一款新型智能药盒设计及运动分析*

李路瑶，刘 帅，王 豪，孙兴伟，杨赫然

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 引言

随着中国逐步进入老龄化社会，患有慢性病的老人日益增多。老年人随着年龄的增长，生理机能器官出现退行性变化，导致老年人在生理功能上出现多种障碍或病变。主要表现为活动能力的降低，听力、视力的减弱以及记忆力减退[1]。同时由于老年人的体质减弱，患慢性病概率更高，很多老年人需要经常吃药，且服药种类多，数量不等。由于老年人的生理特点，若服药期间没有医生和子女监护容易产生安全隐患。当前市场上的智能药盒大多数偏向于方便携带，而针对在使用过程中容易出现药品混乱、药量混淆以及取药时容易掉落等问题，并没有较好的解决方案。

针对老年人难以准确取药、易掉落等问题，本文开发了一款新型智能药盒，为取药提供便利。同时，对于有慢性疾病需要长期服药的年轻人来说也是较为方便的。

1 智能药盒总体设计

新型智能药盒由外壳、操作面板、控制模块、驱动电机以及取药机构组成，如图1所示。操作面板位于取药装置的顶部，面板上布置有上下按键、取药数目屏显、取药按键以及指示灯。操作面板下方为控制模块，控制模块下方为实现取药功能的传动机构，底部为驱动电机。

用户通过外壳侧装药口将药物送到储药盒中，放完药丸后，可将其关闭。储药仓及取药盒的圆周上有棱边，与外壳固定，限制其旋转，分药盘与电机连接，由电机带动旋转。取药口中可插入与之配套的盒子，用来盛放药物，方便取药。

操作面板上的指示灯用以提示储药仓底部的孔内是否有足够的药丸；储药仓内置有传感器，感应到药丸，则感应灯为绿色，可执行取药功能，控制模块控制电机转动角度，完成取药工作。用户可从外壳正面的取药口将已分好的药物取出。

通过按动顶部的上或下按键，点亮取药数目屏显，指示灯亮，其后按动上下按键来调节取药数量，该数量有记忆功能，按动取药按钮，药盒自动工作，静候几秒，取药即可。

2 智能药盒功能分析

本文开发的取药机构由储药仓、分药盘及取药盒三部分组成，如图2所示。储药仓及取药盒通过周边的棱状结构固定在外壳上，以限制储药仓及取药盒的转动。分药盘与电机连接，由电机带动进行旋转。储药仓位于上部的空腔，内部为斜坡结构，斜度为1∶8,药丸为球形，聚集在孔1的上方，依靠重力可顺利进入孔1中。中间部位为分药盘，下部为取药盒。分药盘上开有12个圆周均布的通孔，在竖直方向上，孔1与孔3的中心线对齐，当药丸经孔1到达孔2时，电机带动分药盘旋转，孔2也带动药丸进行旋转；每当电机转动达到30°，孔2与孔3中心线对齐，则药丸下落，即分完一粒药丸，如此反复可完成一次所需药丸的选取。

药丸需要服用的数量都是有严格要求的，药丸数量的或多或少都会危及到人的生命安全。为确保药盒设计的可靠性，即每次药丸掉落的数量都与预期的相符，首先要保证电机的旋转速度，确定药丸有足够的时间依靠重力下落，即每旋转30°必有一枚药丸下落;此外，电机转角必须具备一定的精度，满足分药需求。本文设计的药盒动力来源为小型直流步进电机，它可以接收数字控制电脉冲信号并转化成与之相对应的角位移，通过调节控制模块的输出脉冲数及脉冲频率即可控制电机的转动角度与速度[2]；其次，必须在药丸的掉落位置检测药丸是否真的掉落，在分药盘中内置一个小型的光电传感器，集发射和接收为一体，通过返回的光线判断药丸是否已经下落，从而彻底地保证服药安全。

药丸直径尺寸种类较多，本文中分析的为比较常见的直径7 mm的药丸，如果需要分拣不同直径尺寸药丸，只需更换取药盘即可，该操作比较简单，可起到节约成本的作用。

3 运动仿真分析

对取药盒的核心部件使用Solidworks软件进行建模[3]，模拟三枚药丸的运动过程，三枚药丸的初始位置在储药仓空洞的正上方，依次竖直排列，如图3所示。建模后，导入至运动学仿真软件ADAMS中进行运动仿真。储药仓、取药盒分别与大地固定连接，电机与分药盘固定同步。在电机上创建转动副，并在转动副上附着旋转驱动。在药丸与取药部件、药丸与药丸之间创建接触力，保证药丸不直接穿透药盒的主体下落。药丸之间、药丸与零件之间的接触均为点接触，故忽略摩擦力的影响。

图1 智能药盒结构 图2 取药结构图3 运动仿真初始状态

通过不断调节旋转驱动的速度，即控制电机的转速，观察药丸是否能依次顺利下落，仿真结果表明，该设计结构能够实现准确的分药功能，不断调节转速，进行仿真，寻找能够准确分药的最高速度。

当电机转速为60 °/s时，设置仿真时间为0.5 s，即第一枚药丸从初始位置通过分药盘完成分药的时间，仿真结束后，导出数据，对数据进行处理，得到药丸的位移变化曲线，如图4所示。由图4可知:在仿真时间段内，药丸在x向、z向近似匀速运动，即药丸在分药盘的带动下，沿着储药仓的斜面及分药盘的盘面均进行平稳运动；药丸沿着y向位移有两次较大幅度变化，即由储药仓掉落至分药盘及由分药盘掉至取药盘。

图4 药丸的位移变化曲线 图5 药丸与分药盘间的接触力

为方便药丸下落，需要对药丸与分药盘之间的接触力即摩擦力进行分析。本文选择市面上常见的直径为7 mm的药丸进行分析，分药盘的通孔直径为8 mm，药丸分药的过程是由分药盘带动，故主要研究药丸与分药盘之间的接触力[4]。

图5为药丸与分药盘之间接触力的仿真结果。由图5可知:药丸与分药盘的接触近似为点接触;在0.025 s左右时，药丸与分药盘间孔壁第一次接触碰撞，此时药丸在圆周方向无速度，所以接触的碰撞力最大，大约为0.48 N;其后药丸不间断地接触孔壁，由分药盘带动旋转，直到完成分药动作，但接触力峰值及波动均较小。

4 结论

为解决老年人在服药方面出现的困扰，本文设计了一款能够进行自动分药的智能药盒，在对其结构进行阐述的基础上进行了运动仿真。结果表明，新型结构的智能药盒能够准确完成分药工作，为老年人及需要长期服药的年轻人提供了极大便利。近年来，随着5G技术与物联网技术的快速发展，新一代的智能设备早已具备联网功能，利用手机进行远程操控也变得容易实现，并且随着高科技算法及AI技术的不断发展，定时服药提醒、服药数据监控等功能也会不断地被开发。相信在未来，智能药盒会为人类的生活带来更大的便利。