一款新型智能藥盒設(shè)計及運動分析*

李路瑤，劉 帥，王 豪，孫興偉，楊赫然

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

隨著中國逐步進入老齡化社會，患有慢性病的老人日益增多。老年人隨著年齡的增長，生理機能器官出現(xiàn)退行性變化，導(dǎo)致老年人在生理功能上出現(xiàn)多種障礙或病變。主要表現(xiàn)為活動能力的降低，聽力、視力的減弱以及記憶力減退[1]。同時由于老年人的體質(zhì)減弱，患慢性病概率更高，很多老年人需要經(jīng)常吃藥，且服藥種類多，數(shù)量不等。由于老年人的生理特點，若服藥期間沒有醫(yī)生和子女監(jiān)護容易產(chǎn)生安全隱患。當前市場上的智能藥盒大多數(shù)偏向于方便攜帶，而針對在使用過程中容易出現(xiàn)藥品混亂、藥量混淆以及取藥時容易掉落等問題，并沒有較好的解決方案。

針對老年人難以準確取藥、易掉落等問題，本文開發(fā)了一款新型智能藥盒，為取藥提供便利。同時，對于有慢性疾病需要長期服藥的年輕人來說也是較為方便的。

1 智能藥盒總體設(shè)計

新型智能藥盒由外殼、操作面板、控制模塊、驅(qū)動電機以及取藥機構(gòu)組成，如圖1所示。操作面板位于取藥裝置的頂部，面板上布置有上下按鍵、取藥數(shù)目屏顯、取藥按鍵以及指示燈。操作面板下方為控制模塊，控制模塊下方為實現(xiàn)取藥功能的傳動機構(gòu)，底部為驅(qū)動電機。

用戶通過外殼側(cè)裝藥口將藥物送到儲藥盒中，放完藥丸后，可將其關(guān)閉。儲藥倉及取藥盒的圓周上有棱邊，與外殼固定，限制其旋轉(zhuǎn)，分藥盤與電機連接，由電機帶動旋轉(zhuǎn)。取藥口中可插入與之配套的盒子，用來盛放藥物，方便取藥。

操作面板上的指示燈用以提示儲藥倉底部的孔內(nèi)是否有足夠的藥丸；儲藥倉內(nèi)置有傳感器，感應(yīng)到藥丸，則感應(yīng)燈為綠色，可執(zhí)行取藥功能，控制模塊控制電機轉(zhuǎn)動角度，完成取藥工作。用戶可從外殼正面的取藥口將已分好的藥物取出。

通過按動頂部的上或下按鍵，點亮取藥數(shù)目屏顯，指示燈亮，其后按動上下按鍵來調(diào)節(jié)取藥數(shù)量，該數(shù)量有記憶功能，按動取藥按鈕，藥盒自動工作，靜候幾秒，取藥即可。

2 智能藥盒功能分析

本文開發(fā)的取藥機構(gòu)由儲藥倉、分藥盤及取藥盒三部分組成，如圖2所示。儲藥倉及取藥盒通過周邊的棱狀結(jié)構(gòu)固定在外殼上，以限制儲藥倉及取藥盒的轉(zhuǎn)動。分藥盤與電機連接，由電機帶動進行旋轉(zhuǎn)。儲藥倉位于上部的空腔，內(nèi)部為斜坡結(jié)構(gòu)，斜度為1∶8,藥丸為球形，聚集在孔1的上方，依靠重力可順利進入孔1中。中間部位為分藥盤，下部為取藥盒。分藥盤上開有12個圓周均布的通孔，在豎直方向上，孔1與孔3的中心線對齊，當藥丸經(jīng)孔1到達孔2時，電機帶動分藥盤旋轉(zhuǎn)，孔2也帶動藥丸進行旋轉(zhuǎn)；每當電機轉(zhuǎn)動達到30°，孔2與孔3中心線對齊，則藥丸下落，即分完一粒藥丸，如此反復(fù)可完成一次所需藥丸的選取。

藥丸需要服用的數(shù)量都是有嚴格要求的，藥丸數(shù)量的或多或少都會危及到人的生命安全。為確保藥盒設(shè)計的可靠性，即每次藥丸掉落的數(shù)量都與預(yù)期的相符，首先要保證電機的旋轉(zhuǎn)速度，確定藥丸有足夠的時間依靠重力下落，即每旋轉(zhuǎn)30°必有一枚藥丸下落;此外，電機轉(zhuǎn)角必須具備一定的精度，滿足分藥需求。本文設(shè)計的藥盒動力來源為小型直流步進電機，它可以接收數(shù)字控制電脈沖信號并轉(zhuǎn)化成與之相對應(yīng)的角位移，通過調(diào)節(jié)控制模塊的輸出脈沖數(shù)及脈沖頻率即可控制電機的轉(zhuǎn)動角度與速度[2]；其次，必須在藥丸的掉落位置檢測藥丸是否真的掉落，在分藥盤中內(nèi)置一個小型的光電傳感器，集發(fā)射和接收為一體，通過返回的光線判斷藥丸是否已經(jīng)下落，從而徹底地保證服藥安全。

藥丸直徑尺寸種類較多，本文中分析的為比較常見的直徑7 mm的藥丸，如果需要分揀不同直徑尺寸藥丸，只需更換取藥盤即可，該操作比較簡單，可起到節(jié)約成本的作用。

3 運動仿真分析

對取藥盒的核心部件使用Solidworks軟件進行建模[3]，模擬三枚藥丸的運動過程，三枚藥丸的初始位置在儲藥倉空洞的正上方，依次豎直排列，如圖3所示。建模后，導(dǎo)入至運動學仿真軟件ADAMS中進行運動仿真。儲藥倉、取藥盒分別與大地固定連接，電機與分藥盤固定同步。在電機上創(chuàng)建轉(zhuǎn)動副，并在轉(zhuǎn)動副上附著旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。在藥丸與取藥部件、藥丸與藥丸之間創(chuàng)建接觸力，保證藥丸不直接穿透藥盒的主體下落。藥丸之間、藥丸與零件之間的接觸均為點接觸，故忽略摩擦力的影響。

圖1 智能藥盒結(jié)構(gòu) 圖2 取藥結(jié)構(gòu)圖3 運動仿真初始狀態(tài)

通過不斷調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的速度，即控制電機的轉(zhuǎn)速，觀察藥丸是否能依次順利下落，仿真結(jié)果表明，該設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)準確的分藥功能，不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，進行仿真，尋找能夠準確分藥的最高速度。

當電機轉(zhuǎn)速為60 °/s時，設(shè)置仿真時間為0.5 s，即第一枚藥丸從初始位置通過分藥盤完成分藥的時間，仿真結(jié)束后，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，得到藥丸的位移變化曲線，如圖4所示。由圖4可知:在仿真時間段內(nèi)，藥丸在x向、z向近似勻速運動，即藥丸在分藥盤的帶動下，沿著儲藥倉的斜面及分藥盤的盤面均進行平穩(wěn)運動；藥丸沿著y向位移有兩次較大幅度變化，即由儲藥倉掉落至分藥盤及由分藥盤掉至取藥盤。

圖4 藥丸的位移變化曲線 圖5 藥丸與分藥盤間的接觸力

為方便藥丸下落，需要對藥丸與分藥盤之間的接觸力即摩擦力進行分析。本文選擇市面上常見的直徑為7 mm的藥丸進行分析，分藥盤的通孔直徑為8 mm，藥丸分藥的過程是由分藥盤帶動，故主要研究藥丸與分藥盤之間的接觸力[4]。

圖5為藥丸與分藥盤之間接觸力的仿真結(jié)果。由圖5可知:藥丸與分藥盤的接觸近似為點接觸;在0.025 s左右時，藥丸與分藥盤間孔壁第一次接觸碰撞，此時藥丸在圓周方向無速度，所以接觸的碰撞力最大，大約為0.48 N;其后藥丸不間斷地接觸孔壁，由分藥盤帶動旋轉(zhuǎn)，直到完成分藥動作，但接觸力峰值及波動均較小。

4 結(jié)論

為解決老年人在服藥方面出現(xiàn)的困擾，本文設(shè)計了一款能夠進行自動分藥的智能藥盒，在對其結(jié)構(gòu)進行闡述的基礎(chǔ)上進行了運動仿真。結(jié)果表明，新型結(jié)構(gòu)的智能藥盒能夠準確完成分藥工作，為老年人及需要長期服藥的年輕人提供了極大便利。近年來，隨著5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，新一代的智能設(shè)備早已具備聯(lián)網(wǎng)功能，利用手機進行遠程操控也變得容易實現(xiàn)，并且隨著高科技算法及AI技術(shù)的不斷發(fā)展，定時服藥提醒、服藥數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能也會不斷地被開發(fā)。相信在未來，智能藥盒會為人類的生活帶來更大的便利。