自動中藥配藥車及其配藥方法與流程
2023-12-04 14:15:56 3
本發明屬於自動配藥技術領域，具體涉及一種自動中藥配藥車及其配藥方法。
背景技術：
目前，機械臂有液壓驅動、氣壓驅動、電機驅動、機械驅動等驅動方式。液壓驅動是利用液壓油傳遞壓力和能量，其優點是驅動力大，但由於油箱與機械臂的距離較遠，其響應速度較慢；氣壓驅動是利用空氣壓力傳遞運動和動力，其優點是傳動介質可壓縮，其驅動力較小；電機驅動是利用電能轉換為機械的方式進行輸出，其優點轉動精準、反應靈敏、有較大的驅動力。由此，電機驅動更適合智能運輸中的機械臂。
隨著工廠自動化、計算機集成製造系統技術逐步發展、以及柔性製造系統、自動化立體倉庫的廣泛應用。尤其是中藥搬運環境中，藥品搬運機器人只是簡單的運輸，不夠智能化。目前，美國的大部分醫院都運用了藥品自動搬運機器人，可以將藥房裡的要準確定位的到達指定地點。中醫藥是中國傳承千年的傳統文化，傳統中醫藥也越來越被世界所認知。中醫藥是打造「中國夢」中華民族復興的重要內容，也是國家一帶一路國策，走向世界的中國文化名片，關係到老百姓的醫療需求和健康保障。因此，設計一個自動中藥配藥車尤為重要，可以大大提高醫院的效率，減少醫院排隊現象。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種自動中藥配藥車及其配藥方法。
本發明自動中藥配藥車，包括行進機構、升降機構和配藥機構。所述的行進機構包括底板(1)、編碼器(2)、尋跡傳感器(3)、直流電機(4)、車輪(5)和支撐軸(7)。所述的四個直流電機(4)兩兩一組對中固定在底板(1)的兩側。四個直流電機(4)與四個編碼器(2)分別固定。所述編碼器(2)輸入軸的兩端與對應直流電機(4)的輸出軸及車輪(5)分別固定。所述h根支撐軸(7)的底端均與底板(1)固定，3≤h≤8。所述的兩個尋跡傳感器(3)對中固定在底板(1)的前端。兩個尋跡傳感器(3)的間距為25～40mm。
所述的升降機構包括光電傳感器(8)、固定板(9)和絲槓導軌滑臺。所述的固定板(9)與h根支撐軸(7)的頂端固定。所述的三個光電傳感器(8)分別固定在固定板(9)的前端及兩側。所述的絲槓導軌滑臺包括移動塊(10)、滑臺支架(11)、驅動電機(12)和絲槓(14)。所述的滑臺支架(11)固定在固定板(9)上。所述的絲槓(14)通過軸承支承在滑臺支架(11)上。所述的驅動電機(12)與滑臺支架(11)固定；驅動電機(12)的輸出軸與絲槓(14)的一端固定。絲槓(14)與固定在移動塊(10)上的螺母構成螺旋副。移動塊(10)與滑臺支架(11)構成滑動副。
所述的配藥機構包括抓藥機械臂、稱重機械臂、攝像頭(15)、升降平臺(16)和儲藥盒(17)。所述的升降平臺(16)與升降機構內的移動塊(10)固定。升降平臺(16)頂面的兩側對中開設有兩個矩形槽。兩個儲藥盒(17)底部的矩形凸塊分別放置在兩個矩形槽內。所述的攝像頭(15)固定在升降平臺(16)的前端。
所述的抓藥機械臂包括第一旋轉舵機(19)、第一支架(20)、第一關節、夾持器和回藥板(31)。所述的夾持器包括夾持架(22)、夾持舵機(23)和單爪(24)。所述的夾持舵機(23)固定在夾持架(22)上。所述的兩個單爪(24)對中設置在夾持架(22)上，且均與夾持架(22)構成轉動副。分別固定在兩個單爪(24)上的兩個不完全齒輪嚙合。夾持舵機(23)的輸出軸與一個不完全齒輪固定。所述的回藥板(31)固定在夾持器的一側，且與夾持舵機(23)的輸出軸軸線垂直。所述的第一關節由第一驅動舵機(21)和第一轉動架(33)組成。所述的第一驅動舵機(21)輸出軸與第一轉動架(33)固定。f個第一關節依次排列連接，2≤f≤8，上一級第一關節的第一轉動架(33)與下一級第一關節的第一驅動舵機(21)固定。首端關節的第一驅動舵機(21)與第一支架(20)固定。第一支架(20)與第一旋轉舵機(19)的輸出軸固定，第一旋轉舵機(19)固定在升降平臺(16)前端，且位於攝像頭(15)的背側。末端關節的第一轉動架(33)與夾持架(22)固定。f個第一驅動舵機(21)輸出軸軸線平行。第一旋轉舵機(19)及夾持舵機(23)的輸出軸軸線均與第一驅動舵機(21)輸出軸軸線垂直。
所述的稱重機械臂包括第二旋轉舵機(26)、第二支架(27)、第二關節和稱藥盒。所述的稱藥盒包括內盒(29)、外盒(30)和壓力傳感器(32)。所述的內盒(29)設置在外盒(30)內。所述的壓力傳感器設置在外盒(30)底部和內盒(29)底部之間。所述的第二關節由第二驅動舵機(28)和第二轉動架(34)組成。所述的第二驅動舵機(28)輸出軸與第二轉動架(34)固定。e個第二關節依次排列連接，2≤e≤8，上一級第二關節的第二轉動架(34)與下一級第二關節的第二驅動舵機(28)固定。首端關節的第二驅動舵機(28)與第二支架(27)固定。第二支架(27)與第二旋轉舵機(26)的輸出軸固定，第二旋轉舵機(26)固定在升降平臺(16)後端。末端關節的第二轉動架(34)與外盒(30)固定；e個第二驅動舵機(28)輸出軸軸線平行。第二旋轉舵機(26)輸出軸軸線與第二驅動舵機(28)輸出軸軸線垂直。
所述的壓力傳感器共有四個。四個壓力傳感器沿外盒(30)內壁底部周向均布。
本發明還包括控制器和無線模塊。所述的控制器採用型號為arduino2560的微控制板。控制器通過無線模塊與上位機相連。所述的編碼器(2)、尋跡傳感器(3)、光電傳感器(8)、壓力傳感器(32)均與控制器相連。
所述的尋跡傳感器(3)採用型號為tcrt5000的紅外光電傳感器。
所述的編碼器(2)採用絕對值旋轉編碼器。
所述的光電傳感器(8)採用型號為e3f-ds10c4的光電開關。
所述的壓力傳感器(32)採用型號為jhbm-m的稱重傳感器。
該自動中藥配藥車的配藥方法，具體如下：
步驟一、以中藥櫃(35)為終點布置供尋跡傳感器(3)識別的行進軌道。中藥櫃由排列成m層s列的藥格組成，2≤m≤8，2≤s≤10。行進軌道的頂面比地面高3～10mm。行進軌道包括主軌道(36)、分支軌道(37)、圓弧軌道(38)和轉彎識別標記(39)。主軌道(36)、分支軌道(37)、圓弧軌道(38)和轉彎識別標記(39)的寬度均為10～22mm。
主軌道的起點在醫生診臺(40)處。s條分支軌道(37)的起點均通過圓弧軌道(38)與主軌道(36)連接，s條分支軌道不相交。圓弧軌道的中心圓弧半徑大於或等於200mm。主軌道與s條圓弧軌道的連接處均設置有轉彎識別標記。轉彎識別標記的長度大於或等於45mm。轉彎識別標記的長度方向與主軌道垂直，且轉彎識別標記與主軌道的交點為轉彎識別標記的正中位置。s條分支軌道的終點分別在s列藥格處。在中藥柜上建立坐標系，第x列、第y層藥格的坐標值為(x，y)，與第x列藥格連接的分支軌道為第x條分支軌道。與第x條分支軌道連接的圓弧軌道為第x條圓弧軌道。第x條圓弧軌道比第x+1條圓弧軌道更靠近主軌道的起點。
步驟二、醫生將藥方輸入上位機，上位機通過無線模塊將藥方傳輸給控制器。控制器將藥方中k味中藥對應藥格在坐標系中的坐標(ai，bi)，按ai從小到大依次排序，即ai≤ai+1，i＝1,2,…,k；且若ai＝ai+1，則bi＜bi+1；並記錄坐標系中坐標(ai，bi)處藥格所需取的中藥重量ci。
步驟三、行進機構沿著主軌道向前行進。向前行進過程中，兩個尋跡傳感器(3)位於主軌道的兩側；若兩個尋跡傳感器(3)均檢測不到行進軌道，則四個直流電機(4)等速轉動。若其中一個尋跡傳感器(3)檢測到行進軌道，則與該尋跡傳感器(3)位於同一側的兩個直流電機(4)轉速降低。
行進過程中，若位於固定板(9)前端的光電傳感器(8)檢測前方有物體，且攝像頭(15)未檢測到前方有中藥櫃。則認為行進機構前方出現障礙物或行人，行進機構停止前進，等待行人或障礙物消失，繼續前進。
步驟四、行進機構到達轉彎識別標記時，兩個尋跡傳感器(3)同時檢測到轉彎識別標記。兩個尋跡傳感器(3)檢測到第a1個轉彎識別標記時，行進機構沿第a1條圓弧軌道轉彎，向第a1條分支軌道行進。
步驟五、令n＝1。
步驟六、若位於固定板(9)前端的光電傳感器(8)檢測前方有物體，且攝像頭(15)檢測到前方有中藥櫃。行進機構停止前進。
步驟七、升降機構將配藥機構上升至bn層的位置。
步驟八、抓藥機械臂抓取坐標(an，bn)處的中藥並放入稱重機械臂的稱藥盒。
步驟九、壓力傳感器檢測稱藥盒內中藥重量。若稱藥盒內的中藥重量小於99％×cn，重複步驟八。若稱藥盒內的中藥重量大於或等於99％×cn。則進入步驟十。
步驟十、若稱藥盒內的中藥重量大於101％×cn，則稱重機械臂將稱藥盒內的部分中藥倒在抓藥機械臂的回藥板(31)上。抓藥機械臂將回藥板(31)上的中藥倒回藥格，重複步驟九。若稱藥盒內的中藥重量在99％×cn～101％×cn之間，則稱重機械臂將稱藥盒中的中藥倒入儲藥盒(17)，進入步驟十一。
步驟十一、若n＜k，則將n增大1，進入步驟十二；否則直接進入步驟十三。
步驟十二、若an＝an-1，重複步驟七、八、九、十和十一。若an＞an-1，行進機構後退至主軌道處，並沿主軌道繼續向前行進；兩個尋跡傳感器(3)檢測到第an個轉彎識別標記後，行進機構沿圓弧軌道轉彎，向分支軌道行進。重複步驟六、七、八、九、十和十一。
步驟十三、行進機構沿行進軌道後退至醫生的診臺。醫生將配好的中藥取走。
本發明具有的有益效果是：
1、本發明能夠自動根據藥方完成中藥的配製，大大提升了中藥配藥的效率和精準性。
2、本發明採用雙機械臂結構，相互協同工作，自由靈敏。
3、本發明結構簡單，整體重量較小。
4、本發明具有升降機構，能夠適應不同層數的藥櫃。
附圖說明
圖1是本發明的整體結構立體圖；
圖2是本發明中行進機構的示意圖；
圖3是本發明拆去配藥機構的示意圖；
圖4是本發明中配藥機構的示意圖；
圖5是本發明中抓藥機械臂的示意圖；
圖6是本發明中稱重機械臂的示意圖；
圖7是本發明所用行進軌道的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作進一步說明。
如圖1和2所示，自動中藥配藥車，包括行進機構、升降機構、配藥機構、控制器和無線模塊。控制器採用型號為arduino2560的微控制板。控制器通過無線模塊與上位機相連。
行進機構包括底板1、編碼器2、尋跡傳感器3、直流電機4、車輪5、電機架6和支撐軸7。尋跡傳感器3採用型號為tcrt5000的紅外光電傳感器。編碼器2採用絕對值旋轉編碼器。四個直流電機4兩兩一組通過電機架6對中固定在底板1的兩側。四個直流電機4與四個編碼器2分別固定。編碼器2輸入軸的兩端與對應直流電機4的輸出軸及車輪5分別固定。編碼器2用於反饋直流電機4的轉動圈數，從而實現對行進機構的精準控制。四根支撐軸7的底端均與底板1固定。兩個尋跡傳感器3對中固定在底板1的前端。兩個尋跡傳感器3的間距為30mm。
如圖1和3所示，升降機構包括光電傳感器8、固定板9和絲槓導軌滑臺。光電傳感器8採用型號為e3f-ds10c4的光電開關。固定板9與四根支撐軸7的頂端固定。三個光電傳感器8分別固定在固定板9的前端及兩側。絲槓導軌滑臺包括移動塊10、滑臺支架11、驅動電機12、聯軸器13和絲槓14。滑臺支架11固定在固定板9上。絲槓14通過軸承支承在滑臺支架11上。驅動電機12與滑臺支架11固定；驅動電機12的輸出軸通過聯軸器13與絲槓14的一端固定。絲槓14與固定在移動塊(10)上的螺母構成螺旋副。移動塊10與滑臺支架11構成滑動副。
如圖1和4所示，配藥機構包括抓藥機械臂、稱重機械臂、攝像頭15、升降平臺16、儲藥盒17、第一固定架18和第二固定架25。升降平臺16與升降機構內的移動塊10固定。升降平臺16頂面的兩側對中開設有兩個矩形槽；兩個矩形槽與兩個儲藥盒17底部的矩形凸塊橫截面尺寸相同。兩個儲藥盒17底部的矩形凸塊分別放置在兩個矩形槽內。攝像頭15固定在升降平臺16的前端，且背向絲槓導軌滑臺。第一固定架18固定在升降平臺16前端，且位於攝像頭15的背側。第二固定架25固定在升降平臺16後端。
如圖5所示，抓藥機械臂包括第一旋轉舵機19、第一支架20、第一關節、夾持器和回藥板31。夾持器包括夾持架22、夾持舵機23和單爪24。夾持舵機23固定在夾持架22上。兩個單爪24對中設置在夾持架22上，且均與夾持架22構成轉動副。分別固定在兩個單爪24上的兩個不完全齒輪嚙合。夾持舵機23的輸出軸與一個不完全齒輪固定。回藥板31固定在夾持器的一側，且與夾持舵機23的輸出軸軸線垂直。第一關節由第一驅動舵機21和第一轉動架33組成。第一驅動舵機21輸出軸與第一轉動架33固定。三個第一關節依次排列連接，上一級第一關節的第一轉動架33與下一級第一關節的第一驅動舵機21固定。首端關節的第一驅動舵機21與第一支架20固定。第一支架20與第一旋轉舵機19的輸出軸固定，第一旋轉舵機19固定在第一固定架18上。末端關節的第一轉動架33與夾持架22固定。三個第一驅動舵機21輸出軸軸線平行。第一旋轉舵機19及夾持舵機23的輸出軸軸線均與第一驅動舵機21輸出軸軸線垂直。
如圖6所示，稱重機械臂包括第二旋轉舵機26、第二支架27、第二關節和稱藥盒。稱藥盒包括內盒29、外盒30和壓力傳感器32。壓力傳感器32採用型號為jhbm-m的稱重傳感器。內盒29設置在外盒30內，且與外盒30構成滑動副。四個壓力傳感器均設置在外盒30底部和內盒29底部之間，用於檢測內盒29內部中藥的重量。四個壓力傳感器沿外盒30內壁底部周向均布。第二關節由第二驅動舵機28和第二轉動架34組成。第二驅動舵機28輸出軸與第二轉動架34固定。兩個第二關節排列連接，上一級第二關節的第二轉動架34與下一級第二關節的第二驅動舵機28固定。首端關節的第二驅動舵機28與第二支架27固定。第二支架27與第二旋轉舵機26的輸出軸固定，第二旋轉舵機26固定在第二固定架25上。末端關節的第二轉動架34與外盒30固定；兩個第二驅動舵機28輸出軸軸線平行。第二旋轉舵機26輸出軸軸線與第二驅動舵機28輸出軸軸線垂直。
編碼器2、尋跡傳感器3、光電傳感器8、壓力傳感器32均與控制器相連。
該自動中藥配藥車的配藥方法，具體如下：
步驟一、如圖7所示，以中藥櫃35為終點布置供尋跡傳感器3識別的行進軌道。中藥櫃由排列成m層s列的藥格組成，m＝4，s＝4。行進軌道的頂面比地面高5mm。行進軌道包括主軌道36、分支軌道37、圓弧軌道38和轉彎識別標記39。主軌道36、分支軌道37、圓弧軌道38和轉彎識別標記39的寬度均為20mm。
主軌道的起點在醫生診臺40處。s條分支軌道37的起點均通過圓弧軌道38與主軌道36連接，s條分支軌道不相交。圓弧軌道的中心圓弧半徑為300mm。主軌道與s條圓弧軌道的連接處均設置有轉彎識別標記。轉彎識別標記的長度為50mm。轉彎識別標記的長度方向與主軌道垂直，且轉彎識別標記與主軌道的交點為轉彎識別標記的正中位置。s條分支軌道的終點分別在s列藥格處。在中藥柜上建立坐標系，第x列、第y層藥格的坐標值為(x，y)，與第x列藥格連接的分支軌道為第x條分支軌道。與第x條分支軌道連接的圓弧軌道為第x條圓弧軌道。第x條圓弧軌道比第x+1條圓弧軌道更靠近主軌道的起點。
步驟二、醫生將藥方輸入上位機，上位機通過無線模塊將藥方傳輸給控制器。控制器將藥方中k味中藥對應藥格在坐標系中的坐標(ai，bi)，按ai從小到大依次排序，即ai≤ai+1，i＝1,2,…,k；且若ai＝ai+1，則bi＜bi+1；並記錄坐標系中坐標(ai，bi)處藥格所需取的中藥重量ci。
步驟三、行進機構沿著主軌道向前行進。向前行進過程中，兩個尋跡傳感器3位於主軌道的兩側；若兩個尋跡傳感器3均檢測不到行進軌道，則四個直流電機4等速轉動。若其中一個尋跡傳感器3檢測到行進軌道，則與該尋跡傳感器3位於同一側的兩個直流電機4轉速降低，行進機構向該側轉彎。
行進過程中，若位於固定板9前端的光電傳感器8檢測前方有物體，且攝像頭15未檢測到前方有中藥櫃。則認為行進機構前方出現障礙物或行人，行進機構停止前進，等待行人或障礙物消失，繼續前進。
步驟四、行進機構到達轉彎識別標記時，兩個尋跡傳感器3同時檢測到轉彎識別標記。兩個尋跡傳感器3檢測到第a1個轉彎識別標記時，行進機構沿第a1條圓弧軌道轉彎，向第a1條分支軌道行進。
步驟五、令n＝1。
步驟六、若位於固定板9前端的光電傳感器8檢測前方有物體，且攝像頭15檢測到前方有中藥櫃。行進機構停止前進。
步驟七、升降機構將配藥機構上升至bn層的位置。
步驟八、抓藥機械臂抓取坐標(an，bn)處的中藥並放入稱重機械臂的稱藥盒。
步驟九、壓力傳感器檢測稱藥盒內中藥重量。若稱藥盒內的中藥重量小於99％×cn，重複步驟八。若稱藥盒內的中藥重量大於或等於99％×cn。則進入步驟十。
步驟十、若稱藥盒內的中藥重量大於101％×cn，則稱重機械臂將稱藥盒內的部分中藥倒在抓藥機械臂的回藥板31上。抓藥機械臂將回藥板31上的中藥倒回藥格，重複步驟九。若稱藥盒內的中藥重量在99％×cn～101％×cn之間，則稱重機械臂將稱藥盒中的中藥倒入儲藥盒17，進入步驟十一。
步驟十一、若n＜k，則將n增大1，進入步驟十二；否則直接進入步驟十三。
步驟十二、若an＝an-1，重複步驟七、八、九、十和十一。若an＞an-1，行進機構後退至主軌道處，並沿主軌道繼續向前行進；兩個尋跡傳感器3檢測到第an個轉彎識別標記後，行進機構沿圓弧軌道轉彎，向分支軌道行進。重複步驟六、七、八、九、十和十一。
步驟十三、行進機構沿行進軌道後退至醫生的診臺。醫生將配好的中藥取走。