藥房分揀機器人搬運系統(tǒng)的設計與分析

武文軒 劉同欣

（1.上海ABB工程有限公司 上海201319；2.同濟大學附屬東方醫(yī)院 上海200120）

機器人代替人工，已經在各行各業(yè)廣泛滲透。機器人在替代重復勞動，降低勞動強度方面，有著毋庸置疑的優(yōu)勢[1]。特別是經歷了2020年初的新冠肺炎疫情之后，更讓各行各業(yè)感受到，在重大災害面前，用機器替代人工的重要意義。

在醫(yī)院的應用場景下，已經有多種類型的機器人投入到日常使用中。除了護理機器人、輔助康復機器人、手術機器人等高端應用外，更多的常規(guī)機器人，被應用在比如分揀、搬運、清潔消毒等領域。特別是在這次湖北抗擊疫情的大考中，在人力嚴重不足，病毒傳染風險極高的惡劣工況下，機器人穩(wěn)定、可靠、不受環(huán)境及情緒影響的優(yōu)勢，展現(xiàn)得淋漓盡致。

本論文探討一種可以在醫(yī)院藥房應用的分揀機器人搬運系統(tǒng)，探討其工作原理、實現(xiàn)方式，并且對機械手的關鍵部位——腕部的結構進行詳細分析，并進行計算校核。

1 藥品分揀自動搬運系統(tǒng)總體設計

本論文的研究對象是由三套獨立抓取單元組成的搬運系統(tǒng)。其結構如圖1所示。

三套獨立抓取單元、三個藥品放置平臺和三個檢測讀碼器被安裝在一個整體式平臺上。每個抓取單元的下方都有用于放置藥品的平臺。在每個抓取單元的放藥臺側面都安裝了一個檢測讀碼器，用于檢測工作臺上是否有藥品，并且對所放藥品進行條碼掃描識別。機械手負責把藥品從右側的工作臺搬運到左側的工作臺上。

圖1 搬運系統(tǒng)結構圖

1.1 藥品搬運系統(tǒng)工作原理

當搬運系統(tǒng)開始工作時，藥房員工將待傳送藥品放在工作臺A上，放藥臺A配置的紅外檢測讀碼探頭開始掃描，確認平臺A上有預置藥品并通過讀碼識別記錄藥品種類后，抓取機械臂1開始工作，完成一個標準循環(huán)抓取、搬運動作，把藥品放在平臺B上。此時，平臺B配置的紅外檢測頭開始掃描，確認平臺 B上有放置藥品并識別記錄藥品種類后，抓取機械臂2開始工作，完成一個標準循環(huán)抓取、搬運動作，把藥品放在平臺C上。同樣，平臺C配置的紅外檢測頭開始掃描，確認平臺C上有放置藥品并識別記錄藥品種類后，抓取機械臂3開始工作，完成一個標準循環(huán)抓取、搬運動作，把藥品放在平臺C上。這樣3個抓取單元根據指令完成指定的工作循環(huán)。當系統(tǒng)結束工作時，抓取機械臂1完成最后一個循環(huán)指令停止，然后抓取機械臂 2、抓取機械臂 3也依次完成最后一個循環(huán)，整個系統(tǒng)停止工作。

每個獨立抓取單元的一次標準循環(huán)，可以分解成8個動作：(1)當檢測到藥品放置平臺上有藥品時，抓取機械臂下降；(2)抓取機械臂在下工作位抓緊藥品盒；(3)抓取機械臂夾緊藥品盒抬升到可旋轉工位；(4)機械臂向左旋轉 180°；(5)機械臂夾緊藥品盒下降到下工作位；(6)在下工作位時松開藥品盒；(7)機械臂抬升到可旋轉工位；(8)機械臂向右旋轉180°，回到初始工位。

本設計項目要達到的目標是，通過三套抓取機械手單元組成一個適用于醫(yī)院藥房的簡易藥品搬運系統(tǒng)。通過機械手與紅外檢測探頭的配合工作，實現(xiàn)穩(wěn)定的、可拓展的藥品搬運過程。本系統(tǒng)可直接應用于包裝上有識別碼的零售藥品搬運。并且通過改裝，在每一套機械手之間的工作臺上方增配下藥料斗，并且配置帶有識別碼的裝藥盤，即可實現(xiàn)針對不同病人醫(yī)囑，差異化的配藥過程，并且不受中藥、西藥的限制。

1.2 機械手腕部的設計計算

1.2.1 機械手腕部設計的特點

1）結構緊湊、輕量化

腕部處于手臂的最前端，它和手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和載荷狀況，直接影響著機械臂部分的結構和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕[2]。

2）布局合理

腕部作為機械手的執(zhí)行機構，承擔連接和支撐的作用[3]。除了要考慮受力情況和滿足運動的功能實現(xiàn)外，還應對整體結構宏觀考慮，在保證足夠的強度、剛度基礎上，合理布局，解決好腕部與機械臂和機械手爪的連接。

3）腕部的使用工況

本研究項目的搬運系統(tǒng)，期望運行的工況是在醫(yī)院內常規(guī)藥房中分揀搬運盒裝藥品。該類工況環(huán)境條件良好，沒有高溫和腐蝕的風險。

1.2.2 腕部的結構

1）典型的腕部結構[4]

（1）具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構[5]。它具有結構緊湊、轉動靈活等優(yōu)點而被廣泛應用于腕部回轉結構中[6]。

（2）齒條活塞驅動的腕部結構。在要求回轉角大于 270°的情況下，可采用齒條活塞驅動的腕部結構[7]。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式機械臂結構[8]。

（3）具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構，它使腕部具有水平和垂直轉動兩個自由度[9]。

（4）機-液結合的腕部結構[10]。

2）腕部結構和驅動機構的選擇

本搬運系統(tǒng)要求抓取機械臂手腕可實現(xiàn)回轉180°的功能。綜合以上列舉分析，本次腕部選擇第一種典型結構，液壓驅動的一個自由度回轉形式。

1.2.3 腕部的設計

1）參數(shù)預設

本設計預估極限工況夾取藥品最大重量60 kg，回轉180°。

2）腕部的驅動力矩計算

在腕部的設計過程中，主要有兩個參數(shù)：腕部的驅動力矩M慣；腕部的摩擦力矩M摩。

設計選型中，為了提高適應性，我們考慮極限工況下，預估試抓取對象為棒料，直徑Φ100 mm，長度1000 mm，重量60 kg。

為方便計算，將機械手爪、驅動缸、回轉缸和所有轉動部件，簡化為一個高為220 mm，直徑Φ120 mm的圓柱體，其重力估算

摩擦力矩M摩=0.1M。

機械臂啟動所需轉過的角度：

φ啟=18°=0.314 rad，等速轉動角速度ω=2.616s-1。

查取轉動慣量公式有：

代入：

3）腕部驅動力的計算

腕部的結構尺寸設定：根據表 1，預選液壓缸體內腔直徑為Φ110 mm，外徑尺寸根據表2查得，預選為Φ121 mm，這個預選值為液壓缸壁可行的最小厚度，但需要綜合考慮裝配結構的情況。最終選定的液壓缸外徑為D=226 mm；動片寬度b=66 mm，輸出軸r=22.5 mm?；境叽缛鐖D2所示。則回轉液壓缸工作壓力為：

選擇8 MPa。

表1 液壓缸的內徑系列（JB826-66） （mm）

表2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）

圖2 腕部的結構示意圖

4）液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?/p>

缸蓋螺釘?shù)慕Y構，如圖3所示，t為兩顆螺釘之間的距離。間距的大小和液壓缸的工作壓強有關，見表3。

表3 螺釘間距t與壓力P之間的關系

圖3 缸蓋螺釘間距示意

在這種連接結構中，每個螺釘在其危險截面上所承受的拉力為：

液壓缸的工作壓強為P=8 MPa，由表3可知，螺釘間距t＜80 mm，故選擇Z=8個螺釘，

所以，

螺釘材料選擇Q235，

螺釘?shù)闹睆剑?/p>

由計算結果可得，螺釘選擇M16的螺釘。

5）動片與輸出軸之間的螺釘計算

動片與輸出軸之間的連接結構如上圖。連接螺釘數(shù)量一般選擇偶數(shù)，并且均布設計。連接螺釘?shù)闹饕饔?，是使動片和輸出軸之間實現(xiàn)更緊密的配合。

式中：D為動片的外徑；f為摩擦系數(shù)，鋼件對銅件取f= 0.15。

螺釘?shù)膹姸葪l件為：

代入有關數(shù)據，得

螺釘材料選擇Q235，

螺釘?shù)闹睆竭x擇d=12 mm。結合裝配情況，選擇M12的開槽盤頭螺釘。

2 系統(tǒng)仿真

根據搬運系統(tǒng)的工作原理，我們對系統(tǒng)中的主要動作，即單套抓取機械手單元的工作流程，編制了程序流程圖，如圖4所示。

圖4 機械手工作程序流程圖

本程序的設計是在西門子 STEP7-Micro/WIN V4.0SP3編程軟件編寫的。下面的程序在STEP7中編譯通過，無報錯。

本程序在仿真軟件S7-200模擬器中成功模擬，如圖5為模擬圖。

圖5 程序仿真圖

3 結語

本文利用三套機械手單元，組成了一種可以應用在醫(yī)院藥房環(huán)境下的抓取機器人搬運系統(tǒng)。介紹了其工作原理，實現(xiàn)方法，并且對機械手腕部進行了詳細的分析計算。本文重在探索一種實現(xiàn)方法，希望能對今后類似工況環(huán)境下的機器人搬運系統(tǒng)設計，特別是文中提到的針對不同病人醫(yī)囑，改裝中、西藥定制化配藥系統(tǒng)的搭建，提供一些思路。