◇西南石油大學(xué) 吳 岳 郭世建 劉 科 陳 超

目前，隨著我國人口老齡化問題日益凸顯和老年人對于身體健康問題的愈加重視，我國用藥的人數(shù)和平均服藥量也在日益增加。數(shù)據(jù)顯示，2020年我國生物醫(yī)藥市場規(guī)模達3,870億元，同比增長22%，2014-2020年復(fù)合年增長率達22.1%。在老年人群中，用藥依從性差的發(fā)生率為50%，因此對于藥物的分揀問題也開始成為一個需要解決的問題。其中，膠囊類藥物由于其包裝的問題，其分揀是相對不容易的。目前市面上專門針對膠囊類藥物的分揀機構(gòu)幾乎為零，因此設(shè)計提供了一種能夠?qū)崿F(xiàn)從板狀藥包裝當(dāng)中剝離出藥物并且準(zhǔn)確控制每次服用藥品顆數(shù)的自動出藥裝置。該裝置由破藥機構(gòu)、分離機構(gòu)、計數(shù)機構(gòu)三部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)藥物從包裝中破出，按順序下落到精準(zhǔn)計數(shù)這樣的一系列控制功能。

數(shù)據(jù)預(yù)測，2021年后，我國生物藥市場規(guī)模每年將增加近1000億元，到2030年市場規(guī)模將達到1.3萬億元。在老年人群中，用藥依從性差的發(fā)生率為50%，也就是說有一半的老年人都不按照醫(yī)囑用藥。這其中，大部分老年人是因為記憶力不好導(dǎo)致“忘了吃藥”，“吃兩天、忘三天”的情況并不少見；有的老年人能每天堅持吃藥，但吃了上頓就忘了下頓。數(shù)據(jù)顯示，在各類藥物中，傳統(tǒng)丸劑劑型所占比例為54.7%，膠囊劑型為45%（其中膠囊30%，軟膠囊15%），其他劑型0.3%。膠囊類藥物在藥物系統(tǒng)中占有重要的地位。因此，設(shè)計制作一種服務(wù)于我國醫(yī)療藥物和老年人身體健康的藥物分揀裝置是非常有必要的。

1 該裝置設(shè)計原因

在老年人群中，用藥依從性差的發(fā)生率為50%，也就是說有一半的老年人都不按照醫(yī)囑用藥。這其中，大部分老年人是因為記憶力不好導(dǎo)致“忘了吃藥”，“吃兩天、忘三天”的情況并不少見；有的老年人能每天堅持吃藥，但吃了上頓就忘了下頓。對于各個身體方面健康指標(biāo)普遍低于中青年的老年人，這種行為對于健康的危害不可謂不大。

膠囊類藥物歷史悠久，在世界藥物中具有重要地位。老年人的服用藥物中有約二分之一為膠囊類藥物。

1.1 老年人記性差

由于老年人所患有的疾病多為慢性病，少吃一頓多吃一頓對于老年人來說可能沒有顯著變化，導(dǎo)致用藥意識薄弱。還有就是隨著年齡的增長，記憶力顯著下降，若沒有親人在身邊時刻提醒，定時定量服用藥物對老年人來說也不是一件能順利堅持的事情。

1.2 膠囊類藥物占比重

公元前1500年，第一粒膠囊在埃及誕生。1730年，維也納的藥劑師開始用淀粉制造膠囊。1834年，膠囊制造技術(shù)在巴黎獲得專利。1846年，兩節(jié)式硬膠囊制造技術(shù)在法國獲得專利。1872年，在法國誕生了第一臺膠囊制造充填機。近些年來，膠囊類藥物快速發(fā)展，在國民用藥中占比約為45%，占有重要地位。

1.3 藥物不易準(zhǔn)確取出

現(xiàn)在的老年人生活自理能力下降，在取用膠囊類藥物是常常會出現(xiàn)多取或少取藥物用完的情況，對于多取的藥物如果沒有專門的存放地點，那么絕大概率被多取的藥物會被浪費。同時，老年人記憶力下降，如果有多種膠囊類藥物需要同時服用，會常常忘記自己剛剛吃沒吃藥，吃了幾顆藥，吃了幾種藥物，最終導(dǎo)致用藥不準(zhǔn)確、不及時，從而對身體產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的慢性傷害，嚴重時甚至?xí)＜吧?/p>

2 設(shè)計裝置現(xiàn)狀分析

近幾年，我國出現(xiàn)了許多針對不同藥物的分揀裝置，其中主要包括兩大類：純機械裝置和非純機械裝置。其中，不管是純機械裝置還是非純機械裝置，除了統(tǒng)一是為了更好服務(wù)于人們用藥外，都兼顧了非常多的模塊，每一中裝置都想要將幾乎市面上能夠用來分揀的藥物分別設(shè)計一個模塊加以分揀，但是往往只能在特定的規(guī)格下使用，雖然能夠分揀的藥物種類多，但是使用規(guī)格單一，不能很好的滿足人們對于用藥的需求。

2.1 純機械式豎式停放裝置

對于純機械的藥物分揀裝置，由于其設(shè)計者一般力求盡善盡美，會囊括幾乎所有的藥物種類的分揀，這樣就不可避免的導(dǎo)致機械裝置體量過大，不易搬動，無法根據(jù)多種需要適應(yīng)不同場合。但該裝置較為復(fù)雜，零件較多，且每次更換不同的藥物，需要重復(fù)進入不同模塊，效率較低。

2.2 非純機械式豎式停放裝置

對于非純機械的藥物分揀裝置，雖然體量在一定程度上有所減少，但是其智能化模塊并不能識別所有藥物，其智能操作和微信小程序或者單獨的APP都不夠成熟，老年人中還有占比不少的人群不會使用智能機，尤其是在農(nóng)村地區(qū)，而恰恰是農(nóng)村老人的發(fā)病率高于城市老年人。

本文要介紹的裝置相比于市面上其他裝置最大的特點在于在體量輕的同時兼顧效率，用簡單的機械裝置實現(xiàn)膠囊類藥物的分揀。由于膠囊類藥物的規(guī)格相對于其他袋裝或瓶裝藥物來說更加規(guī)范，而且在裝置運行過程中幾乎沒有危險刀具的存在，在安全的同時兼顧高效。

3 裝置設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

存放藥物操作簡單，即開即用，精準(zhǔn)計數(shù)，特別是實現(xiàn)膠囊類藥物破出過程中，輕松便捷，防止老年人因操作不穩(wěn)造成藥物浪費，定量出藥。

3.2 設(shè)計裝置組成

該裝置由破藥機構(gòu)、分離機構(gòu)、計數(shù)機構(gòu)三部分組成。能夠?qū)崿F(xiàn)藥物從包裝中破出，按順序下落到精準(zhǔn)計數(shù)這樣的一系列控制功能。

（1）破藥機構(gòu)。破藥機構(gòu)主要由空間中前后和上下交錯的雙排齒輪互相嚙合組成，用以對藥物的破出；破藥機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)組成：傳動齒輪、鏈條、主動齒輪、破藥齒輪1、破藥齒輪2、破藥齒輪3、破藥齒輪4、破藥齒輪5、破藥齒輪1*、破藥齒輪2*、破藥齒輪3*（如圖1所示）。

圖1 破藥機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)

上排5個齒輪，下排的3個齒輪分別與上排第1，第3，第5個齒輪嚙合，用于固定并且?guī)幽z囊藥板往前移動，上排的第2第4兩個齒輪輪空用于擠壓膠囊，使膠囊從空位當(dāng)中落入下方的軌道。上排的齒輪連桿外面連接有帶有電機的傳動齒輪。通過鏈條帶動外齒輪轉(zhuǎn)動，從而通過連桿帶動上排和下排齒輪同步轉(zhuǎn)動，將藥板帶動使膠囊有序的從藥板當(dāng)中擠出。

（2）分離機構(gòu)。分離機構(gòu)有內(nèi)外互相嵌合的雙層漏斗組成，解決了膠囊在破出后堵塞的問題，實現(xiàn)有序下落。分離機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)組成：外漏斗、內(nèi)漏斗、導(dǎo)管、導(dǎo)桿，如圖2所示。

圖2 分離機構(gòu)

其中外漏斗固定，內(nèi)漏斗上下移動從而使漏斗當(dāng)中的膠囊震動不斷地變換位置，落入外漏斗的導(dǎo)管當(dāng)中，導(dǎo)管的內(nèi)徑比膠囊略大，故而能使膠囊單列由下往上的排序在導(dǎo)管當(dāng)中。

（3）計數(shù)機構(gòu)。在設(shè)計中，計數(shù)機構(gòu)不可避免用到傳感器，但是如何設(shè)計簡易有效的機械裝置就變成我們需要考慮的問題。最終該設(shè)計的計數(shù)機構(gòu)由上下貼合帶有不同數(shù)量落藥孔的雙層圓盤組成，實現(xiàn)對膠囊的控制計數(shù)。上層圓盤設(shè)計有十二個接藥孔（由其圓盤直徑分析得到），下層圓盤只有一個落藥孔，落藥孔旁邊放置傳感器用以計數(shù)。此設(shè)計中計數(shù)機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)組成為：上層圓盤、下層圓盤、光電傳感器，如圖3所示。

圖3 計數(shù)機構(gòu)

3.3 裝置設(shè)計原理

（1）破藥分離過程。①將板裝類膠囊水平推入交錯嚙合的兩排平行齒輪間，電機帶動下排主動齒輪順時針旋轉(zhuǎn)，從動齒輪被帶動著逆時針旋轉(zhuǎn)，膠囊從前側(cè)掉落，被擠壓后的板裝空殼從后側(cè)被推出，直至藥物全部落出或停止主動齒輪電機。②被全部破出藥物的板裝空殼從后側(cè)掉落至預(yù)先設(shè)置的垃圾槽內(nèi)。從前方落出的膠囊全部落入下方的大漏斗中，大漏斗的漏斗口是固定連接于內(nèi)漏斗。內(nèi)外漏斗相互嵌合。內(nèi)漏斗固定不動，下方連接內(nèi)徑略大于膠囊直徑的導(dǎo)管；外漏斗連接導(dǎo)桿，導(dǎo)桿和與電機相連的凸輪接觸。③凸輪電機啟動后，帶動凸輪做旋轉(zhuǎn)運動，外漏斗由與凸輪接觸的導(dǎo)桿帶動進行往復(fù)的上下運動，帶動漏斗內(nèi)面的膠囊通過慣性排練進入導(dǎo)管內(nèi)。實現(xiàn)膠囊在導(dǎo)管內(nèi)的順序排列。

（2）分離計數(shù)過程。①導(dǎo)管下方和具有十二個落藥孔的上層圓盤距離大概二分之一個膠囊的長度距離。上層圓盤厚度約為二分之一個膠囊長度，落藥孔為通孔。上層圓盤中心處連接有圓盤齒輪，和電動機相連的齒輪與圓盤齒輪相互嚙合，啟動電機后，上層圓盤被帶動做旋轉(zhuǎn)運動，只有打有落藥孔的圓孔處才能使膠囊落入圓盤中，實驗對藥物的有序分離。②下層圓盤只有一個與落藥圓孔，其厚度是上層圓盤的三分之一，一般情況下下層圓盤保持相對固定，但是可以根據(jù)人為需要旋轉(zhuǎn)一定角度。下層圓盤的下方在落藥孔的兩邊安裝有光電傳感器，每當(dāng)有藥物下落，則計數(shù)一次，當(dāng)完成計數(shù)后，控制上層圓盤旋轉(zhuǎn)的電機停止，裝置不在落藥，實現(xiàn)膠囊類藥物的分離計數(shù)。

圖4 裝置原理圖

3.4 裝置關(guān)鍵部件設(shè)計

（1）雙層漏斗的設(shè)計。為了解決膠囊類藥物在下落過程中堵塞在導(dǎo)管中，設(shè)計了收集漏斗的內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)漏斗固定，凸輪隨電機轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，凸輪與連桿末端軸承接觸在轉(zhuǎn)動的過程中使外漏斗上下運動，內(nèi)外漏斗發(fā)生相對運動，從而產(chǎn)生往復(fù)運動使漏斗內(nèi)堆積的藥物在慣性的作用下有序排列而不會發(fā)生堵塞，順利落入漏斗管，并且在漏斗管內(nèi)從下往上依次挨個排列。內(nèi)外漏斗相互嵌合，往復(fù)運動的前后距離在兩個漏斗可接受的距離范圍內(nèi)，不會發(fā)生兩漏斗分離致使藥物滑出的情況。

（2）雙層圓盤的設(shè)計。為了能使每粒膠囊都能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)計數(shù)，所以需要每一粒都能單獨分離。所以特別設(shè)計了上下雙層帶有不同數(shù)量的落藥孔的不同厚度的圓盤。下層圓盤相對固定，可以人為調(diào)整角度。上層圓盤與電機相連，以一定的速度勻速旋轉(zhuǎn)，使得藥物一粒粒落入圓盤中的落藥孔中，實現(xiàn)分離計數(shù)。

4 設(shè)計裝置具體制作

根據(jù)理論的設(shè)計和推演，我們在建立了三維仿真模型的基礎(chǔ)上開始對其進行實物化，最終完成了該膠囊類藥物分揀機構(gòu)裝置的加工制作與組裝（如圖5所示）。

圖5 膠囊類藥物分揀機構(gòu)裝置實物圖

設(shè)計組裝完成后，我們對其應(yīng)用效果進行了實際測試，結(jié)果表明：該裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護方便，能實現(xiàn)一定規(guī)格的不同膠囊類藥物的，且使用省時省力，方便快捷。