药房自动化设备出药装置的结构优化设计

白晓，李晓春

(青岛农业大学海都学院，山东莱阳265200)



药房自动化设备出药装置的结构优化设计

白晓，李晓春

(青岛农业大学海都学院，山东莱阳265200)

摘要：针对药房自动化设备容易出现的不出药问题，提出一种药房自动化设备出药装置的工作原理和结构形式。利用MATLAB软件对其中关键的翻板结构进行了优化仿真，得出合理的设计参数。最后，通过试验验证优化后的结构能够实现药品的快速可靠发放，达到系统预期指标。

关键词:自动化药房出药装置翻板MATLAB优化

0引言

随着科学技术的不断发展，各学科之间相互渗透，互为补充，也把自动化技术推向一个新阶段，自动化控制技术已深入到各个领域，在医学领域中也有广泛的应用，医院药房的自动化革新已然成为其新的发展方向。20世纪90年代，德国、美国、日本等发达国家开始了药房自动化方面的研究，并研制出了诸多与本国医院药房配套的各种自动化设备[1]。国内对药房自动化设备的研究正式起于2004年由深圳三九集团承担的国家863计划项目“智能化药房”，在国家相关政策的扶持和市场经济的引导下，目前国内已有多家科研院所和高新技术企业开展了对药房自动化设备的研制并形成多种医院药房自动化解决方案[2-4]。

本文研究的是针对盒装药密集存储和快速发放的一种药房自动化设备，由自动上药装置、储药装置和自动出药装置三部分组成[5]。自动上药装置通过机械手实现盒装药的自动有序定位存放；储药装置主要是由倾斜式储物槽实现药品的安全密集存储，并便于利用重力落料原理配合完成出药；出药装置在无处方要求时对药品可靠定位，有处方要求时对药品快速发放。由于国内门诊药房有处方量大、患者集中和发药强度高的特点，自动化药房在实际使用中容易出现出药错误的问题，其中最主要的状况即为不出药[6-7]，所以对出药装置的可靠性要求更加突出，需要进行优化设计。

1出药装置的结构设计

1.1工作原理

出药装置主要实现两个功能：一是无处方要求时药品在储药槽中的可靠及准确定位；二是有处方要求时药品的可靠及快速发放。为实现密集存储，尽量压缩出药装置体积以减小辅助装置带来的空间浪费，提高药品存储率。

出药装置由翻板机构和带有电磁铁的升降机组成。每个储药槽端口固定一个翻板机构，多个电磁铁安装在升降机上一字排开，与每行储药槽数量相对应。有处方要求时，升降机运动至处方药所在行，进行行定位实现“行选”，处方药所在列对应的电磁铁动作，使处方药所在储药槽槽口的翻板克服扭簧扭矩翻转，实现“列选”，药品发放，电磁铁动作至药品数量发放完成。无处方要求时，翻板通过扭簧作用使药品可靠定位在储药槽中。因电磁铁行程有限，故需设计在翻板有限的翻转角度内可靠出药。

1.2翻板结构设计

图1　翻板结构侧视图

翻板机构是实现药品可靠存储和发放的关键机构，主要由翻板、挡边滚轮、后滚轮、翻板轴和复位扭簧组成，如图1。药品入库储存时，翻板机构为复位状态，其挡边直立于药品前侧，对药品起限位作用；药品出库时，升降机将电磁铁带至处方药所在行，与处方药所在列对应的电磁铁通电动作，推动翻板克服扭簧扭矩翻转，翻板的后滚轮抬高药盒前端，辅助药盒越过降低的挡边滚轮，在重力下滑力作用下完成出库。翻板机构挡边滚轮和后滚轮的设计是为了将药盒与翻板机构之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，便于药盒下滑。当电磁铁的顶出动作结束后，立即复位，电磁铁顶杆施加在翻板上的驱动力撤销，扭簧产生的复位作用力使翻板复位，后滚轮推动后续药盒回位，挡边滚轮直立后继续对后续药盒限位，出药动作周期完成。

对于翻板机构设计主要有以下三个问题：

①挡边滚轮有效高度：挡边滚轮有效高度是指储药槽底面到挡边滚轮轴线的垂直距离。该高度过小，无法有效阻止药盒下滑，从而导致上药时药盒冲出，出药时药盒连出、多出；挡边滚轮高度过大，则出药困难，提高对电磁铁顶杆有效行程的要求，同时要求各储药层高度增加，导致总体储药量的减少。

②翻边长度：电磁铁行程不变的情况下，较大的翻边长度更有利于将药盒抬起到需要的高度，使出药更加顺利；但由于药盒长短相差较大，对于一些长度较小的药盒，若翻边长度超过药盒长度的一半，在某些情况下会出现短药盒卡在翻边与挡轮之间的状况，药品无法发放，轻则系统瘫痪，耽搁病人用药，重则设备毁坏，造成人机事故。

③翻板翻转角度：由于电磁铁行程有限，推动翻板翻转角度受限，从而不能使定位药品的挡边高度降至合理高度，药品不能快速、可靠发放。为避免这类问题，除尽量增大电磁铁行程之外还需优化翻板结构，使在电磁铁行程一定的情况下翻板翻转角度达到最大，即将挡药高度无限接近于零。

2翻板结构的仿真优化

由以上分析知翻板挡药前枝长度和翻边长度的设计对于出药可靠性尤为关键，前枝过短，则挡药不可靠，过长，则不利于出药；而翻边过短则不足以抬高药盒从而协助其越过前枝，过长则易使短药盒陷入其中无法发放。为了得出翻板前枝和翻边的合理长度，基于翻板和药盒结构，建立数学模型，见图2。

图2　翻板简化模型

以静止时药盒前顶点作为坐标系原点，翻板简化为由翻板轴、挡药前枝和翻边组成的三角形。翻板轴和翻边端的连线与药盒的长重合，为X轴；过挡药前枝端翻边的垂线与药盒的高重合，为Y轴。出药时，翻板转过角度θ，则三角形以翻板轴为中心转过θ。

ΔQAB的初始顶点坐标分别为Q(a，0)、A(0，y1)、B(x2，0)。边QA，即翻板前枝长l1；QB，即翻板翻边长l2。翻板旋转角度θ后点A′与B′的坐标分别为：

(1)

(2)

直线A′B′的斜率

(3)

将A′、B′坐标带入，得：

(4)

直线A′B′斜率越大，即挡药前枝高度越小，翻边抬起高度越大，越利于出药。所以，斜率-tgδ最小化是优化的目标函数。

共有4个函数自变量：挡药前枝长l1、翻边长l2、翻板旋转角度θ和翻板轴中心横坐标a，分别设为x(1)、x(2)、x(3)、x(4)。

限制条件如下：

① 防止储存的药品与运动的升降机干涉，设定翻板轴中心在药盒的外侧，即a≤0；

③ 药盒伸入翻边的长度不得大于自身长度的一半，以防药品卡入翻板。经统计，药盒最短为40mm，即0

④ 由于电磁铁行程有限，设定翻板转过角度不大于45°，即0°<θ<45°；

⑤ 边长均大于0，即l1>0，l2>0。

用MATLAB软件优化，计算得最终优化结果见图3。

图3　翻板边长MATLAB优化结果

由优化结果可知，当翻板挡药前枝长度为15 mm，翻边长度为25 mm，翻板轴距药盒角点12.7 mm时，翻板翻转45°，即翻板的最终状态时，挡药前枝与翻边顶端连线倾角最大，为atan1，即0.8°，此时最利于出药。

3实验验证

图4　翻板试验

根据MATLAB优化结果确定翻板加工尺寸进行试验，见图4所示。药盒长度在40 mm至224 mm范围内均能实现快速可靠发放，使系统在平均单张处方处理速度18 s、日处理处方1 600张的情况下发药差错率极低，达到系统预期技术指标。

4结论

本研究对影响自动化药房出药可靠性的翻板结构进行优化设计，通过MATLAB软件仿真，得到翻板结构的理想参数，并由实验验证该结构合理有效，对于提升药房自动化设备的出药可靠性有一定的指导意义。

参考文献

[2]龚从扬,臧铁钢,袁金虎.药房快速自动发药机单元的研发[J].中国制造业信息化,2012,41(3)：64-66.

[3]李成群,黄宝旺,樊鸿伟,张净霞.基于PLC的自动化药房出药系统的研究[J].制造业自动化,2014,36(21):99-101.

[4]方龙伟,贠超,鹿红超.快速发药系统出药方式优化研究及仿真[J].机电工程,2013,30(6):689-692.

[5]白晓,贠超.一种仓储物流系统出库对比研究[J].现代制造工程,2010(10)43-46.

[6]陈智,苏银法.门诊药房快速发药系统在使用中发现的问题分析[J].中国药房,2015,26(4):568-569.

[7]朱慧娟.我院门诊药房自动化发药系统工作实践[J].中国药业,2014,23(14):76-77.

The structural optimization design of drug-dropping unit of pharmacy automation equipment

BAI Xiao，LI Xiaochun

Abstract:Aimed at the frequent failure of pharmacy automation equipment, this paper proposes a new principle and structure of drug unit for pharmacy automation equipment, and the key flap structure is optimized using MATLAB software so that reasonable design parameters are obtained. And the tests verify that the optimized structure enables fast and reliable delivery of drugs, and meets the expected requirements.

Keywords:pharmacy automation；drug-dropping unit；flap；MATLAB；optimization

收稿日期：2015-08-21

作者简介：白晓(1984-)，女，河北衡水人，汉族,工程师，硕士，研究领域：机械设计及理论。

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)01-0055-03