单轨式搬运机器人在自动化药房中的应用分析

陈 思，李成群

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

0 引言

随着科学技术水平的不断发展和全球市场的多元化，机器人技术已经从工业制造业延伸至各行各业中，各类型的机器人企业也不断涌现，尤其是在医药行业，自动化药房应运而生。机器人能够在繁重的药房任务中代替人工进行作业，尤其是在经历2020年初的新冠疫情后，让我们看到机器人技术代替人工的重要性[1]。在医疗行业中已经有很多种类型的机器人被投入到临床使用中，比如手术机器人、康复机器人、分拣机器人、搬运机器人等被应用到日常医务工作中，而在药品管理方面很多医院的门诊药房仍然采用传统的人工搬运模式，每天面对庞大的就医量，工作强度大，药品复核错误率高，也降低了医院整体的运转效率[2]。

因此，本文针对以上问题提出一种可在自动化药房中应用的单轨悬挂式智能搬运机器人系统，通过顶部制动的方式，以最小的人力投入获得最大限度的药房存储率，实现药品快速、安静、精准的搬运功能。

1 药房智能搬运机器人整体设计思路

在当前自动化药房的背景下，为改变传统药房工作模式中劳动强度大、药品复核率低、药房管理繁琐等现状，本文提出一种新型的药房自动化模式——单轨悬挂式智能搬运机器人，将其悬挂于特殊布置的空间轨道上，在终端系统的控制下，以动态分配的管理方式对有药品发放、分配、补充需求的指定药仓区同时进行平稳、高效、有序的药物分拣、搬运、仓储。其充分利用了药房有限的空间，使药师不必再苦于寻找不同药品或试剂而多次往返于不同货架之间[3]，是适用于药房场合的一种应用方案。

结合药房日常工作流程及功能要求拟定设计思路，药房智能搬运机器人设计流程如图1所示。

图1 药房智能搬运机器人设计流程

2 药房智能搬运机器人系统方案设计

在查阅相关文献资料后，结合当前自动化药房在实际使用中所面临的问题，对整理出的相关方案进行可行性分析，同时运用动力学分析、运动学分析并结合机械设计的准则，通过功能分析并考虑到零部件的材料和加工难易程度等，确定结构尺寸、装配关系等，最终采用确定单轨悬挂式的药房智能搬运机器人方案。

本文所提出的单轨搬运机器人系统主要由平行机械手、智能搬运电车、轨道系统等组成，通过无线终端设备采用动态任务分配模式，对电车进行调度编排，以实现药品在不同仓区的识别、分拣、搬运。

2.1 机械手装置

机械手是药房智能搬运机器人系统的基础部分，主要包括搬运爪、定位支架和支撑主体，如图2所示。机械手机构在系统中主要承担对指定仓区药品的平行抓取功能，实现对指定药品仓区的精准分拣。

根据运动要求，机械手的驱动方式分为三种类型：气动驱动、液动驱动和电动驱动。其中，气动和液动两种驱动方式可承受较大负载，但成本较高，这里选择电动驱动方式。根据抓取动作的实现方式分为自动锁紧机构和推杆伸缩抓紧机构，其特点分别是：自动锁紧机构无需动力仅依靠重力作用，在接触药箱后通过内部的空间旋转凸轮结构实现抓取动作，其精度较低，稳定性差；推杆伸缩抓紧机构通过PLC控制推杆的伸缩动作，能够使机械爪精准实现对药箱的抓、放动作。综上所述，这里我们选择电动推杆驱动的方式。

待搬运的药品通常放置于药箱内，当机械手到达系统指定分拣区后，药箱与接触开关触碰后将触发信号传递到PLC，控制电动推杆驱动平行机械爪进行抓、放动作，机械手采用碳素结构钢(Q235B)制作，具有良好的韧性和刚度，保证在抓取的过程中机械手不变形。

2.2 智能搬运电车

智能搬运电车是搬运系统的核心部分，主要包括提升机构、行走机构和电车车体，如图3所示。

提升机构主要承担着机械手的下放和起升，是系统的中枢部分；电车车体是整体设计方案的关键，电车在行驶过程中，既要保证灵活性，减小周期性轨迹误差，避免偏离轨道，又要充分利用内部空间，控制车体尺寸，所以后轮轴径不应过大，车体内各部件在满足功能要求的前提下布置要合理。

通过查阅文献资料可知，搬运电车的驱动方式一般分为以下三种：单轮驱动方式、双轮同步驱动方式、双轮差速驱动方式[4]。

当电车在轨道上行驶和转弯时，并行轮间必然会产生速度差，常规情况下的单轮驱动和双轮同步驱动方式并不能解决上述问题，因此这里选用双轮差速驱动方式，不仅能成功地消除差速现象的影响，而且电车行驶在弯道时能很好地避免转弯打滑的问题。此外，由于电车运行时始终处于悬挂轨道上，为保证传动的可靠性和运行的平稳性，因此采取同步带轮进行动力传输，并设置张紧装置。

智能搬运电车主要承担着系统的运输功能，能够实现指定分拣区到指定药品仓区的精准搬运。

2.3 单轨系统

轨道系统采用的是单轨系统，如图4所示。单轨系统悬置于顶部房梁，可根据药房自身的使用要求进行自主布局调整，其主要由直道和弯道组成，并结合45°型和Y型两种规格的自动分流、合流单元，根据搬运任务的不同配合智能电车搬运系统，将小车轨道延伸至药房不同位置的仓区。

1-搬运爪；2-定位支架；3-支撑主体 1-提升机构；2-行走机构；3-电车车体

3 药房搬运系统动态调度总流程设计

3.1 动态调度系统

整个药房搬运系统的运动通过程序控制实现有序的动态编排[5]，可同时对多台电车的运行速度、行驶轨迹和任务完成情况等运动状态进行实时监测，保证各电车在行驶过程中的安全性和运动顺序的合理性，提高药房系统整体的工作效率。

此外，药房动态调度系统是整个运动系统的信息中枢，可通过程序控制的动态调度系统即时查看电车的运行任务、运行次数和行驶时间，及时掌握药房的出药状况并进行必要的调整，保证药房始终处于高效、稳定的运转状态。

3.2 系统搬运流程设计

根据医院药房的工作流程将整个药房系统分为5个区，包括药品仓储区、分拣区、配药区、窗口发药区和其他使用区，其中药房智能搬运系统主要在仓储区、分拣区和发药区运动。由于搬运系统在不同仓区的功能不同，可概括为三个分流程，具体如下：

(1) 药方处理。当患者与医生完成就医环节后，医生通过计算机生成处方信息并直接反馈给患者，在与患者确认后，将处方信息传送至动态调度系统，动态调度系统生成处方编号并与处方信息自动匹配，在药师完成配药后调度电车来搬运，同时为电车规划最优路线。

(2) 电车搬运。无线终端在接收到药师的处方信息后，通过动态调度系统，将任务分配给距离最近的电车，同时对任务路径进行最优化分析，并将药品准确运送至指定发药区，完成任务后自动返回缓冲区等待下一步指令。

(3) 药仓补给。通过动态调度系统实时对药房的出药情况进行分析汇总，及时对存储不足的药品仓区进行补给搬运。

系统搬运流程如图5所示。

图5 系统搬运流程

4 总结与展望

随着药房自动化的不断发展，对药房的管理模式和柔性化有了更高的要求。药房智能搬运系统通过引入物流搬运模式，采用动态分配的管理方式对处方信息进行加工处理，无需药师再次进入药房货区进行搬运，直接调度安排智能电车实现对药物的定点搬运、无障碍搬运，将药师从繁重的工作中解放出来，降低了药物人为复核差错率，减轻了药师的劳动强度，能够更好地给患者提供医疗服务，对引导未来药房智能化、无人化的发展具有现实意义。