簡(jiǎn)宏達(dá)，彭九九，胡文韜，陳周周，熊滿滿，李公法，陶 波

（武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430081）

隨著社會(huì)老齡化的日益加重，我國(guó)老年人所占人口比例越來(lái)越高，其人數(shù)居世界之最。而醫(yī)療問(wèn)題是該群體是需要面對(duì)的主要問(wèn)題之一，患多種慢性病、需長(zhǎng)期服用不同種類和不同劑量藥物的情況在中老年人中屢見(jiàn)不鮮。對(duì)于行動(dòng)不便、記憶力差且常年獨(dú)居的中老年人群體、需長(zhǎng)期服用多種藥物的全年齡段患者來(lái)說(shuō)，“忘吃藥、吃錯(cuò)藥、吃多藥”問(wèn)題亟待解決[1]。因此，各類輔助型藥盒產(chǎn)品開(kāi)始活躍在市場(chǎng)上。傳統(tǒng)藥盒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶，但較小的尺寸使其存放藥物數(shù)量受到局限，續(xù)航能力較弱，在10次左右不等，無(wú)法做到一次裝填后長(zhǎng)時(shí)間使用。傳統(tǒng)藥盒需要人工進(jìn)行藥物計(jì)數(shù)與藥物裝填，一般只具備儲(chǔ)存藥物和鬧鐘提醒功能，對(duì)缺少照料的老年慢性病患者無(wú)疑是繁瑣且具有錯(cuò)誤裝填風(fēng)險(xiǎn)的。

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能機(jī)械藥盒區(qū)別于傳統(tǒng)藥盒，以電力驅(qū)動(dòng)，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子傳感器板塊，實(shí)現(xiàn)使用者“一次裝填，長(zhǎng)期使用”的便捷服藥。針對(duì)老年慢性病患者在智能產(chǎn)品的使用上可能存在障礙，智能機(jī)械藥盒極大程度上簡(jiǎn)化了使用操作[2，3，4]。

1 智能機(jī)械藥盒方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

智能機(jī)械藥盒裝置設(shè)計(jì)了藥片和膠囊兩個(gè)部分（圖1）且均由5個(gè)子系統(tǒng)組成：儲(chǔ)藥出藥系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)數(shù)收集系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的功能如下[5]：

圖1 藥片部分（左）與膠囊部分（右）去外殼總體結(jié)構(gòu)圖

（1）儲(chǔ)藥出藥系統(tǒng)：藥片部分中表現(xiàn)為類圓柱空心儲(chǔ)藥罐與帶負(fù)壓吸口推桿，推桿沿儲(chǔ)藥罐軸線往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)藥片的排出；在膠囊部分表現(xiàn)為類圓柱空心儲(chǔ)藥罐、膠囊滑軌和帶凹槽出藥滾子，出藥滾子周向旋轉(zhuǎn)用以實(shí)現(xiàn)膠囊的排出。

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)：兩個(gè)部分均由步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、棘輪機(jī)構(gòu)組成。步進(jìn)電機(jī)的換向旋轉(zhuǎn)由傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)各部分兩組棘輪機(jī)構(gòu)分別旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同藥品不同數(shù)量的順序排出。

（3）計(jì)數(shù)收集系統(tǒng)：藥片部分表現(xiàn)為舵機(jī)、掃藥曲柄、掃藥桿、導(dǎo)軌、紅外光感傳感器，舵機(jī)由曲柄帶動(dòng)掃藥桿將推桿頂部藥片掃入導(dǎo)軌，由導(dǎo)軌末端對(duì)射型紅外傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。在膠囊部分表現(xiàn)為導(dǎo)軌、力敏傳感器，膠囊由出藥滾子排出至導(dǎo)軌，在滑軌末端的薄膜式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

（4）輔助系統(tǒng)：兩部分均包含用于固定儲(chǔ)藥出藥裝置的托臺(tái)、固定傳動(dòng)系統(tǒng)的底部支架、防藥品在排出過(guò)程中粘黏的震蕩塊以及藥品干燥器裝置。

（5）控制系統(tǒng)：主要采用單片機(jī)作為主控芯片，用以實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的配合銜接和時(shí)序控制。

1.2 工作原理

藥片部分由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)主傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)與棘輪部分配合的副傳動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩側(cè)的棘輪沿相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄，安裝在兩側(cè)的棘輪輪齒方向相反，使步進(jìn)電機(jī)在進(jìn)行不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，僅有一側(cè)棘輪會(huì)帶動(dòng)其所對(duì)應(yīng)的藥片棘輪曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，另一側(cè)保持靜止?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)出藥機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的獨(dú)立控制。當(dāng)曲柄沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上的藥片棘輪曲柄帶動(dòng)滑塊在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，由于滑塊、滑道和推桿共同組成了一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，故推桿會(huì)隨藥片棘輪曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)做豎直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)出藥動(dòng)作。在完成出藥動(dòng)作的過(guò)程中配合置于藥盒殼體背面的舵機(jī)所控制的掃藥桿，將藥片掃入導(dǎo)軌內(nèi)，并由導(dǎo)軌末端對(duì)射型紅外傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)反饋至集成控制板，最終完成出藥，藥片棘輪曲柄回到初始位置[6，7]。

膠囊部分與藥片機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式類似，同樣使用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源件，以兩個(gè)反裝棘輪實(shí)現(xiàn)兩組膠囊機(jī)構(gòu)的獨(dú)立控制[8]。錐齒輪由傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)，通過(guò)棘輪使出藥滾子轉(zhuǎn)動(dòng)。出藥滾子沿著某一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與其對(duì)應(yīng)配合的膠囊滑軌底部開(kāi)口的膠囊落入出藥滾子對(duì)應(yīng)的凹槽中，由于步進(jìn)電機(jī)的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，出藥滾子會(huì)單方向不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)往復(fù)出藥動(dòng)作，在膠囊由出藥滾子排出后，進(jìn)入與之配合的膠囊導(dǎo)軌中，進(jìn)而滑出藥口，由力敏傳感器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)并反饋至集成控制板，直至單側(cè)膠囊出藥數(shù)量達(dá)到設(shè)定值，步進(jìn)電機(jī)換向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)另一側(cè)的出藥動(dòng)作。

1.3 不同規(guī)格藥品兼容問(wèn)題的解決

對(duì)于藥片多具有片狀特征，在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后，只需對(duì)氣泵參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，即可配合特殊端部形狀的頂桿，由一確定負(fù)壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格藥片的出藥任務(wù)。

對(duì)于膠囊多為類圓柱狀，進(jìn)行相關(guān)市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)市面上常見(jiàn)的膠囊，最大的尺寸為17 mm×8 mm，最小尺寸的為12 mm×6.5 mm，滾子的凹槽尺寸為20 mm×9 mm的矩形凹槽，深度為10 mm，即可兼容絕大多數(shù)膠囊的出藥任務(wù)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 藥片儲(chǔ)藥出藥裝置設(shè)計(jì)

藥片儲(chǔ)藥出藥裝置由一個(gè)類圓柱的空心儲(chǔ)藥罐與推桿組成，推桿可在儲(chǔ)藥罐內(nèi)沿軸線方向線性運(yùn)動(dòng)，裝配關(guān)系如圖2所示，推桿由滑道、滑塊、棘輪曲柄構(gòu)成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使滑塊相對(duì)滑道水平移動(dòng)，滑道帶動(dòng)推桿在豎直方向線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其裝配關(guān)系如圖3所示[9]。推桿頂部采用錐形設(shè)計(jì)，頂端直徑為4 mm，與藥片最小直徑相當(dāng)。推桿內(nèi)部加工有小直徑通孔，用于連接外部的負(fù)壓裝置（氣泵），實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)藥片的吸附，保證在大多數(shù)情況下推桿上下運(yùn)動(dòng)一次，推出一顆藥片[10，11]。

圖2 藥片儲(chǔ)藥出藥模塊

圖3 藥片儲(chǔ)藥出藥裝置與曲柄部分的連接

針對(duì)氣泵負(fù)壓吸藥，對(duì)其具體數(shù)學(xué)模型采用近似的解。根據(jù)文獻(xiàn)查閱，相應(yīng)的計(jì)算公式如下：

上式中：F為理論吸附力大小，kg（f公斤力）；P為絕對(duì)壓力，為微型真空泵的絕對(duì)真空度，kPa（千帕）；S為吸盤面積，為吸盤有效面積，cm2。

本產(chǎn)品中，推桿中間的氣孔直徑D=0.4 cm，有效吸盤面積為S=π×D2/4=0.12 566 cm2

選用的型號(hào)為VN-T4型號(hào)的氣泵，真空度為60 kPa，理論上能提供的抽吸壓力壓強(qiáng)為：

負(fù)壓通孔理論上能在豎直方向上吸附0.3 kg的物體，而常見(jiàn)的藥物通常僅有0.3 g左右，考慮到氣孔吸住藥片時(shí)吸盤有效面積不是整個(gè)氣孔孔口，但理論吸附質(zhì)量遠(yuǎn)大于單粒藥片，所以可以極大程度上增加頂出藥片的幾率。

曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)是其運(yùn)動(dòng)的主要形式，其中所受最大應(yīng)力的應(yīng)是曲柄與滑塊連接銷所受剪切力，主要對(duì)此連接銷進(jìn)行了有限元分析，即可驗(yàn)證其強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。將藥片出藥系統(tǒng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，由于兩側(cè)裝置對(duì)稱，因此在導(dǎo)入網(wǎng)格時(shí)僅考慮一邊的受力情況即可，只保留一半進(jìn)行分析，模型所采用的材料為聚酯樹(shù)脂，所有的零件之間都建立解除對(duì)，兩接觸面之間所設(shè)置的摩擦系數(shù)為0.05，載荷在曲柄的最外側(cè)施加切向力100 N，施加邊界條件后劃分網(wǎng)格進(jìn)行求解得到的連接銷模型應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖4、圖5所示。

表1 智能機(jī)械藥盒主要材料屬性參數(shù)

圖4 連接銷工作部位應(yīng)力圖

圖5 連接銷應(yīng)變圖

2.2 膠囊儲(chǔ)藥出藥裝置設(shè)計(jì)

膠囊儲(chǔ)藥出藥裝置由一個(gè)下端接圓錐的類圓柱空心儲(chǔ)藥筒、膠囊傳輸桿、出藥滾子和膠囊導(dǎo)軌組成，出藥滾子可沿軸線旋轉(zhuǎn)，裝配關(guān)系如圖6所示。儲(chǔ)藥室下部為一偏心圓錐，底部有與膠囊直徑相符合的開(kāi)孔，且開(kāi)孔銜接于一傾斜空心傳輸桿，傳輸桿末端的開(kāi)口長(zhǎng)度與膠囊長(zhǎng)度相當(dāng)，且位于開(kāi)口下端的出藥滾子上的凹槽也與其配合，保證在大多數(shù)情況下，出藥滾子旋轉(zhuǎn)一周，只排出一粒膠囊。

圖6 膠囊儲(chǔ)藥出藥裝置裝配關(guān)系

2.3 可獨(dú)立控制的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

藥片、膠囊系統(tǒng)皆包含兩組（分別對(duì)應(yīng)兩種藥片、膠囊藥物）機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)齒輪的兩側(cè)分別裝有兩個(gè)剛性齒形表面方向相反的棘輪，當(dāng)傳動(dòng)齒輪朝著排出某類藥片或膠囊的對(duì)應(yīng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只有與其對(duì)應(yīng)的棘輪在棘爪的帶動(dòng)下隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而另一側(cè)的棘輪曲柄會(huì)因剛性齒形表面的摩擦力而保持靜止，反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)則排出另一類藥片或膠囊，實(shí)現(xiàn)不同種類藥物的獨(dú)立計(jì)數(shù)。用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)做動(dòng)力源分別控制兩個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)裝置的獨(dú)立控制。

本結(jié)構(gòu)的動(dòng)力元件為步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，此處選擇齒輪所受應(yīng)力最大的一對(duì)齒輪進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核此處兩齒輪相同，齒數(shù)均為20，模數(shù)為2 mm，分度圓直徑為20 mm，壓力角為20°，所承載的扭矩T=2 kN·m。

根據(jù)文獻(xiàn)查閱，直齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度公式如下：

KH為接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的載荷系數(shù)：

式中ZH為區(qū)域系數(shù)，ZE為彈性影響系數(shù)，Zε為基礎(chǔ)疲勞強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)。

由公式可計(jì)算出此機(jī)構(gòu)中齒輪接觸疲勞強(qiáng)度為9.36e7 N/mm2小于許用應(yīng)力，故該設(shè)計(jì)中傳動(dòng)齒輪應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核通過(guò)。

圖7 藥片棘輪機(jī)構(gòu)（左）與膠囊棘輪機(jī)構(gòu)（右）

圖8 步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪在藥片部分（左）、膠囊部分（右）的裝配關(guān)系

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)流程圖

控制系統(tǒng)主要采用STC15F2K60S2型集成CPU作為主控芯片，共使用兩個(gè)，分別控制藥片部分和膠囊部分的獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)之間的配合銜接、時(shí)序控制、和反饋信號(hào)檢測(cè)，其控制流程圖如圖9所示[12，13]。

圖9 智能機(jī)械藥盒控制系統(tǒng)流程圖

3.2 電路原理圖

藥盒電路主要由集成主板部分、時(shí)序控制部分、語(yǔ)音提醒部分、動(dòng)力傳輸部分、取藥計(jì)數(shù)部分、輔助震蕩部分組成，其原理圖如圖10所示[14]。

圖10 藥片部分與膠囊部分的電路原理圖

4 應(yīng)用效果

使用前由親屬或看護(hù)人員等將需長(zhǎng)期服用的藥片與膠囊存放于對(duì)應(yīng)的藥物儲(chǔ)藥罐（筒）內(nèi)，并按醫(yī)囑完成各類藥物服用時(shí)間、服用劑量以及響鈴提醒時(shí)間等基礎(chǔ)參數(shù)的錄入。接通電源后，智能機(jī)械藥盒將在設(shè)定服藥時(shí)間響鈴提醒患者，患者從收集袋中取出藥物及時(shí)服用即可。該智能機(jī)械藥盒相比于傳統(tǒng)藥盒更便捷、更安全、智能化程度高，能有效提升中老年慢性病患者群體的醫(yī)療舒適度，為患者的康復(fù)提供客觀保障。

5 結(jié)論

智能機(jī)械藥盒設(shè)計(jì)利用了藥片和膠囊的特性，能兼容市場(chǎng)上的大多數(shù)藥物，實(shí)現(xiàn)不同種藥物的定時(shí)定量排出。該智能機(jī)械藥盒通過(guò)負(fù)壓、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、棘輪傳感器計(jì)數(shù)等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了藥片和膠囊藥物高效穩(wěn)定的出藥，同時(shí)盡可能減少藥盒中的動(dòng)力源數(shù)量，節(jié)約了成本，降低了編程難度，減小了藥盒體積。多種傳感器的運(yùn)用使得藥物計(jì)數(shù)方便、可靠。順應(yīng)生活用品數(shù)字化、智能化、可靠化的時(shí)代趨勢(shì)，家居智能機(jī)械藥盒必將會(huì)得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。