中藥顆粒袋裝藥品智能生產(chǎn)設(shè)計

姜貴中， 馬慶恒， 尹永富， 劉子春， 徐源東

（中國機械總院集團(tuán)云南省機械研究設(shè)計院， 云南省機電一體化應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心， 云南昆明650031）

0 引言

機器人是20 世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大眾對生產(chǎn)的自動化程度要求越來越高。計算機軟件、機器視覺的快速發(fā)展，都為機器人技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的社會環(huán)境、提供了堅實的技術(shù)支撐。而“工業(yè)4.0”，機器人無疑扮演著不可或缺的執(zhí)行者的角色。

醫(yī)藥分揀安全性要求高，分揀設(shè)備講究的不僅是快，還要求高準(zhǔn)確率，低損壞。 要求達(dá)到精準(zhǔn)分揀，以保證藥品分揀的正確性，減少誤揀、錯揀等情況。其中，也要求對藥品實現(xiàn)無損分揀，做到分揀中對藥品的保護(hù)，又能實現(xiàn)連續(xù)、快速地大批量分揀。

并聯(lián)機器人是工廠人工智能的代表， 又被稱為蜘蛛手機器人、delta 機器人、分揀機器人等。 其具有無累積誤差，精度較高；運動部分重量輕，速度高，動態(tài)響應(yīng)好；結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高；工作空間較小等特點。

并聯(lián)機器人發(fā)展至今，分揀系統(tǒng)識別正確率達(dá)99.99%，且能適應(yīng)各類包裝貨物，對貨物的破損率幾乎為0。 被廣泛應(yīng)用于食品、電子、藥品、輕工等行業(yè)。已具備本項目藥品分揀能力，使袋裝藥品無人化生產(chǎn)成為可能。

云南白藥集團(tuán)股份有限公司中藥顆粒袋裝產(chǎn)品有板藍(lán)根顆粒、 風(fēng)寒風(fēng)熱感冒顆粒、 田七花葉顆粒、小柴胡顆粒、小兒感冒顆粒、小兒寶泰康顆粒等，受眾面廣、口碑好、需求旺盛。 自產(chǎn)品面世以來，其銷售額每年均保持顯著增長，占據(jù)中國市場同類產(chǎn)品銷量前列。

圖1 不同種類的并聯(lián)機器人

圖2 袋裝藥品

1 現(xiàn)狀及存在的問題

中藥顆粒袋裝藥品由于是軟包、包裝袋為“三面封”，生產(chǎn)線的生產(chǎn)工序“分揀”及分揀后的“說明書插入”、“裝盒”工作較復(fù)雜，還是由人工完成。 每天2 班，每班12 人，每條線一天需24 人，人工費用高、勞動強度大、重復(fù)性勞動程度高，急需智能化、自動化設(shè)備替代人工操作。

圖3 云白藥袋裝藥品人工分揀

圖4 云白藥袋裝藥品人工裝盒

云南省機械研究設(shè)計院與云南白藥集團(tuán)股份有限公司合作，共同研發(fā)“中藥顆粒袋裝藥品智能裝盒設(shè)備”。對“三面封多通道藥品包裝機”、“軟包裝袋藥品裝盒機”的產(chǎn)能、規(guī)格及設(shè)備與設(shè)備之間的接口量身訂制，每條線使用兩臺并聯(lián)四軸機器人，替代人工“分揀”，組成智能裝盒生產(chǎn)線。

2 項目總體結(jié)構(gòu)

通過對云南白藥集團(tuán)股份有限公司袋裝藥品生產(chǎn)線人工分揀及裝盒的研究，實現(xiàn)包裝、分揀、裝盒全自動一條龍，替代人工勞作。 設(shè)備由多通道包裝機1、皮帶輸送機2、帶式提升機4、攤平裝置5、視覺識別系統(tǒng)6、并聯(lián)四軸機器人7、皮帶輸送機8、鏈板輸送機10、裝盒機11 和控制系統(tǒng)等組成，見圖5。

圖5 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)圖

采用視覺識別系統(tǒng)6，以圖象識別方式、配合四軸并聯(lián)工業(yè)機器人完成藥袋的跟蹤拾取， 并根據(jù)圖像計算出藥袋方向、角度。 根據(jù)裝盒機11 的速度控制多通道包裝機1 的包裝速度，根據(jù)裝盒機速度計算機器人跟蹤情況，智能分配給兩臺機器人任務(wù)，以完成分揀工作。

工作原理： 多通道包裝機1 及裝盒機11 為成熟設(shè)備，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格，產(chǎn)能及組線接口量身訂制即可。 包裝好的藥袋3 落下后， 設(shè)計皮帶輸送機2， 接住落下的藥袋，通過帶式提升機4 提升到一定高度，藥袋有可能疊在一起，攤平裝置5 的作用是把疊在一起的攤平。而后視覺識別系統(tǒng)6 對其拍照，將信息傳輸給處理器，藥包識別后由帶式輸送機8 進(jìn)入分揀區(qū)。

在分揀區(qū)安裝兩臺并聯(lián)四軸機器人7， 機器人根據(jù)視覺識別系統(tǒng)6 提供的信息，運用跟蹤、抓取功能，結(jié)合藥品裝盒信息，兩臺機器人合理分工，智能化的把藥品9從皮帶輸送機8 上抓到鏈板輸送機10 的格子里，由鏈板輸送機10 輸送入裝盒機11，裝盒機11 完成盒子打開、藥品入盒、說明書折疊插入、封盒、打碼、貼標(biāo)等工序，每格一盒藥，工作流程見圖6。

圖6 工作流程圖

2.1 多通道藥品包裝機

多通道藥品包裝機主要用于包裝膠囊、片劑、膠丸、栓劑或顆粒劑等固狀藥品。 目前市場上的藥品包裝機有兩種：條包機和三面封袋裝機。本設(shè)計選用西班牙生產(chǎn)的SC－A-012 八通道三面封多袋包裝機，見圖7，藥袋尺寸為60×60mm，效率為400 袋/min。 包裝好的藥袋直接落到輸送機上， 通過輸送系統(tǒng)輸送，并在輸送過程中實現(xiàn)智能分撿。

圖7 西班牙SC－A-012八通道多袋包裝機

2.2 輸送系統(tǒng)

輸送系統(tǒng)在藥袋提升、攤平、視覺識別、分揀、裝盒等工序時起橋梁作用。它由一臺帶式提升機，一臺帶式輸送機、一臺鏈板輸送機組成，見圖8。 藥品包裝成袋后，一般處于低位，帶式提升機的作用是把藥包提升到高位； 帶式輸送機帶面同時也是分撿位置， 藥包在輸送過程中， 兩臺機器人有選擇的把藥包吸取到鏈板輸送機上并堆疊起來。

圖8 輸送系統(tǒng)原理圖

2.3 智能分撿

分撿系統(tǒng)由攤平裝置、視覺識別系統(tǒng)、并聯(lián)四軸機器人及夾具組成，見圖9。 上一工序輸送來的袋裝藥品，會出現(xiàn)堆疊的情況，攤平裝置的作用是把其攤平，保證后面識別系統(tǒng)的全面成像，同時也方便機器人抓取。

圖9 智能分撿系統(tǒng)

2.3.1 并聯(lián)四軸機器人

每條線采用兩臺并聯(lián)四軸機器人， 把藥品從皮帶輸送機上抓取并在鏈板輸送機的U 形槽里有序堆碼。 每格U 型槽1 盒藥。

選用ABB 的IRB 360-1 并聯(lián)四軸機器人， 見圖10，具有運動性能佳、節(jié)拍時間短、精度高等優(yōu)點，能夠在狹窄或者廣闊空間內(nèi)高速運行，誤差極小。

圖10 并聯(lián)四軸機器人

（1）機器人重32kg，負(fù)載1 kg。

（2）4 軸機構(gòu)設(shè)計增加了作業(yè)區(qū)兩旁工件輸送的可用空間。

（3）獨特的平行連桿機構(gòu)最大幅度提高了動作速度。

（4）分離式臺架，能夠更簡便地安置在機械內(nèi)。

（5）配有內(nèi)置式隱藏視覺攝像頭。

（6）新型控制器提供智能的機器人功能。

（7）碰撞檢測功能可瞬時檢測到來自外部物體的碰撞并緊急停機，使得對工件和機器人的損壞降低到最小。

（8）機器人鏈網(wǎng)功能通過網(wǎng)絡(luò)通信交換機器人的位置信息，可同時控制多臺機器人并使之協(xié)調(diào)作業(yè)，見表1。

表1

2.3.2 夾具

夾具安裝在機器人第四軸上，見圖11。藥包為柔性物料，表面凹凸不平，用海綿真空吸盤抓取。

圖11 夾具

海綿吸盤每個孔中內(nèi)置獨立的單向閥， 防止吸取物件時物件小于海綿吸盤、 或者被吸物沒有完全覆蓋于吸盤下而泄露真空。 單向閥在沒有接觸物件時會自動關(guān)閉， 不影響其動作的進(jìn)行。

海綿吸盤成本低廉，吸板墊磨損后可迅速進(jìn)行更換，簡便快捷，控制閥保護(hù)，免遭粉塵影響，便于清潔。

2.3.3 視覺識別系統(tǒng)

視覺識別系統(tǒng)是機器人能否準(zhǔn)確分揀的關(guān)鍵。 藥包攤平后， 通過采用雙目輔助的形式來完成并聯(lián)機器人的視覺分揀與實時跟蹤。在視覺識別系統(tǒng)內(nèi)安裝工業(yè)相機，用來檢測即將進(jìn)入機器人分揀范圍的藥包信息。 根據(jù)信息規(guī)劃機器人的分揀軌跡，從而控制機器人完成分揀；另一方面， 采用另一工業(yè)相機獲取機器人運動范圍內(nèi)的實時圖像數(shù)據(jù)，再經(jīng)過系統(tǒng)處理，將處理的圖像數(shù)據(jù)結(jié)果傳送給計算機， 配合前端攝像機的輔助預(yù)測數(shù)據(jù)完成對藥袋的實時跟蹤作業(yè)。

（1）基于機器視覺的工業(yè)機器人分揀系統(tǒng)構(gòu)成。機器視覺系統(tǒng)主要由工業(yè)相機、 視覺控制器以及監(jiān)視顯示器等組成，能夠檢測出藥包的數(shù)量、形狀以及顏色等特性，然后通過串行總線連接到機器人控制器， 進(jìn)而指揮機器人進(jìn)行分揀操作。

此外，在工業(yè)機器人分揀系統(tǒng)中，還必須有PLC 可編程控制器單元。 它主要是用來控制工業(yè)機器人來執(zhí)行相關(guān)操作，處理檢測信號，管理生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)傳輸和生產(chǎn)流程等工作。

（2）機器人分揀藥品分為四個步驟：定位、識別、抓取以及放置。 基于機器視覺的工業(yè)機器人分揀工作流程在生產(chǎn)流水線運行過程中， 首先要借助工業(yè)相機對傳送帶上已經(jīng)進(jìn)入工作區(qū)域的藥包進(jìn)行圖像采集， 然后由計算機對圖像進(jìn)行分析和處理，傳遞并識別、定位藥包的具體位置，然后建立坐標(biāo)系，根據(jù)該坐標(biāo)系和機器人坐標(biāo)系之間的關(guān)系，引導(dǎo)工業(yè)機器人進(jìn)行準(zhǔn)確分揀。

2.3.4 分揀機器人跟蹤系統(tǒng)解決方案

并聯(lián)機器人四個自由度分別是指空間三個平移自由度和機器人末端中心的旋轉(zhuǎn)自由度， 機器人重復(fù)定位精度為15μm。

若采用傳統(tǒng)的單目視覺方案， 搭建一個正視的分揀系統(tǒng)。 則只能在藥包進(jìn)入機器人運動范圍前進(jìn)行視覺檢測， 而無法完成傳送帶上速度變化的視覺分揀與跟蹤分揀任務(wù)；若只搭建一個斜視的分揀系統(tǒng)，只能在藥包運動到機器人運動范圍內(nèi)才進(jìn)行視覺檢測并啟動機械手分揀操作， 容易出現(xiàn)因傳送帶運動速度過快而導(dǎo)致機器人不能及時分揀的情況。另一方面，由于該相機不能正視傳送帶，只能從側(cè)面觀察傳送帶上的藥品，造成所采集目標(biāo)的圖像具有軸測投影視圖特征。 這些視圖特征給藥包準(zhǔn)確定位造成了困難。

通過以上分析， 本系統(tǒng)采用兩套視覺系統(tǒng)來實現(xiàn)跟蹤的功能。底層環(huán)境采用嵌入式操作系統(tǒng)。在嵌入式系統(tǒng)上搭載視覺系統(tǒng)， 并在這個視覺系統(tǒng)上完成對圖像的采集和處理，再將處理的最終數(shù)據(jù)傳輸給控制計算機。

2.3.5 高速并聯(lián)機器人拾取控制系統(tǒng)

像機采集到藥包信息，傳給視覺系統(tǒng)識別，識別系統(tǒng)再把識別情況反饋給主機。主機根據(jù)生產(chǎn)要求及數(shù)據(jù)一方面控制傳輸系統(tǒng)，另一方面控制機器人分揀。 兩者必須協(xié)調(diào)配合，見圖12。

采用網(wǎng)絡(luò)可編程機器人控制器作為四自由度并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)系統(tǒng)的核心部件， 對機器人控制器的工作原理和程序結(jié)構(gòu)、 機器人脈沖控制、機器人模型、曲線插補、加減速控制和指令封裝等部分進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃。

圖12 并聯(lián)四軸機器人高速分揀原理圖

3 藥用裝盒機的選用

藥品分撿好后，通過鏈板輸送機，進(jìn)入藥用裝盒機。

使用并聯(lián)機器人分揀，要求裝盒機裝盒速度快、可靠性高，由于機器人只能完成分揀動作，這就要求裝盒機必須具備盒子打開、藥品入盒、說明書插入、封盒、打碼、貼標(biāo)等工序。

一般裝盒機內(nèi)包物只能適應(yīng)硬性狀物， 當(dāng)遇到類似顆粒劑軟袋、膏藥貼劑等軟性狀內(nèi)包物時，裝盒機就無法裝盒。浙江浩通機械有限公司引用國外先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)出的DXH-130 全自動裝盒機，適用于顆粒袋及類似袋狀包裝物的自動裝盒。上料機構(gòu)調(diào)節(jié)方便，可在操作屏上任意設(shè)定所需裝盒的袋數(shù)?？勺詣訉崿F(xiàn)在線物料輸送與檢測，說明書折疊與傳送，說明書檢測，紙盒吸取成型與傳送、物料入盒、打印批號、紙盒兩端紙舌封裝，缺料剔除及成品輸出等。 完全能滿足本設(shè)計的組線要求。

4 結(jié)束語

本中藥顆粒袋裝藥品智能裝盒設(shè)備技術(shù)含量高、應(yīng)用面廣。 項目的成功實施將優(yōu)化中藥顆粒制造技術(shù)的發(fā)展，對推動中藥行業(yè)向智能化、自動化轉(zhuǎn)換具有積極的作用。