模块化自动发药机药槽及其关键部件设计分析

张元 李奚晗 范华平 蒋小寒

摘 要：针对我国现有的自动化药房技术在医院患者高峰期存在的发药效率较低，患者需要排队较长时间才能够取到药品而导致的取药人员滞留问题，设计开发了一种直立药槽式模块化自动化药房。运用重力落料原理以及模块化控制的方法对药盒进行快速分拣，通过对发药机药槽的优化设计以及药槽排布的规划，基于Ansys软件对关键部件进行分析，确定了发药模块药槽的工作稳定性。这种新型的发药方式，不但可以大大缩短处方的处理时间和发药时间，而且避免了药盒与药槽之间的粘连，从而提高了发药准确率。

关键词：直立式药槽;快速分拣;模块化;药槽排布规划

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.003

中图分类号： TH122

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）06-0013-05

Abstract：For the low efficiency of medicine-distribution of domestic automatic pharmacy during rush hours and the shortage of patient waiting for a long time to take drugs，which results in a retention.A modular automatic pharmacy with vertical medicine tank has been designed to change the condition.The theory of Gravity using and the method of Modular control is adopted to achieve express distribution.Through the reform of medicine slots and the renew of its arrangement.Working stability has been made sure based on Ansys analysis.The new type drug distribution method can not only save time for dealing with prescriptions and drug distributions，but also avoid the conglutination between drugs and slots，which increased the distribution accuracy.

Keywords：vertical medicine slots;express distribution;modular;arrangement of medicine slots

0 引 言

随着我国的医疗体制逐渐完善，自动化药房已经成为医院药房管理当中重要的组成部分。我国自动化药房起步晚，发展缓慢，技术不成熟，而国外的一些产品经过长足的发展日趋成熟。因此现阶段国内的门诊药房大多引进国外的自动化药房技术和产品。但由于国内外医疗状况不完全相同，因此在使用当中也出现了诸多问题[1-2]。

市面上现存的自动化药房当中，应用最为广泛的发药方式是机械手式和储药槽式两种[3]。机械手式自动发药机每次只能处理一盒药品，工作效率低，难以适应我国高密度的发药需求。储药槽式自动发药机分两类，一种是自由落体式自动发药机，其药槽与水平面成一定角度排列，发药时发药翻版将最末端药盒顶出，剩余药品依靠自身重力下滑，完成发药过程[4]。但这种发药方式受药槽的影响较大，质量较轻的药品在下滑的过程中产生的静电力会使药品卡在药槽当中影响发药准确度，同时，矩阵式的药槽排列方式也不适合于液体药品的自动发放[5-7];另一种是杆件助推式自动发药机，这种发药方式中助推杆难以控制，经常会出现药品数量错误的问题。

为了顺应药房自动化技术的发展趋势，降低患者的等待时间，降低药剂师的劳动强度，提高医院的服务质量和患者对于医院的满意程度，设计和开发一种适用于我国医疗现状的自动发药机尤为重要。直立药槽的药盒存储量大，药盒与药槽之间的不会粘连，发药效率更快

1 自动发药机的设计要求及设计方案

1.1 自动发药机的基本设计要求

在保证发药效率提高的基础上，自动化药房还应具备以下特点：准确性、稳定性、高储药量、高空间利用率[8-9]。因此，本文在保证发药机基本功能不变的情况下，进行了储药槽结构和整体布局的重新设计和技术改进，使自动发药机形成模块化发药模式，大大缩短处方的处理时间。

1.2 自动化药房的设计方案

1.2.1 整体结构设计

模块化自动发药机主要由直立式储药槽、落药斜板以及传送带轮三部分组成。其中直立式储药槽主要用于储藏药品和自动发药，是自动发药机的关键部分[10]，每个发药模块整体排列形式如图1所示，而自動发药机的整体则由多个这样的发药模块并列排布而成，因此，本次设计的重点就在于直立式储药槽特别是发药装置部分的设计，其结构如图2 所示。

本自动发药机的上药部分拟设计为由机械手自动上药，药盒可以稳定的下落，因此在一定程度上避免了药盒翻转产生的误差。药盒在药槽内下落的过程完全由重力引导，而不与药槽产生直接接触，因此药槽不会对药盒产生不利影响。

1.2.2 直立式药槽设计

药槽是自动发药机实现药品密集存储的唯一途径，必须能实现配合出药装置实现药品的准确分发[11]。由于不同医药公司所生产不同种类的药品包装尺寸也不尽相同，在经过充分的市场调查后，初步将长105，宽55，高20的药盒作为设计的参考尺寸来确定储药槽的尺寸。

储药槽如图3所示，主要由前面板、后面板、侧板、底板以及U型板组成。侧板有透视开口，可以人工观测药品剩余量并及时进行补药。后面板在靠近底板的部分有较小的弧度，药品下落时可将最底部的药盒推出2～3mm，由此可以降低两药盒之间产生的静电摩擦力，使发药转轴能够更加准确的打出药盒。底板为直角折板，主要用于托住药盒，其侧边开有通孔，与侧板上通孔均用于放置发药转轴。

U型板用于放置电机，其底部有一通孔，用于通过电机转轴。

1.2.3 出药装置设计

出药装置如图4所示，由发药转轴、轴用挡圈、铜套、传动锥齿轮、电机等组成，铜套及轴用挡圈用于将发药转轴固定在储药槽底部，一锥齿轮与发药转轴通过平键相连，另一锥齿轮与电机轴相连，两锥齿轮啮合使运动方向转过90°，由竖直变为水平。当发药指令发出，步进电机转动一个周期，从而带动传动锥齿轮的转动，进而带动发药转轴转动一周。

1.2.4 自动化药房的组合

每个自动发药模块可容纳的药品数量和种类有限，因此模块化自动发药机需由多个自动发药模块组成，每个发药模块由多个储药槽排列而成，医院可以自行决定自动发药模块的数量及药品的排列方式来构成适用于自身的自动化药房，这有利于提高门诊药房的空间利用率，降低因自动化药房不能改變药槽数量而带来的浪费。

自动发药模块的各个单元拥有独立的模块PLC控制系统，并统一由整体PLC下位机控制，药品按照医院的HIS系统进行分门别类，并将数据同步到后台软件当中，当PC机下达发药指令后，由整体PLC自动进行树形查找，多个模块PLC同时工作，可以保证一张处方中处于不同发药模块中的药品同时下落，这种每次处理一张处方的发药方式大大的缩短了发药时间，并极大的改善了市面上现存的自动发药机每次只能处理一盒药品的缺点。

同时，当两张处方所发药品处于完全不同的发药模块且发药模块距离较远时，可以同时处理两张甚至更多处方，这能够有效地提高处方处理效率，降低患者的等待时间。

2 自动发药机的工作原理

自动化药房的发药系统由硬件与软件两部分组成[12]。

系统的硬件部分主要由主控PC机、PLC、药槽、落药斜板以及传送带组成。PC机负责处理医师开出的处方以及药品数据信息的录入、处理、和输出等控制性工作。PC机与下位PLC建立联系，向PLC发出药品处理的指令并接收PLC对于药品发放的反馈信息。PLC作为整个系统的下位机，主要负责控制步进电机和传输带，PLC接收到PC机所发出的发放药品的指令后，读取PC机所开具的处方上的药品清单，确定所发药品的位置和数量，控制步进电机进行运转[13]。步进电机的运转带动发药转轴周转，发药转轴将药盒弹出，落在落药斜板上，药盒自由滑落至传送带，再由传送带将药盒送至发药窗口，由窗口药剂师进行最后核对后交给患者。

系统的软件部分则主要分为发药机管理模块，处方管理模块，药品基本信息管理模块，医嘱打印模块[14]。发药机管理模块主要用于连接上位PC机和PLC，确定所发药品所在的位置，将发药指令告知PLC下位机，并进行发药操作，同时将发药信息备份到数据库中。处方管理模块主要负责连接医师PC机和药房上位PC机，接收电子处方后，系统自动核对信息，确定处方合乎标准后准备进行发药操作。药品基本信息管理模块主要用于监管药品的品名、编码、规格、厂家等基本信息，有利于在药房实现药品的快速查找，及时清点库存的需求。医嘱打印模块主要负责在分发药品后将药品名称、数量、计费和服用信息统一打印在一张打印单上，同药品一同交付给患者[15-16]。

3 关键部件的力学分析

3.1 底板瞬间动力学分析

当发药转轴旋转将药盒打出至传送皮带后，药槽中剩余药盒将会瞬间下落，对底板造成大于重力的瞬间冲击力，因此，为了验证底板与侧板连接的稳定性，需要对底板进行瞬间动力学分析，取用药槽的底部进行模型简化。

药槽总高度为840mm，设定药盒高度为20mm，因此，每一个药槽最多可同时容纳42个药盒，假设每盒药品净含量为500g，最多将会有41×0.5=20.5kg重量垂直下落。

由达朗贝尔原理[17]，受到冲击时底板的最大变形：

解得最大冲击力后，首先应用Ansys软件进行模态分析，得到药槽底板的模态，得到底板的固有频率，如表1所示。

所得的图5（a）及图5（b）分别为底板的一阶模态与二阶模态，由表格与模态图可以得出结论：自动发药机底板的固定频率随着阶数的增加不断增大。因此，在药槽的工作过程当中，应尽量必满700～900Hz的固有频率，避免产生共振而导致断裂。

模态分析后，再对药槽底板进行瞬间动力学分析，由经典力学理论可知，物体的动力学通用方程是：

由上式得到底板受冲击力云图如图6所示。

由底板冲击力云图可以得到底板在承受的最大冲击力时产生的最大型变量。

3.2 对发药转轴的疲劳强度分析

发药的过程中，发药转轴是整个药槽工作最为频繁的部分，而发药转轴的稳定性影响着发药机工作的稳定性，因此，对于发药转轴进行振动分析很有必要。

首先对发药转轴进行静力学分析，转轴的两端固定在侧板和底板的通孔上，因此发药转轴主要是由发药凸起克服药盒之间的摩擦力将最底部药盒推出。

通过药槽中所能承载的药盒数量确定药盒的最大压力Fn=mg，并查找摩擦系数表确定药盒之间的摩擦系数后，由摩擦力公式f=μFn可以得到发药凸起在弹出药盒时承受的最大压力。由静力学分析即可得到发药转轴的整体变形，如图7所示，以及等效应力如图8所示。

由上图可以得出发药转轴最大的形变量为0.23287mm，该型变量属于微小弹性形变，对于零件整体不造成影响，因此能够确定本设计可以满足发药需求。