汪麗平，張弛，鄭長坤，李星輝，胡敏達(dá)，汪豐

東南大學(xué) a.生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院；b.生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，江蘇 南京 210096

引言

傳統(tǒng)的藥房具有經(jīng)營時(shí)間有限、占地面積很大、耗費(fèi)人力資源等局限性。隨著電子商務(wù)[1]、自助服務(wù)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的藥房已不能滿足人們的所有期望，自動(dòng)藥房系統(tǒng)[2-4]的概念應(yīng)用而生。自動(dòng)藥房系統(tǒng)的優(yōu)勢不僅僅在于降低成本，更在于其安全性，便捷性，可獲得性和管理的精準(zhǔn)方便。

目前正在研發(fā)的自動(dòng)云藥房系統(tǒng)是以互聯(lián)網(wǎng)為媒介，可實(shí)現(xiàn)線上線下購藥、線下自動(dòng)取藥以及在線咨詢醫(yī)師的一個(gè)系統(tǒng)項(xiàng)目。此系統(tǒng)的線下藥房現(xiàn)已配備專用直角坐標(biāo)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)自助發(fā)藥的功能，但是進(jìn)藥是通過人工一盒盒掃描藥品條形碼，再將藥品放置于藥房倉儲(chǔ)的進(jìn)藥傳送帶上，然后直角坐標(biāo)機(jī)器人完成后面的進(jìn)藥操作。本文主要是為線下藥房設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套可以批量的全自動(dòng)進(jìn)藥的系統(tǒng)，替代手動(dòng)掃描進(jìn)藥的過程。系統(tǒng)的工作過程為：封裝好的大型進(jìn)藥箱子里裝了藥品，將其放置于規(guī)定的進(jìn)藥區(qū)域，控制攝像頭從正上方拍攝到箱子中藥品的圖像之后利用圖像處理相關(guān)技術(shù)計(jì)算并返回某一盒藥品三維坐標(biāo)，然后控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到該藥品的坐標(biāo)位置，控制吸盤吸取藥品，接著控制機(jī)械手臂將藥品移動(dòng)到條形碼掃描模塊，在此模塊控制三個(gè)攝像頭同步拍攝圖片，并對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理、識(shí)別條形碼號(hào)等操作，將識(shí)別出的條形碼號(hào)作為結(jié)果返回給已有的自動(dòng)云藥房系統(tǒng)的控制單元，最后將藥品放置于傳送帶的指定位置上，循環(huán)往復(fù)。本系統(tǒng)采用機(jī)電控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)相結(jié)合的方式，為自動(dòng)藥房的全自動(dòng)進(jìn)藥提供了有效的解決方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要?jiǎng)澐譃?個(gè)模塊（圖1）：藥品定位模塊、條形碼識(shí)別模塊、機(jī)械手臂及其運(yùn)動(dòng)控制模塊、計(jì)算機(jī)。

圖1 自動(dòng)進(jìn)藥系統(tǒng)硬件模塊

藥品定位模塊有一個(gè)長40 cm、寬30 cm、高30 cm的裝了藥品的紙箱子，一個(gè)1200萬像素的USB攝像頭，光源以及支架。為了便于藥品識(shí)別，箱子底部采用黑色不反光的材質(zhì)。攝像頭位于藥品箱子的正上方，使拍攝范圍正好覆蓋藥品箱子底面的范圍。攝像頭通過USB連接到計(jì)算機(jī)。

條形碼識(shí)別模塊有3個(gè)1200萬像素的USB攝像頭、支架、光源以及正下方一個(gè)防護(hù)網(wǎng)。三個(gè)攝像頭分別固定于上面、側(cè)面、底面，用于從多個(gè)面同步識(shí)別藥品的條形碼，并且都通過USB連接到計(jì)算機(jī)上。這里側(cè)面一個(gè)攝像頭無法識(shí)別藥品4個(gè)側(cè)面，所以在本模塊執(zhí)行時(shí)，藥品會(huì)在水平面內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，使得側(cè)面盡可能多地被拍攝到。當(dāng)超時(shí)未識(shí)別出條形碼號(hào)時(shí)，斷開電磁閥，將藥品置于防護(hù)網(wǎng)上。

機(jī)械臂及其運(yùn)動(dòng)控制模塊主要包括：運(yùn)動(dòng)控制板、X、Y、Z三軸的電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、供電電源、電磁閥、真空泵、吸盤、直線滑臺(tái)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、支架等。其中直線滑臺(tái)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和吸盤組合形成機(jī)械臂。運(yùn)動(dòng)控制板通過USB轉(zhuǎn)DB9轉(zhuǎn)接線連接至計(jì)算機(jī)，它控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)、電磁閥的通斷；X、Y、Z三軸的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)直線滑臺(tái)上這3個(gè)方向的滑塊運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的距離，其中Z軸電機(jī)配有斷電剎車。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)的直線滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍為：X軸70 cm、Y軸70 cm、Z軸35 cm，組合方式，見圖2。直線滑臺(tái)搭建好之后放于支架上，機(jī)械手臂是通過與直線滑臺(tái)Z軸滑塊相連接的一段金屬結(jié)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)電機(jī)和吸盤組合在一起。吸取與放開藥品是通過真空泵、電磁閥、吸盤組合實(shí)現(xiàn)的。真空泵通電之后產(chǎn)生負(fù)壓，通過氣管連接至電磁閥，電磁閥通過運(yùn)動(dòng)控制板上的電路控制通斷。當(dāng)電磁閥連通時(shí)，負(fù)壓通過電磁閥，吸盤吸取藥品；電磁閥關(guān)閉時(shí)，吸盤放開藥品。吸盤配有壓力傳感裝置，當(dāng)接觸到藥盒表面產(chǎn)生壓力時(shí)，停止進(jìn)一步向下運(yùn)動(dòng)，以免將藥盒壓變形。

圖2 直線滑臺(tái)組合方式

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要分成業(yè)務(wù)邏輯層、接口層和底層（圖 3）。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2.1 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和流程圖（圖4）對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行邏輯控制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊合理調(diào)配。系統(tǒng)工作流程為：首先系統(tǒng)上電，當(dāng)工作人員將藥品箱子放置于指定的位置時(shí)，點(diǎn)擊啟動(dòng)系統(tǒng)；然后系統(tǒng)自動(dòng)完成后面的操作，系統(tǒng)初始化，執(zhí)行機(jī)械手臂復(fù)位、攝像頭開啟等；接著，藥品定位模塊獲取某盒藥品的三維坐標(biāo)；接下來機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)到此藥品的坐標(biāo)位置，并通過吸盤吸取藥品；然后運(yùn)動(dòng)到條形碼識(shí)別模塊進(jìn)行條形碼識(shí)別，一旦識(shí)別出條形碼，停止繼續(xù)拍攝圖片，旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，將識(shí)別出的條形碼作為結(jié)果反饋給移動(dòng)云藥房系統(tǒng)的控制單元。然后系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)，繼續(xù)新一輪的操作，直至箱子中的藥品已經(jīng)全部取完，結(jié)束系統(tǒng)操作。當(dāng)出現(xiàn)各種異常發(fā)出警報(bào)，如吸取藥品失敗等。

2.2 接口層

接口層實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能。藥品定位模塊，驅(qū)動(dòng)攝像頭獲取箱子中藥品的圖片，然后利用圖像處理的方法識(shí)別出某盒藥品的三維坐標(biāo)。首先，我們需要得到圖片中藥品的二維坐標(biāo)，設(shè)計(jì)算法思路需要考慮的因素有：① 項(xiàng)目中的藥品盒子均為長方體，可以通過矩形特征進(jìn)行識(shí)別，相關(guān)研究介紹了幾種常見的矩形識(shí)別的方法[5-8]；② 藥品顏色鮮艷且邊界清晰，顏色各異，可以加入顏色特征；③ 重復(fù)識(shí)別的情況，即當(dāng)多個(gè)藥品拼成一個(gè)大的矩形，此大矩形會(huì)被錯(cuò)誤當(dāng)做一盒藥品；④ 同一盒藥品會(huì)因?yàn)橛卸喾N顏色被識(shí)別成多盒藥品；⑤ 光照不均產(chǎn)生的陰影；⑥ 藥品放置無序、有序等。當(dāng)箱子為空時(shí)，設(shè)置超時(shí)判斷。根據(jù)以上幾點(diǎn)因素，設(shè)計(jì)出的藥品識(shí)別的算法流程，見圖5。首先進(jìn)行輪廓檢測[9]，輸入為灰度圖像；接著進(jìn)行多邊形逼近；然后進(jìn)行矩形約束，約束條件有：凸四邊形、面積、每個(gè)內(nèi)角度數(shù)（接近直角）；接下來去除重復(fù)的矩形；最后計(jì)算出面積最大的矩形并返回其中心點(diǎn)坐標(biāo)位置。計(jì)算出圖片中藥品的二維坐標(biāo)后，我們需要經(jīng)過對(duì)應(yīng)比例的換算關(guān)系實(shí)際系統(tǒng)中的藥品的X、Y軸坐標(biāo)。最后，設(shè)定Z軸坐標(biāo)。由于已知箱子尺寸以及它在系統(tǒng)的坐標(biāo)位置，并且機(jī)械手臂上的吸盤裝有壓力傳感裝置，觸及到藥品表面時(shí)，停止Z軸的運(yùn)動(dòng)，所以這里將藥品的Z軸坐標(biāo)設(shè)定為0。

圖4 系統(tǒng)功能流程圖

圖5 藥品定位算法流程

條形碼識(shí)別模塊控制3個(gè)攝像頭從上面、側(cè)面和底面進(jìn)行同步拍攝圖片并識(shí)別條形碼。拍攝到的圖片條形碼會(huì)存在模糊、傾斜、光照不均、面積小等問題。所以需要通過圖像預(yù)處理的方法對(duì)圖像進(jìn)行去燥、條形碼定位和校正。然后識(shí)別圖片中的條形碼號(hào)。設(shè)計(jì)出的算法流程，見圖6。首先，進(jìn)行圖像灰度化處理；然后利用中值濾波去除噪聲[10]；對(duì)于光照不均采用直方圖均衡化[11]進(jìn)行處理；去模糊采用的是黃認(rèn)真[12]提出的一種QR碼識(shí)別圖像模糊預(yù)處理算法；定位與校正采用劉松等[13]提出了一種基于形態(tài)學(xué)的條形碼定位算法以及計(jì)算量較小、但效果較好的條形碼校正算法。最后利用開源的ZXing庫識(shí)別條形碼號(hào)[14]。

圖6 條形碼識(shí)別算法流程

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對(duì)藥品的抓取、放置、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)到指定位置等操作。它是相對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制板的上位機(jī)程序，根據(jù)制定好的通訊協(xié)議，與下位機(jī)進(jìn)行通訊，主要實(shí)現(xiàn)的功能有7個(gè)：系統(tǒng)初始化、運(yùn)動(dòng)到指定坐標(biāo)位置、電磁閥通電、電磁閥斷電、旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)、復(fù)位。

2.3 底層

這里指的是硬件中機(jī)械臂及其控制模塊的運(yùn)動(dòng)控制板中單片機(jī)的下位機(jī)程序，與上位機(jī)進(jìn)行通訊，接收指令，反饋執(zhí)行結(jié)果。

3 實(shí)現(xiàn)方法及結(jié)果

3.1 實(shí)現(xiàn)方法

機(jī)械臂及其運(yùn)動(dòng)控制模塊的運(yùn)動(dòng)控制板使用的單片機(jī)是STM32F103C8T6，留有供電電源接口、DB9接口、X、Y、Z三個(gè)軸電機(jī)接口、旋轉(zhuǎn)電機(jī)接口、電磁閥通斷控制接口等。各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的分布，見圖7。電路板實(shí)物圖，見圖8。

圖7 運(yùn)動(dòng)控制板各接口分布圖

圖8 運(yùn)動(dòng)控制板實(shí)物圖

X、Y、Z三軸的電機(jī)均采用57步進(jìn)電機(jī)，其中Z軸電機(jī)配有斷電剎車。對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因其負(fù)載較小，所以采用的是35兩相步進(jìn)電機(jī)。X、Y、Z三軸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是TB6600步進(jìn)電機(jī)控制器，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過電路控制。供電電源將220 V的交流電壓轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)控制板所需要的24 V直流電壓。真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓小于-0.082 MPa，系統(tǒng)中的吸盤成功吸取藥品，見圖9。硬件系統(tǒng)各模塊實(shí)物圖，見圖10。

圖9 吸盤成功吸取藥盒

圖10 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

整個(gè)系統(tǒng)軟件在計(jì)算機(jī)上搭建，使用的主程序語言是python 2.7、主開發(fā)環(huán)境為PyCharm（單片機(jī)控制程序通過C語言實(shí)現(xiàn)，開發(fā)環(huán)境是IAR）。藥品定位算法和條形碼識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)，用到了OpenCV[15-16]的庫以及其它的一些圖像識(shí)別的技術(shù)。條形碼識(shí)別還調(diào)用了開源的ZXing條形碼識(shí)別庫。

3.2 結(jié)果討論

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行效果，這里做了一些模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件與步驟：① 準(zhǔn)備100盒品種繁多的藥品隨機(jī)放置于藥品箱子中；② 系統(tǒng)通電，完成10次進(jìn)藥操作，記錄每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和漏檢的盒數(shù)；③ 人工同樣進(jìn)行10次進(jìn)藥操作并記錄結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（表1），由于系統(tǒng)需要經(jīng)過藥品定位、機(jī)械手臂搬運(yùn)藥品、條形碼掃描等過程，人工操作是對(duì)準(zhǔn)條形碼掃描、放置。完成100盒藥品的平均速度分別為：系統(tǒng)為11 s/盒；人工為5 s/盒。但是可以看出系統(tǒng)每次試驗(yàn)的時(shí)間穩(wěn)定在1100 s左右，人工操作的每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間有增多的趨勢。此外，24 h內(nèi)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間為24 h、人工操作時(shí)間至多為8 h。所以，綜合各項(xiàng)因素初步得知系統(tǒng)雖然每次的進(jìn)藥時(shí)間要比人工操作的長，但因可持續(xù)穩(wěn)定工作，計(jì)算可得24 h內(nèi)綜合進(jìn)藥量比人工操作大，可替代人工進(jìn)藥。系統(tǒng)仍然會(huì)存在漏檢，漏檢盒數(shù)是指未定位出的藥品（即每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束，箱子中剩余的藥品）、未識(shí)別出條形碼號(hào)的藥品（防護(hù)網(wǎng)上的藥品）數(shù)量。漏檢率是指每次實(shí)驗(yàn)漏檢盒數(shù)所占的比例，為6%左右。其主要原因是條形碼識(shí)別部分藥品運(yùn)動(dòng)以及條形碼位置未知，給識(shí)別帶來一定的困難，仍需進(jìn)一步改進(jìn)算法，提高準(zhǔn)確率。系統(tǒng)的成本主要是搭建系統(tǒng)的硬件部分的費(fèi)用，系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需的成本極少，例如：耗電、偶爾進(jìn)行維護(hù)。而傳統(tǒng)的方法主要是人力成本，成本與進(jìn)藥量成正比。所以從藥房長期的進(jìn)藥目標(biāo)來看，自動(dòng)進(jìn)藥系統(tǒng)的成本較低。

表1 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)自動(dòng)云藥房系統(tǒng)的全自動(dòng)進(jìn)藥的功能需求，具有輕量、低成本、高效的特點(diǎn)，并且可以替代人工掃描上藥實(shí)現(xiàn)24 h進(jìn)藥，管理方便。針對(duì)藥品有序、無序、單種、多種等情況均可進(jìn)行識(shí)別、抓取。優(yōu)化的條形碼圖像預(yù)處理算法以及ZXing庫的使用使得條形碼識(shí)別率較理想，藥品旋轉(zhuǎn)以及三個(gè)攝像頭同步拍攝識(shí)別使得藥品的各個(gè)面均可拍到。利用步進(jìn)電機(jī)可以調(diào)整運(yùn)動(dòng)精度，三維直線滑臺(tái)的設(shè)計(jì)使得運(yùn)動(dòng)范圍可控、穩(wěn)定。但是本系統(tǒng)仍存在需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方：① 每一次只能抓取一盒藥品，后面可以考慮改善系統(tǒng)，每次抓取多盒藥品進(jìn)行掃描、運(yùn)送等操作；② 存在藥品漏檢的情況，后面繼續(xù)改善算法，進(jìn)一步提高效率。此外，針對(duì)不同的功能需求可以加以調(diào)整，除了自動(dòng)進(jìn)藥，對(duì)于其他商品的進(jìn)貨以及快遞自動(dòng)分揀等也同樣適用，可進(jìn)一步挖掘?qū)嵱脙r(jià)值。

4 結(jié)論

相比較傳統(tǒng)的A字機(jī)、立式藥品分揀機(jī)、斜槽式自動(dòng)分揀機(jī)[17]，以及德國ROWA公司的自動(dòng)化藥房應(yīng)用的上藥輸送機(jī)，本系統(tǒng)體積小，成本低，操作簡便。其中圖像定位技術(shù)，可自動(dòng)識(shí)別藥品的坐標(biāo)位置。此外，系統(tǒng)的條形碼自動(dòng)識(shí)別功能，可覆蓋藥品的6個(gè)面，無需預(yù)先知道條碼在哪一個(gè)面。根據(jù)藥品的形狀體積重量特征，采用吸盤吸取藥品的方式大大降低了成本。為自動(dòng)藥云房系統(tǒng)的全自動(dòng)進(jìn)藥提供了很好的解決方案。