气吸式袋装中药配方颗粒自动取药机构的设计

刘 凯， 姜 凯

(1.广东机电职业技术学院电气技术学院， 广东广州 510550； 2.北京农业智能装备技术研究中心， 北京 100097)

引言

开发具有自动取药功能的自动化设备可以缩短患者排队候药的时间，降低药师的劳动强度，提高医院自动化水平[1-2]。国外从20世纪90年代，就已经大规模开展取药设备的研究，我国从2000年开始逐渐引进进口设备，并逐渐实现自主研发并生产，江苏、广东等药厂也生产了一系列取药设备[3-4]。

目前，针对盒装药品(西药、中成药)的自动取药设备研究已比较成熟[5]，但中药房的传统中药饮片由于形态各异，较难实现自动化取药。近十几年，市面上出现了一种袋装中药配方颗粒，凭借其安全卫生、药效高、使用方便等优点，得到各大医院的广泛使用[6-8]。

通过调查发现，国内针对中药配方颗粒的取药工作仍普遍由人工完成，实际取药过程中常出现取错药的情况，主要原因是配方颗粒均采用袋式包装，其形态相似、尺寸规格相同[9-10]，但是这一特点反而利于实现机械化取药，因此开发一种针对袋装中药配方颗粒的取药设备势在必行，本研究基于气吸原理，设计了一种自动取药设备，并进行了作业性能试验。

1 总体方案设计

1.1 机械手搬运机械臂

自动取药机主要结构如图1所示，机械手搬运机械臂由1个垂直方向的链传动机构和2个水平方向的同步带传动机构组成，2个抓药机械手分别固定在2个滑块上，在同步带的带动下沿导轨做水平方向运动，并在链传动机构的带动下整体做垂直方向运动。由于发药系统使用了2个抓药机械手，既提高了发药效率，又兼顾了设备成本，同时避免因抓药机械手故障造成整机无法正常发药的情况发生。2个抓药机械手可独立动作，根据控制系统的安排分别完成各自的抓取动作。当其中1个抓药机械手发生故障时，自动采用应急方案，将故障的抓药机械手停靠在一侧等待维修，另1个抓药机械手完成所有抓取动作，此时发药时间有所增加，但不会产生停滞。待故障的抓药机械手修复后，2个抓药机械手再次同时工作。

图1 自动取药机主要结构

1.2 自动供药装置

如图2所示，市面上常用的配方颗粒普遍为方形袋式塑料包装，最常见的有50 mm×60 mm和60 mm×60 mm，设计自动供药装置的关键是有效存储药品且方便依次提取颗粒袋。自动供药装置如图3所示，由药盒、卷簧推进器、柔性阻尼条构成。所有颗粒袋均整齐摆放在储药盒内，并在卷簧推进器的预紧压片作用下紧密贴合，每次机械手取出1袋颗粒袋后，其他颗粒袋自动向前依次补充。出药口处安装的柔性阻尼条的作用是防止中药颗粒袋取出时因相邻2袋发生摩擦作用引起多取的情况发生。

图2 袋式中药配方颗粒

1.3 取药机械手设计

本研究设计的取药机械手包括水平双杆气缸、竖直双杆气缸和1个吸嘴组成，如图3所示。水平气缸用于机械手的伸出与缩回，竖直气缸用于机械手的上升与下降，吸盘用于中药配方颗粒袋的吸取与释放。

图3 中药配方颗粒取药机构结构图

吸盘按材质分为刚性吸盘和柔性吸盘，柔性吸盘整体硬度比较小，一般只受垂直于吸附面的力。与柔性吸盘相比，刚性吸盘可以承受与吸附面平行的力，而且在吸附柔性吸附面时还可以保证良好的密封性[11]，因此取药机械手采用了刚性吸盘。为了维持机械手吸取配方颗粒的稳定性，在吸盘真空回路中串联了1个真空压力传感器，用于检测真空度，始终保证吸盘的真空度在一定范围内。

如图4所示，储药盒中药袋露在取药机械手前端的范围较小(15 mm×15 mm)，且机械手定位精度小于1 mm，故本研究使用的吸盘直径为12 mm，通过抓取试验证明效果较好，未发生因定位导致的漏抓问题。

图4 药盒尺寸简图

1.4 工作原理

取药机械手的动作过程如图5所示。初始时气缸都处于缩回位置，具体动作过程如下：

(1) 取药机械手移动到待发药品位置，水平气缸伸出，同时真空发生器启动；

(2) 当气嘴接触到颗粒袋时且真空压力达到设定值后竖直气缸伸出，在储药盒中的颗粒袋被提起；

(3) 水平气缸缩回，气嘴吸力保持；

(4) 竖直气缸缩回，真空发生器停止工作，失去吸力的颗粒袋在重力的作用下掉落，完成一次取药和放药过程。

一次取药作业结束后，所有气缸回到初始状态，等待到下一个位置进行取药。

图5 取药机械手动作过程

2 气动系统设计计算

2.1 取药机械手气动回路设计

图6为取药机械手的气动回路，取药机械手以气吸为主，气压驱动为辅，气缸和电磁阀均采用无油润滑型。吸盘与真空发生器相连，当真空发生器启动，吸盘对配方颗粒袋表面可产生吸力。

图6 取药机械手气动回路

2个电控二位三通电磁阀分别控制竖直气缸和水平气缸；平移气缸和升降气缸分别采用双作用气缸，通过单向节流阀调节运行速度。

2.2 气嘴吸附力的分析计算

真空吸盘是真空系统的执行元件，由于周围压力高于真空吸盘和配方颗粒袋表面间的压力，故真空吸盘吸附于表面。真空吸盘与真空发生器相连，压力越低，吸盘里面的真空度越高[12]，真空吸盘的吸附力越大，吸盘吸附就越牢靠。

大气作用下的压力计算公式为：

式中，W为吸附力(在1个标准大气压下产生的压力)； Δp为真空度(压强差)，MPa；S为吸盘与吸盘面接触的有效接触面积，mm2。

由于中药配方颗粒的可作用面积仅在25 mm直径范围内，为了保障抓取的稳定性，满足对配方颗粒袋的吸附需求本研究设计的取药机械手的吸盘直径为20 mm，由于真空发生器最大压强差为0.68 MPa，经过试验和计算，得出吸盘吸力为2.19 N。

3 取药作业性能试验

为了检验取药机构的作业性能，本研究进行了中药袋取药作业性能试验，在储药盒内放置70袋以上的中药配方颗粒，取药机械手由PLC控制电磁阀实现运动，配方颗粒袋的规格是50 mm×60 mm，气嘴真空度为0.68 MPa。图7为取药机构试验台。

图7 取药机构试验台

试验过程机械手按照预设好的路径进行取药动作，过程中采用摄像机进行摄录，同时记录100 s内漏抓次数、多抓次数和成功次数，并计算成功率。试验结果如表1所示。

表1 试验结果

在总共进行的4次试验过程中，268个中药配方颗粒袋进行了抓取，成功率在92%～96%之间变动，平均成功率在94%。

不同取药失败的原因见表2，造成漏取得原因主要有2个，第1个原因是机械手安装误差造成的气嘴没有完全接触到颗粒袋，取药机械手定位不准确造成气嘴没有吸取颗粒袋正中位置；造成多取的原因同样有2个，第1个原因是储药盒上方的阻尼条阻力过小，第2个原因是取药机械手的竖直气缸提升过快。

表2 失败原因分析

通过对试验台的位置进行校对后再次进行作业性能试验，试验成功率显著提高，漏抓、多抓情况较少出现，机构运行稳定。

4 结论

本研究介绍了一种中药配方颗粒自动取药设备，采用气吸机理实现了配方颗粒的1次取1袋的作业要求，为突破中药自动化取药这一瓶颈提供了新的思路。

根据成功率、漏取、多取等方面分析了4次取药试验出现失败的原因，为设备的调整优化提供了依据。