基于事件的中藥袋卷儲盤開盤輸送系統(tǒng)設計與分析

谷洪陽，張敏良

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

中藥是華夏民族的寶藏，2020 年，中醫(yī)藥管理局發(fā)布了英文版新冠肺炎中醫(yī)藥診療方案，中藥的獨特作用得到國際認可[1-2]。中西醫(yī)結合為一些疑難雜癥治療提供了新方法，是中醫(yī)對世界醫(yī)療的貢獻。目前中藥有1 120余種，臨床常用的有225種。

隨著科技發(fā)展和人民生活水平的提高以及中藥的國際化，中藥的用量逐年增大，中藥生產(chǎn)基本實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，配藥從過去稱量配藥變?yōu)槎啃“b方式[3]，提高了配藥速度。但是在配藥、煎藥環(huán)節(jié)仍然主要靠人工，效率低，不能適合現(xiàn)代化發(fā)展要求，影響中藥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。解放軍302 醫(yī)院引進國外自動化配液機器人配置注射用藥品[4]；上海交通大學研制的螺旋下藥中藥計量裝置，理論上能實現(xiàn)下藥定量精準化，但是如果儲藥裝置中進入空氣，則容易造成顆粒藥品的潮解，影響物料的流動性[5]；三九醫(yī)藥[6]推出了一種半自動配藥系統(tǒng)，將每味中藥以小質量單位封裝，放于分層藥柜，取藥時根據(jù)醫(yī)生處方撕取每味藥n袋，缺陷是成本高、不環(huán)保并且處方應為封裝的整數(shù)倍，患者服藥困難；四川大學研制的中藥顆粒自動配藥柜[7]利用體積稱量法使得中藥下藥順利；德國ROWA 公司設計的自動化藥房中的機械手能根據(jù)發(fā)藥指令將藥品送達指定窗口[8]。

本文在SolidWorks 仿真軟件環(huán)境下基于事件創(chuàng)新設計了一種中藥袋卷儲盤開盤輸送系統(tǒng)，對系統(tǒng)的主要機構進行三維建模[9]與運動學模型設計。通過各個組成機構之間的運動配合，利用基于事件仿真分析的分類觸發(fā)機制，模擬出中藥袋卷儲盤開盤與輸送全過程，由仿真結果評估了系統(tǒng)的工作性能。該系統(tǒng)的研究彌補了目前中藥市場智能配藥系統(tǒng)中關鍵的藥袋儲盤開盤與輸送功能的空缺，是智能中藥配藥系統(tǒng)的核心裝備[10-11]。

1 系統(tǒng)整體結構組成與各部分機構設計

本文設計的中藥袋卷儲盤開盤輸送機構分為中藥袋卷儲盤機構、旋轉取袋機構與平皮帶輸送機構，整體結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖Fig.1 Overall structure of the system

1.1 中藥袋卷儲盤機構設計

基于現(xiàn)有的中藥連續(xù)袋卷實物（如圖2 所示），建立了圖3 所示的三維模型。藥袋材料為PE 低密度結膜，單個藥袋規(guī)格為90 mm×60 mm，藥袋鼓包處高為20 mm。藥袋符合醫(yī)用高分子產(chǎn)品包裝與制造，斷裂強力性能符合FZ/T 64005-2021《衛(wèi)生用薄型非織造布 》合格品的規(guī)范要求。藥袋均勻纏繞在儲盤上，且纏繞結束位置用如圖4 所示的銷釘夾緊裝置壓緊。夾緊裝置與儲盤固結，夾緊環(huán)通過平鍵與銷釘連接，銷釘置于儲盤內(nèi)部，待需開盤時擰開夾緊裝置取出銷釘，進行后續(xù)開盤輸送動作。

圖2 中藥連續(xù)袋卷Fig.2 Traditional Chinese medicine bag roll

圖3 中藥袋卷三維模型圖Fig.3 3D model of traditional Chinese medicine bag roll

圖4 手動壓緊裝置爆炸圖Fig.4 Exploded view of manual pressing device

1.2 旋轉取袋機構設計

中藥袋卷纏繞于儲盤上，藥袋尾端與下層藥袋之間的3 種位置關系如圖5 所示。根據(jù)藥袋形狀、尺寸和材質，若用傳統(tǒng)機械手加持容易造成藥袋變形、加持脫落，以致不能正確送到平皮帶輸送機，所以創(chuàng)新采用專門用于吸附小包裝藥品類外包裝丁腈橡膠材質的帶肋平型真空吸盤[12]，尺寸如圖6所示，使易變形的中藥藥袋能可靠地開盤與脫離，并順利進入平皮帶輸送機。根據(jù)需求設計的機架與分氣盤固接、主動軸與轉盤固接，轉臂前部裝有真空吸盤，后部裝有平衡配重的滾子部件，轉臂與轉盤鉸接，取袋機構結構如圖7 所示。

圖5 接觸藥袋貼合形態(tài)Fig.5 Contact medicine bag fitting form

圖6 吸盤尺寸圖Fig.6 Suction cup size chart

圖7 旋轉取袋機構結構圖Fig.7 Structural diagram of rotary bag pick-up mechanism

1.3 平皮帶輸送機構設計

本文研究的中藥藥袋形狀特殊、質量輕、藥袋與平皮帶之間的摩擦系數(shù)小，藥袋傳送到一般平皮帶上易打滑，故創(chuàng)造性地加裝了由電機驅動的輥輪壓緊藥袋。平皮帶輸送機構如圖8 所示，整機長、寬、高分別為970、306、306 mm；輥輪與皮帶高度間隙16 mm；移動速度150 mm/s。

圖8 平皮帶輸送機構結構圖Fig.8 Flat belt conveyor structure diagram

2 個電機的選型計算：根據(jù)負載扭矩與慣性力矩選擇電機，根據(jù)工件的移動時間選擇齒輪比。條件值：電機轉速=1 300 r/min，同步帶輪比為2∶1；電機轉速≈60×齒輪比×帶輪比，齒輪比≈10.8，齒輪頭的齒輪比選1∶10。

（1）計算負載扭矩Tm

式中：m=2.0 kg；g=9.80 m/s2；η=0.81；r=0.075 m；Sf——安全系數(shù)，取值Sf=2。

（2）計算負載慣性力矩

皮帶輪承受的慣性力矩：

式中：J1、J2——大、小皮帶輪承受的慣性力矩，J1=1.816 2×10-2kg·m2，J2=1.331 2×10-5kg·m2；b/a——齒輪比。

馬達軸的慣性力矩：

馬達尾部容許慣性力矩為0.735 kg·m2，馬達端蓋容許扭矩2.25 N·m，0.735 kg·m2＞0.455 kg·m2、2.25 N·m ＞1.816 N·m，說明符合規(guī)范要求。

2 整機工作機理

把儲盤、取袋、運輸?shù)葯C構功能模塊[13-14]組合，藥袋流轉流程示意圖如圖9 所，機構的整體運行機理為：（1）將軸上的中藥儲盤手動壓緊裝置的銷釘拔出，讓中藥袋卷尾端伸出，高于此層藥袋位置；（2）旋轉取袋機構轉盤在主動軸帶動下逆時針開始轉動，當接近傳感器[15]sensor 1 探測到旋轉取袋機構執(zhí)行端真空吸盤，主動軸停止轉動，吸盤在藥袋尾部位置；此時分氣盤真空腔通真空，通過測量傳感器測量到吸盤與藥袋距離為0 時，主動軸繼續(xù)逆時針轉動；（3）主動軸逆時針轉動一定角度，接近傳感器sensor 2 探測到真空吸盤，并觸發(fā)提醒，此時真空吸盤正好與傳送皮帶平行，測量傳感器測得皮帶前端與藥袋尾部部距離剛好為0 時，即貼合尾部時，主動軸停止轉動；此時皮帶輸送機構的輥輪部分和皮帶部分分別在電機軸和電機主軸傳動的惰輪帶動下開始運動，在輥輪的壓力作用下順利將藥袋輸送到皮帶輸送機上，輸送至下一環(huán)節(jié)。

圖9 藥袋流轉流程示意圖Fig.9 Schematic diagram of the flow of medicine bags

3 機構基于事件的仿真分析

基于事件的仿真是通過添加關鍵元件定義接觸與元件屬性，而后創(chuàng)建一系列由傳感器按順序進行的任務，通過一個觸發(fā)事件和相關聯(lián)的任務操作定義每一項任務操作，進而控制中藥袋從袋卷儲盤經(jīng)旋轉取袋機構最終到皮帶運輸機這個開盤輸送過程。具體內(nèi)容包括：

（1）利用SolidWorks Motion 運動仿真插件生成一個運動算例；

（2）添加引力。加載一個標準重力，在計算時考慮各機構的質量；

（3）添加電機。添加的旋轉伺服電機用于驅動旋轉取袋機構主動軸，使其完成鉸鏈轉臂的轉盤逆時針圓周運動；運動類型為等速運動。為使轉運過程安全平穩(wěn)，到達藥袋位置前電機轉速為10 r/min，吸附藥品送到平皮帶輸送機構時轉速為5 r/min，轉運完成返回初始位置時轉速為10 r/min；

（4）添加傳感器。接近傳感器（上文所述sensor 1、sensor 2）如圖10 所示，當藥袋進入檢測距離，經(jīng)時間延緩測量距離為0 時，任務被傳感器觸發(fā)，進而控制機構的一系列運動；

圖10 傳感器及檢測距離Fig.10 Sensors and detection distance

（5）定義接觸。接觸是發(fā)生在2 個或多個實體間或者2 條曲線間的相互作用關系，在基于事件的仿真中必不可少。圖11 為定義中藥袋卷與儲盤、袋卷各小袋以及中藥袋卷與旋轉取袋機構上的真空吸盤之間的接觸以及被轉運的藥袋與平皮帶輸送機構中平皮帶和壓力輥輪之間的實體接觸。為簡化接觸方案[16-17]，定義接觸組忽略相同項目間的接觸；

圖11 接觸的定義Fig.11 Definition of contact

（6）創(chuàng)建任務。仿真中的任務表格、時間序列與邏輯關系設計如圖12 所示。

圖12 基于事件的運動視圖Fig.12 Event-based motion view

基于事件的仿真分析結果如圖13 所示，時間線視圖完整，仿真過程無報錯，機構按照任務設計運行，說明機構設計合理，工作性能良好，能達到預期設計的運動性能。

圖13 基于事件的時間線視圖Fig.13 Event-based timeline view

4 結語

（1）對設計的中藥袋卷儲盤開盤輸送系統(tǒng)各機構進行合理性分析，對關鍵零部件進行了選型計算。在運動仿真過程中，各機構按正確運動軌跡合理運動，表明設計比較可靠；

（2）通過基于事件的運動仿真分析，完整且可靠地模擬了中藥袋的開盤輸送過程。仿真顯示出機構各時間點的運動過程以及各構件間的運動配合。仿真結果表明實驗達到了預期目的；

（3）仿真中得到的事件時間幀序列可用來修改每個機構各部分系統(tǒng)的運動學參數(shù)，為后續(xù)系統(tǒng)升級優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。