出藥機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化分析

（北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

當(dāng)前在我國(guó)醫(yī)院藥房取藥過(guò)程中，患者常常排隊(duì)等藥，發(fā)錯(cuò)藥的事故也時(shí)有發(fā)生。傳統(tǒng)的醫(yī)院儲(chǔ)藥系統(tǒng)主要由普通的藥架構(gòu)成，藥品的存儲(chǔ)密度低，藥品的發(fā)送基本上是由醫(yī)務(wù)人員根據(jù)處方人工配送，這種模式的發(fā)藥速度慢，效率低。實(shí)現(xiàn)藥房自動(dòng)化不僅可以幫助醫(yī)院提高發(fā)藥的速度更能增加發(fā)藥的準(zhǔn)確度。采用機(jī)械手式的自動(dòng)存取設(shè)備出藥不僅速度慢、控制電路繁瑣、且可靠性差。為解決上述問(wèn)題，本研究提供了一種出藥快捷，工作可靠的出藥機(jī)構(gòu)[1～4]。

1 出藥機(jī)構(gòu)原理

出藥系統(tǒng)主要包括平行排列的斜坡儲(chǔ)藥槽和出藥機(jī)構(gòu)。出藥機(jī)構(gòu)主要由電磁鐵線圈、電磁鐵鐵芯、出藥機(jī)構(gòu)底座、連桿、搖桿、擋藥滾輪、導(dǎo)向滾輪；擋藥滾輪設(shè)置在斜坡儲(chǔ)藥槽前方，送藥時(shí)對(duì)藥盒起導(dǎo)向作用，導(dǎo)向滾輪鉸接于搖桿前端。如圖1所示。

出藥單元與水平方向成25°角放置，在電磁鐵線圈不通電的狀態(tài)下，搖桿與出藥機(jī)構(gòu)底座的方向平行，擋藥滾輪擋住藥盒，將其擋在儲(chǔ)藥槽上；在電磁鐵線圈通電的狀態(tài)下，電磁鐵的鐵芯與線圈吸合，拉動(dòng)連桿繼而拉動(dòng)搖桿向上傾斜，把藥盒頂高，當(dāng)藥盒前端底部高于擋藥滾輪時(shí)，藥盒借助重力經(jīng)由導(dǎo)向滾輪導(dǎo)向滑出。當(dāng)電磁鐵的拉回動(dòng)作結(jié)束后，電磁鐵鐵芯在彈簧的復(fù)位作用下回到初始位置。

圖1 出藥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

這種出藥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，快速準(zhǔn)確，且可靠性高。實(shí)現(xiàn)了大型藥房藥品的自動(dòng)發(fā)放，節(jié)約了人力成本，提高了工作效率。

2 出藥機(jī)構(gòu)受力分析

如圖2所示，將出藥機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為一搖桿—滑塊機(jī)構(gòu)，進(jìn)行受力分析。藥盒在彈射過(guò)程中，電磁鐵提供拉力FM，搖桿前端受藥盒阻力F。

采用復(fù)數(shù)矢量法對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，以A點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，并將各構(gòu)件的桿矢量及方位角示出。將各運(yùn)動(dòng)副中的反力統(tǒng)一表示為FRij的形式，即構(gòu)件i作用于構(gòu)件j上的反力，且規(guī)定i＞j，二構(gòu)件j作用于構(gòu)件i上的反力FRji則用-FRij表示。再將各運(yùn)動(dòng)副中的反力分解為沿兩坐標(biāo)軸的兩個(gè)分力示出。

圖2 桿件受力分析簡(jiǎn)圖

選取運(yùn)動(dòng)副B為首解副，并取構(gòu)件1為分離體，并將諸力對(duì)A點(diǎn)取矩，則根據(jù)得：

由上式的實(shí)部等于零可得：

由上式的實(shí)部和虛部分別等于零可得：

將上式帶入式(1)，得：

又由FN=FM.tan(180°-θ2)=-FMtanθ2，上式可化為：

3 藥盒動(dòng)力學(xué)分析及仿真

3.1 藥盒動(dòng)力學(xué)分析

出藥機(jī)構(gòu)上藥時(shí)，藥盒重力在平行于藥槽方向的分力應(yīng)大于藥盒和藥槽之間的靜摩擦力，即：

式中fs為藥盒與藥槽間的摩擦系數(shù)，此處取值為0.13。

出藥機(jī)構(gòu)進(jìn)行出藥動(dòng)作時(shí)，藥盒在搖桿的作用力下脫離藥槽做平面運(yùn)動(dòng)，包括質(zhì)心的拋物運(yùn)動(dòng)和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)力的平移定理和合力矩定理，將藥盒所受的力系簡(jiǎn)化，并將藥盒作為剛體處理。簡(jiǎn)化后的藥盒受力情況如圖3所示。

圖3 藥盒受力分析模

在藥盒被搖桿頂起時(shí)，藥盒在豎直方向受重力G，平行于藥槽方向受到擋藥滾輪的支持力FN，以及在與搖桿接觸點(diǎn)處受到搖桿的作用力F。在如圖3所示瞬間，剛體平面運(yùn)動(dòng)微分方程在自然直角坐標(biāo)軸上的投影式為：

解得藥盒被頂起瞬間質(zhì)心加速度與角加速度：

式中l(wèi)為力F對(duì)O點(diǎn)的力臂，l=55.46mm；J0為藥盒對(duì)重心O的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中a、b分別為藥盒的長(zhǎng)度和寬度。

3.2 基于ADAMS的藥盒動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.2.1 虛擬樣機(jī)模型的建立

由于虛擬樣機(jī)技術(shù)在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)求解時(shí)，只考慮零件的質(zhì)心和質(zhì)量，而對(duì)零件的外部形狀不予考慮。因此，要對(duì)出藥機(jī)構(gòu)的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化[5]：

1）各鉸接處以轉(zhuǎn)動(dòng)副來(lái)約束，等效實(shí)現(xiàn)二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；

2）各部件為剛體；

3）忽略轉(zhuǎn)動(dòng)副摩擦。

根據(jù)出藥機(jī)構(gòu)實(shí)際形態(tài)結(jié)構(gòu)，按照以上原則，建立了虛擬樣機(jī)模型，如圖4所示。

圖4 出藥機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

根據(jù)電磁鐵吸力特性，分別對(duì)通電率為50%與25%時(shí)兩種情況進(jìn)行仿真，電磁鐵吸力特性曲線如圖5所示。

圖5 電磁鐵吸力特性曲線

3.2.2 仿真分析

仿真結(jié)果如圖6所示，其中圖6(a)和圖6(b)分別為通電率為50%和25%時(shí)出藥機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果。

如圖6(a)、圖6(b)所示，左上圖為藥盒彈射過(guò)程，其中黑色曲線為藥盒質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡。右上圖為藥盒的角加速度曲線，左下圖為藥盒質(zhì)心在水平方向的速度曲線，右下圖為藥盒質(zhì)心在豎直方向的速度曲線?？梢?jiàn)藥盒在彈出后的運(yùn)動(dòng)包含拋物運(yùn)動(dòng)及繞其質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此需根據(jù)藥盒的運(yùn)動(dòng)軌跡合理選取彈出點(diǎn)與輸送裝置的高度差和水平距離等參數(shù)，防止藥盒掉落時(shí)脫離輸送裝置或發(fā)生傾覆。

4 出藥機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析

圖6 出藥機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果

由于儲(chǔ)存在藥槽中的藥盒質(zhì)量不同，被彈射出來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡也不一樣，質(zhì)量小的彈射距離高，質(zhì)量大的彈射距離低。且當(dāng)出藥機(jī)構(gòu)的輸出力不合理時(shí)會(huì)使藥盒無(wú)法被彈起或超出合理彈起高度。因此需基于藥盒初速度最大化對(duì)出藥機(jī)構(gòu)各桿件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使不同種類的藥品在空中的運(yùn)動(dòng)軌跡最優(yōu)化[6]。

由于搖桿-滑塊機(jī)構(gòu)由LAB、LBC、LBD等參數(shù)確定，式(6)表明搖桿作用力與LAB、LBC有關(guān)，因此取設(shè)計(jì)變量為：

以藥盒質(zhì)心垂直于藥槽的初速度最大為尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，以確定最優(yōu)桿長(zhǎng)方案，取目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件的建立首先應(yīng)滿足構(gòu)成偏心搖桿-滑塊機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)條件，即LAB+e≥L_BD，其中e為偏距，其值為3.5。同時(shí)受于空間位置約束，LAB與LBC不能太長(zhǎng)。

確定設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件后，采用ADAMS對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模，采用設(shè)計(jì)研究模塊使各設(shè)計(jì)變量在一定范圍內(nèi)進(jìn)行取值，根據(jù)設(shè)計(jì)變量值的不同進(jìn)行一系列仿真分析并輸出各次仿真分析的結(jié)果，找出哪些設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的靈敏度最高。

靈敏度表征目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量值的變化的敏感程度。靈敏度分析是優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋪墊工作，用來(lái)確定重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)預(yù)訂參數(shù)定量分析每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響的程度，從而縮小研究范圍，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)做重點(diǎn)考慮[7,8]。靈敏度大小以前后兩次試驗(yàn)靈敏度的平均值表示[9]：

上式中：O為目標(biāo)值，V為設(shè)計(jì)參數(shù)值，i為迭代次數(shù)。

LAB、LBC、LBD各自變化對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響曲線分別如圖7～圖9所示。

圖7 LAB變化對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響曲線

圖8 LBC變化對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響曲線

圖9 LBD變化對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響曲線

其中LAB取值為13.172時(shí)靈敏度值最大，為249.01；LBC取值為40.724時(shí)靈敏度值最大，為136.12；LBD取值為47.517時(shí)靈敏度值最大，為271.74。

通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值組成組，研究在設(shè)計(jì)變量取不同的可能組合時(shí)目標(biāo)函數(shù)的取值情況，進(jìn)行優(yōu)化求解。求解過(guò)程中各次迭代的曲線變化如圖10所示，其中橫坐標(biāo)為迭代步，縱坐標(biāo)為藥盒質(zhì)心垂直于藥槽的初速度值。

圖10 優(yōu)化迭代曲線

最優(yōu)解為第604迭代步，其設(shè)計(jì)變量取值為：

由優(yōu)化結(jié)果可看出，優(yōu)化后藥盒質(zhì)心垂直于藥槽的初速度voy=885.13。

5 結(jié)論

闡述了出藥機(jī)構(gòu)的原理及動(dòng)作過(guò)程，對(duì)出藥機(jī)構(gòu)和藥盒進(jìn)行了受力分析。建立了出藥機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)其進(jìn)行了基于ADAMS的動(dòng)力學(xué)分析，得出了在不同電磁鐵通電率下的藥盒質(zhì)心軌跡曲線。對(duì)出藥機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)各設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了靈敏度分析，得到了藥盒質(zhì)心垂直于藥槽的初速度最大時(shí)出藥機(jī)構(gòu)的各桿長(zhǎng)最優(yōu)解。綜上，本研究為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了實(shí)用方法，為出藥機(jī)構(gòu)最終的尺寸設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，為藥房自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。