一種輔助老年人服藥的智能藥箱設(shè)計與分析

劉愛斌 李凱丹 汪朋飛

摘要：近年來，隨著人口老齡化趨勢加劇，老年人慢性病比例增長加快，而長期服藥導(dǎo)致各種矛盾凸顯。針對現(xiàn)有智能藥箱功能單一、動作繁瑣等缺點，設(shè)計了一款新型智能藥箱。該藥箱由掃碼加藥、彈出結(jié)構(gòu)、配藥結(jié)構(gòu)、收集結(jié)構(gòu)、制冷模塊、單元化結(jié)構(gòu)6個部分組成，通過人工操作可將藥物準(zhǔn)確、方便地放入藥盒中并低溫儲藏，以 STM32為主控芯片，通過定時器中斷控制自動化出藥。該智能藥箱可有效輔助老年人正確服藥，具備良好的市場前景。

關(guān)鍵詞：智能藥箱;結(jié)構(gòu)設(shè)計;配藥結(jié)構(gòu);STM32

中圖分類號：TP242???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）12-0118-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design and Analysis of an Intelligent Medicine Box to Assist the Elderly to Take Medicine

Liu Aibin ，Li Kaidan ，Wang Pengfei ※

（College of Mechatronics and Control Engineering， Shenzhen University， Shenzhen， Guangdong 518060， China）

Abstract： With the increasing trend of population aging， the proportion of chronic diseases in the elderly has increased rapidly， and long-term medication has led to various contradictions. Aiming at the shortcomings of single function and complicated action of existing intelligent medicine box， a new type of intelligent medicine box was designed. The medicine box consists of six parts， such as scan code dosing， ejection structure， dispensing structure， collection structure， refrigeration module and unit structure. The medicine can be accurately and conveniently put into the medicine box and stored at low temperature through manual operation. STM32 was used as the main control chip， and the automatic drug delivery was controlled by timer interrupt. The intelligent medicine box can effectively assist the elderly to take medicine， and therefore has a good market prospect.

Key words： intelligent medicine box; structural design; dispensing structure; STM32

0 引言

自2000年以來，我國開始邁入老齡化社會。據(jù)統(tǒng)計，高齡人口占我國總?cè)丝?5%以上。隨著年齡的增長，人體機(jī)能逐漸衰退，老年人易患各種慢性疾病，需要長期服用多種藥物[1]。由于大部分老人在服藥期間缺少兒女監(jiān)護(hù)，隨著視聽力、記憶力的降低，常易發(fā)生錯服、漏服、多服、忘服等各種問題。正確服藥與否對老人慢性疾病的治療意義重大，因此智能藥箱作為一種能夠輔助服藥的機(jī)電一體化裝置，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場前景[2-4]。

常見的智能藥箱分為普通儲存型、智能旋轉(zhuǎn)型、自動彈出型和自動配藥型等類型，且各具特色，有明確的應(yīng)用場合，但仍存在一定的局限性。例如，市場上應(yīng)用較為普遍的普通儲存型藥盒，具有功能單一、容量小、不具備防潮、防塵、仍需手動配藥等缺點[2];智能旋轉(zhuǎn)型存在功能冗余、輔助服藥效率低等問題[5];自動彈出型在操作時步驟多且動作繁瑣，不適合老年人群體[6];自動配藥型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、適應(yīng)性不強(qiáng)等[7]。

基于目前市場上存在的藥箱或藥盒尚未完全解決老人獨自服藥產(chǎn)生的一系列問題，本研究致力于開發(fā)出一款輔助老人服藥的新型智能藥箱。利用一種圓形缺口撥盤結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)自動配藥，相對于其他藥箱有著結(jié)構(gòu)簡單、方便高效、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，另外，增加制冷模塊可增大藥箱的適用藥物。結(jié)合條碼掃描模塊和大按鈕、語音提醒以及增加自動彈出結(jié)構(gòu)滿足老年人實際訴求。

1 智能藥箱設(shè)計思路及難點

1.1 設(shè)計思路

通過對患者服藥種類、時間、依從性、藥物用量以及藥物形狀和尺寸等進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合現(xiàn)有智能藥箱的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計出一款新型智能藥箱。利用機(jī)構(gòu)學(xué)知識，設(shè)計可有效實現(xiàn)預(yù)期功能的結(jié)構(gòu)，并確定智能藥箱的設(shè)計方案，采用三維軟件 SolidWorks建立模型并進(jìn)行仿真測試，完成智能藥箱的模型設(shè)計[8-10]。

智能藥箱以直線電機(jī)為動力源，可根據(jù)不同患者的服藥情況在規(guī)定服藥時間前正確分配所需藥物以及自動定時收集藥物，并語音提醒服藥，且不在分配藥物工作期間時，能夠?qū)λ幬镞M(jìn)行低溫保存。

智能藥箱以 STM32作為主控芯片，使用 C 語言編譯，在 Keil平臺進(jìn)行開發(fā)。采用條碼掃描模塊對藥物進(jìn)行識別。通過 OLED 顯示屏和大按鈕與用戶進(jìn)行交互。當(dāng)定時器中斷觸發(fā)后，CPU進(jìn)入自動配藥模式，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動以分配藥物，通過紅外傳感模塊進(jìn)行計數(shù)，達(dá)到指定出藥數(shù)目時，控制直線電機(jī)將藥物傳至出藥口。

1.2 設(shè)計難點

智能藥箱配藥的核心原理是基于傾斜布置的圓形缺口撥盤將藥物依次單粒分離并取出。由于藥物種類繁多，三維尺寸差異顯著，因此撥盤厚度及其上缺口的寬度和深度的尺寸要求嚴(yán)格，設(shè)計好撥盤厚度以及缺口的寬度和深度是配藥成敗的關(guān)鍵。

2 智能藥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能藥箱整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由掃碼加藥部分、彈出結(jié)構(gòu)、配藥結(jié)構(gòu)、收集結(jié)構(gòu)、制冷模塊、單元化結(jié)構(gòu)6個部分組成。藥箱分為上下兩層，底層由控制模塊、掃碼加藥部分、收集結(jié)構(gòu)等組成，頂層為若干個配藥結(jié)構(gòu)組成的配藥模塊?；趩卧蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計，藥箱可通過拼接疊加方式在配藥層上方額外增加配藥單元。

2.1 撥盤尺寸

要使智能藥箱能適應(yīng)分配不同形狀和尺寸的藥物，撥盤需要根據(jù)藥物實測數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計，確保高效完成配藥工作。如圖2所示，a 為撥盤的厚度，b 和 h 分別為進(jìn)藥孔的寬度和深度。設(shè)計時，厚度 a 不能過低和過高，過低導(dǎo)致單個進(jìn)藥孔進(jìn)入兩粒藥物，過高導(dǎo)致藥物易被卡在進(jìn)藥孔。進(jìn)藥孔的寬度 b 和深度 h 需要結(jié)合實際的藥物尺寸進(jìn)行設(shè)計，若進(jìn)藥孔尺寸過大，亦會導(dǎo)致單個進(jìn)藥孔進(jìn)入兩粒藥物或藥物在進(jìn)藥孔中卡死，若尺寸過小，則藥物無法進(jìn)入進(jìn)藥孔中，因此寬度 b 和深度 h 需要設(shè)計在合理的范圍內(nèi)。本藥箱設(shè)計了3種進(jìn)藥孔尺寸和兩種撥盤厚度尺寸，滿足絕大部分老年人常用藥物的使用需求。

2.2 配藥結(jié)構(gòu)

如圖3所示，配藥結(jié)構(gòu)置于藥盒中，由藥筒和圓形缺口撥盤組成。藥筒固連在藥盒上，藥筒底部設(shè)計成傾斜形式，角度為12°～15°。圓形缺口撥盤上均勻分布有若干個進(jìn)藥孔，通過軸承和傳動軸與電機(jī)相接。藥筒底部最高點開有出藥口，出藥口與出藥管對齊。由于藥筒底部傾斜以及藥物自身重力作用使其聚集在藥筒最低點，在步進(jìn)電機(jī)帶動下，藥物將依次單粒落入進(jìn)藥孔中，經(jīng)過藥筒底部最高點從出藥管完成配藥。出藥處設(shè)有紅外傳感模塊計數(shù)，實現(xiàn)自動配藥功能。

2.3 彈出結(jié)構(gòu)

如圖4所示，彈出結(jié)構(gòu)固定在機(jī)架上，位于藥盒底部，通過電磁鐵控制擠壓桿的吸附與釋放。電磁鐵通電時，擠壓與固定塊和擠壓桿連接的壓縮彈簧，擠壓桿與頂桿接觸，帶動頂桿向外展開，頂桿與限位桿接觸，頂桿繼續(xù)帶動限位桿向外展開，被壓縮的限位彈簧彈出推桿，通過滑塊將藥盒底部的限位塊沿直線彈出，完成藥盒的自動彈出。電磁鐵斷電時，壓縮彈簧和扭簧復(fù)位，繼而擠壓桿、限位桿和頂桿陸續(xù)復(fù)位，限位彈簧處于自然狀態(tài)，將藥盒通過人力推回，限位塊將擠壓限位彈簧至限位桿鎖死限位塊，完成藥盒的復(fù)位操作。

2.4 收集結(jié)構(gòu)

如圖5所示，收集結(jié)構(gòu)以直線電機(jī)作為動力源，直線電機(jī)固定在機(jī)架上，通過同步帶與絲桿連接，絲桿與移動臺配合，藥杯放置在移動臺上，直線電機(jī)帶動移動臺往復(fù)運動。往復(fù)運動的藥杯對配藥結(jié)構(gòu)配出的藥物進(jìn)行收集。

3 有限元分析

藥箱結(jié)構(gòu)受力最大的部位在收集結(jié)構(gòu)中，因此對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。圖6所示為傳動模型，圖 7所示為簡化模型。直流電機(jī)的額定功率為15 W ，減速后轉(zhuǎn)速330 r/ min ，計算得壓軸力 FQ=59.21 N 。有限元分析結(jié)果如圖8所示，其最大應(yīng)力為3.368×105 Pa ，最小應(yīng)力為4.974×103 Pa ，材料的屈服強(qiáng)度為2.068×108 Pa ，結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠。

4 控制模塊設(shè)計

智能藥箱采用 STM32作為主控芯片，分為人工操作和機(jī)器操作兩部分，圖 9所示為智能藥箱主視圖。

通過 OLED 顯示屏進(jìn)行人工加藥操作。加藥時，利用條碼掃描模塊掃描藥物，藥箱識別藥物并將相關(guān)信息顯示，用戶通過大按鈕進(jìn)行設(shè)置和確認(rèn)，完成后藥箱將自動彈出指定藥盒，倒入藥物后復(fù)位藥盒，循環(huán)以上步驟，直至完成所有藥物的儲存。

機(jī)器操作的啟停采用定時器控制，當(dāng)?shù)皆O(shè)定時間時，機(jī)器將啟動指定的配藥結(jié)構(gòu)開始配藥，并啟動收集結(jié)構(gòu)來收集藥物，通過紅外傳感模塊計數(shù)藥物，以使配藥結(jié)構(gòu)停止配藥，當(dāng)配藥工作完成時，收集結(jié)構(gòu)將藥杯傳送至取藥口，藥箱通過語音提醒用戶服藥，用戶取出藥物并復(fù)位藥杯，輔助配藥工作完成，工作流程如圖 10 所示。

5 實物測試與分析

制作完成的實物裝置如圖11所示。測試所用藥物尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。測試過程中，智能藥箱能夠按照預(yù)期正確完成配藥工作，驗證了此裝置的可行性。測試所得數(shù)據(jù)如表2所示。在測試了實際的配藥功能后可以進(jìn)一步提出該藥箱的改進(jìn)方案。

（1）縮小撥盤厚度a和進(jìn)藥孔寬度b與深度h的尺寸范圍，使單個撥盤適應(yīng)更多的藥物，提高通用性。

（2） 適當(dāng)減小裝置尺寸，將現(xiàn)有控制模塊集成在一塊 PCB板，能夠合理利用空間。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計并制作了一款可有效輔助老人正確服藥的智能藥箱。通過手工掃碼加藥、彈出結(jié)構(gòu)、制冷功能配合，將藥物準(zhǔn)確、方便地放入裝置中并低溫儲藏。通過自動化配藥結(jié)構(gòu)和收集結(jié)構(gòu)，將各種藥物提前分配完畢，以供老年人定時服用。本裝置操作簡單、配藥精準(zhǔn)、功能多樣，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場前景。

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第一作者簡介：劉愛斌（1998-），男，廣東惠州人，大學(xué)本科，研究領(lǐng)域為機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。

※通訊作者簡介：汪朋飛（1983-），男，湖北天門人，博士，副教授，研究領(lǐng)域為機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計與摩擦學(xué)。

（編輯：刁少華）