宋佰軒，劉豪龍

(天津理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，天津 300384)

中藥作為中國傳統(tǒng)醫(yī)藥理論指導(dǎo)臨床應(yīng)用的藥物，用于預(yù)防、治療、診斷疾病具有顯著作用，而要繼承傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)，不但要有嫻熟的醫(yī)術(shù)，還要將多種多樣的中藥材熟練區(qū)分。藥材雖然外形相似，但功能卻差距甚遠(yuǎn)，入錯一味藥材，就可能導(dǎo)致藥性發(fā)生不可逆的變化，相似的藥材靠人工很難辨別。同時中藥藥量使用非常嚴(yán)格，都是以克為單位，傳統(tǒng)稱量方式很難保證各種藥的配比精度，從而導(dǎo)致藥效很差。高強(qiáng)度的重復(fù)勞動對抓藥的藥劑師是很大的負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)抓藥方式存在勞動強(qiáng)度大、誤差大、粉塵污染、人手對藥物的二次污染等缺點。目前國內(nèi)中醫(yī)藥行業(yè)正在快速走向繁榮，而落后的抓藥方式則嚴(yán)重制約了我國中藥行業(yè)的發(fā)展。

20世紀(jì)70年代,曾有以自動售米機(jī)為模板的自動抓藥機(jī)曇花一現(xiàn)，理論上成立的設(shè)備在實踐上屢遭敗績,最終因為這種抓藥機(jī)稱量誤差較大以及造成嚴(yán)重的粉塵污染等缺點,中藥房不得不回歸手工抓藥的時代。近二十年間在德國本土，自動化西藥房興起。1993年,德國ROWA公司開始形成有關(guān)的設(shè)計理念,ROWA公司的自動化藥房的專利技術(shù)就是機(jī)械手技術(shù)。2006年10月30日,位于上海南京路的上海市第一醫(yī)藥商店引進(jìn)并啟用該公司的自動化藥房系統(tǒng)。據(jù)介紹,顧客告訴店員要買的藥品名稱后,電腦上就會出現(xiàn)該藥品的廠址、規(guī)格、用途等信息,店員只要操作電腦,庫房的主機(jī)便馬上下達(dá)指令,機(jī)械手會迅速搜尋出藥品,放進(jìn)出藥管道[1]。這種抓藥方式僅限于西藥，對于中藥目前還沒有系統(tǒng)的解決辦法，而大規(guī)模的數(shù)字化中藥房都還處于實驗階段，且因其成本高昂，占地面積廣等因素不適用于中藥鋪子，應(yīng)用范圍很窄。

為了解決抓藥難的問題，尤其是像2020年新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā)，造成的人手不足問題，我們就設(shè)計了這款人工智能中藥抓取機(jī)器人。它可以有效應(yīng)對突發(fā)情況，只要給機(jī)器人錄入抓藥程序就可以快速準(zhǔn)確抓藥，滿足大規(guī)模抓藥的需求，讓病人及早就診，不至于惡化擴(kuò)散，同時也減少了人員之間的接觸，降低了病毒傳播的概率，為中國的中藥推廣，惠及大眾做出一點貢獻(xiàn)。

智能抓藥機(jī)器人的重要意義在于數(shù)字化、智能化的精準(zhǔn)定位以及精確的抓藥方式，大大減少了對于勞動力的消耗與浪費，利用螺旋桿推送藥品的辦法取代了傳統(tǒng)“手抓戥稱”的抓藥方式[2]。再者，抓藥雖為室內(nèi)工作，然而在藥柜前往返奔波，其過程既要求精細(xì)又要求效率，采用智能抓藥機(jī)器人在極大程度上提高了中藥抓配過程的效率值與精確度，誤差小而且效率高，通過智能運算更是可以取代藥劑師經(jīng)過好幾年才熟悉獲得的定位信息，減輕了藥劑師的負(fù)擔(dān)，盡可能地將病人收到藥品的時間提前，達(dá)到醫(yī)患雙贏的效果。

1 人工智能中藥抓取機(jī)器人的總體設(shè)計

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計：人工智能中藥抓取機(jī)器人機(jī)械原理圖，如圖1所示。

圖1 人工智能中藥抓取機(jī)器人原理

人工智能中藥抓取機(jī)器人的主體是一輛能夠自主定位的智能機(jī)器人，智能機(jī)器人上方承載著帶稱重功能的藥盒。通過車上的攝像頭掃描中藥單上的二維碼領(lǐng)取抓藥的種類和劑量，按照藥物的名稱和所對應(yīng)的中藥位置進(jìn)行匹配，自動計算出最優(yōu)抓藥路徑。移動到指定位置后掃描藥品下方的二維碼再一次確認(rèn)藥物種類，確認(rèn)無誤后，智能車給中藥漏斗發(fā)送藍(lán)牙信號，漏斗下方的螺旋輸送器就將中藥推送至下方藥盒中，藥盒底部安裝有壓力傳感器(檢測精度可以達(dá)到0.1g)，能夠精確檢測下落藥品的重量，并且智能車可承載7個藥盒，一次可同時抓取7服藥。等盒內(nèi)藥品到達(dá)給定質(zhì)量后立刻移動到下一個藥盒，所有藥盒都裝藥完畢后立刻給中藥漏斗發(fā)送信號，讓螺旋輸送器反轉(zhuǎn)，將多余藥品送回漏斗內(nèi)，防止長時間和空氣接觸產(chǎn)生污染。智能車則根據(jù)計算好的最優(yōu)路徑移動到下一味中藥漏斗下方繼續(xù)抓藥，藥單上的藥品全部抓取完畢后返回起始位置，所抓藥品可通過藥盒下方開孔裝入中藥袋中，藥劑師可將分裝好的中藥袋貼上標(biāo)簽發(fā)放給病人。

智能機(jī)器人選擇Arduino MEGA 2560作為主控電路板，利用A4988驅(qū)動板模塊對4個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行程序控制, 該驅(qū)動板作為一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護(hù)的DMOS微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，可用于控制雙極步進(jìn)電機(jī)在步進(jìn)模式下工作，輸出驅(qū)動的能力為35V和±2A，保證精準(zhǔn)的控制麥克納姆輪進(jìn)行橫、縱雙向以及斜向移動[3]。小車會根據(jù)最優(yōu)路徑程序的運算結(jié)果到達(dá)指定坐標(biāo)位置，藥品會被放入底部安裝有壓力傳感器的藥匣，通過單片機(jī)識別壓力傳感器的數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)運算結(jié)果，及時做出指定動作，整個運動過程完全由機(jī)器人自主進(jìn)行識別、運算、稱重等一系列動作，快捷、高效地完成抓取中藥的任務(wù)。

2 關(guān)鍵部分功能實現(xiàn)方案

2.1 移動部分

智能中藥抓取機(jī)器人通過麥克納姆輪的差速轉(zhuǎn)動可以讓機(jī)器人前后移動、左右移動或按照指定角度平動。小車使用8個巡線傳感器(如圖2所示)來進(jìn)行路線識別，減少小車在行駛過程中的方向偏差；左右兩個傳感器進(jìn)行記數(shù)，記錄讓機(jī)器人行走的實際距離，并反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行實時糾正，保證在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下能夠精確到達(dá)抓取藥品的位置。

圖2 巡線傳感器

2.2 自動抓藥部分

首先中醫(yī)專家根據(jù)病人所需藥材種類和數(shù)量，在電腦端輸入藥品種類及質(zhì)量，醫(yī)院的系統(tǒng)可將藥方自動生成包含中藥方全部信息的二維碼，抓取機(jī)器人在起始位置掃描顯示屏幕上的二維碼后，按照指定程序規(guī)劃最優(yōu)路徑，到達(dá)指定藥品位置后，再次掃描藥品漏斗下方二維碼以確定目標(biāo)藥品是否正確，核驗無誤后，控制器給中藥漏斗發(fā)送藍(lán)牙信號進(jìn)行通信，漏斗電機(jī)控制器接收藍(lán)牙信號，打開螺旋輸送器開關(guān)，開始裝藥，藥盒下方的薄膜壓力傳感器(如圖3所示)檢測到壓力數(shù)值發(fā)送給主控制器，發(fā)送的數(shù)據(jù)為模擬量，通過A/D轉(zhuǎn)換接口將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，當(dāng)達(dá)到指定質(zhì)量時，控制器發(fā)送藍(lán)牙信號使中藥漏斗控制螺旋輸送器反轉(zhuǎn)，這樣將多余藥品回收至漏斗內(nèi)，保證藥品不被空氣污染[4]。

3 智能中藥抓取機(jī)器人主體電路的設(shè)計

為了降低布線的復(fù)雜性，同時提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性，也為了使主板傳感器的結(jié)構(gòu)更加一目了然，便于后期的調(diào)試以及程序的編寫，我們設(shè)計了一塊智能機(jī)器人的主板，主板連接傳感器與其他執(zhí)行器[5]。智能機(jī)器人電路板主要有5個模塊構(gòu)成，分別為主控器模塊、傳感器模塊、電源模塊、IIC模塊和執(zhí)行器模塊，主控制電路設(shè)計如圖4所示[6]。

圖4 智能抓取機(jī)器人電路總圖

最優(yōu)路徑規(guī)劃部分程序代碼

#pragma once

#include

#include

using namespace std;

struct Dis

{

string path;

int value;

bool visit;

Dis()

{

visit = false;

value = 0;

path = "";

}

};

class Graph_DG

{

private:

int vexnum;

int edge;

int **arc;

Dis *dis;

public:

Graph_DG(int vexnum, int edge);

～Graph_DG();

bool check_edge_value(int start, int end, int weight);

void createGraph();

void print();

void Dijkstra(int begin);

void print_path(int);

4 中藥抓取實驗

為充分發(fā)揮中醫(yī)藥在新型冠狀病毒流行期間的防控作用，國家衛(wèi)生健康委員會印發(fā)了常見醫(yī)用防護(hù)用品使用范圍指引(試行)的通知，在最新版的防治方案中，提供的中藥預(yù)防處方確定：為方便普通人群通過代茶飲等方式進(jìn)行自我防護(hù)，給出以下藥方。

1.代茶飲方：太子參3g、金銀花3g、藿香3g、桔梗3g、甘草3g。

2.基礎(chǔ)用方：玉屏風(fēng)散加味，組成如下：生黃芪12g、防風(fēng)10g、白術(shù)10g、金銀花10g、連翹10g、貫眾6g、佩蘭10g、陳皮10g、蒼術(shù)10g、桔梗10g。

實驗內(nèi)容：人工智能中藥抓取機(jī)器人通過規(guī)劃最優(yōu)路線依次到達(dá)金銀花、太子參、藿香的位置，每種抓取3g，共抓取7服藥，進(jìn)行3次實驗。為了驗證試驗的準(zhǔn)確性，同時讓藥劑師進(jìn)行同步抓取相同的藥進(jìn)行對比。

實驗結(jié)果顯示，該機(jī)器設(shè)備可以實現(xiàn)自動規(guī)劃最優(yōu)路徑并對指定藥材定量抓取。

表1 人機(jī)抓藥對比參數(shù)

試驗結(jié)果分析：智能抓藥機(jī)器人采用識別任務(wù)二維碼的形式來實現(xiàn)對于藥品精準(zhǔn)定位，自動計算最優(yōu)路徑并快速移動到中藥漏斗下方位置，通過壓力傳感器來實現(xiàn)對于藥品精確稱量，藥品的重量可以精確到0.1g，與人工抓藥相比可以同時采集多服藥材，節(jié)省稱量時間且能夠保持藥品的質(zhì)量不被污染，抓藥機(jī)器人可自主運行，維護(hù)成本低廉，適合在各種規(guī)模中藥房使用。