一種基于變胞機(jī)構(gòu)的智能藥箱的創(chuàng)新設(shè)計

楊鑫，孫亮波，熊鑫泉

一種基于變胞機(jī)構(gòu)的智能藥箱的創(chuàng)新設(shè)計

楊鑫，孫亮波*，熊鑫泉

（武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048）

針對現(xiàn)有助老藥箱存在智能化程度不高、功能單一等缺點(diǎn)，無法有效解決獨(dú)居老人定時定量吃藥的問題，設(shè)計了CareKit助老藥箱，包含常用的液體藥部分、顆粒藥部分、片裝藥部分。液體藥部分采用自適應(yīng)夾持七桿機(jī)構(gòu)與螺桿螺母組合的變胞機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)液體藥瓶的夾緊、傾斜倒藥；螺母旋轉(zhuǎn)帶動六桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊瓶蓋、繼續(xù)轉(zhuǎn)動變化為三構(gòu)件機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)瓶蓋擰開。顆粒藥部分設(shè)計槽輪機(jī)構(gòu)依次實(shí)現(xiàn)取藥袋、夾持剪切、傾倒藥袋、杯裝藥退出四個動作。片狀藥部分由雙轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)與風(fēng)機(jī)吸氣配合，按量取出預(yù)存的藥片。增設(shè)一鍵緊急呼叫以應(yīng)對老人突發(fā)事故。CareKit助老藥箱很好地解決了獨(dú)居老人定時定量吃藥問題，具有較好的應(yīng)用前景。

助老藥箱；變胞機(jī)構(gòu)；自適應(yīng)夾持機(jī)構(gòu)；模塊化設(shè)計

老年人存在不能按時、按量服藥等問題[1]。目前我國市場上的藥盒主要有分裝藥盒、醫(yī)療急救箱、智能電子藥盒三種。如圖1所示。其中，分裝藥盒成本低，但智能程度低，功能單一，只提供分開儲存功能；醫(yī)療急救箱同樣智能程度低，只是在分類儲存功能上有所優(yōu)化；智能藥盒在普通藥盒基礎(chǔ)上添加了定時提醒功能，然而對取藥部分沒有涉及，還是需要老人自己去定量服藥。

針對目前市場上藥盒取藥存在的問題，葛杰[2]等通過GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動通信系統(tǒng)）無線通訊技術(shù)定時提醒老人吃藥，并將藥物分類存儲，當(dāng)需要時藥物存儲單元才會開放，解決了老人吃錯藥的問題。劉愛斌等[3]通過設(shè)置撥盤電機(jī)機(jī)構(gòu)，將藥物逐粒輸出完成取藥，從而配齊老人一次需要的藥物，解決了老人吃錯藥、吃多吃少藥的問題。藏家松等[4]采用漏斗凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分藥功能，解決老人定時定量吃藥的問題。但上述三種研究均只針對片狀藥的取用，對于其他種類的藥物沒有涉及。

針對上述問題，運(yùn)用變胞機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法和理論，設(shè)計了CareKit助老藥箱。通過程序控制完成片狀藥、液體藥和顆粒藥的存取。

圖1 現(xiàn)有藥盒

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計方案

機(jī)械變胞機(jī)構(gòu)是指能在瞬時使某些構(gòu)件發(fā)生合并/分離或出現(xiàn)幾何奇異，并使機(jī)構(gòu)有效構(gòu)件數(shù)或自由度數(shù)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生新構(gòu)型的機(jī)構(gòu)。關(guān)于該類機(jī)構(gòu)，人們已進(jìn)行了多方面的研究[5-8]。

基于對現(xiàn)有藥箱功能和用戶需求的分析，關(guān)鍵在于設(shè)計一個功能全面、更智能的產(chǎn)品。藥品的種類可分為液體藥、顆粒藥和片狀藥，在確定產(chǎn)品總功能后，對助老藥箱進(jìn)行功能分解。Carekit助老藥箱主體采用模塊化設(shè)計，可分為瓶裝液體藥模塊、袋裝顆粒藥模塊和片狀藥模塊三大部分，以及定時吃藥提醒和緊急情況呼叫這兩個輔助功能。根據(jù)功能分析，實(shí)現(xiàn)對不同種類藥品的存儲和定量輸出，其機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計思路和三維造型設(shè)計如圖2、圖3所示。

圖2 助老藥箱機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計思路

變胞機(jī)構(gòu)能從一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換到另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，以達(dá)到不同工作環(huán)境下所需的機(jī)構(gòu)。據(jù)此，針對最難實(shí)現(xiàn)的瓶裝液體藥取藥，設(shè)計了自適應(yīng)夾持機(jī)構(gòu)完成夾持和傾倒動作，中心變胞機(jī)構(gòu)完成擰瓶蓋動作。

圖3 助老藥箱三維造型設(shè)計

2 功能分析與實(shí)現(xiàn)

2.1 片狀藥部分

Carekit助老藥箱設(shè)計的取片狀藥功能，總體外觀如圖4所示。包括轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、收納機(jī)構(gòu)和導(dǎo)料管。轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)包括外殼和前轉(zhuǎn)盤，在前轉(zhuǎn)盤上形成容納腔，外殼包覆前轉(zhuǎn)盤，前轉(zhuǎn)盤與外殼之間為相對轉(zhuǎn)動的活動連接；收納機(jī)構(gòu)包括暫儲盒；導(dǎo)料管設(shè)置在轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)與收納機(jī)構(gòu)之間。

1.立式軸承；2.光軸；3.儲藥盒支架；4.暫儲盒；5.暫儲盒蓋；6.導(dǎo)料管；7.后轉(zhuǎn)盤；8.外罩；9.圓柱支架；10.前轉(zhuǎn)盤；11.舵機(jī)；12.法蘭連軸器。

轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)還包括外罩和后轉(zhuǎn)盤，外罩上有吸取孔，后轉(zhuǎn)盤上有轉(zhuǎn)運(yùn)槽；外罩包覆后轉(zhuǎn)盤，后轉(zhuǎn)盤與前轉(zhuǎn)盤相對設(shè)置，后轉(zhuǎn)盤與外罩之間為相對轉(zhuǎn)動的活動連接。容納腔中的片狀物先進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)槽，再通過吸取孔離開轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，最后通過導(dǎo)料管落入暫儲盒中。

真空泵的吸氣口與吸取孔相通，轉(zhuǎn)運(yùn)槽工作面為凹球面結(jié)構(gòu)，開設(shè)有吸氣孔；轉(zhuǎn)運(yùn)槽中的片狀物在風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下穿過吸氣孔后，再通過吸取孔離開轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)。

外殼與封蓋之間為相對轉(zhuǎn)動的活動連接結(jié)構(gòu)。暫儲盒與盒蓋之間為相對直線滑動的活動連接結(jié)構(gòu)。此外，第三聯(lián)動桿的一端形成導(dǎo)向軸，盒蓋與導(dǎo)向件為固定連接，在導(dǎo)向件上開設(shè)條形滑槽，導(dǎo)向軸與條形滑槽之間為滑動配合結(jié)構(gòu)；推拉電磁鐵的推桿與第三聯(lián)動桿之間為活動鉸接結(jié)構(gòu)。

在盒蓋底部設(shè)計導(dǎo)軌，暫儲盒上設(shè)置與導(dǎo)軌形成滑動配合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)滑槽。暫儲盒通過第一轉(zhuǎn)軸與支承座之間形成相對轉(zhuǎn)動的活動連接結(jié)構(gòu)。輸送機(jī)構(gòu)包括第一底座和滑動座，在第一底座上安裝第一傳動絲桿，第一傳動絲桿與滑動座之間為絲桿傳動機(jī)構(gòu)。

通過轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)上的容納腔，可實(shí)現(xiàn)片狀物的收納暫存。當(dāng)容納腔隨著前轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，處于容納腔中的片狀物將落入暫儲盒中，從暫儲盒中即可方便地取出片狀物。尤其是在需要一次性取用多種片狀物的場合，可先將多種片狀物集中存儲在暫儲盒中，然后一次性從暫儲盒取出，從而提高了片狀物的取用效率，還能避免片狀物取用過程中的污染隱患。

該片狀物存取機(jī)構(gòu)，除用于藥箱外，還可用于食品包裝、制藥包裝、飼料加工等需要對片狀物進(jìn)行存儲、取用的場合。

2.2 顆粒藥部分

如圖5所示，該功能由五部分組合而成：中心聯(lián)動機(jī)構(gòu)、平行四邊形傳藥機(jī)構(gòu)、剪藥袋部分、雙搖桿倒藥機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊出杯機(jī)構(gòu)。首先，由槽輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動傳送機(jī)構(gòu)向剪袋機(jī)構(gòu)輸出袋裝顆粒物，然后，由槽輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動剪袋機(jī)構(gòu)剪開袋裝顆粒物的包裝袋，最后，通過槽輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動傾倒機(jī)構(gòu)將開袋后的顆粒物從包裝袋中傾倒出來。

如圖6所示，中心聯(lián)動機(jī)構(gòu)為槽輪機(jī)構(gòu)，在槽上有一個中心輪與四個從動輪，機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)可分為正行程與逆行程。正行程中心輪順時針轉(zhuǎn)動360°，四個從動輪依次逆時針轉(zhuǎn)動90°；逆行程中心輪逆時針轉(zhuǎn)動360°，四個從動輪依次順時針轉(zhuǎn)動90°。在一個運(yùn)轉(zhuǎn)周期完成后，機(jī)構(gòu)剛好回到初始狀態(tài)。

圖5 顆粒藥取藥裝置整體圖

1.平行四邊形機(jī)構(gòu)；2.中心聯(lián)動機(jī)構(gòu)3.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；4.剪藥袋機(jī)構(gòu)；5.雙搖桿機(jī)構(gòu)。

傳送機(jī)構(gòu)包括第二聯(lián)動桿、從動搖桿以及第三機(jī)架和主動搖桿。第二聯(lián)動桿與第一機(jī)械手連接；第二聯(lián)動桿、從動搖桿、第三機(jī)架、主動搖桿共同形成平行四邊形結(jié)構(gòu)，且第二聯(lián)動桿的相對兩端分別與從動搖桿一端、主動搖桿一端活動鉸接，第三機(jī)架的相對兩端分別與從動搖桿另一端、主動搖桿另一端活動鉸接。第二聯(lián)動桿通過第一支架與第一機(jī)械手連接。

剪袋機(jī)構(gòu)包括刀座、固定刀片和活動刀片。固定刀片與刀座固定連接，活動刀片與刀座之間為相對轉(zhuǎn)動的活動連接，且活動刀片通過第二傳動軸驅(qū)動。

傾倒機(jī)構(gòu)包括第一聯(lián)動桿、連架桿、第一主動桿和第一機(jī)架。第一聯(lián)動桿與第二機(jī)械手連接；第一機(jī)架的相對兩端分別與連架桿一端、第一主動桿一端活動鉸接，第一聯(lián)動桿的相對兩端分別與連架桿另一端、第一主動桿另一端活動鉸接。

這四部分依次固定在中心聯(lián)動機(jī)構(gòu)的四個從動輪上，以實(shí)現(xiàn)正行程（傳藥袋→剪藥袋→倒藥→送出藥杯）和逆行程（送回藥杯→藥袋回原位→藥袋垃圾處理→松開剪刀→平行四邊形機(jī)構(gòu)回位）的過程。

2.3 液體藥部分

這部分裝置主要由中心變胞機(jī)構(gòu)兩個變胞機(jī)構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。本設(shè)計基于實(shí)際使用情況，采用直流電動機(jī)與兩個電磁制動器，驅(qū)動兩個變胞機(jī)構(gòu)。在芯片的控制下，直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)不同角度，通過電磁制動器的開關(guān)，兩個變胞機(jī)構(gòu)切換構(gòu)態(tài)，完成任務(wù)需求的動作。該過程可逆，將電機(jī)轉(zhuǎn)動過程逆轉(zhuǎn)，可恢復(fù)初始位置。從而完成整套倒藥動作。下面分別分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的實(shí)現(xiàn)。

1.轉(zhuǎn)換座；2.法蘭螺母；3.步進(jìn)電機(jī)；4.錐齒輪；5.差速器；6.絲桿；7.電磁制動器；8.絲桿螺母；9.機(jī)體外座；10.滑座；11.滑塊；12.基座；13.二號滑座；14.自適應(yīng)機(jī)械手。

2.3.1 自適應(yīng)夾持機(jī)構(gòu)

如圖8所示，自適應(yīng)夾持機(jī)構(gòu)由絲杠、滑塊以及前端機(jī)械手構(gòu)成。

圖8 自適應(yīng)夾持機(jī)構(gòu)整體三維圖

電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，滑塊后移，機(jī)械手向中間夾持。此時整體機(jī)構(gòu)處于構(gòu)態(tài)一，如圖9（a）。計算自由度可得為2，大于原動件數(shù)目，機(jī)構(gòu)無確定運(yùn)動。但由于機(jī)構(gòu)自身特點(diǎn)，會向阻力最小的方向運(yùn)動。機(jī)械手初步向內(nèi)收緊。當(dāng)1處與瓶身接觸，瓶身與1構(gòu)成機(jī)械手的一個約束。機(jī)構(gòu)自由度減為1，與原動件數(shù)目相等，機(jī)構(gòu)有確定運(yùn)動?；瑝K繼續(xù)后移，機(jī)械手完成夾持。由于自適應(yīng)特點(diǎn)，機(jī)械手適應(yīng)不同瓶身大小，完成夾持動作。

如圖9（b）所示，當(dāng)機(jī)械手2處夾緊瓶身，機(jī)械手與瓶身固結(jié)，構(gòu)成一個整體，機(jī)構(gòu)處于構(gòu)態(tài)二，此時，絲杠帶動滑塊轉(zhuǎn)動。機(jī)構(gòu)整體翻轉(zhuǎn)，完成傾倒動作。

1、2為自適應(yīng)機(jī)械手。

通過電機(jī)與電磁制動器，可控制絲杠旋轉(zhuǎn)時間，從而將夾持機(jī)構(gòu)與傾倒動作分開，實(shí)現(xiàn)取藥過程中第一步的夾持動作與最后一步的傾倒動作。

2.3.2 中心變胞機(jī)構(gòu)

中心變胞機(jī)構(gòu)由絲杠、滑塊以及中心軌道構(gòu)成，其三維圖和構(gòu)態(tài)圖如圖10、圖11所示。

圖10 中心變胞機(jī)構(gòu)整體三維圖

1.絲桿；2.大滑塊；3.小滑塊；4.連桿；5.夾持滑塊；6.藥瓶；7.藥瓶和夾持滑塊構(gòu)成的機(jī)構(gòu)。

機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)為構(gòu)態(tài)一，如圖11（a）所示。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動，機(jī)體外座上升，機(jī)體外殼上的小滑塊被擋板限制，與機(jī)體外座固定。通過連桿的驅(qū)動，中心軌道上的小滑塊向中間運(yùn)動，三個滑塊同時向中間運(yùn)動將瓶蓋夾緊。

將瓶蓋夾緊后，瓶蓋與夾持滑塊構(gòu)成一個整體。機(jī)構(gòu)處于構(gòu)態(tài)二，如圖11（b）所示。限位裝置限制住大滑塊上升，機(jī)體外座隨絲杠旋轉(zhuǎn)。瓶蓋與夾持滑塊轉(zhuǎn)動，夾持滑塊后彈簧柱塞進(jìn)入邊槽。中心變胞機(jī)構(gòu)最外圈是由三個弧形外殼組成的圓，三邊外殼上有按照標(biāo)準(zhǔn)瓶口螺紋放大后設(shè)計的邊槽，保證機(jī)構(gòu)后續(xù)運(yùn)動的穩(wěn)定。擰蓋動作中，瓶蓋與夾持滑塊會進(jìn)行轉(zhuǎn)動和上升的復(fù)合運(yùn)動。機(jī)體外座轉(zhuǎn)動，其上小滑塊向上運(yùn)動，兩者共同完成轉(zhuǎn)動和上升復(fù)合的擰蓋動作。

3 結(jié)論

通過市場調(diào)查，設(shè)計了一款智能藥箱設(shè)備。與已有產(chǎn)品相比，該設(shè)備具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）提醒并幫助解決老人按時按量吃藥問題，提供突發(fā)緊急呼叫、音樂廣播等功能。

（2）對液體藥采用自適應(yīng)機(jī)械手抓和變胞夾緊旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組合，完成液體藥開瓶、倒藥、封瓶整個流程；對顆粒藥運(yùn)用平行四邊形機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)共同完成取藥、裁剪、倒藥和送出；對片狀藥采用雙轉(zhuǎn)盤形位配合、氣壓吸附。

（3）針對老人閑暇時，提供傻瓜式按鈕和預(yù)設(shè)戲曲節(jié)目等，針對突發(fā)情況，提供緊急按鈕一鍵報警和短信息呼救結(jié)合，進(jìn)一步為老人提供生活護(hù)理。

[1]葛杰，李澤政，鐘奕琦，等. 基于GSM無線通訊技術(shù)的智能藥箱[J]. 電子制作，2020（14）：9-10，16.

[2]劉愛斌，李凱丹，汪朋飛. 一種輔助老年人服藥的智能藥箱設(shè)計與分析[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2021，50（12）：118-121.

[3]藏家松，馬譽(yù)航，王晨哲，等. 家庭智能醫(yī)藥箱的設(shè)計[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（7）：193-194.

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Structural Innovation Design for Smart Medicine Box Based on Metamorphic Mechanism

YANG Xin，SUN Liangbo，XIONG Xinquan

( School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China )

The existing smart medicine box has some disadvantages such as low intelligence and single function, which cannot effectively ensure regular and quantitative medication for the elderly living alone. In order to solve the problem, this paper innovatively designs a 'CareKit' medicine box which consists of three parts to contain the commonly used liquid medicine, particle medicine and tablets respectively. The part for liquid medicine adopts the metamorphic mechanism of adaptive clamping seven-bar mechanism and screw nut combination to realize the clamping and tilting of the liquid medicine bottle. The nut rotation drives the 6-bar mechanism to clamp the cap and continues to rotate and change to the 3-component mechanism to realize the cap opening. The part for particle medicine has a groove wheel mechanism to achieve the four actions of taking the bag, clamping and cutting the bag, dumping the bag, and exiting the cup in sequence. The part for tablet combines the fan suction with the double turntable structure and the reserved tablets are taken out according to the quantity. Emergency call button is added to prevent accidents for the elderly. The CareKit medicine box solves the problem of regular and quantitative medication for the elderly living alone and has a good application prospect.

elderly medicine box；metamorphic mechanism；adaptive clamping mechanism；modular design

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.002

1006-0316 (2023) 01-0009-06

2022-04-29

國家自然科學(xué)基金（51875418）

楊鑫（1999－），男，湖北黃岡人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計，E-mail：1986147877@qq.com。*通訊作者：孫亮波（1979－），男，湖北天門人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計及理論、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計、機(jī)構(gòu)學(xué)，E-mail：4117449@qq.com。