（北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

當(dāng)前在我國醫(yī)院藥房取藥過程中，患者常常排隊等藥，發(fā)錯藥的事故也時有發(fā)生。傳統(tǒng)的醫(yī)院儲藥系統(tǒng)主要由普通的藥架構(gòu)成，藥品的存儲密度低，藥品的發(fā)送基本上是由醫(yī)務(wù)人員根據(jù)處方人工配送，這種模式的發(fā)藥速度慢，效率低。實現(xiàn)藥房自動化不僅可以幫助醫(yī)院提高發(fā)藥的速度更能增加發(fā)藥的準(zhǔn)確度。采用機(jī)械手式的自動存取設(shè)備出藥不僅速度慢、控制電路繁瑣、且可靠性差。為解決上述問題，本研究提供了一種出藥快捷，工作可靠的出藥機(jī)構(gòu)[1～4]。

1 出藥機(jī)構(gòu)原理

出藥系統(tǒng)主要包括平行排列的斜坡儲藥槽和出藥機(jī)構(gòu)。出藥機(jī)構(gòu)主要由電磁鐵線圈、電磁鐵鐵芯、出藥機(jī)構(gòu)底座、連桿、搖桿、擋藥滾輪、導(dǎo)向滾輪；擋藥滾輪設(shè)置在斜坡儲藥槽前方，送藥時對藥盒起導(dǎo)向作用，導(dǎo)向滾輪鉸接于搖桿前端。如圖1所示。

出藥單元與水平方向成25°角放置，在電磁鐵線圈不通電的狀態(tài)下，搖桿與出藥機(jī)構(gòu)底座的方向平行，擋藥滾輪擋住藥盒，將其擋在儲藥槽上；在電磁鐵線圈通電的狀態(tài)下，電磁鐵的鐵芯與線圈吸合，拉動連桿繼而拉動搖桿向上傾斜，把藥盒頂高，當(dāng)藥盒前端底部高于擋藥滾輪時，藥盒借助重力經(jīng)由導(dǎo)向滾輪導(dǎo)向滑出。當(dāng)電磁鐵的拉回動作結(jié)束后，電磁鐵鐵芯在彈簧的復(fù)位作用下回到初始位置。

圖1 出藥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

這種出藥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，快速準(zhǔn)確，且可靠性高。實現(xiàn)了大型藥房藥品的自動發(fā)放，節(jié)約了人力成本，提高了工作效率。

2 出藥機(jī)構(gòu)受力分析

如圖2所示，將出藥機(jī)構(gòu)簡化為一搖桿—滑塊機(jī)構(gòu)，進(jìn)行受力分析。藥盒在彈射過程中，電磁鐵提供拉力FM，搖桿前端受藥盒阻力F。

采用復(fù)數(shù)矢量法對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，以A點為原點建立直角坐標(biāo)系，并將各構(gòu)件的桿矢量及方位角示出。將各運動副中的反力統(tǒng)一表示為FRij的形式，即構(gòu)件i作用于構(gòu)件j上的反力，且規(guī)定i＞j，二構(gòu)件j作用于構(gòu)件i上的反力FRji則用-FRij表示。再將各運動副中的反力分解為沿兩坐標(biāo)軸的兩個分力示出。

圖2 桿件受力分析簡圖

選取運動副B為首解副，并取構(gòu)件1為分離體，并將諸力對A點取矩，則根據(jù)得：

由上式的實部等于零可得：

由上式的實部和虛部分別等于零可得：

將上式帶入式(1)，得：

又由FN=FM.tan(180°-θ2)=-FMtanθ2，上式可化為：

3 藥盒動力學(xué)分析及仿真

3.1 藥盒動力學(xué)分析

出藥機(jī)構(gòu)上藥時，藥盒重力在平行于藥槽方向的分力應(yīng)大于藥盒和藥槽之間的靜摩擦力，即：

式中fs為藥盒與藥槽間的摩擦系數(shù)，此處取值為0.13。

出藥機(jī)構(gòu)進(jìn)行出藥動作時，藥盒在搖桿的作用力下脫離藥槽做平面運動，包括質(zhì)心的拋物運動和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動。根據(jù)力的平移定理和合力矩定理，將藥盒所受的力系簡化，并將藥盒作為剛體處理。簡化后的藥盒受力情況如圖3所示。

圖3 藥盒受力分析模

在藥盒被搖桿頂起時，藥盒在豎直方向受重力G，平行于藥槽方向受到擋藥滾輪的支持力FN，以及在與搖桿接觸點處受到搖桿的作用力F。在如圖3所示瞬間，剛體平面運動微分方程在自然直角坐標(biāo)軸上的投影式為：

解得藥盒被頂起瞬間質(zhì)心加速度與角加速度：

式中l(wèi)為力F對O點的力臂，l=55.46mm；J0為藥盒對重心O的轉(zhuǎn)動慣量，其中a、b分別為藥盒的長度和寬度。

3.2 基于ADAMS的藥盒動力學(xué)仿真分析

3.2.1 虛擬樣機(jī)模型的建立

由于虛擬樣機(jī)技術(shù)在進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)求解時，只考慮零件的質(zhì)心和質(zhì)量，而對零件的外部形狀不予考慮。因此，要對出藥機(jī)構(gòu)的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕痆5]：

1）各鉸接處以轉(zhuǎn)動副來約束，等效實現(xiàn)二者的相對運動；

2）各部件為剛體；

3）忽略轉(zhuǎn)動副摩擦。

根據(jù)出藥機(jī)構(gòu)實際形態(tài)結(jié)構(gòu)，按照以上原則，建立了虛擬樣機(jī)模型，如圖4所示。

圖4 出藥機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

根據(jù)電磁鐵吸力特性，分別對通電率為50%與25%時兩種情況進(jìn)行仿真，電磁鐵吸力特性曲線如圖5所示。

圖5 電磁鐵吸力特性曲線

3.2.2 仿真分析

仿真結(jié)果如圖6所示，其中圖6(a)和圖6(b)分別為通電率為50%和25%時出藥機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果。

如圖6(a)、圖6(b)所示，左上圖為藥盒彈射過程，其中黑色曲線為藥盒質(zhì)心的運動軌跡。右上圖為藥盒的角加速度曲線，左下圖為藥盒質(zhì)心在水平方向的速度曲線，右下圖為藥盒質(zhì)心在豎直方向的速度曲線。可見藥盒在彈出后的運動包含拋物運動及繞其質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)運動，因此需根據(jù)藥盒的運動軌跡合理選取彈出點與輸送裝置的高度差和水平距離等參數(shù)，防止藥盒掉落時脫離輸送裝置或發(fā)生傾覆。

4 出藥機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析

圖6 出藥機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果

由于儲存在藥槽中的藥盒質(zhì)量不同，被彈射出來的運動軌跡也不一樣，質(zhì)量小的彈射距離高，質(zhì)量大的彈射距離低。且當(dāng)出藥機(jī)構(gòu)的輸出力不合理時會使藥盒無法被彈起或超出合理彈起高度。因此需基于藥盒初速度最大化對出藥機(jī)構(gòu)各桿件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使不同種類的藥品在空中的運動軌跡最優(yōu)化[6]。

由于搖桿-滑塊機(jī)構(gòu)由LAB、LBC、LBD等參數(shù)確定，式(6)表明搖桿作用力與LAB、LBC有關(guān)，因此取設(shè)計變量為：

以藥盒質(zhì)心垂直于藥槽的初速度最大為尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，以確定最優(yōu)桿長方案，取目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件的建立首先應(yīng)滿足構(gòu)成偏心搖桿-滑塊機(jī)構(gòu)的桿長條件，即LAB+e≥L_BD，其中e為偏距，其值為3.5。同時受于空間位置約束，LAB與LBC不能太長。

確定設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件后，采用ADAMS對虛擬樣機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模，采用設(shè)計研究模塊使各設(shè)計變量在一定范圍內(nèi)進(jìn)行取值，根據(jù)設(shè)計變量值的不同進(jìn)行一系列仿真分析并輸出各次仿真分析的結(jié)果，找出哪些設(shè)計變量對目標(biāo)函數(shù)的靈敏度最高。

靈敏度表征目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計變量值的變化的敏感程度。靈敏度分析是優(yōu)化設(shè)計的鋪墊工作，用來確定重要的設(shè)計參數(shù)，通過預(yù)訂參數(shù)定量分析每個設(shè)計參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)影響的程度，從而縮小研究范圍，在優(yōu)化設(shè)計時做重點考慮[7,8]。靈敏度大小以前后兩次試驗靈敏度的平均值表示[9]：

上式中：O為目標(biāo)值，V為設(shè)計參數(shù)值，i為迭代次數(shù)。

LAB、LBC、LBD各自變化對目標(biāo)函數(shù)的影響曲線分別如圖7～圖9所示。

圖7 LAB變化對目標(biāo)函數(shù)的影響曲線

圖8 LBC變化對目標(biāo)函數(shù)的影響曲線

圖9 LBD變化對目標(biāo)函數(shù)的影響曲線

其中LAB取值為13.172時靈敏度值最大，為249.01；LBC取值為40.724時靈敏度值最大，為136.12；LBD取值為47.517時靈敏度值最大，為271.74。

通過試驗設(shè)計模塊對多個設(shè)計變量的取值組成組，研究在設(shè)計變量取不同的可能組合時目標(biāo)函數(shù)的取值情況，進(jìn)行優(yōu)化求解。求解過程中各次迭代的曲線變化如圖10所示，其中橫坐標(biāo)為迭代步，縱坐標(biāo)為藥盒質(zhì)心垂直于藥槽的初速度值。

圖10 優(yōu)化迭代曲線

最優(yōu)解為第604迭代步，其設(shè)計變量取值為：

由優(yōu)化結(jié)果可看出，優(yōu)化后藥盒質(zhì)心垂直于藥槽的初速度voy=885.13。

5 結(jié)論

闡述了出藥機(jī)構(gòu)的原理及動作過程，對出藥機(jī)構(gòu)和藥盒進(jìn)行了受力分析。建立了出藥機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并對其進(jìn)行了基于ADAMS的動力學(xué)分析，得出了在不同電磁鐵通電率下的藥盒質(zhì)心軌跡曲線。對出藥機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并對各設(shè)計變量進(jìn)行了靈敏度分析，得到了藥盒質(zhì)心垂直于藥槽的初速度最大時出藥機(jī)構(gòu)的各桿長最優(yōu)解。綜上，本研究為機(jī)構(gòu)設(shè)計提供了實用方法，為出藥機(jī)構(gòu)最終的尺寸設(shè)計提供了依據(jù)，為藥房自動化系統(tǒng)設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。