一种基于变胞机构的智能药箱的创新设计

杨鑫，孙亮波，熊鑫泉

一种基于变胞机构的智能药箱的创新设计

杨鑫，孙亮波*，熊鑫泉

（武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430048）

针对现有助老药箱存在智能化程度不高、功能单一等缺点，无法有效解决独居老人定时定量吃药的问题，设计了CareKit助老药箱，包含常用的液体药部分、颗粒药部分、片装药部分。液体药部分采用自适应夹持七杆机构与螺杆螺母组合的变胞机构，实现液体药瓶的夹紧、倾斜倒药；螺母旋转带动六杆机构实现夹紧瓶盖、继续转动变化为三构件机构实现瓶盖拧开。颗粒药部分设计槽轮机构依次实现取药袋、夹持剪切、倾倒药袋、杯装药退出四个动作。片状药部分由双转盘结构与风机吸气配合，按量取出预存的药片。增设一键紧急呼叫以应对老人突发事故。CareKit助老药箱很好地解决了独居老人定时定量吃药问题，具有较好的应用前景。

助老药箱；变胞机构；自适应夹持机构；模块化设计

老年人存在不能按时、按量服药等问题[1]。目前我国市场上的药盒主要有分装药盒、医疗急救箱、智能电子药盒三种。如图1所示。其中，分装药盒成本低，但智能程度低，功能单一，只提供分开储存功能；医疗急救箱同样智能程度低，只是在分类储存功能上有所优化；智能药盒在普通药盒基础上添加了定时提醒功能，然而对取药部分没有涉及，还是需要老人自己去定量服药。

针对目前市场上药盒取药存在的问题，葛杰[2]等通过GSM（Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统）无线通讯技术定时提醒老人吃药，并将药物分类存储，当需要时药物存储单元才会开放，解决了老人吃错药的问题。刘爱斌等[3]通过设置拨盘电机机构，将药物逐粒输出完成取药，从而配齐老人一次需要的药物，解决了老人吃错药、吃多吃少药的问题。藏家松等[4]采用漏斗凸轮机构实现分药功能，解决老人定时定量吃药的问题。但上述三种研究均只针对片状药的取用，对于其他种类的药物没有涉及。

针对上述问题，运用变胞机构的设计方法和理论，设计了CareKit助老药箱。通过程序控制完成片状药、液体药和颗粒药的存取。

图1 现有药盒

1 机械系统设计方案

机械变胞机构是指能在瞬时使某些构件发生合并/分离或出现几何奇异，并使机构有效构件数或自由度数发生变化，从而产生新构型的机构。关于该类机构，人们已进行了多方面的研究[5-8]。

基于对现有药箱功能和用户需求的分析，关键在于设计一个功能全面、更智能的产品。药品的种类可分为液体药、颗粒药和片状药，在确定产品总功能后，对助老药箱进行功能分解。Carekit助老药箱主体采用模块化设计，可分为瓶装液体药模块、袋装颗粒药模块和片状药模块三大部分，以及定时吃药提醒和紧急情况呼叫这两个辅助功能。根据功能分析，实现对不同种类药品的存储和定量输出，其机构系统设计思路和三维造型设计如图2、图3所示。

图2 助老药箱机构系统设计思路

变胞机构能从一种拓扑结构变换到另一种拓扑结构形式，以达到不同工作环境下所需的机构。据此，针对最难实现的瓶装液体药取药，设计了自适应夹持机构完成夹持和倾倒动作，中心变胞机构完成拧瓶盖动作。

图3 助老药箱三维造型设计

2 功能分析与实现

2.1 片状药部分

Carekit助老药箱设计的取片状药功能，总体外观如图4所示。包括转盘机构、收纳机构和导料管。转盘机构包括外壳和前转盘，在前转盘上形成容纳腔，外壳包覆前转盘，前转盘与外壳之间为相对转动的活动连接；收纳机构包括暂储盒；导料管设置在转盘机构与收纳机构之间。

1.立式轴承；2.光轴；3.储药盒支架；4.暂储盒；5.暂储盒盖；6.导料管；7.后转盘；8.外罩；9.圆柱支架；10.前转盘；11.舵机；12.法兰连轴器。

转盘机构还包括外罩和后转盘，外罩上有吸取孔，后转盘上有转运槽；外罩包覆后转盘，后转盘与前转盘相对设置，后转盘与外罩之间为相对转动的活动连接。容纳腔中的片状物先进入转运槽，再通过吸取孔离开转盘机构，最后通过导料管落入暂储盒中。

真空泵的吸气口与吸取孔相通，转运槽工作面为凹球面结构，开设有吸气孔；转运槽中的片状物在风机的负压作用下穿过吸气孔后，再通过吸取孔离开转盘机构。

外壳与封盖之间为相对转动的活动连接结构。暂储盒与盒盖之间为相对直线滑动的活动连接结构。此外，第三联动杆的一端形成导向轴，盒盖与导向件为固定连接，在导向件上开设条形滑槽，导向轴与条形滑槽之间为滑动配合结构；推拉电磁铁的推杆与第三联动杆之间为活动铰接结构。

在盒盖底部设计导轨，暂储盒上设置与导轨形成滑动配合结构的导滑槽。暂储盒通过第一转轴与支承座之间形成相对转动的活动连接结构。输送机构包括第一底座和滑动座，在第一底座上安装第一传动丝杆，第一传动丝杆与滑动座之间为丝杆传动机构。

通过转盘机构上的容纳腔，可实现片状物的收纳暂存。当容纳腔随着前转盘转动时，处于容纳腔中的片状物将落入暂储盒中，从暂储盒中即可方便地取出片状物。尤其是在需要一次性取用多种片状物的场合，可先将多种片状物集中存储在暂储盒中，然后一次性从暂储盒取出，从而提高了片状物的取用效率，还能避免片状物取用过程中的污染隐患。

该片状物存取机构，除用于药箱外，还可用于食品包装、制药包装、饲料加工等需要对片状物进行存储、取用的场合。

2.2 颗粒药部分

如图5所示，该功能由五部分组合而成：中心联动机构、平行四边形传药机构、剪药袋部分、双摇杆倒药机构、曲柄滑块出杯机构。首先，由槽轮机构驱动传送机构向剪袋机构输出袋装颗粒物，然后，由槽轮机构驱动剪袋机构剪开袋装颗粒物的包装袋，最后，通过槽轮机构驱动倾倒机构将开袋后的颗粒物从包装袋中倾倒出来。

如图6所示，中心联动机构为槽轮机构，在槽上有一个中心轮与四个从动轮，机构运转可分为正行程与逆行程。正行程中心轮顺时针转动360°，四个从动轮依次逆时针转动90°；逆行程中心轮逆时针转动360°，四个从动轮依次顺时针转动90°。在一个运转周期完成后，机构刚好回到初始状态。

图5 颗粒药取药装置整体图

1.平行四边形机构；2.中心联动机构3.曲柄滑块机构；4.剪药袋机构；5.双摇杆机构。

传送机构包括第二联动杆、从动摇杆以及第三机架和主动摇杆。第二联动杆与第一机械手连接；第二联动杆、从动摇杆、第三机架、主动摇杆共同形成平行四边形结构，且第二联动杆的相对两端分别与从动摇杆一端、主动摇杆一端活动铰接，第三机架的相对两端分别与从动摇杆另一端、主动摇杆另一端活动铰接。第二联动杆通过第一支架与第一机械手连接。

剪袋机构包括刀座、固定刀片和活动刀片。固定刀片与刀座固定连接，活动刀片与刀座之间为相对转动的活动连接，且活动刀片通过第二传动轴驱动。

倾倒机构包括第一联动杆、连架杆、第一主动杆和第一机架。第一联动杆与第二机械手连接；第一机架的相对两端分别与连架杆一端、第一主动杆一端活动铰接，第一联动杆的相对两端分别与连架杆另一端、第一主动杆另一端活动铰接。

这四部分依次固定在中心联动机构的四个从动轮上，以实现正行程（传药袋→剪药袋→倒药→送出药杯）和逆行程（送回药杯→药袋回原位→药袋垃圾处理→松开剪刀→平行四边形机构回位）的过程。

2.3 液体药部分

这部分装置主要由中心变胞机构两个变胞机构组成，整体结构如图7所示。本设计基于实际使用情况，采用直流电动机与两个电磁制动器，驱动两个变胞机构。在芯片的控制下，直流电机正反转不同角度，通过电磁制动器的开关，两个变胞机构切换构态，完成任务需求的动作。该过程可逆，将电机转动过程逆转，可恢复初始位置。从而完成整套倒药动作。下面分别分析其机械结构和功能的实现。

1.转换座；2.法兰螺母；3.步进电机；4.锥齿轮；5.差速器；6.丝杆；7.电磁制动器；8.丝杆螺母；9.机体外座；10.滑座；11.滑块；12.基座；13.二号滑座；14.自适应机械手。

2.3.1 自适应夹持机构

如图8所示，自适应夹持机构由丝杠、滑块以及前端机械手构成。

图8 自适应夹持机构整体三维图

电机带动丝杠转动，滑块后移，机械手向中间夹持。此时整体机构处于构态一，如图9（a）。计算自由度可得为2，大于原动件数目，机构无确定运动。但由于机构自身特点，会向阻力最小的方向运动。机械手初步向内收紧。当1处与瓶身接触，瓶身与1构成机械手的一个约束。机构自由度减为1，与原动件数目相等，机构有确定运动。滑块继续后移，机械手完成夹持。由于自适应特点，机械手适应不同瓶身大小，完成夹持动作。

如图9（b）所示，当机械手2处夹紧瓶身，机械手与瓶身固结，构成一个整体，机构处于构态二，此时，丝杠带动滑块转动。机构整体翻转，完成倾倒动作。

1、2为自适应机械手。

通过电机与电磁制动器，可控制丝杠旋转时间，从而将夹持机构与倾倒动作分开，实现取药过程中第一步的夹持动作与最后一步的倾倒动作。

2.3.2 中心变胞机构

中心变胞机构由丝杠、滑块以及中心轨道构成，其三维图和构态图如图10、图11所示。

图10 中心变胞机构整体三维图

1.丝杆；2.大滑块；3.小滑块；4.连杆；5.夹持滑块；6.药瓶；7.药瓶和夹持滑块构成的机构。

机构初始状态为构态一，如图11（a）所示。当丝杠转动，机体外座上升，机体外壳上的小滑块被挡板限制，与机体外座固定。通过连杆的驱动，中心轨道上的小滑块向中间运动，三个滑块同时向中间运动将瓶盖夹紧。

将瓶盖夹紧后，瓶盖与夹持滑块构成一个整体。机构处于构态二，如图11（b）所示。限位装置限制住大滑块上升，机体外座随丝杠旋转。瓶盖与夹持滑块转动，夹持滑块后弹簧柱塞进入边槽。中心变胞机构最外圈是由三个弧形外壳组成的圆，三边外壳上有按照标准瓶口螺纹放大后设计的边槽，保证机构后续运动的稳定。拧盖动作中，瓶盖与夹持滑块会进行转动和上升的复合运动。机体外座转动，其上小滑块向上运动，两者共同完成转动和上升复合的拧盖动作。

3 结论

通过市场调查，设计了一款智能药箱设备。与已有产品相比，该设备具有以下创新点：

（1）提醒并帮助解决老人按时按量吃药问题，提供突发紧急呼叫、音乐广播等功能。

（2）对液体药采用自适应机械手抓和变胞夹紧旋转机构组合，完成液体药开瓶、倒药、封瓶整个流程；对颗粒药运用平行四边形机构、双摇杆机构和曲柄滑块机构共同完成取药、裁剪、倒药和送出；对片状药采用双转盘形位配合、气压吸附。

（3）针对老人闲暇时，提供傻瓜式按钮和预设戏曲节目等，针对突发情况，提供紧急按钮一键报警和短信息呼救结合，进一步为老人提供生活护理。

[1]葛杰，李泽政，钟奕琦，等. 基于GSM无线通讯技术的智能药箱[J]. 电子制作，2020（14）：9-10，16.

[2]刘爱斌，李凯丹，汪朋飞. 一种辅助老年人服药的智能药箱设计与分析[J]. 机电工程技术，2021，50（12）：118-121.

[3]藏家松，马誉航，王晨哲，等. 家庭智能医药箱的设计[J]. 科学技术创新，2021（7）：193-194.

[4]李端玲，戴建生，张启先，等．基于构态变换的变胞机构结构综合[J]．机械工程学报，2002，38（7）：12-16.

[5]郭晓宁，张敏．一种变胞式作角机构设计[J]．机械设计与研究，2014，30（4）：21-23.

[6]吴腾，张武翔，丁希仑．一种新型并联变胞机构的设计与分析[J]．机械工程学报，2015，51（7）：30-37.

[7]戴建生，丁希仑，邹慧君．变胞原理和变胞机构类型[J]．机械工程学报，2005，41（6）：7-12.

Structural Innovation Design for Smart Medicine Box Based on Metamorphic Mechanism

YANG Xin，SUN Liangbo，XIONG Xinquan

( School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China )

The existing smart medicine box has some disadvantages such as low intelligence and single function, which cannot effectively ensure regular and quantitative medication for the elderly living alone. In order to solve the problem, this paper innovatively designs a 'CareKit' medicine box which consists of three parts to contain the commonly used liquid medicine, particle medicine and tablets respectively. The part for liquid medicine adopts the metamorphic mechanism of adaptive clamping seven-bar mechanism and screw nut combination to realize the clamping and tilting of the liquid medicine bottle. The nut rotation drives the 6-bar mechanism to clamp the cap and continues to rotate and change to the 3-component mechanism to realize the cap opening. The part for particle medicine has a groove wheel mechanism to achieve the four actions of taking the bag, clamping and cutting the bag, dumping the bag, and exiting the cup in sequence. The part for tablet combines the fan suction with the double turntable structure and the reserved tablets are taken out according to the quantity. Emergency call button is added to prevent accidents for the elderly. The CareKit medicine box solves the problem of regular and quantitative medication for the elderly living alone and has a good application prospect.

elderly medicine box；metamorphic mechanism；adaptive clamping mechanism；modular design

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.002

1006-0316 (2023) 01-0009-06

2022-04-29

国家自然科学基金（51875418）

杨鑫（1999－），男，湖北黄冈人，主要研究方向为机械创新设计，E-mail：1986147877@qq.com。*通讯作者：孙亮波（1979－），男，湖北天门人，博士，副教授，主要研究方向为机械设计及理论、机械创新设计、机构学，E-mail：4117449@qq.com。