一种辅助老年人服药的智能药箱设计与分析

2021-08-21刘爱斌李凯丹汪朋飞

机电工程技术 2021年12期

刘爱斌李凯丹汪朋飞

摘要：近年来，随着人口老龄化趋势加剧，老年人慢性病比例增长加快，而长期服药导致各种矛盾凸显。针对现有智能药箱功能单一、动作繁琐等缺点，设计了一款新型智能药箱。该药箱由扫码加药、弹出结构、配药结构、收集结构、制冷模块、单元化结构6个部分组成，通过人工操作可将药物准确、方便地放入药盒中并低温储藏，以 STM32为主控芯片，通过定时器中断控制自动化出药。该智能药箱可有效辅助老年人正确服药，具备良好的市场前景。

关键词：智能药箱;结构设计;配药结构;STM32

中图分类号：TP242 文献标志码：A

文章编号：1009-9492（2021）12-0118-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design and Analysis of an Intelligent Medicine Box to Assist the Elderly to Take Medicine

Liu Aibin ，Li Kaidan ，Wang Pengfei ※

（College of Mechatronics and Control Engineering， Shenzhen University， Shenzhen， Guangdong 518060， China）

Abstract： With the increasing trend of population aging， the proportion of chronic diseases in the elderly has increased rapidly， and long-term medication has led to various contradictions. Aiming at the shortcomings of single function and complicated action of existing intelligent medicine box， a new type of intelligent medicine box was designed. The medicine box consists of six parts， such as scan code dosing， ejection structure， dispensing structure， collection structure， refrigeration module and unit structure. The medicine can be accurately and conveniently put into the medicine box and stored at low temperature through manual operation. STM32 was used as the main control chip， and the automatic drug delivery was controlled by timer interrupt. The intelligent medicine box can effectively assist the elderly to take medicine， and therefore has a good market prospect.

Key words： intelligent medicine box; structural design; dispensing structure; STM32

0 引言

自2000年以來，我国开始迈入老龄化社会。据统计，高龄人口占我国总人口15%以上。随着年龄的增长，人体机能逐渐衰退，老年人易患各种慢性疾病，需要长期服用多种药物[1]。由于大部分老人在服药期间缺少儿女监护，随着视听力、记忆力的降低，常易发生错服、漏服、多服、忘服等各种问题。正确服药与否对老人慢性疾病的治疗意义重大，因此智能药箱作为一种能够辅助服药的机电一体化装置，具有良好的经济效益和广阔的市场前景[2-4]。

常见的智能药箱分为普通储存型、智能旋转型、自动弹出型和自动配药型等类型，且各具特色，有明确的应用场合，但仍存在一定的局限性。例如，市场上应用较为普遍的普通储存型药盒，具有功能单一、容量小、不具备防潮、防尘、仍需手动配药等缺点[2];智能旋转型存在功能冗余、辅助服药效率低等问题[5];自动弹出型在操作时步骤多且动作繁琐，不适合老年人群体[6];自动配药型结构复杂、体积大、适应性不强等[7]。

基于目前市场上存在的药箱或药盒尚未完全解决老人独自服药产生的一系列问题，本研究致力于开发出一款辅助老人服药的新型智能药箱。利用一种圆形缺口拨盘结构来实现自动配药，相对于其他药箱有着结构简单、方便高效、适应性强等优点，另外，增加制冷模块可增大药箱的适用药物。结合条码扫描模块和大按钮、语音提醒以及增加自动弹出结构满足老年人实际诉求。

1 智能药箱设计思路及难点

1.1 设计思路

通过对患者服药种类、时间、依从性、药物用量以及药物形状和尺寸等进行调研，结合现有智能药箱的结构和功能，设计出一款新型智能药箱。利用机构学知识，设计可有效实现预期功能的结构，并确定智能药箱的设计方案，采用三维软件 SolidWorks建立模型并进行仿真测试，完成智能药箱的模型设计[8-10]。

智能药箱以直线电机为动力源，可根据不同患者的服药情况在规定服药时间前正确分配所需药物以及自动定时收集药物，并语音提醒服药，且不在分配药物工作期间时，能够对药物进行低温保存。

智能药箱以 STM32作为主控芯片，使用 C 语言编译，在 Keil平台进行开发。采用条码扫描模块对药物进行识别。通过 OLED 显示屏和大按钮与用户进行交互。当定时器中断触发后，CPU进入自动配药模式，控制电机转动以分配药物，通过红外传感模块进行计数，达到指定出药数目时，控制直线电机将药物传至出药口。

1.2 设计难点

智能药箱配药的核心原理是基于倾斜布置的圆形缺口拨盘将药物依次单粒分离并取出。由于药物种类繁多，三维尺寸差异显著，因此拨盘厚度及其上缺口的宽度和深度的尺寸要求严格，设计好拨盘厚度以及缺口的宽度和深度是配药成败的关键。

2 智能药箱结构设计

智能药箱整体结构如图1所示，主要由扫码加药部分、弹出结构、配药结构、收集结构、制冷模块、单元化结构6个部分组成。药箱分为上下两层，底层由控制模块、扫码加药部分、收集结构等组成，顶层为若干个配药结构组成的配药模块。基于单元化框架结构设计，药箱可通过拼接叠加方式在配药层上方额外增加配药单元。

2.1 拨盘尺寸

要使智能药箱能适应分配不同形状和尺寸的药物，拨盘需要根据药物实测数据进行设计，确保高效完成配药工作。如图2所示，a 为拨盘的厚度，b 和 h 分别为进药孔的宽度和深度。设计时，厚度 a 不能过低和过高，过低导致单个进药孔进入两粒药物，过高导致药物易被卡在进药孔。进药孔的宽度 b 和深度 h 需要结合实际的药物尺寸进行设计，若进药孔尺寸过大，亦会导致单个进药孔进入两粒药物或药物在进药孔中卡死，若尺寸过小，则药物无法进入进药孔中，因此宽度 b 和深度 h 需要设计在合理的范围内。本药箱设计了3种进药孔尺寸和两种拨盘厚度尺寸，满足绝大部分老年人常用药物的使用需求。

2.2 配药结构

如图3所示，配药结构置于药盒中，由药筒和圆形缺口拨盘组成。药筒固连在药盒上，药筒底部设计成倾斜形式，角度为12°～15°。圆形缺口拨盘上均匀分布有若干个进药孔，通过轴承和传动轴与电机相接。药筒底部最高点开有出药口，出药口与出药管对齐。由于药筒底部倾斜以及药物自身重力作用使其聚集在药筒最低点，在步进电机带动下，药物将依次单粒落入进药孔中，经过药筒底部最高点从出药管完成配药。出药处设有红外传感模块计数，实现自动配药功能。

2.3 弹出结构

如图4所示，弹出结构固定在机架上，位于药盒底部，通过电磁铁控制挤压杆的吸附与释放。电磁铁通电时，挤压与固定块和挤压杆连接的压缩弹簧，挤压杆与顶杆接触，带动顶杆向外展开，顶杆与限位杆接触，顶杆继续带动限位杆向外展开，被压缩的限位弹簧弹出推杆，通过滑块将药盒底部的限位块沿直线弹出，完成药盒的自动弹出。电磁铁断电时，压缩弹簧和扭簧复位，继而挤压杆、限位杆和顶杆陆续复位，限位弹簧处于自然状态，将药盒通过人力推回，限位块将挤压限位弹簧至限位杆锁死限位块，完成药盒的复位操作。

2.4 收集结构

如图5所示，收集结构以直线电机作为动力源，直线电机固定在机架上，通过同步带与丝杆连接，丝杆与移动台配合，药杯放置在移动台上，直线电机带动移动台往复运动。往复运动的药杯对配药结构配出的药物进行收集。

3 有限元分析

药箱结构受力最大的部位在收集结构中，因此对其进行强度分析。图6所示为传动模型，图 7所示为简化模型。直流电机的额定功率为15 W ，减速后转速330 r/ min ，计算得压轴力 FQ=59.21 N 。有限元分析结果如图8所示，其最大应力为3.368×105 Pa ，最小应力为4.974×103 Pa ，材料的屈服强度为2.068×108 Pa ，结构设计可靠。

4 控制模块设计

智能药箱采用 STM32作为主控芯片，分为人工操作和机器操作两部分，图 9所示为智能药箱主视图。

通过 OLED 显示屏进行人工加药操作。加药时，利用条码扫描模块扫描药物，药箱识别药物并将相关信息显示，用户通过大按钮进行设置和确认，完成后药箱将自动弹出指定药盒，倒入药物后复位药盒，循环以上步骤，直至完成所有药物的储存。

机器操作的启停采用定时器控制，当到设定时间时，机器将启动指定的配药结构开始配药，并启动收集结构来收集药物，通过红外传感模块计数药物，以使配药结构停止配药，当配药工作完成时，收集结构将药杯传送至取药口，药箱通过语音提醒用户服药，用户取出药物并复位药杯，辅助配药工作完成，工作流程如图 10 所示。

5 实物测试与分析

制作完成的实物装置如图11所示。测试所用药物尺寸数据如表1所示。测试过程中，智能药箱能够按照预期正确完成配药工作，验证了此装置的可行性。测试所得数据如表2所示。在测试了实际的配药功能后可以进一步提出该药箱的改进方案。

（1）缩小拨盘厚度a和进药孔宽度b与深度h的尺寸范围，使单个拨盘适应更多的药物，提高通用性。

（2）适当减小装置尺寸，将现有控制模块集成在一块 PCB板，能够合理利用空间。

6 结束语

本文设计并制作了一款可有效辅助老人正确服药的智能药箱。通过手工扫码加药、弹出结构、制冷功能配合，将药物准确、方便地放入装置中并低温储藏。通过自动化配药结构和收集结构，将各种药物提前分配完毕，以供老年人定时服用。本装置操作简单、配药精准、功能多样，具有良好的经济效益和广阔的市场前景。

参考文献：

[1]史弘毅.中国人口老龄化带来的健康问题及其相关策略[J].临床医药文献电子杂志，2018，5（84）：174-175.