人工智能中药抓取机器人
2021-06-17宋佰轩刘豪龙
宋佰轩，刘豪龙
(天津理工大学 工程训练中心，天津 300384)
中药作为中国传统医药理论指导临床应用的药物，用于预防、治疗、诊断疾病具有显著作用，而要继承传统医学，不但要有娴熟的医术，还要将多种多样的中药材熟练区分。药材虽然外形相似，但功能却差距甚远，入错一味药材，就可能导致药性发生不可逆的变化，相似的药材靠人工很难辨别。同时中药药量使用非常严格，都是以克为单位，传统称量方式很难保证各种药的配比精度，从而导致药效很差。高强度的重复劳动对抓药的药剂师是很大的负担。传统抓药方式存在劳动强度大、误差大、粉尘污染、人手对药物的二次污染等缺点。目前国内中医药行业正在快速走向繁荣，而落后的抓药方式则严重制约了我国中药行业的发展。
20世纪70年代,曾有以自动售米机为模板的自动抓药机昙花一现，理论上成立的设备在实践上屡遭败绩,最终因为这种抓药机称量误差较大以及造成严重的粉尘污染等缺点,中药房不得不回归手工抓药的时代。近二十年间在德国本土，自动化西药房兴起。1993年,德国ROWA公司开始形成有关的设计理念,ROWA公司的自动化药房的专利技术就是机械手技术。2006年10月30日,位于上海南京路的上海市第一医药商店引进并启用该公司的自动化药房系统。据介绍,顾客告诉店员要买的药品名称后,电脑上就会出现该药品的厂址、规格、用途等信息,店员只要操作电脑,库房的主机便马上下达指令,机械手会迅速搜寻出药品,放进出药管道[1]。这种抓药方式仅限于西药，对于中药目前还没有系统的解决办法，而大规模的数字化中药房都还处于实验阶段，且因其成本高昂，占地面积广等因素不适用于中药铺子，应用范围很窄。
为了解决抓药难的问题，尤其是像2020年新型冠状病毒肺炎疫情暴发，造成的人手不足问题，我们就设计了这款人工智能中药抓取机器人。它可以有效应对突发情况，只要给机器人录入抓药程序就可以快速准确抓药，满足大规模抓药的需求，让病人及早就诊，不至于恶化扩散，同时也减少了人员之间的接触，降低了病毒传播的概率，为中国的中药推广，惠及大众做出一点贡献。
智能抓药机器人的重要意义在于数字化、智能化的精准定位以及精确的抓药方式，大大减少了对于劳动力的消耗与浪费，利用螺旋杆推送药品的办法取代了传统“手抓戥称”的抓药方式[2]。再者，抓药虽为室内工作，然而在药柜前往返奔波，其过程既要求精细又要求效率，采用智能抓药机器人在极大程度上提高了中药抓配过程的效率值与精确度，误差小而且效率高，通过智能运算更是可以取代药剂师经过好几年才熟悉获得的定位信息，减轻了药剂师的负担，尽可能地将病人收到药品的时间提前，达到医患双赢的效果。
1 人工智能中药抓取机器人的总体设计
机械结构的设计：人工智能中药抓取机器人机械原理图，如图1所示。
图1 人工智能中药抓取机器人原理
人工智能中药抓取机器人的主体是一辆能够自主定位的智能机器人，智能机器人上方承载着带称重功能的药盒。通过车上的摄像头扫描中药单上的二维码领取抓药的种类和剂量，按照药物的名称和所对应的中药位置进行匹配，自动计算出最优抓药路径。移动到指定位置后扫描药品下方的二维码再一次确认药物种类，确认无误后，智能车给中药漏斗发送蓝牙信号，漏斗下方的螺旋输送器就将中药推送至下方药盒中，药盒底部安装有压力传感器(检测精度可以达到0.1g)，能够精确检测下落药品的重量，并且智能车可承载7个药盒，一次可同时抓取7服药。等盒内药品到达给定质量后立刻移动到下一个药盒，所有药盒都装药完毕后立刻给中药漏斗发送信号，让螺旋输送器反转，将多余药品送回漏斗内，防止长时间和空气接触产生污染。智能车则根据计算好的最优路径移动到下一味中药漏斗下方继续抓药，药单上的药品全部抓取完毕后返回起始位置，所抓药品可通过药盒下方开孔装入中药袋中，药剂师可将分装好的中药袋贴上标签发放给病人。
智能机器人选择Arduino MEGA 2560作为主控电路板，利用A4988驱动板模块对4个步进电机进行程序控制, 该驱动板作为一款带转换器和过流保护的DMOS微步进电机驱动器，可用于控制双极步进电机在步进模式下工作，输出驱动的能力为35V和±2A，保证精准的控制麦克纳姆轮进行横、纵双向以及斜向移动[3]。小车会根据最优路径程序的运算结果到达指定坐标位置，药品会被放入底部安装有压力传感器的药匣，通过单片机识别压力传感器的数据，再根据数据运算结果，及时做出指定动作，整个运动过程完全由机器人自主进行识别、运算、称重等一系列动作，快捷、高效地完成抓取中药的任务。
2 关键部分功能实现方案
2.1 移动部分
智能中药抓取机器人通过麦克纳姆轮的差速转动可以让机器人前后移动、左右移动或按照指定角度平动。小车使用8个巡线传感器(如图2所示)来进行路线识别，减少小车在行驶过程中的方向偏差；左右两个传感器进行记数，记录让机器人行走的实际距离，并反馈给控制系统进行实时纠正，保证在步进电机驱动下能够精确到达抓取药品的位置。
图2 巡线传感器
2.2 自动抓药部分
首先中医专家根据病人所需药材种类和数量，在电脑端输入药品种类及质量，医院的系统可将药方自动生成包含中药方全部信息的二维码，抓取机器人在起始位置扫描显示屏幕上的二维码后，按照指定程序规划最优路径，到达指定药品位置后，再次扫描药品漏斗下方二维码以确定目标药品是否正确，核验无误后，控制器给中药漏斗发送蓝牙信号进行通信，漏斗电机控制器接收蓝牙信号，打开螺旋输送器开关，开始装药，药盒下方的薄膜压力传感器(如图3所示)检测到压力数值发送给主控制器，发送的数据为模拟量，通过A/D转换接口将模拟量转化为数字量，当达到指定质量时，控制器发送蓝牙信号使中药漏斗控制螺旋输送器反转，这样将多余药品回收至漏斗内，保证药品不被空气污染[4]。
3 智能中药抓取机器人主体电路的设计
为了降低布线的复杂性，同时提高整个系统的稳定性以及可靠性，也为了使主板传感器的结构更加一目了然，便于后期的调试以及程序的编写，我们设计了一块智能机器人的主板，主板连接传感器与其他执行器[5]。智能机器人电路板主要有5个模块构成，分别为主控器模块、传感器模块、电源模块、IIC模块和执行器模块，主控制电路设计如图4所示[6]。
图4 智能抓取机器人电路总图
最优路径规划部分程序代码
#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 中药抓取实验
为充分发挥中医药在新型冠状病毒流行期间的防控作用，国家卫生健康委员会印发了常见医用防护用品使用范围指引(试行)的通知，在最新版的防治方案中，提供的中药预防处方确定：为方便普通人群通过代茶饮等方式进行自我防护，给出以下药方。
1.代茶饮方：太子参3g、金银花3g、藿香3g、桔梗3g、甘草3g。
2.基础用方：玉屏风散加味，组成如下：生黄芪12g、防风10g、白术10g、金银花10g、连翘10g、贯众6g、佩兰10g、陈皮10g、苍术10g、桔梗10g。
实验内容：人工智能中药抓取机器人通过规划最优路线依次到达金银花、太子参、藿香的位置，每种抓取3g，共抓取7服药，进行3次实验。为了验证试验的准确性，同时让药剂师进行同步抓取相同的药进行对比。
实验结果显示，该机器设备可以实现自动规划最优路径并对指定药材定量抓取。
表1 人机抓药对比参数
试验结果分析：智能抓药机器人采用识别任务二维码的形式来实现对于药品精准定位，自动计算最优路径并快速移动到中药漏斗下方位置，通过压力传感器来实现对于药品精确称量，药品的重量可以精确到0.1g，与人工抓药相比可以同时采集多服药材，节省称量时间且能够保持药品的质量不被污染，抓药机器人可自主运行，维护成本低廉，适合在各种规模中药房使用。
