模塊化自動發(fā)藥機藥槽及其關鍵部件設計分析

張元 李奚晗 范華平 蔣小寒

摘?要：針對我國現有的自動化藥房技術在醫(yī)院患者高峰期存在的發(fā)藥效率較低，患者需要排隊較長時間才能夠取到藥品而導致的取藥人員滯留問題，設計開發(fā)了一種直立藥槽式模塊化自動化藥房。運用重力落料原理以及模塊化控制的方法對藥盒進行快速分揀，通過對發(fā)藥機藥槽的優(yōu)化設計以及藥槽排布的規(guī)劃，基于Ansys軟件對關鍵部件進行分析，確定了發(fā)藥模塊藥槽的工作穩(wěn)定性。這種新型的發(fā)藥方式，不但可以大大縮短處方的處理時間和發(fā)藥時間，而且避免了藥盒與藥槽之間的粘連，從而提高了發(fā)藥準確率。

關鍵詞：直立式藥槽;快速分揀;模塊化;藥槽排布規(guī)劃

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.003

中圖分類號： TH122

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）06-0013-05

Abstract：For the low efficiency of medicine-distribution of domestic automatic pharmacy during rush hours and the shortage of patient waiting for a long time to take drugs，which results in a retention.A modular automatic pharmacy with vertical medicine tank has been designed to change the condition.The theory of Gravity using and the method of Modular control is adopted to achieve express distribution.Through the reform of medicine slots and the renew of its arrangement.Working stability has been made sure based on Ansys analysis.The new type drug distribution method can not only save time for dealing with prescriptions and drug distributions，but also avoid the conglutination between drugs and slots，which increased the distribution accuracy.

Keywords：vertical medicine slots;express distribution;modular;arrangement of medicine slots

0?引?言

隨著我國的醫(yī)療體制逐漸完善，自動化藥房已經成為醫(yī)院藥房管理當中重要的組成部分。我國自動化藥房起步晚，發(fā)展緩慢，技術不成熟，而國外的一些產品經過長足的發(fā)展日趨成熟。因此現階段國內的門診藥房大多引進國外的自動化藥房技術和產品。但由于國內外醫(yī)療狀況不完全相同，因此在使用當中也出現了諸多問題[1-2]。

市面上現存的自動化藥房當中，應用最為廣泛的發(fā)藥方式是機械手式和儲藥槽式兩種[3]。機械手式自動發(fā)藥機每次只能處理一盒藥品，工作效率低，難以適應我國高密度的發(fā)藥需求。儲藥槽式自動發(fā)藥機分兩類，一種是自由落體式自動發(fā)藥機，其藥槽與水平面成一定角度排列，發(fā)藥時發(fā)藥翻版將最末端藥盒頂出，剩余藥品依靠自身重力下滑，完成發(fā)藥過程[4]。但這種發(fā)藥方式受藥槽的影響較大，質量較輕的藥品在下滑的過程中產生的靜電力會使藥品卡在藥槽當中影響發(fā)藥準確度，同時，矩陣式的藥槽排列方式也不適合于液體藥品的自動發(fā)放[5-7];另一種是桿件助推式自動發(fā)藥機，這種發(fā)藥方式中助推桿難以控制，經常會出現藥品數量錯誤的問題。

為了順應藥房自動化技術的發(fā)展趨勢，降低患者的等待時間，降低藥劑師的勞動強度，提高醫(yī)院的服務質量和患者對于醫(yī)院的滿意程度，設計和開發(fā)一種適用于我國醫(yī)療現狀的自動發(fā)藥機尤為重要。直立藥槽的藥盒存儲量大，藥盒與藥槽之間的不會粘連，發(fā)藥效率更快

1?自動發(fā)藥機的設計要求及設計方案

1.1?自動發(fā)藥機的基本設計要求

在保證發(fā)藥效率提高的基礎上，自動化藥房還應具備以下特點：準確性、穩(wěn)定性、高儲藥量、高空間利用率[8-9]。因此，本文在保證發(fā)藥機基本功能不變的情況下，進行了儲藥槽結構和整體布局的重新設計和技術改進，使自動發(fā)藥機形成模塊化發(fā)藥模式，大大縮短處方的處理時間。

1.2?自動化藥房的設計方案

1.2.1?整體結構設計

模塊化自動發(fā)藥機主要由直立式儲藥槽、落藥斜板以及傳送帶輪三部分組成。其中直立式儲藥槽主要用于儲藏藥品和自動發(fā)藥，是自動發(fā)藥機的關鍵部分[10]，每個發(fā)藥模塊整體排列形式如圖1所示，而自動發(fā)藥機的整體則由多個這樣的發(fā)藥模塊并列排布而成，因此，本次設計的重點就在于直立式儲藥槽特別是發(fā)藥裝置部分的設計，其結構如圖2 所示。

本自動發(fā)藥機的上藥部分擬設計為由機械手自動上藥，藥盒可以穩(wěn)定的下落，因此在一定程度上避免了藥盒翻轉產生的誤差。藥盒在藥槽內下落的過程完全由重力引導，而不與藥槽產生直接接觸，因此藥槽不會對藥盒產生不利影響。

1.2.2?直立式藥槽設計

藥槽是自動發(fā)藥機實現藥品密集存儲的唯一途徑，必須能實現配合出藥裝置實現藥品的準確分發(fā)[11]。由于不同醫(yī)藥公司所生產不同種類的藥品包裝尺寸也不盡相同，在經過充分的市場調查后，初步將長105，寬55，高20的藥盒作為設計的參考尺寸來確定儲藥槽的尺寸。

儲藥槽如圖3所示，主要由前面板、后面板、側板、底板以及U型板組成。側板有透視開口，可以人工觀測藥品剩余量并及時進行補藥。后面板在靠近底板的部分有較小的弧度，藥品下落時可將最底部的藥盒推出2～3mm，由此可以降低兩藥盒之間產生的靜電摩擦力，使發(fā)藥轉軸能夠更加準確的打出藥盒。底板為直角折板，主要用于托住藥盒，其側邊開有通孔，與側板上通孔均用于放置發(fā)藥轉軸。

U型板用于放置電機，其底部有一通孔，用于通過電機轉軸。

1.2.3?出藥裝置設計

出藥裝置如圖4所示，由發(fā)藥轉軸、軸用擋圈、銅套、傳動錐齒輪、電機等組成，銅套及軸用擋圈用于將發(fā)藥轉軸固定在儲藥槽底部，一錐齒輪與發(fā)藥轉軸通過平鍵相連，另一錐齒輪與電機軸相連，兩錐齒輪嚙合使運動方向轉過90°，由豎直變?yōu)樗健．敯l(fā)藥指令發(fā)出，步進電機轉動一個周期，從而帶動傳動錐齒輪的轉動，進而帶動發(fā)藥轉軸轉動一周。

1.2.4?自動化藥房的組合

每個自動發(fā)藥模塊可容納的藥品數量和種類有限，因此模塊化自動發(fā)藥機需由多個自動發(fā)藥模塊組成，每個發(fā)藥模塊由多個儲藥槽排列而成，醫(yī)院可以自行決定自動發(fā)藥模塊的數量及藥品的排列方式來構成適用于自身的自動化藥房，這有利于提高門診藥房的空間利用率，降低因自動化藥房不能改變藥槽數量而帶來的浪費。

自動發(fā)藥模塊的各個單元擁有獨立的模塊PLC控制系統(tǒng)，并統(tǒng)一由整體PLC下位機控制，藥品按照醫(yī)院的HIS系統(tǒng)進行分門別類，并將數據同步到后臺軟件當中，當PC機下達發(fā)藥指令后，由整體PLC自動進行樹形查找，多個模塊PLC同時工作，可以保證一張?zhí)幏街刑幱诓煌l(fā)藥模塊中的藥品同時下落，這種每次處理一張?zhí)幏降陌l(fā)藥方式大大的縮短了發(fā)藥時間，并極大的改善了市面上現存的自動發(fā)藥機每次只能處理一盒藥品的缺點。

同時，當兩張?zhí)幏剿l(fā)藥品處于完全不同的發(fā)藥模塊且發(fā)藥模塊距離較遠時，可以同時處理兩張甚至更多處方，這能夠有效地提高處方處理效率，降低患者的等待時間。

2?自動發(fā)藥機的工作原理

自動化藥房的發(fā)藥系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分組成[12]。

系統(tǒng)的硬件部分主要由主控PC機、PLC、藥槽、落藥斜板以及傳送帶組成。PC機負責處理醫(yī)師開出的處方以及藥品數據信息的錄入、處理、和輸出等控制性工作。PC機與下位PLC建立聯系，向PLC發(fā)出藥品處理的指令并接收PLC對于藥品發(fā)放的反饋信息。PLC作為整個系統(tǒng)的下位機，主要負責控制步進電機和傳輸帶，PLC接收到PC機所發(fā)出的發(fā)放藥品的指令后，讀取PC機所開具的處方上的藥品清單，確定所發(fā)藥品的位置和數量，控制步進電機進行運轉[13]。步進電機的運轉帶動發(fā)藥轉軸周轉，發(fā)藥轉軸將藥盒彈出，落在落藥斜板上，藥盒自由滑落至傳送帶，再由傳送帶將藥盒送至發(fā)藥窗口，由窗口藥劑師進行最后核對后交給患者。

系統(tǒng)的軟件部分則主要分為發(fā)藥機管理模塊，處方管理模塊，藥品基本信息管理模塊，醫(yī)囑打印模塊[14]。發(fā)藥機管理模塊主要用于連接上位PC機和PLC，確定所發(fā)藥品所在的位置，將發(fā)藥指令告知PLC下位機，并進行發(fā)藥操作，同時將發(fā)藥信息備份到數據庫中。處方管理模塊主要負責連接醫(yī)師PC機和藥房上位PC機，接收電子處方后，系統(tǒng)自動核對信息，確定處方合乎標準后準備進行發(fā)藥操作。藥品基本信息管理模塊主要用于監(jiān)管藥品的品名、編碼、規(guī)格、廠家等基本信息，有利于在藥房實現藥品的快速查找，及時清點庫存的需求。醫(yī)囑打印模塊主要負責在分發(fā)藥品后將藥品名稱、數量、計費和服用信息統(tǒng)一打印在一張打印單上，同藥品一同交付給患者[15-16]。

3?關鍵部件的力學分析

3.1?底板瞬間動力學分析

當發(fā)藥轉軸旋轉將藥盒打出至傳送皮帶后，藥槽中剩余藥盒將會瞬間下落，對底板造成大于重力的瞬間沖擊力，因此，為了驗證底板與側板連接的穩(wěn)定性，需要對底板進行瞬間動力學分析，取用藥槽的底部進行模型簡化。

藥槽總高度為840mm，設定藥盒高度為20mm，因此，每一個藥槽最多可同時容納42個藥盒，假設每盒藥品凈含量為500g，最多將會有41×0.5=20.5kg重量垂直下落。

由達朗貝爾原理[17]，受到沖擊時底板的最大變形：

解得最大沖擊力后，首先應用Ansys軟件進行模態(tài)分析，得到藥槽底板的模態(tài)，得到底板的固有頻率，如表1所示。

所得的圖5（a）及圖5（b）分別為底板的一階模態(tài)與二階模態(tài)，由表格與模態(tài)圖可以得出結論：自動發(fā)藥機底板的固定頻率隨著階數的增加不斷增大。因此，在藥槽的工作過程當中，應盡量必滿700～900Hz的固有頻率，避免產生共振而導致斷裂。

模態(tài)分析后，再對藥槽底板進行瞬間動力學分析，由經典力學理論可知，物體的動力學通用方程是：

由上式得到底板受沖擊力云圖如圖6所示。

由底板沖擊力云圖可以得到底板在承受的最大沖擊力時產生的最大型變量。

3.2?對發(fā)藥轉軸的疲勞強度分析

發(fā)藥的過程中，發(fā)藥轉軸是整個藥槽工作最為頻繁的部分，而發(fā)藥轉軸的穩(wěn)定性影響著發(fā)藥機工作的穩(wěn)定性，因此，對于發(fā)藥轉軸進行振動分析很有必要。

首先對發(fā)藥轉軸進行靜力學分析，轉軸的兩端固定在側板和底板的通孔上，因此發(fā)藥轉軸主要是由發(fā)藥凸起克服藥盒之間的摩擦力將最底部藥盒推出。

通過藥槽中所能承載的藥盒數量確定藥盒的最大壓力Fn=mg，并查找摩擦系數表確定藥盒之間的摩擦系數后，由摩擦力公式f=μFn可以得到發(fā)藥凸起在彈出藥盒時承受的最大壓力。由靜力學分析即可得到發(fā)藥轉軸的整體變形，如圖7所示，以及等效應力如圖8所示。

由上圖可以得出發(fā)藥轉軸最大的形變量為0.23287mm，該型變量屬于微小彈性形變，對于零件整體不造成影響，因此能夠確定本設計可以滿足發(fā)藥需求。