药房自动化装置的设计与应用

药房自动化装置的设计与应用＊

刘相权,贠超,赵雪峰,王伟,马永波

(北京航空航天大学机械人研究所,北京　100083)

摘要:介绍了自动化药房的研究设计,指出系统应具备的3个主要功能(上药、储药、发药)及各功能的实现方案。在对系统机械结构设计的基础上,设计了对应的自动上药装置、自动出药装置与自动分拣装置控制系统,并对系统各执行机构的控制方法进行了研究。最后对系统软件的功能进行了详细分析。创建了系统药品数据库,应用多线程技术完成了数据库管理、自动上药、自动出药、自动分拣4个模块的软件设计。目前系统已经开发完成,应用于医院门诊药房,运行效果良好。

关键词:自动化药房;自动上药装置;自动出药装置;自动分拣装置;控制系统;数据库

中图分类号:T H165 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2009)07-0065-04

目前国内医院药房的药品存储方式主要为固定式货架,药品存储分散,空间利用率低,药品的发送基本上由医务人员人工配药和发送,工作量大而繁琐,病人经常需要排队买药。而且,每年人工发错药的事故也屡见不鲜。医院药房自动化是药房发展的新趋势。

文中设计的自动化药房主要由自动上药系统、密集存储系统、自动出药系统、自动分拣系统和数据库管理系统等组成。能够实现以下3个基本功能:(1)发药:自动化药房能够按照电子处方要求准确发放药品到病人手中;(2)储药:自动化药房必须能够储存和管理一定数量的盒装药品,确保发药高峰期药品供给;(3)上药:自动化药房能够自动或者半自动把药盒放在确定的药品储位上。

1　自动化药房本体结构及参数

自动化药房本体结构如图1所示,包括自动上药装置、斜坡式储药柜、自动出药装置、自动分拣装置。其中自动分拣装置安装在自动出药装置的一侧(图中未画出)。主要技术参数如下:

储药柜尺寸:3500m m×1600m m×2700m m

适用药盒尺寸:长度41m m～500m m

宽度21m m～150m m

高度6m m～62m m

最大存储品种:800种

最大存储量:30000盒

平均上药时间:3s/盒

平均发药时间:18s/处方

允许处方包含最大药盒数:30盒

1.1　自动上药装置

自动上药装置主要由上药输送系统和上药机械手构成。

上药输送系统由上药输送带和3个超声波传感器组成。数据采集卡通过3个超声波传感器实时采集上药输送带上的药盒长度、宽度和高度尺寸,如采集到的尺寸与数据库中的尺寸一致,则输送药盒至上药机械手,否则提示错误,停止输送。

上药机械手包括:翻板(用于药盒的限位和定位)、滑槽、电磁铁、药盒侧倾定位运动机构等,如图2所示。以平面直角坐标机器人配置机械手,机械手安装在机器人的导轨上,随导轨做高速平面运动

。

图1　

自动化药房本体结构侧视图

图2　上药机械手本体结构侧视图

当输送带向机械手送药时,药盒侧倾定位运动机构使机械手逆时针(从机械手后部向前看)倾斜20°,以使输送带上的药品进入滑槽向下滑动过程中,自动对齐滑槽一侧,同时位于翻板后面的电磁铁向上顶起翻板,使翻板的上边缘高于滑槽的低端边缘,以防药品滑下。

当机械手随导轨运动到药房中药品对应的U形槽时,药盒侧倾定位运动机构使机械手顺时针倾斜20°,以使机械手水平对齐U形槽,随后电磁铁动作,使翻板的上边缘低于滑槽的低端边缘,控制盒装药从机械手滑槽中滑出落入到相应储药柜U 形槽。

1.2　斜坡式储药柜

第26卷第7期2009年7月

机　械　设　计

J O U R N A LO FM A C H I N ED E S I G N

V o l.26　N o.7

J u l. 2009

＊收稿日期:2008-10-07;修订日期:2009-01-18

作者简介:刘相权(1972-),男,河北辛集人,博士研究生,主要从事机械设计及理论、机器人、机电控制方面的研究。DOI:10.13841/ ki.jxsj.2009.07.023

斜坡式储药柜不仅能实现药品的密集存储,而且能够配合自动上药装置、自动出药装置方便地实现药品的入库、出库。

斜坡式储药柜由架体、U 型槽、支撑梁组成。单个品种药品的储存单元为U 型槽,根据药盒宽度,将U 型槽划分为宽度不同的规格,由药品的品种数、使用频率、药盒高度和宽度来决定储药层之间的高度、储药层中不同规格U 型槽的布置。药品放置在对应的层和U 型槽中,实现药品的密集存储。U 型槽以20°倾角固定在架体上,可以让药品靠自身重力下滑。为减小摩擦力和提高U 型槽刚度,每个U 型槽与药盒接触的表面上开有3或4条高度、宽度各为1m m 的凸筋。1.3　自动出药装置储药柜中每个U 型槽前端装有翻板机构,与升降机构成自动出药装置,翻板机构是实现盒装药品储存定位、出库的关键机构,它主要由翻板、挡边滚轮、后滚轮、细长轴、复位扭簧组成,如图3所示

。

1翻板;2细长轴;3U 型储药槽;4挡边滚轮;5后滚轮;6扭簧

图3　U 型槽翻板机构

出药装置的机械结构原理如下:药品出库时,安装在升降

机上的电磁铁通电动作,电磁铁以最大行程顶出到翻板前面驱动翻板翻转,挡边滚轮、后滚轮同时绕固定翻板的细长轴转动,其中挡边滚轮转动时相对U 型槽底面的高度逐渐降低,后滚轮将药盒底面逐渐抬起,当药盒底面被抬高于挡边滚轮轴线时,药盒受其重力作用下滑,挡边滚轮和后滚轮同时开始滚动,药盒与储药槽之间的滑动摩擦转变为药盒与滚轮之间的滚动摩擦,药盒所受摩擦阻力大大减小,从而实现出库;当电磁铁的顶出动作结束后,马上复位,电磁铁顶杆施加在翻板上的驱动力撤销,复位弹簧产生的复位作用力使翻板复位,挡边滚轮、后滚轮同时回到复位位置,继续对后续药盒限位,出药动作完成。

如图4所示,升降机由两套交流伺服电机驱动可以沿两根导轨立柱垂直升降运动,电磁铁、药盒检测光电传感器与斜坡式储药库中各储药层的储药槽一一对应,储药槽宽度、布局不同,电磁铁、光电传感器间距也各不相同,保证在各储药层,电磁铁、光电传感器与储药槽可靠定位,其中电磁铁与光电传感器各56个。依照处方的要求,升降机在铅垂面上沿两根导轨做升降运动,按照药品所在储药层位置实现“行”定位后,与药品所在U 型储药槽对应“列”的电磁铁通电动作,驱动U 型储药槽上的翻板机构运动,完成取药动作。药品取出经过光电传感器的检测面时,传感器将检测到的信号发给P L C ,进行计数,并与处方上该种药品的数量进行匹配。取出的药品直接落在传送带上,当药品全部取完时,传送带运送药品至出药口,挡门打开,将所取的药品传送至自动分拣装置。1.4　自动分拣装置药房自动分拣装置,包括分拣输送带和分拣出药装置,分拣输送带固定在升降机输送带的一侧,分拣出药装置采用旋转推出式结构,当升降机挡门打开的同时,指定分拣口的步进电

机驱动翻板顺时针旋转,使药品在到达该分拣口时停止,药方

上的药品全部到达时,步进电机驱动翻板逆时针旋转,推出药品。

1伺服电机及减速器;2导轨;3升降机挡门机构;4电磁铁;5对射式光电传感器;6药盒检测光电传感器;7传送带及驱动电机;8配重

图4　出药升降机侧视图

2　自动化药房计算机控制系统

计算机控制系统采用上位机和下位机二级控制系统,上位机采用工控机,下位机采用一张伺服运动控制卡、两张步进运动控制卡、一张数据采集卡和一套可编程逻辑控制器(P L C ),上位机与下位机通信传输并协调多个下位模块[1]。这样既能发挥下位机可靠、结构紧凑、便于工业控制的特点,又能发挥上位机操作界面友好、数据处理能力强的特点。2.1　基于P M A C 和P C I 1020的运动控制系统

P M A C 伺服运动控制卡控制上药机械手和出药升降机,其中两个通道做平面插补运动以控制机械手定位,另外两个通道做同步伺服运动,以控制升降机同步运动[2-3]。如图5所示。两张P C I 1020步进运动控制卡控制上药输送机步进电机、升降机挡门步进电机及3个分拣口翻板步进电机。数据采集卡实时采集自动上药装置中药盒的长度、宽度和高度尺寸。2.2　基于P L C 的出药计数控制系统可编程逻辑控制器,控制上药机械手翻板电磁铁、自动发药装置电磁铁和用来记录药盒数量的光电开关,在控制出药机构翻板动作的同时,采集光电计数器信号,获取U 形槽当前的出药量[4]。如图6所示。

图5　升降机、机械手伺服控制

图6　可编程控制器

系统示意图

控制示意图

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