌道車的行進方向可歸納為駛?cè)朕D(zhuǎn)向臺（從固定軌道駛向連接軌道）和駛出轉(zhuǎn)向臺（從連接軌道駛向固定軌道）兩種。 駛?cè)朕D(zhuǎn)向臺的軌道后段需要設(shè)置兩個標記位置T1 和T2，T1 比T2 離轉(zhuǎn)向臺邊沿的距離遠。 在軌道車需要駛?cè)朕D(zhuǎn)向臺前，需要收到總控制臺發(fā)來的轉(zhuǎn)向臺準備就緒信號，否則，軌道車在T1 位置開始就要減速，并在到達T2 位置就要停車。 在轉(zhuǎn)向臺中間位置設(shè)置T3 標記，表示軌道車已完全進入轉(zhuǎn)向臺。 在軌道車完全駛出轉(zhuǎn)向臺后，如果進入到末端軌道段，設(shè)定T4 標記，用于編碼器誤差修正。

3.4.2 總控制臺采集軌道車位置標記

對于總控制臺而言，并不需要獲取軌道車的精確定位，只需要了解軌道車處于哪段軌道上或是在哪個轉(zhuǎn)向臺上。 因此，一個運行方向上，每段固定軌道只需在的首端附近各設(shè)置一個軌道車檢測位，用于檢測軌道車完全進入該段軌道。兩個運行方向則需要兩個檢測裝置。對于末端軌道，只需要在靠近轉(zhuǎn)向臺側(cè)設(shè)置一個檢測裝置。 在每個轉(zhuǎn)向臺上也需要各設(shè)置一個軌道車檢測裝置，用于檢測軌道車是否完全進入轉(zhuǎn)向臺。

由于總控制臺是預(yù)先知道軌道車的規(guī)劃路線的，它還需要根據(jù)軌道車的位置控制轉(zhuǎn)向臺的動作節(jié)奏和給軌道車發(fā)通知信息。 當軌道車進入到某段軌道并收到首端檢測確認后，就要控制即將到達的轉(zhuǎn)向臺作好軌道連接準備。 如果轉(zhuǎn)向臺需要轉(zhuǎn)向，總控制臺在收到該轉(zhuǎn)向臺檢測裝置發(fā)來的到位信息后，控制轉(zhuǎn)向臺轉(zhuǎn)向。

4 結(jié)語

軌道車技術(shù)一般應(yīng)用在重載荷運輸中，將其輕量化設(shè)計應(yīng)用到智能藥房中，可實現(xiàn)加藥機器人的平穩(wěn)運行不側(cè)翻。 通過采用夾軌方式進行駐車制動，保證軌道車定位牢固；通過外置的轉(zhuǎn)向臺轉(zhuǎn)向方式，實現(xiàn)了在小空間里的軌道車無轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向功能；使用末端軌道設(shè)置定位標志的方法，可消除編碼器測距的累計誤差，可保證軌道車的定位精度。 若對現(xiàn)有智能藥房進行改造升級，則存在較大的施工工作量。