摘 要：為解決現(xiàn)有醫(yī)藥配送機(jī)器人空間容量小、智能化程度低、配送過程藥品防護(hù)不到位等問題，基于醫(yī)院實(shí)際工況提出合理性解決方案。以TRIZ理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用創(chuàng)新工具對配送機(jī)器人各部分進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，完成拖車式醫(yī)藥配送機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計，并通過樣機(jī)驗證了方案的可行性。所設(shè)計的醫(yī)藥配送機(jī)器人在拖車式結(jié)構(gòu)和立式循環(huán)車廂配合下極大地提高了容積，采用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)藥品的取放，大大提高了智能化程度，自適應(yīng)底盤的設(shè)計增加了對藥品的防護(hù)性。該機(jī)器人運(yùn)行過程不需要人為介入即可穩(wěn)定、可靠地完成整個藥品配送過程，有效解決了現(xiàn)有藥品的配送難題，具有廣闊的推廣運(yùn)用價值。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；藥品配送；拖車式機(jī)器人；循環(huán)車廂

中圖分類號：TH122; TP242文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-5276（2024）03-0199-05

Design of Medicine Distribution Robot Based on TRIZ Theory

Abstract：In order to solve the problems of small space capacity， low degree of intelligence， and inadequate drug protection during the distribution process of the existing medical distribution robots， a reasonable solution is proposed based on the actual working conditions of the hospital. On the basis of TRIZ theory， innovative tools are used to innovatively design all parts of the distribution robot， complete the structural design and control system design of the trailer-type medical distribution robot， and the feasibility of the scheme is verified through prototype. The designed medicine distribution robot greatly increases the volume under the cooperation of the trailer structure and the vertical circulation carriage. The taking of medicines by means of robotic arm greatly improves the degree of intelligence， and the design of the adaptive chassis enhances the protection of medicines. The robot can complete the entire drug distribution process stably and reliably with no human intervention in the running process， which effectively solves the problem of existing drug distribution， and has broad promotion and application value.

Keywords：TRIZ theory; drug delivery; trailer-mounted robots; circulating carriages

0 引言

近年來因為疫情等因素的影響導(dǎo)致醫(yī)療服務(wù)的需求逐年增加，醫(yī)護(hù)人員缺口日益顯著。由于病毒的高傳染性和高隱蔽性導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員在配送藥物時需要多層防護(hù)，其過程繁瑣且存在感染風(fēng)險，醫(yī)護(hù)人員工作強(qiáng)度和壓力巨大。隨著近年來機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展，各領(lǐng)域積極結(jié)合機(jī)器人技術(shù)打造智能化產(chǎn)業(yè)［1］，國內(nèi)外眾多學(xué)者對醫(yī)藥配送機(jī)器人做了深入研究［2］。從TRC公司研制的第一款名為“Helpmate”的醫(yī)藥配送機(jī)器人［3］到中國海洋大學(xué)研制的“海樂?！贬t(yī)用機(jī)器人［4］，機(jī)器人正代替醫(yī)護(hù)人員完成醫(yī)療設(shè)備、藥品以及食物等配送工作［5-6］。目前，醫(yī)藥配送機(jī)器人的研究熱點(diǎn)主要集中在機(jī)器人的導(dǎo)航定位等控制技術(shù)［7-8］。想要機(jī)器人更高效可靠配送藥品，不僅要提升機(jī)器人導(dǎo)航定位能力和配送速度，更應(yīng)該改進(jìn)機(jī)器人自身容積和提升藥品配送過程中的防護(hù)措施。因此，利用TRIZ理論對醫(yī)藥配送機(jī)器人的方案進(jìn)行合理設(shè)計，擴(kuò)展配送機(jī)器人的有效容積，增加藥品配送過程中的防護(hù)，提高機(jī)器人的智能化程度，對配送機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展具有積極意義。

1 TRIZ理論

TRIZ理論是前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒等研究人員在分析研究世界各國250萬件高價值專利后所提出的一種發(fā)明問題解決原理［9-10］。本文對醫(yī)藥配送機(jī)器人的設(shè)計主要采用了TRIZ理論中的物-場模型、技術(shù)關(guān)鍵和發(fā)明原理等內(nèi)容，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解和發(fā)明原理的啟發(fā)，結(jié)合專業(yè)知識對醫(yī)藥配送機(jī)器人進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計。

2 基于TRIZ理論的方案分析

2.1 系統(tǒng)的“物-場”模型構(gòu)建

現(xiàn)有單車體醫(yī)藥配送機(jī)器人通過移動底盤對配送車廂起到支撐和驅(qū)動作用。考慮到醫(yī)藥配送機(jī)器人在運(yùn)動過程中需要實(shí)現(xiàn)動態(tài)避障和路徑規(guī)劃等復(fù)雜功能，使得移動底盤需要占據(jù)較大空間，對配送車廂的容積產(chǎn)生了不利影響，兩者之間的物-場模型如圖1所示。F為移動底盤和配送車廂之間的機(jī)械場，S1為配送車廂，S2為移動底盤。

消除移動底盤和配送車廂之間不利因素的關(guān)鍵是不占用配送車廂空間的同時實(shí)現(xiàn)驅(qū)動導(dǎo)航等功能。通過物-場模型分析后發(fā)現(xiàn)，可通過引入外部物質(zhì)消除不利因素。將移動底盤的支撐和驅(qū)動導(dǎo)航等功能分離，引入新物質(zhì)S3（牽引車）來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動導(dǎo)航等復(fù)雜功能，僅保留移動底盤的支撐功能。根據(jù)圖2所示的物-場模型標(biāo)準(zhǔn)解可設(shè)計出一種拖車式醫(yī)藥配送機(jī)器人，在保證足夠儲藥空間的同時，可根據(jù)需要增加配送車廂的數(shù)量，極大地提高了配送效率。

2.2 醫(yī)藥配送機(jī)器人系統(tǒng)矛盾分析

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有配送機(jī)器人只能實(shí)現(xiàn)簡單的運(yùn)送功能，在物品存取階段仍需人為介入。為進(jìn)一步完善機(jī)器人的各項功能，提高配送機(jī)器人的智能化程度，不僅需要解決物品存取過程中的自動化問題，還應(yīng)結(jié)合拖車式結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化配送車廂。在調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，醫(yī)院的樓棟連接處會存在部分斜坡路面，由于配送藥品中會有液體存在，所以機(jī)器人在各類路面上行駛時應(yīng)該保證收納盒中藥品的平穩(wěn)性和安全性。

基于上述分析，結(jié)合TRIZ理論的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)得出系統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵。在解決機(jī)器人物品存取過程中自動化問題時，需要引入復(fù)雜物品輸送、存取結(jié)構(gòu)，使得整個裝置復(fù)雜性大大提高，即改善參數(shù)為自動化程度，惡化參數(shù)為裝置復(fù)雜性。通過增加儲存車廂容量提高單次藥品配送數(shù)量是提高配送效率的有效方式。但增加單次藥品配送數(shù)量會使整個儲存車廂體積變大，即改善參數(shù)為物質(zhì)或事物的數(shù)量，惡化參數(shù)為運(yùn)動物體的體積。為提高配送過程中藥品的穩(wěn)定和安全性，使配送機(jī)器人可適應(yīng)各類傾斜路面，就需要加入復(fù)雜的懸掛結(jié)構(gòu)等，即改善參數(shù)為適應(yīng)性和多用性，惡化參數(shù)為裝置復(fù)雜性。根據(jù)改善和惡化參數(shù)，結(jié)合表1中矛盾矩陣可得到解決工程問題的發(fā)明原理。

利用矛盾矩陣所列出的發(fā)明原理，結(jié)合設(shè)計需求和經(jīng)驗，對各個發(fā)明原理進(jìn)行分析篩選，最后優(yōu)選出15號（動態(tài)原則）、20號（有效作用的連續(xù)性）和24號（中介物原則）發(fā)明原理作為醫(yī)藥配送機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計的指導(dǎo)思路，各個發(fā)明原理細(xì)則如表2所示。

3 醫(yī)藥配送機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體方案設(shè)計

根據(jù)物-場模型標(biāo)準(zhǔn)解、15號、20號和24號發(fā)明原理的指導(dǎo)，對醫(yī)藥配送機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

根據(jù)前文分析，在物-場模型標(biāo)準(zhǔn)解的啟發(fā)下，將機(jī)器人整體設(shè)計為拖車式結(jié)構(gòu)。拖車式底盤結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。牽引車為兩輪差速式驅(qū)動，配送車廂底盤通過連接裝置與牽引車連接，拖車式結(jié)構(gòu)不僅使得機(jī)器人運(yùn)行更加靈活，還可根據(jù)需要改變配送車廂數(shù)量。

醫(yī)藥配送機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。由牽引車提供動力，通過激光雷達(dá)和攝像頭構(gòu)建地圖模型并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航避障功能；位于牽引車上部的顯示屏可實(shí)時顯示機(jī)器人的運(yùn)行信息和需配送藥品的患者信息，便于患者確定藥品，提高配送的準(zhǔn)確性。在配送藥品時，通過機(jī)械臂抓取藥品放置于立式循環(huán)車廂的收納盒中，待藥品配送至患者病床邊后，利用循環(huán)車廂將對應(yīng)藥品運(yùn)送至最高點(diǎn)，上蓋打開通過機(jī)械臂將藥品抓取放置患者床邊，完成配送過程［11］。

為防止藥品傾倒，提高機(jī)器人的道路適應(yīng)能力，保證機(jī)器人在斜坡路段運(yùn)行過程中使循環(huán)車廂保持水平狀態(tài)，運(yùn)用15號發(fā)明原理，將立式循環(huán)車廂支架與底盤分離，設(shè)計為如圖5所示的自適應(yīng)性底盤結(jié)構(gòu)。在底盤支架下端安裝萬向輪保證牽引車帶動時運(yùn)行的靈活性，在支架之間設(shè)置弧形導(dǎo)軌，通過滾輪配合支撐循環(huán)車廂支架。在機(jī)器人運(yùn)行至斜坡路段時，底盤支架由于地形作用發(fā)生傾斜，在重力作用下滾輪會沿弧形導(dǎo)軌滑動，使上端循環(huán)支架保持水平，進(jìn)而防止收納盒中的藥品傾倒。

3.3 機(jī)械手及收納盒設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主存取功能，運(yùn)用24號發(fā)明原理引入如圖6所示的機(jī)械手來完成藥品的存取，可使機(jī)器人自動化程度大大提高。在具體實(shí)施階段發(fā)現(xiàn)，雖然引入機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)藥品的存取，但藥品具有多種包裝形式，不同藥品抓取時需要機(jī)械手識別藥品并根據(jù)藥品包裝調(diào)節(jié)機(jī)械手抓取位姿，大大增加了機(jī)械手的控制難度。所以再次運(yùn)用24號發(fā)明原理引入如圖7所示的子收納盒。由于子收納盒形狀規(guī)整統(tǒng)一，在護(hù)士將需要配送的藥品有序放入子收納盒后，機(jī)械手直接抓取子收納盒存取即可，使機(jī)械手抓取時難度大大降低。

3.4 立式循環(huán)車廂設(shè)計

利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)存取功能提高了機(jī)器人的自動化程度，但傳統(tǒng)框架式存儲車廂需要較大空間來滿足機(jī)械臂篩選不同收納盒的需求。為保證有效提高儲存空間減小機(jī)械臂的運(yùn)行空間，運(yùn)用20號發(fā)明原理采用如圖8所示的立式循環(huán)車廂結(jié)構(gòu)。在存取藥品時，通過步進(jìn)電機(jī)和鏈傳動機(jī)構(gòu)配合驅(qū)動收納盒沿環(huán)形軌道運(yùn)動，在平衡齒輪的作用下保證收納盒始終處于水平狀態(tài)，當(dāng)對應(yīng)收納盒運(yùn)動至最高點(diǎn)后停止，上蓋打開機(jī)械臂存取藥品。由于機(jī)械臂在存取藥品時，對應(yīng)收納盒均可通過立式循環(huán)機(jī)構(gòu)送至最高點(diǎn)，所以機(jī)械臂的工作空間小，識別和定位收納盒中藥品難度低。整個立式循環(huán)車廂結(jié)構(gòu)緊湊，空間容量大，可有效提高配送效率。

4 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)如圖9所示，分為3層，分別是系統(tǒng)操作層、驅(qū)動層和硬件層［12］。操作層是機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制核心，采用MiniPC主機(jī)與遠(yuǎn)程PC從機(jī)組成的分布式ROS控制系統(tǒng)將各個功能模塊集成，用于機(jī)器人的上層決策。驅(qū)動層通過下位機(jī)預(yù)處理傳感器收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息。硬件層根據(jù)系統(tǒng)操作層發(fā)出的指令，完成對機(jī)器人的驅(qū)動。

4.2 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)如圖10所示，采用上/下位機(jī)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。以MiniPC作為上位機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)上層規(guī)劃與控制，以STM32作為移動導(dǎo)航平臺及循環(huán)車廂的下位機(jī)控制器、Arduino作為機(jī)械臂抓取平臺的下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂舵機(jī)的控制。移動導(dǎo)航平臺由驅(qū)動模塊、電源模塊、上/下位機(jī)控制器、帶編碼器裝置的電機(jī)以及激光雷達(dá)等組成。編碼器實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的測速，下位機(jī)完成底盤的里程計算，采用串口實(shí)現(xiàn)上/下位機(jī)間的通信，利用激光雷達(dá)采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)合SLAM算法完成機(jī)器人的自主導(dǎo)航功能。機(jī)械臂主要由本體、控制器和攝像頭組成，通過攝像頭對待抓物品進(jìn)行識別與定位，上位機(jī)控制機(jī)械臂的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)自主抓取功能。

5 設(shè)計計算與樣機(jī)實(shí)驗

5.1 循環(huán)車廂設(shè)計計算

對循環(huán)車廂中收納盒進(jìn)行合理布局是提升機(jī)器人存儲空間的關(guān)鍵。根據(jù)對各類藥品尺寸的調(diào)研分析，將收納盒尺寸設(shè)計為400mm×150mm×80mm，循環(huán)導(dǎo)軌的寬度為240mm?？紤]到在收納盒運(yùn)動至最高點(diǎn)時，若兩收納盒之間距離太近會發(fā)生干涉，距離太遠(yuǎn)又會浪費(fèi)配送車廂空間。圖11所示為兩收納盒發(fā)生干涉的臨界狀態(tài)，保證兩收納盒安裝距離大于弧長lAC（單位：mm）即可。其計算過程如下：

式中：lAC為弧長；d為直徑；b為弦長。

現(xiàn)有大多數(shù)藥品包裝高度小于200mm，綜合考慮兩收納盒之間的安裝距離，設(shè)計為200mm即可滿足使用要求。

5.2 樣機(jī)制作與實(shí)驗

根據(jù)設(shè)計方案制作拖車式醫(yī)藥配送機(jī)器人1∶1實(shí)驗樣機(jī)如圖12所示。在牽引車后端增加單個立式循環(huán)車廂和整個配送過程不需要人為介入的情況下，該樣機(jī)可自主完成藥品的配送過程。整個實(shí)驗過程機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)可靠，為后續(xù)對機(jī)器人的進(jìn)一步研制提供了實(shí)驗基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有醫(yī)藥配送機(jī)器人存在的不足，運(yùn)用TRIZ理論中的創(chuàng)新工具對醫(yī)藥配送機(jī)器人各部分進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計并制作了樣機(jī)完成配送實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果表明，該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)用不同場景下對藥品、食品的配送，緩解了醫(yī)院內(nèi)醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度及壓力，提高了醫(yī)院的智能化水平和藥品配送效率，推動了護(hù)理領(lǐng)域生活性服務(wù)業(yè)創(chuàng)新，改進(jìn)了服務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)了智能化、自動化、無人化，具有重要的工程實(shí)踐意義和廣闊的發(fā)展前景。

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