一种基于胶囊类药物的新型分拣装置设计

2023-02-14西南石油大学郭世建

内江科技 2023年1期

◇西南石油大学吴岳郭世建刘科陈超

目前，随着我国人口老龄化问题日益凸显和老年人对于身体健康问题的愈加重视，我国用药的人数和平均服药量也在日益增加。数据显示，2020年我国生物医药市场规模达3,870亿元，同比增长22%，2014-2020年复合年增长率达22.1%。在老年人群中，用药依从性差的发生率为50%，因此对于药物的分拣问题也开始成为一个需要解决的问题。其中，胶囊类药物由于其包装的问题，其分拣是相对不容易的。目前市面上专门针对胶囊类药物的分拣机构几乎为零，因此设计提供了一种能够实现从板状药包装当中剥离出药物并且准确控制每次服用药品颗数的自动出药装置。该装置由破药机构、分离机构、计数机构三部分组成，能够实现药物从包装中破出，按顺序下落到精准计数这样的一系列控制功能。

数据预测，2021年后，我国生物药市场规模每年将增加近1000亿元，到2030年市场规模将达到1.3万亿元。在老年人群中，用药依从性差的发生率为50%，也就是说有一半的老年人都不按照医嘱用药。这其中，大部分老年人是因为记忆力不好导致“忘了吃药”，“吃两天、忘三天”的情况并不少见；有的老年人能每天坚持吃药，但吃了上顿就忘了下顿。数据显示，在各类药物中，传统丸剂剂型所占比例为54.7%，胶囊剂型为45%（其中胶囊30%，软胶囊15%），其他剂型0.3%。胶囊类药物在药物系统中占有重要的地位。因此，设计制作一种服务于我国医疗药物和老年人身体健康的药物分拣装置是非常有必要的。

1 该装置设计原因

在老年人群中，用药依从性差的发生率为50%，也就是说有一半的老年人都不按照医嘱用药。这其中，大部分老年人是因为记忆力不好导致“忘了吃药”，“吃两天、忘三天”的情况并不少见；有的老年人能每天坚持吃药，但吃了上顿就忘了下顿。对于各个身体方面健康指标普遍低于中青年的老年人，这种行为对于健康的危害不可谓不大。

胶囊类药物历史悠久，在世界药物中具有重要地位。老年人的服用药物中有约二分之一为胶囊类药物。

1.1 老年人记性差

由于老年人所患有的疾病多为慢性病，少吃一顿多吃一顿对于老年人来说可能没有显著变化，导致用药意识薄弱。还有就是随着年龄的增长，记忆力显著下降，若没有亲人在身边时刻提醒，定时定量服用药物对老年人来说也不是一件能顺利坚持的事情。

1.2 胶囊类药物占比重

公元前1500年，第一粒胶囊在埃及诞生。1730年，维也纳的药剂师开始用淀粉制造胶囊。1834年，胶囊制造技术在巴黎获得专利。1846年，两节式硬胶囊制造技术在法国获得专利。1872年，在法国诞生了第一台胶囊制造充填机。近些年来，胶囊类药物快速发展，在国民用药中占比约为45%，占有重要地位。

1.3 药物不易准确取出

现在的老年人生活自理能力下降，在取用胶囊类药物是常常会出现多取或少取药物用完的情况，对于多取的药物如果没有专门的存放地点，那么绝大概率被多取的药物会被浪费。同时，老年人记忆力下降，如果有多种胶囊类药物需要同时服用，会常常忘记自己刚刚吃没吃药，吃了几颗药，吃了几种药物，最终导致用药不准确、不及时，从而对身体产生不可逆转的慢性伤害，严重时甚至会危及生命。

2 设计装置现状分析

近几年，我国出现了许多针对不同药物的分拣装置，其中主要包括两大类：纯机械装置和非纯机械装置。其中，不管是纯机械装置还是非纯机械装置，除了统一是为了更好服务于人们用药外，都兼顾了非常多的模块，每一中装置都想要将几乎市面上能够用来分拣的药物分别设计一个模块加以分拣，但是往往只能在特定的规格下使用，虽然能够分拣的药物种类多，但是使用规格单一，不能很好的满足人们对于用药的需求。

2.1 纯机械式竖式停放装置

对于纯机械的药物分拣装置，由于其设计者一般力求尽善尽美，会囊括几乎所有的药物种类的分拣，这样就不可避免的导致机械装置体量过大，不易搬动，无法根据多种需要适应不同场合。但该装置较为复杂，零件较多，且每次更换不同的药物，需要重复进入不同模块，效率较低。

2.2 非纯机械式竖式停放装置

对于非纯机械的药物分拣装置，虽然体量在一定程度上有所减少，但是其智能化模块并不能识别所有药物，其智能操作和微信小程序或者单独的APP都不够成熟，老年人中还有占比不少的人群不会使用智能机，尤其是在农村地区，而恰恰是农村老人的发病率高于城市老年人。

本文要介绍的装置相比于市面上其他装置最大的特点在于在体量轻的同时兼顾效率，用简单的机械装置实现胶囊类药物的分拣。由于胶囊类药物的规格相对于其他袋装或瓶装药物来说更加规范，而且在装置运行过程中几乎没有危险刀具的存在，在安全的同时兼顾高效。

3 装置设计

3.1 设计原则

存放药物操作简单，即开即用，精准计数，特别是实现胶囊类药物破出过程中，轻松便捷，防止老年人因操作不稳造成药物浪费，定量出药。

3.2 设计装置组成

该装置由破药机构、分离机构、计数机构三部分组成。能够实现药物从包装中破出，按顺序下落到精准计数这样的一系列控制功能。

（1）破药机构。破药机构主要由空间中前后和上下交错的双排齿轮互相啮合组成，用以对药物的破出；破药机构主要结构组成：传动齿轮、链条、主动齿轮、破药齿轮1、破药齿轮2、破药齿轮3、破药齿轮4、破药齿轮5、破药齿轮1*、破药齿轮2*、破药齿轮3*（如图1所示）。

图1 破药机构主要结构

上排5个齿轮，下排的3个齿轮分别与上排第1，第3，第5个齿轮啮合，用于固定并且带动胶囊药板往前移动，上排的第2第4两个齿轮轮空用于挤压胶囊，使胶囊从空位当中落入下方的轨道。上排的齿轮连杆外面连接有带有电机的传动齿轮。通过链条带动外齿轮转动，从而通过连杆带动上排和下排齿轮同步转动，将药板带动使胶囊有序的从药板当中挤出。

（2）分离机构。分离机构有内外互相嵌合的双层漏斗组成，解决了胶囊在破出后堵塞的问题，实现有序下落。分离机构主要结构组成：外漏斗、内漏斗、导管、导杆，如图2所示。

图2 分离机构

其中外漏斗固定，内漏斗上下移动从而使漏斗当中的胶囊震动不断地变换位置，落入外漏斗的导管当中，导管的内径比胶囊略大，故而能使胶囊单列由下往上的排序在导管当中。

（3）计数机构。在设计中，计数机构不可避免用到传感器，但是如何设计简易有效的机械装置就变成我们需要考虑的问题。最终该设计的计数机构由上下贴合带有不同数量落药孔的双层圆盘组成，实现对胶囊的控制计数。上层圆盘设计有十二个接药孔（由其圆盘直径分析得到），下层圆盘只有一个落药孔，落药孔旁边放置传感器用以计数。此设计中计数机构的主要结构组成为：上层圆盘、下层圆盘、光电传感器，如图3所示。

图3 计数机构

3.3 装置设计原理

（1）破药分离过程。①将板装类胶囊水平推入交错啮合的两排平行齿轮间，电机带动下排主动齿轮顺时针旋转，从动齿轮被带动着逆时针旋转，胶囊从前侧掉落，被挤压后的板装空壳从后侧被推出，直至药物全部落出或停止主动齿轮电机。②被全部破出药物的板装空壳从后侧掉落至预先设置的垃圾槽内。从前方落出的胶囊全部落入下方的大漏斗中，大漏斗的漏斗口是固定连接于内漏斗。内外漏斗相互嵌合。内漏斗固定不动，下方连接内径略大于胶囊直径的导管；外漏斗连接导杆，导杆和与电机相连的凸轮接触。③凸轮电机启动后，带动凸轮做旋转运动，外漏斗由与凸轮接触的导杆带动进行往复的上下运动，带动漏斗内面的胶囊通过惯性排练进入导管内。实现胶囊在导管内的顺序排列。

（2）分离计数过程。①导管下方和具有十二个落药孔的上层圆盘距离大概二分之一个胶囊的长度距离。上层圆盘厚度约为二分之一个胶囊长度，落药孔为通孔。上层圆盘中心处连接有圆盘齿轮，和电动机相连的齿轮与圆盘齿轮相互啮合，启动电机后，上层圆盘被带动做旋转运动，只有打有落药孔的圆孔处才能使胶囊落入圆盘中，实验对药物的有序分离。②下层圆盘只有一个与落药圆孔，其厚度是上层圆盘的三分之一，一般情况下下层圆盘保持相对固定，但是可以根据人为需要旋转一定角度。下层圆盘的下方在落药孔的两边安装有光电传感器，每当有药物下落，则计数一次，当完成计数后，控制上层圆盘旋转的电机停止，装置不在落药，实现胶囊类药物的分离计数。

图4 装置原理图

3.4 装置关键部件设计

（1）双层漏斗的设计。为了解决胶囊类药物在下落过程中堵塞在导管中，设计了收集漏斗的内外双层结构，内漏斗固定，凸轮随电机转动而转动，凸轮与连杆末端轴承接触在转动的过程中使外漏斗上下运动，内外漏斗发生相对运动，从而产生往复运动使漏斗内堆积的药物在惯性的作用下有序排列而不会发生堵塞，顺利落入漏斗管，并且在漏斗管内从下往上依次挨个排列。内外漏斗相互嵌合，往复运动的前后距离在两个漏斗可接受的距离范围内，不会发生两漏斗分离致使药物滑出的情况。

（2）双层圆盘的设计。为了能使每粒胶囊都能够实现精准计数，所以需要每一粒都能单独分离。所以特别设计了上下双层带有不同数量的落药孔的不同厚度的圆盘。下层圆盘相对固定，可以人为调整角度。上层圆盘与电机相连，以一定的速度匀速旋转，使得药物一粒粒落入圆盘中的落药孔中，实现分离计数。