老年人家用智能藥箱的設(shè)計(jì)與研究

趙 培，解丹婷，孟 卓

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造與信息工程學(xué)院, 陜西 咸陽(yáng) 712000)

據(jù)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)最新數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)超過(guò)1.8億老年人患有慢性病，并且患有兩種及以上慢性病的比例高達(dá)75%[1]。慢性病老人需要長(zhǎng)期服用藥物，通常需要服用的藥物種類和數(shù)量都較多。由于老年人特殊的生理特點(diǎn)，在服藥過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)服、漏服藥物的情況[2]，因此迫切需要一種能夠有效輔助老年人居家用藥的智能設(shè)備。

1 常見(jiàn)智能藥箱的概括分析

目前市場(chǎng)智能藥箱大致分為以下3種類型[3-4]：1)可攜帶型，如圖1(a)所示，藥物被放置于不同的格子內(nèi)，可以避免藥物之間的相互污染，并且中間配有鬧鈴裝置，可定時(shí)提醒用戶服藥。此類裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但是產(chǎn)品存在密封問(wèn)題，不能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)存藥物。2)醫(yī)用型，如圖1(b)所示，藥物被保存在恒溫恒濕的裝置之中，并且可以同時(shí)放置注射器、消毒棉簽等其他醫(yī)用藥物。裝置搭載智能語(yǔ)音系統(tǒng)，可以設(shè)置鈴聲以及人聲提醒用戶用藥。此類裝置能夠很好地保存藥物，人機(jī)交互界面更加人性化。但此類裝置一般體積較大，多用于診所、醫(yī)院等場(chǎng)所。3)智能型，如圖1(c)所示，此類裝置是對(duì)醫(yī)用型智能藥箱的家用化演變。搭載智能操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)提醒用戶用藥、檢測(cè)用戶用藥狀態(tài)、檢測(cè)剩余藥物數(shù)量等功能。此類智能化程度較高，但對(duì)于用戶服藥過(guò)程仍局限于提醒、監(jiān)測(cè)階段，用藥過(guò)程仍需用戶自主完成。

圖1 幾類常見(jiàn)的智能藥箱裝置

如上所述，目前市場(chǎng)現(xiàn)有的智能藥箱大都沒(méi)有完全考慮老年人特殊的生理特點(diǎn)和生理需求。在需要服用不同種類、不同數(shù)量藥物的情況下，老年人往往需要在他人幫助下才能完成整個(gè)服藥過(guò)程。

2 自動(dòng)配藥模塊設(shè)計(jì)方案

2.1 自動(dòng)配藥模塊的功能需求

自動(dòng)配藥模塊的具體實(shí)現(xiàn)需要滿足兩個(gè)需求：首先是對(duì)于藥物種類的分離?？紤]到混雜藥物識(shí)別過(guò)程較難的問(wèn)題，并且為避免不同藥物之間的相互污染，采用不同藥物分開(kāi)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式。其次需要對(duì)每種藥物按照規(guī)定數(shù)目進(jìn)行提取。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮對(duì)藥物進(jìn)行提取、計(jì)數(shù)以及最終出藥3個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合上述兩種功能需求，本文將整個(gè)自動(dòng)配藥模塊進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，分塊原則按照藥物的種類進(jìn)行劃分。在藥物種類劃分完成之后，每個(gè)模塊兼?zhèn)涮崛?、?jì)數(shù)以及最終出藥3個(gè)功能。下面對(duì)單類藥物自動(dòng)配藥模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2 單類藥物自動(dòng)配藥模塊的設(shè)計(jì)方案

單類藥物配藥模塊的實(shí)現(xiàn)需要裝置具備以下功能：取藥、計(jì)數(shù)、出藥。圖2為單類藥物配藥模塊設(shè)計(jì)方案。如圖所示，模塊整體由13部分組成。首先，用戶按照藥物的種類，將同種藥物放入相應(yīng)的儲(chǔ)藥箱中，當(dāng)取藥模塊接收到取藥信號(hào)后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)拉線1帶動(dòng)分粒盤(pán)沿著導(dǎo)軌向左移動(dòng)，其間壓縮彈簧1。待分粒盤(pán)達(dá)到指定位置，電機(jī)停止驅(qū)動(dòng)，此時(shí)儲(chǔ)藥箱中的藥物將落入分粒盤(pán)的分?？字?。然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，之前受壓的彈簧能夠保證分粒盤(pán)向右移動(dòng)到初始位置，此時(shí)分粒盤(pán)上的分?？着c落藥通道重合，實(shí)現(xiàn)落藥功能。

1—儲(chǔ)藥箱;2—藥片;3—分粒盤(pán);4—藥片計(jì)數(shù)器;5—落藥通道;6—出藥盒;7—彈簧2;8—導(dǎo)軌;9—拉線2;10—電機(jī)1;11—電機(jī)2;12—拉線1;13—彈簧1

在落藥通道中間安裝一個(gè)藥片計(jì)數(shù)器，用于判斷取藥過(guò)程是否成功。取藥失敗以及需要多次取藥，則重復(fù)上述的取藥過(guò)程，直至藥片數(shù)量達(dá)到用戶設(shè)定數(shù)量，最終實(shí)現(xiàn)藥物數(shù)量的計(jì)數(shù)功能。

不同藥物的取藥計(jì)數(shù)過(guò)程與上述過(guò)程相同，并且所有類型藥物取藥之后都統(tǒng)一落到出藥盒。待設(shè)置中所有類型藥物的取藥動(dòng)作完成之后，下一步則是將裝有配好藥物的出藥盒彈出以供用戶使用。如圖1所示，此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)拉線2帶動(dòng)出藥盒向右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)出藥功能。注意，此處的彈簧初始位置為壓縮狀態(tài)，出藥過(guò)程利用彈簧的彈性勢(shì)能作為驅(qū)動(dòng)。待用戶取出藥物后，電機(jī)1將驅(qū)動(dòng)出藥盒向左移動(dòng)到初始的閉合位置。

另外，針對(duì)目前市場(chǎng)上藥物種類繁多、外形尺寸復(fù)雜多樣的問(wèn)題如圖3所示，本文對(duì)于分粒盤(pán)上分?？走M(jìn)行了多樣化設(shè)計(jì)。對(duì)于不同外形的藥物，只需更換不同的分粒盤(pán)即可滿足用戶多樣化的需求。另外針對(duì)個(gè)別異型藥片，可專門(mén)定制分粒盤(pán)。

圖3 常見(jiàn)藥物外形圖

3 智能藥箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)按照2.2節(jié)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)。其中自動(dòng)配藥模塊按照4種藥物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其三維設(shè)計(jì)模型如圖4所示。

圖4 自動(dòng)配藥模塊三維模型

4 自動(dòng)配藥模塊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)配藥模塊控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示，按照用戶設(shè)定每個(gè)處方藥物的種類以及藥物的數(shù)量。首先，在控制系統(tǒng)接收到自動(dòng)配藥命令之后進(jìn)行藥物種類的選擇，確定藥物種類之后，按照用戶設(shè)定藥物的數(shù)量，驅(qū)動(dòng)每個(gè)配藥模塊工作。待完成用戶設(shè)定的所有藥物種類及數(shù)量的配藥動(dòng)作之后，控制系統(tǒng)發(fā)送出藥指令，完成出藥過(guò)程。

圖5 自動(dòng)配藥模塊控制系統(tǒng)原理圖

5 智能藥箱總體結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)

總體來(lái)講，智能藥箱對(duì)于藥物處理部分的功能基本完善，還需要添加的是智能藥箱的外殼以及整體控制系統(tǒng)的硬件部分。

本文本著簡(jiǎn)潔、美觀的理念設(shè)計(jì)智能藥箱外殼，智能藥箱整體結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

1—控制系統(tǒng)；2—外殼；3—自動(dòng)配藥模塊

對(duì)于智能藥箱整體控制系統(tǒng)，本文集成目前市場(chǎng)上智能藥箱搭載的智能化模塊[2,5]。智能藥箱控制系統(tǒng)整體框架原理圖如圖7所示。在實(shí)現(xiàn)藥箱儲(chǔ)存藥物以及自動(dòng)配藥兩項(xiàng)功能之外，增加用戶信息顯示、藥物信息存儲(chǔ)、數(shù)量檢測(cè)、語(yǔ)音/信息提醒、自動(dòng)配藥以及用戶取藥狀態(tài)采集等功能。

圖7 控制系統(tǒng)整體框架原理圖

另外，本文的設(shè)計(jì)已增加遠(yuǎn)程服務(wù)器存儲(chǔ)智能藥箱客戶端的相關(guān)信息。監(jiān)管用戶可以通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器端對(duì)智能藥箱端的藥物信息以及服藥者吃藥狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程、及時(shí)的監(jiān)控，對(duì)服藥者進(jìn)行及時(shí)的提醒與管控。

整套控制系統(tǒng)的搭建基于核心處理器STM32F103，結(jié)合智能藥箱配置的各功能要求，實(shí)現(xiàn)各模塊驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。用戶管理界面采用微軟基礎(chǔ)類庫(kù)MFC(microsoft foundation classes)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，可以完成相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置；調(diào)用應(yīng)用程序塊UIP(user interface process application block)中的接口函數(shù)，完成智能藥箱客戶端與服務(wù)器監(jiān)管端的通信；通過(guò)串行外設(shè)接口SPI(serial peripheral interface)通信實(shí)現(xiàn)相關(guān)音頻文件的解碼與讀取；最終采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式將信息顯示在液晶器上。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)老年人居家用藥需求，本文設(shè)計(jì)了一種配備自動(dòng)配藥功能的智能藥箱。其中自動(dòng)配藥模塊能夠?qū)崿F(xiàn)各類藥物的分塊存儲(chǔ)，有效避免了藥物混合引起的相互污染問(wèn)題。配藥以及服用的整個(gè)過(guò)程中，藥物與外界隔絕，避免了藥物的變質(zhì)，并且可以避免老年人每次服藥、拿藥對(duì)藥物的污染。最為重要的是，自動(dòng)配藥模塊可以避免老年人漏吃、錯(cuò)吃藥物的問(wèn)題。除此之外，智能藥箱整體搭載的智能化模塊，極大程度提高了人機(jī)交互體驗(yàn)?？傊?，本設(shè)計(jì)能夠很好地解決老年人吃藥問(wèn)題，對(duì)于提高老年人的生活質(zhì)量、保證老年人用藥安全具有實(shí)用價(jià)值。