极坐标式中药自动配药系统分包机构设计

1、 本科毕业设计说明书（论文） 第 34 页 共 34 页1 绪论1.1 存在问题自从1978年以来，我国的实力发展发生了翻天覆地的变化，在一代又一代的华夏子孙的努力之下，中国的经济总量已跃居世界第二，成为继美国之后世界第二大超级经济大国。同时，随着我国经济的蓬勃发展，我国的人口基数也变得越来越庞大，与13亿的人口基数基本上已经隔河相望。人口的急速增加必然也导致了对药品的需求大量增加，庞大的城市人口必定会给脆弱的医疗保障系统等基础设施建设带来更大的压力，老百姓的看病难问题必将会雪上加霜。根据可靠消息，在泰州市，平均每天来中医院看病的人达到2000多人，平均每天中药房拿取的中药饮片有1700人次9

2、600剂，高峰期突破3000人次12000剂。整个药房每天的售药量超过一万剂，每月有40万剂，并且每年都会以20%的比例增长。如今，越来越多的药品需求与目前较为落后的中医药房建设的矛盾日渐突出，如何解决这一问题是我们每一个新时代优秀青年应该负有的责任和义务。 就目前来说，国内药房的机械化配药系统有了很大发展，机械化和可靠程度日渐升高，与国外技术水平的差距也在逐步缩小。但是，依然存在着许多的缺陷，而且国内的中药自动配药系统的发展现状令人担忧。1.2 传统与自动药房对比(a)药品管理困难一般来说，药房对于药品的存放时至关重要的，药房的作用即药品的发放与储存，它在药品的流通过程中扮演的是一种中介或者

3、是仓库的角色，而药品的质量直接受到药房的储存环境的影响，例如大气的温度，大气的湿度，还有通风条的件等等。在传统的药房中，自动化程度较低，这就需要大量的工作人员来保持药房的日常运作，工人的工资等各种药房管理费用也大大的增加了药房管理的成本，也增加了种类繁多的关于人员管理的挑战难度。(b)发药效率低下在当下传统药房占据优势的现状下，药房中的工作都是依靠药房的工作人员即药剂师完成的。药剂师接到药方后，他们会对药方进行严格而且精细的检查，待到确认无误之后才可以进行配药，并且还要对处方中的药品及其用量进行严格的对比，否则还要联系医师更改药方，以确保药方的准确性。这一系列的配药过程耗时耗力且相当的繁琐，所

4、以配药效率十分低下，后果就是我们的病患们在等待配药的同时还得忍受着病痛的折磨。 图1.1 现代化药房(c)存在着安全隐患与自动化机器的精确相比，药师人工的手段存在着很多的不足。由于各方面的原因，药师们的工作量与压力大多都比较大，而且药房中各种药品种类繁多数量巨大，这就必然导致工作中会出现失误。根据相关机构的调查研究报告显示，在美国，每年因用药失误致死七千多人，直接造成经济损失高达两亿美元。在这些现状的条件下，现代化的自动化药房如图1.1应运而生。与传统药房的各种不足相比较而言，现代化的自动药房具备着一下的一些优势。(d)数字化在自动化药房中，所有的药品都必须被输入药房的数据库中，这样一来，数目

5、繁多的各种药品的名称、代号、存储地方还有当前各种药品的剩余存储量都会及时的在自动化药房的系统中找到。此外，药品入库、出库都由计算机管理系统严格控制，而且实时的会刷新系统中的信息。同时，在自动化药房中，我们会使用自动化机械手来实现药品的取出和入库。随后，系统会比对取药信息条形码，根据这些信息，我们的取药机械手会同步定位到所需要提取的药品的极坐标位置，实现高精度的自动化取药与装填过程。另一方面，在自动化药房里，药品的管理与储存都是与世隔绝的即与外界联系比较少，这样在很大的程度上就减少了药品的污染。自然而然的，在现代化的时尚药房中，一些辅助设备是必不可少的，装备了这些设备就可以有效的对自动化药房的温

6、度与湿度等因素实现控制。(e)安全性由于是在计算机的控制下进行的各种药品调配活动，这样就杜绝了调配药品时出现失误，提高了出药的准确性。同时，自动化药品管理系统还会对药房的环境进行实时监控与管理，大大的提高了药品存放与使用的安全性。(f)高效率在自动化药房中，药师的大部分工作都已被机械化设备例如机械手等代替，而这些机械化设备是在药房的计算机控制系统的指挥下工作的，众所周知的是，计算机出现失误的概率是微乎其微的，而且与人力不同的是，机械不需要休息，除非切断电源，机械是会永远工作下去的。从上面可以看出来，自动化药房的工作效率很高。2 自动配药系统发展现状2.1 国内现状国内在医院药房信息自动化方面的

7、设计思路的起步可以说并不比西方国家晚，早在1998年航天工业部第三研究院第三十五研究所设计的“微机控制自动发药机”，但是，在现实的情况下，我国的医院发展现状不容乐观而且经济与管理的水品较为低下。另外，如何在符合中国国庆的前提下高速的发展与建立起来现代化的自动化药房这一难题还没有得到解决，所以自动配药系统的智能药房并没有能够实现。在1995年，四川大学和中国人民解放军成都军区总医院合作开发的“自动发药机及信息处理系统”专利，不过令人惋惜的是，虽然是首次采用计算机控制药品的发放与管理，但是这种系统还需要大量的人力操作即自动化程度还是较为低下的。2000年，李泊笑申请了“旋转药盘架”，该装置使用回转

8、塔结构，药品被有序的一层一层的摆放，可以实现快速精准的识别，可惜的是未能实现自动控制，而是依靠手动来转动，该机构简单实用，不过占地面积比较大，也是因为这个原因，此种机构不能实现计算机控制，而且很容易因为人工的问题而出现问题导致失误。2002年，胡奈刚申报了“医院门诊药房自动投药机”专利，该机构采用倾斜储药槽配合直线定位推杆出药机构实现自动出药，这一专利的出现代表着国内的自动化药房发展开始出现转机。2004年，深圳三九集团和北京航空航天大学机器人研究所承担的国家863计划项目“智能化药房”通过了验收，该智能化药房集发药和配药于一体，从取药、包装、打印标签到安全高效的数据库管理，提供了非常全面的自

9、动化解决方案。但是，在实现自动化的同时，自重药房也存在着很大的缺点。首先，它是三九集团主导开发的，也就意味着它是服务于类似于三九集团这种大型医药集团的智能系统，它的主要受益者也就成了那些药品发放较少的大型医院药房和普通的药房。其次，他能实现西药的智能自动化，而面对的药品变成中药小的颗粒和饮片时，基本上它的作用将会变得微乎其微，所以，它的服务范围是狭隘的。2006年，大庆三维科技有限公司开发了全自动药品单剂量分包机系统，使我国成为继韩国、日本之后亚洲第三个生产药品分包机的国家。同年，北京航空航天大学机器人研究所与苏州艾隆科技有限公司合作完成了机械手式自动化药房样机的研制工作。国内的专利不多，大致

10、上有以下的专利，如表2.1所示。表2.1 发明专利专利名称专利号申请日期发明人中药自动配药系统的集药装置20142048166882014-08-26孙亮中药自动配药系统20061011907422006-12-04华东师范大学第二附属中学一种中药自动配药系统20112012297152011-04-23华南理工大学广州汽车学院中药自动配药分装装置20142004601042014-01-24孙亮2.2 国外现状 国外的医用机械装置一般都是用来对疾病进行诊断和治疗，比如用于进行诊断疾病的X光机，由于X光穿过人体时，身体不同部分对X光的吸收能力是不一样的的，比如骨骼的吸收能力高于人体其他组织，这

11、样便可以根据这些差距来成像，显现出人体的结构，同样X光机也可以杀死某些细胞或组织，比如肿瘤细胞。另外还有用于进行外科手术的机器人，由于机器人的不可代替的一些优点例如精准定位而且易于操作、方便灵活，这使得它在医生手术的时候可以给医生提供一定程度上的帮助。例如当手术难度很大时，机器人可以帮助我们的医生实现精确定位功能，这样结果就是在病人康复的过程中，创伤面积减少，伤口恢复简单，并且缩短了治疗时间，所以，很多发达国家对这种机器人的投入很大，甚至设立了专项计划。但是，对于配药方面的机械设备却很少，其实将机器人用于配药有无可比拟的优势，一、为病患提供了安全无菌的配药环境，从而保障了药物无污染；二、提供给

12、我们的工作人员强而有力的生命保障，可以把感染风险降到最低；三、从现阶段宝贵的人力资源来说，配药机器设备可以节省人力，降低病患开支等。在这方面有所应用的有意大利的 health robotics 已经成功研制了一套配制有毒药物的机器人CytoCare 和一套配制无毒药物的机器人 I.V.STATION.加拿大的 Intelligent hospital systems 公司研制了一套配制有毒药物的机器人RIVA，并且，在市场上，这两家的产品好品不断，已经可以用于临床。3 总体方案设计 本文总体上介绍设计了一种全新的自动配药系统极坐标式中药自动配药系统的设计，这种自动配药系统可以取代传统意义上的大

13、多数药房的自动化设备进行工作，提高配药的效率和安全性，有利于药物的储存，提高配药剂量的准确性，提高药房管理的自动化程度，节省劳动力，可以帮助药剂师进行劳动。在本设计中涉及管库的设计，机械手的设计，称重装置的设计以及分包机构的设计，特别强调的是，本人的设计任务是极坐标式中药自动配药系统之分包机构设计。3.1 管库的设计以前的中药房药库的排布以药柜的形式，大多数都比较笨重与呆板不灵活，一般情况下都是药师们手工分配药物，这种方法不仅费时而且费事。即使是最新出现的一些自动化药房，药库的排布也都是这种类型的药柜形式，只不过取药的主题由人工变成了机械手而已。相对于这种排布方式比较死板，机械手的运动路径比较

14、复杂，且路程相对较长，虽然可以采用特殊的算法（比如蚁群算法等等）对其运动路径进行优化，但是，这种算法也相对复杂，且实际效果并不是非常理想，如果是多个机械手同时进行取药的话，还要解决其路径相互干涉的问题，机械手之间的运动要相互协调，避免在取药的过程中，机械手发生碰撞，这是本设计要力求客服的难题之一。经过仔细的分析和理论论证，我们决定采用以极坐标形式的管库设计的方案，也就是说我们将药物存放在一个管子中，而这些管子将会以一点为中心，呈星形辐射状的排布方式，看起来与极坐标极为相似，所以我们管它叫做极坐标式管库设计。具体排布方式如图3.1所示：图3.1 极坐标式管库除了确定库管的排布方式以外，还要具体的

15、考虑每个管子如何安装固定在库中。固定方式必须满足拆卸方便，以满足上药方便的需求。对于每一根库管的固定必须牢固，且位置准确，以配合机械手和称重装置的定位。当机械手推动库管后面的活塞时，库管的管口必须同时打开，让药物顺利流出，当流出的药量达到所需剂量时，管口必须立刻关闭，因此管口结构的设计非常关键。3.2 机械手的设计机械手是用来推动库管内的活塞的。在取药时，管库和机械手是同时运动的，管库是旋转运动，将所要取的药物的管子旋转到中心点所在的水平面内，而机械手也是在此水平面内进行左右水平移动，当机械手与库管对齐后，开始推动活塞。因此，机械手需要在这一水平面内进行X和Y两个方向的运动，并且要提供足够大的

16、推力以推动活塞。3.3 称重装置的设计称重装置是用来对从库管流出的中药进行称量的机构。称重装置和机械手类似，它的移动方式也是在同一水平面内进行移动，只不过称重装置只需要进行左右水平这一个方向的移动。当药物的剂量达到所需要的量时，反馈一个信号给库管，使其管口关闭，同时将药物倾倒在一旁的传送带上，输送到打包机。称重装置必须对药物进行准确的称量，还有就是要把药物倾倒在传送带上，因此称重装置除了需要一个水平运动之外，还有一个称量容器的反转运动。3.4 分包机构的设计分包机是用来对称量好的药物进行包装的。在药物被分配好了以后，我们就必然面临着药物包装的问题，在实际生产活动中，我们可以利用全自动可以包装机

17、来实现这一包装过程。称量好的药物经由料斗进入自动分包机构，随后经过通道流入由纵封机构与横封机构配合制作的包装袋中，实现中药颗粒的自动包装过程。具体的结构可以用下面所示的流程图3.2表示：机械手储药管库导轨称重台自动装药机图3.2 工作流程4 传动系统的设计及计算4.1 带传动设计 取带轮的传动比i=1.57,小带论直径，小带轮转速=1400r/min；（1）确定计算功率 查表得工作情况系数: 所以计算功率: （2）选取V带带型 根据和的值查图确定带型为：Z型普通V带（3）验算带的速度 所以带的速度合适。（4）确定V带的基准长度和传动中心距根据: （4.1）初步确定中心距 ，计算所需要的带的基准

18、长度:根据普通V带的基准长度系列选带长: 计算实际中心距：（5）验算主动轮上的包角故主动轮上的包角合适。（6）计算V带的根数由， 查表得：，。所以：取根。（7）计算预紧力 （4.2）查表得，故（8）计算作用在轴上的压轴力4.2 链传动设计（1）主要参数输入速度：=60r/min；小轮直径d=100mm,传动比i=1;输入功率：选用类型、材料：链轮的类型为滚子链，材料为40号钢经淬火回火处理。（2）选择链轮的齿数，假定链速V=0.6-3m/s，=19（3）确定计算功率 由表查得=1.0，确定链条节数初定中心距，则链节数为确定链条的节距p按链轮的转速估计，链工作功率曲线左侧时，可能出现链板疲劳破坏

19、。由表查得小链轮齿数系数，；选取单排链，由表查得多排链系数，故得所需传递的功率为根据小链轮转速及功率kw，选链号为32A单排链。再查得链节距，验算链速与假设相符。（4）演算小链轮毂孔dk查得（5）作用在轴上的压轴力 （4.3）有效圆周力，故链的型号为： GBH1243。1-834.3 剪切部分齿轮传动系统取包装袋袋长为80mm，包装速度为60袋/分，那么剪切部分的线速度就是 主要参数：功率；小齿轮转速；传动比i=1.5（1）选取齿轮类型、精度等级、材料及齿数选取齿轮类型、材料：选取直齿圆柱齿轮传动，材料为HT250，硬度为170241HBS；选取精度等级：此传动为一般齿轮传动，故取精度等级为8

20、级；齿数：小齿轮：；大齿轮：（2）按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 （4.4）确定公式内的各个计算数值试选载荷系数计算小齿轮传递的转矩由表选取齿宽系数由表查得材料的弹性影响系数按齿面硬度中间值206HBS得大小齿轮的接触疲劳强度极限：计算应力循环次： 查表得接触疲劳强度寿命系数：，计算接触疲劳许用应力:取失效概率为1%，安全系数S=1，则: 设计计算(a) 试算小齿轮分度圆直径，带入中较小值， (b) 计算圆周速度V: (c) 计算齿宽b和模数:，（d) 计算载荷系数K查表得使用系数: 根据 ，8级精度，查得载荷系数：，的计算式：查得: 载荷系数：（e) 按实际的载荷系数校正所得的

21、分度圆直径为：（f) 计算模数m（3）按齿根弯曲强度设计 （4.5）(a) 确定公式内各个计算数值查得大小齿轮的弯曲疲劳强度极限为查得弯曲疲劳寿命系数：，(b) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由公式得： (c) 计算载荷系数K(d) 查取齿形系数查得，(e) 应力校正系数: ，(f) 计算大小齿轮的并加以比较所以小齿轮数值大设计计算对比计算结果，由齿面接触强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承受能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承受能力仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数2.7mm并就近圆整为标准值3mm，按接触强度算得的分度圆直径。由此得，取

22、，取。（4）几何尺寸计算(a) 分度圆直径(b) 计算中心距(c) 计算齿轮宽度（5）验算，与假设符合同理以上面算出的大齿轮作为主动齿轮，取传动比为1.6，功率p=0.3kw，则可算出，4.4 锥齿轮的设计计算主要参数：输入功率；小齿轮转速；传动比u=1（1）选取齿轮类型、精度等级、材料及齿数选取齿轮类型、材料：工作平稳，速度较低，功率不大，因此齿轮材料选用HT250,其硬度为170241HBS；选取齿轮精度等级：精度等级取为8级；选取齿轮齿数：选取齿轮齿数；（2）按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 （4.6）（a）载荷系数（b）小齿轮传递的转矩（c）的值，通常取（d）查得材料的弹性

23、影响系数按齿面硬度中间值206HBS得大小齿轮的接触疲劳强度极限：算应力循环次：查得接触疲劳强度寿命系数：计算接触疲劳许用应力:取失效概率为1%，安全系数S=1，则:设计计算（a)小齿轮分度圆直径:（b)计算圆周速度: （c)计算载荷系数K查表得使用系数: 根据 ，8级精度，查得载荷系数： 由表查得，（d)按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径为：，取（e）计算模数m（3）按齿根弯曲强度设计 （4.7）（a)确定公式内各个计算数值 查得大小齿轮的弯曲疲劳强度极限为 查得弯曲疲劳寿命系数：（b)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由公式得：（c）计算当量齿数（d）查取齿形系数查得：

24、，（e) 应力校正系数: ，（f）计算设计计算所以取m=3,（4）几何尺寸计算 ,4.5 料盘传动部分4.5.1 I-II间的传动主要参数：传动功率；小齿轮转速；传动比i=2（1）选取齿轮类型、精度等级、材料及齿数 选取齿轮类型、材料：选取直齿圆柱齿轮传动，材料为HT250，硬度为170-241HBS；选取齿轮精度等级：此传动为一般齿轮传动，故取精度等级为8级；选取齿轮齿数：选取小齿轮齿数，；大齿轮齿数：；（2）按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 （4.8）确定公式内的各个计算数值试选载荷系数：计算小齿轮传递的转矩 由表选取齿宽系数：由表查得材料的弹性影响系数：按齿面硬度中间值206

25、HBS得大小齿轮的接触疲劳强度极限：计算应力循环次： 查表得接触疲劳强度寿命系数：，计算接触疲劳许用应力:取失效概率为1%，安全系数S=1，则:（3）设计计算（a）试算小齿轮分度圆直径，带入中较小值，（b）计算圆周速度V（c）计算齿宽b（d）计算齿宽与齿高之比b/h模数 齿高（e）计算载荷系数K 查表得使用系数: 根据 ，8级精度，查得载荷系数：直齿轮，假设，查得查得查得载荷系数：（f）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，得：（g）计算模数m（4）按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为 （4.9）确定公式内各个计算数值查得大小齿轮的弯曲疲劳强度极限为查得弯曲疲劳寿命系数，计算弯曲疲劳许用应力

26、取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由公式得：计算载荷系数K查取齿形系数查得，查应力校正系数 ，计算大小齿轮的并加以比较所以小齿轮数值大（5）设计计算对比计算结果，由齿面接触强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承受能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承受能力仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数2.86mm并就近圆整为标准值3mm，按接触强度算得的分度圆直径。算出小齿轮齿数，取大齿轮齿数（6）几何尺寸计算（a) 分度圆直径（b) 计算中心距（c) 计算齿轮宽度，取，（7）验算，与假设符合4.5.2 II-III之间的传动主要参数：输入功率；齿轮3的转速；齿数比u=2（1）选

27、取齿轮类型、精度等级、材料及齿数选取齿轮类型、材料：选取直齿圆柱齿轮传动，材料为HT250，硬度为170-241HBS；选取齿轮精度等级：此传动为一般齿轮传动，故取精度等级为8级；选取齿轮齿数：选取小齿轮齿数：；大齿轮齿数：；（2）按齿根弯曲强度设计由设计计算公式进行试算，即 （4.10）确定公式内的各个计算数值试选载荷系数：计算小齿轮传递的转矩选取齿宽系数查取齿形系数，查得应力校正系数，查得大小齿轮的弯曲疲劳强度极限为计算应力循环次：查表得弯曲疲劳寿命系数:，计算弯曲疲劳许用应力:取失效概率为1%，安全系数S=1，则:计算大小齿轮的并加以比较所以小齿轮数值大（3）设计计算（a) 计算齿轮模数

28、（b) 计算分度圆直径（c) 计算圆周速度V（d) 计算齿宽b（e) 计算齿宽与齿高之比b/h，（f) 计算载荷系数根据，8级精度，查得动载系数：直齿轮，假设，查得查得查得故载荷系数：（g) 按实际的载荷系数校正所算得的模数，得将其圆整，则（h) 计算分度圆直径（4）按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 （4.11）（a) 确定公式内的各个计算数值计算载荷系数k查得材料的弹性影响系数按齿面硬度中间值206HBS得大小齿轮的接触疲劳强度极限查得接触疲劳寿命系数，计算接触疲劳许用应力:取失效概率为1%，安全系数S=1，则:（b) 设计计算试算小齿轮分度圆直径，带入中较小值，所以取，（5）几

29、何尺寸计算(a) 计算分度圆直径(b) 计算中心距(c) 计算齿轮宽度，取，（6）验算，与假设符合。结束语本文系统的说明了极坐标式中药自动配药系统的设计过程，而且对配药系统的各个部分的部件的原理设计进行了详细的阐述。与同类型的自动配药系统相比较而言，本系统具有自动化程度高，效率高等特点，在比较了多种方案之后我们最终选择了这种方案。在目前已有的几种自动配药系统中，我们大胆的提出了极坐标式的概念，并且在本次的设计中也成功的被应用了，这大大的节约了人力资源的成本以及患者排队等待取药的时间，极大地丰富了我们的生活。在机构设计过程中，充分发挥了极坐标式配药系统的优势，运动规律较为简单，取药路径简单且直截

30、了当，不需要对称重机构和机械手的运动路径进行优化，且彻底排除了取药机构运动相互干涉的可能，更重要的是还可以实现同时取多味药材，大大提高了系统的工作效率。当然了，设计过程中肯定会有一些考虑欠缺的地方，我们会在今后的设计中不断你的改进和完善，进一步提高产品的性能。致 谢通过这一次的毕业设计，我学到了很多东西，在这我得感谢那些曾经给过我关心的人。首先，我要感谢我的指导老师李老师，是他给了我无微不至的指导，也是他给了我最为严厉的要求，无论是从前期资料的搜集到之后的成果检测，他对我们的关心从未间断。其次，我要感谢那些帮助我的同学们。在本次设计中，我有幸与三位同学一组一起努力设计，当我们遇到难题时，我们会去询问老师，我们会聚集在一起热火朝天的讨论，一起攻克难关。感谢黄