专利名称：全自动中药配方系统的制作方法
技术领域本系统属于中医药设备，它结合机械设计、数学组合算法及计算机控制技术，实现按中药处方作全自动中药原生药材配方的过程。达到节约劳力，降低成本，提高效率，提高称量精度等目的。
背景技术目前市面上尚无能够实现中药原生药材自动配方的同类产品，通过专利检索和资料查询，仅有2000年申请号为00138087的“自动抓药机”，但我认为其设计方案不能实现，并且已于2006年停止专利保护，另有上海交通大学研制成功的“中药智能配方系统”，但其产品是用于中药配方颗粒(而非原生药材)的配方，且设计成本较高。
发明内容本系统用于解决原生中药材的自动配方问题。采用计算机控制，组合药箱盛药，螺旋推进送药，组合称量称药，回流装置回药，包装系统包药的技术方案，应用多次称量取组合的方法，能够高效率，高精度，全自动地完成中药处方的原生药材配方过程。具有较高的技术价值和广阔的市场前景。
它分为组合药箱(1)，螺旋送药系统(8)，驱动轨道(2)，称量系统(3)，计算机——单片机控制系统(5，6)，包装系统(7)，和必要的控制电路。其中称量系统，计算机——单片机控制系统是整个系统的核心。下面依次说明各个部分的结构及其功能。组合药箱是盛装原生药材的容器，其作用和传统中药房的药箱相当。可根据中药房具体的中药种类数设定药箱数量，所有单个药箱按层次(比如五层)排列成圈，形成组合药箱如图1所示(为简化作图，图1仅画出了一层组合药箱)，单个药箱底部为倾斜的漏斗状，各层之间设置一个竖直的在各层均有能和称量系统(3)的存药斗(12)对准的横向开口的送药管道(4)，送药管道(4)底部连接包装系统(7)。每个药箱底部安装一个螺旋送药系统如图2所示，其作用是在计算机——单片机控制系统的控制下，为称量系统送药。螺旋送药系统(8)外面是圆柱形套管，套管里面是直径和螺距都足够大(能通过所有的中药为度)的螺旋，螺旋中间是轴，轴两端穿过圆柱形套管两端的底部的轴承，轴的一端接有能被电磁铁吸合的轮盘(9)，轮盘轴孔上设置轴销，使其能沿轴作1毫米的水平移动，但不能相对于轴作圆周运动，圆柱形套管和螺旋精密结合，圆柱形套管在螺旋结束的两端分别开有向上和向下的口，圆柱形套管在与药箱底部的连接处成圆弧状，圆柱形套管和药箱底部可以水平连接，也可以根据试验成一定的向下的倾斜角连接。驱动轨道按组合药箱的层次，在水平面上内外各处等距的两圈绕各层组合药箱(1)成环形，其作用是为称量系统提供移动轨道，在轨道与每个药箱正对的位置上安装一块永久磁铁，其作用是为称量系统的磁敏传感器的磁敏探头提供定位探测点。称量系统在计算机——单片机系统的控制下，由轨道电机(17)驱动轨道轮(25)沿轨道移动到指定药箱称量指定重量的药材并将称量结果保存，配方完成后称量系统把称量结果通过送药管道交给包装系统。包装系统的作用就是把称量系统交过来的配方结果打包成袋，交给用户，包装系统采用现有的包装设备，不作另外设计。计算机——单片机控制系统为用户提供人机交互接口，并通过控制电路，控制全局，指挥系统各部分有机协调地工作。控制电路如图5所示，称量系统中的电子天平(16)及磁敏传感器通过串口和计算机(6)连接，计算机和单片机(5)也通过串口连接，单片机和驱动电路(26)连接，驱动电路再和继电器(27)的线圈连接，继电器的负载端和工作电路(28)连接，驱动电路驱动一组继电器，每个继电器的负载端连接一个工作电路，一个工作电路连接一个用电设备包括电机，电磁铁，包装系统。计算机——单片机控制系统，通过控制各个继电器的开关时间分别控制各个部分的精确动作。
下面详细介绍称量系统和计算机——单片机控制系统。称量系统由电子天平(16)，组合秤盘(10)，轨道电机，动力电机(13)，存药斗(12)，回流装置(11)，称量系统壳体(29)和磁敏传感器组成。其中电子天平负责称量重量，并通过串口和计算机通信，把数据实时发送给计算机处理。组合秤盘(10)下端通过轴和电子天平重量传感器固定连接，轴体穿过固定在称量系统壳体(29)上的轴孔，能敏感地上下移动，轴的上端竖直固定连接旋转电机(24)，旋转电机的电机壳上固定一个磁敏传感器的磁敏探头，旋转电机的轴上设置一组电刷，每个电刷连接一个组合秤盘小格的微电机，旋转电机轴的上端连接一个圆形支撑盘(30)，圆形支撑盘的下表面一个能与旋转电机壳上的磁敏探头对应的圆周上与每个组合秤盘小格对应的位置安装一块永久磁铁，其作用是为磁敏探头提供定位探测点，当磁敏探头探测到圆形支撑盘上的永久磁铁经过，就传感一个信号再通过磁敏传感器的采样电路转化成一个计算机能识别的脉冲信号传给计算机，实现对组合秤盘小格的精确定位。圆形支撑盘(30)上等角度地连结10个组合秤盘小格，每个小格俯视面成扇形，水平侧视面上沿成直线，下沿成抛物线形，组合秤盘小格底部固定连接半圆形齿轮(22)，齿轮的轴在组合秤盘小格重心的外侧，轴的两端穿过固定在圆形支撑盘(30)上竖直支起的轴承上，半圆形齿轮的靠内侧斜下方安装有由微电机驱动的小齿轮(23)(微电机在图中未画出，仅以与其连接的齿轮(23)表示)，旋转电机(24)在计算机控制下任意旋转组合秤盘的上面部分，微电机在计算机控制下使得每个小格能独立分流，它在计算机控制下把指定的小格通过旋转与螺旋送药系统对准接受螺旋送药系统的药，并在计算机控制下通过旋转或者把指定的小格与存药斗对准再通过微电机把称量出的结果送给存药斗或者与回药斗对准通过微电机把称量结果送给回药斗(15)；称量系统通过轨道轮(25)置于驱动轨道(2)上面，能在轨道上水平移动，其组合秤盘(10)的内侧小格能和螺旋送药系统(8)的套管的向下的开口对准。动力电机(13)位于组合秤盘(10)的上方，固定在称量系统壳体(29)支架上，电磁吸盘(14)固定在动力电机(13)的轴上，动力电机(13)的轴上装有电刷，电刷连结电磁吸盘(14)的两个电极，动力电机(13)的位置是在称量系统(3)沿驱动轨道(2)移动时，电磁吸盘(14)能和螺旋送药系统(8)的轮盘(9)对准。轨道电机在计算机控制下驱动称量系统沿轨道移动到指定的药箱，然后计算机控制电磁吸盘(14)与轮盘(9)吸合再控制动力电机旋转从而驱动螺旋送药系统。存药斗固定在与回药装置(11)相对的另一侧称量系统壳体(29)上，其结构和组合秤盘小格类似，所不同的是尺寸更大，也装有微电机在计算机控制下，保存组合秤盘中10个小格中符合要求的称量结果，最后通过送药管道交给包装系统。回流装置把组合秤盘中10个小格中不符合要求的称量结果送回组合药箱，其结构如图4，位于组合秤盘(10)下侧的称量系统壳体(29)上，安装有一段水平螺旋(19)，水平螺旋(19)内侧一端装有电机(电机未画出)，它在计算机控制下水平移动与螺旋啮合的回流装置底座(20)，水平螺旋(19)上表面安装有和水平螺旋(19)啮合的回流装置底座(20)，回流装置底座(20)两侧精密接触固定在称量系统壳体(29)上的滑槽，回流装置底座(20)的外侧固定安装有竖直的滑槽和一段竖直螺旋(18)，竖直螺旋(18)的下端在回流装置底座(20)上装有电机(电机未画出)，它在计算机控制下垂直移动与螺旋啮合的滑块(21)，滑块(21)精密包含在竖直的滑槽内，和竖直螺旋(18)啮合，滑块(21)上装有回药斗(15)，回药斗(15)的结构和组合秤盘小格结构类似，所不同的是回药斗(15)的容积为组合秤盘小格的10倍，且俯视面成正方形，回药斗能在移动到组合药箱上面的时候通过控制微电机把药倒回药组合箱。磁敏传感器安装在称量系统壳体的底部能探测到轨道上的永久磁铁的位置，当称量系统在轨道上移动时，磁敏传感器的磁敏探头传感一个信号再通过磁敏传感器的采样电路转化成一个计算机能识别的脉冲信号传给计算机，实现称量系统在轨道上的精确定位。
计算机——单片机控制系统由计算机(6)和单片机(5)组成。计算机和四方通信操作员，电子天平，磁敏传感器和单片机。计算机中运行一个中药管理系统的软件，其作用和现在药房所采用的中药管理软件相当，负责提供人机交互界面，药单生成，药单合法性确认，库存统计等工作，同时还要运行一个控制全自动中药配方系统的控制软件，中药管理系统提供和控制全自动中药配方系统的控制软件通信的软件接口。全自动中药配方系统的控制软件从中药管理系统的数据库中读取用户处方信息，完成配方过程。首先，操作员在中药管理系统中输入中药处方单及处方剂数并发出确认命令，中药管理系统首先判断输入是否合法(比如输入的中药本药店是否具有)，若输入非法，则提示用户，否则控制全自动中药自动配方系统的软件从中药管理系统的数据库中读入整个处方，然后所有的药按所在的组合药箱的层数(假定五层)分为五类，再把每一类按那一层药的存放顺序排序，接着同时分别控制每一层的称量系统完成所在层的那一类中药的配方。以第一层为例，首先读入第一类的第一味中药的数据，控制称量系统在轨道电机驱动下移动到指定的药箱，接着它控制螺旋给料系统为称量系统送药，在此过程中，它通过电子天平发来的数据作实时监控，计算机接收电子天平传来的数据后作必要的运算处理，发出控制命令到单片机，单片机再通过控制电路执行命令，最终控制称量系统称量出指定的重量，接着进行下一味药的称量，直到把本类的所有中药配方完成后它控制称量系统把称量结果通过送药管道交给包装系统，等到各层的称量系统都完成了所在类的配方后，包装系统把各层送来的结果打包成袋交给用户，一轮配方结束。若有多剂药，则循环上面的配方过程直到结束。这个软件的具体原理放在“具体实施方式
”中详细讲解。以上所述的轨道电机和旋转电机通过磁敏传感器的控制信号来控制其精确动作，其余电机通过控制其通电时间长度来控制其动作。
图1是全自动中药配方系统的整体结构示意图，图中仅画出一层的情况，实际情况可以是多层组合药箱，各层分别有各层的驱动轨道和称量系统，一套计算机——单片机控制系统同时控制多个称量系统并行工作。图2是组合药箱中单个药箱及其与螺旋送药系统的连接示意图。图3是称量系统的一个立体结构示意图。图4是称量系统的一个剖面图。图5为控制电路示意图。
具体实施方式
第一步，用户把处方和剂数输入计算机的中药管理系统，生成处方并确认。
第二步，用户确认便激发控制全自动中药自动配方系统的软件，其工作过程如下 1.把输入的处方中所有的中药按所在组合药箱的不同层分类并按存放顺序排序。(以下按一层的配方叙述，各层并行) 2.然后读取分类中第一味药的重量数据a，再计算 3.控制称量系统移动到指定的这味中药的药箱，再控制旋转电机把组合秤盘旋转到第一个组合秤盘小格，然后控制螺旋送药系统向组合秤盘的第一个组合秤盘小格送药，并实时监控电子天平传回的数据，其值记为x，当控制螺旋送药系统继续送药，当则停止送药，并把x的值赋给a1，即 a1＝x.(其中，m为所称量的这种中药单粒的平均重量) 4.计算集合{a1}中元素的所有组合记为C1，C2，…，Cn1。(其中，Ci表示第i种组合所得到的重量)，事实上这个单元素集合只有一个组合，一般也不可能满足要求，这里只是为了叙述问题的完整性。
5.取{|Ci-a|}中最小的那个值，记为M＝min{|Ci-a|}，其中i∈{1，2，…，n1} 6.若|M-a|≤k，则控制使得|Ci-a|取最小值的那个Ci所对应的那些组合秤盘小格把称量结果送入存药斗，其余组合秤盘小格通过回流装置送回药箱，并把M的值返回给中药管理系统，作为系统检测各药箱剩余药量的源数据，这一味中药配药成功，称量系统继续移动，依次完成后面几味药的配方。(其中k是我们设定的称量精度，M是称量的实际结果) 7.若|M-a|＞k，则控制组合秤盘旋转到下一个组合秤盘小格，然后控制螺旋送药系统向组合秤盘的第二个组合秤盘小格送药，并实时监控电子天平传回的数据，当时，控制螺旋送药系统继续送药，当时，停止送药，并把x-a1的值赋给a2，即a2＝x-a1. 8.计算集合{a1，a2}中元素的所有组合记为C1，C2，…，Cn2。
9.取{|Ci-a|}中最小的那个值，记为M＝min{|Ci-a|}，其中i∈{1，2，…，n2} 10.若|M-a|≤k，则控制使得|Ci-a|取最小值的那个Ci所对应的那些组合秤盘小格把称量结果送入存药斗，其余组合秤盘小格通过回流装置送回药箱。并把M的值返回给中药管理系统，作为系统检测各药箱剩余药量的源数据，这一味中药配药成功，称量系统继续移动，依次完成后面几味药的配方。
11. 若|M-a|＞k，则控制组合秤盘旋转到下一个组合秤盘小格，然后控制螺旋送药系统向组合秤盘的第三个组合秤盘小格送药，并实时监控电子天平传回的数据，当时，控制螺旋送药系统继续送药，当时，停止送药，并把x-a1-a2的值赋给a3，即a3＝x-a1-a2 12.依次类推，若在上面的某一步完成了配药，则称量系统继续移动，依次完成后面几味药的配方。若直到旋转到第九个组合秤盘小格都还没有完成配方，则控制组合秤盘旋转到下一个组合秤盘小格，然后控制螺旋送药系统向组合秤盘的第十个组合秤盘小格送药，并实时监控电子天平传回的数据，当时，控制螺旋送药系统继续送药，当时，停止送药，并把x-a1-a2-…-a9的值赋给a10，即a10＝x-a1-a2-…-a9 13.计算集合{a1，a2，…，a10}中元素的所有组合记为C1，C2，…，Cn10 14.取{|Ci-a|}中最小的那个值，记为M＝min{|Ci-a|}，其中i∈{1，2，…，n10} 15.若|M-a|≤k，则控制使得|Ci-a|取最小值的那个Ci所对应的那些组合秤盘小格把称量结果送入存药斗，其余组合秤盘小格通过回流装置送回药箱。并把M的值返回给中药管理系统，作为系统检测各药箱剩余药量的源数据，这一味中药配药成功，称量系统继续移动，依次完成后面几味药的配方。
16.若|M-b|＞k，则控制组合秤盘中的10个组合秤盘小格的称量结果全部通过回流装置送回药箱，然后循环执行上面3至15的过程。
17.循环执行上面3至15的过程，若循环次数在三次内完成了配药，则称量系统继续移动，依次完成后面几味药的配方。
18.循环执行上面3至15的过程，若循环次数在三次内仍未完成了配方，则系统报警，人工处理。
19.类似地循环执行以上2至18的步骤，完成第二味，第三味……直到本层所在的类的所有中药的配方。
20.控制称量系统移动到送药管道，把存药斗中的称量结果交给包装系统，完成了本层本处方第一剂的配方。
21.等到各层的称量系统都完成了各层的配方后，控制包装系统把中药打包给用户，完成了本处方的第一剂的配方。
22.若本处方只有一剂，则配药结束，若有多剂，则类似地循环执行上面2至21的步骤，直到完成本处方的每一剂的配方。
下面对以上步骤作必要的说明，令是因为从十个数中取组合数，组合数较多的是四个的组合，五个的组合，六个的组合，要让尽可能多的组合的值在a附近，故令控制条件中的表达式是为了让每个小格的重量都均匀分布在b的两侧，保证下面的组合尽可能符合条件。3至15的循环步骤一般能在中间某一步结束，而不会执行16、17步，大多数药材单粒平均重量m都很小，当称量出第五个小格a5的时候，a1+a2+a3+a4+a5即为符合要求的那个组和，此时不会有送回回流装置的步骤，对于少量单粒平均重量m较大的药材，当程序执行到13步时，集合{a1，a2，…，a10}中元素的所有组合C1，C2，…，Cn10已经非常多，一般能从中找出符合精度的组合来。我们以称量20g，单粒药材平均重量为5g为例，当执行到13步时，在四个，五个，六个的所有组合中，根据上面的控制条件有其中Ci∈{C1，C2，…，Cn10}，而在十个数中取四个，五个，六个的组合数为672，即假定这672个组合均匀分布在(6，39)这个区间内，则每隔0.049就有一个组合，当然有我们需要的那个组合Ci使得|Ci-20|≤k，事实上，所有的组合应该符合正态分布，在20的附近分布得更密集，精度还会更高。采用这种组合称量的原因是原生中药材形状的不规则性，如果单次称量，一般都达不到要求的精度，这也是我认定申请号为00138087的“自动抓药机”其设计方案不能实现的原因，以上面的称量为例，假定某个时刻秤盘中的重量为19克，当然得继续送药，可是很有可能下一块药就超过5克，总重量超过24克。组合的计算及精度判断方法可以按如下步骤进行，当称量出{a1}时，只有一个组合{a1}，判断a1是否符合精度，当称量出{a1，a2}时，不包含a2的组合都已经判断过了，故只用计算出包含a2的所有组合{a1+a2，a2}，方法是在原有的每个组合的基础上加a2，最后再添加一个组合a2，后面的步骤类似地依次进行，当程序执行到称量出{a1，a2，…，a10}时，总共会执行1023次判断，虽然这个次数相对于人来说较大，但对于计算机来说却非常迅速，判断次数足够多，正是能够找出符合精度要求的组合的前提。组合秤盘小格的个数可以根据实验作实际设定，比如还可以设置为12个，个数越多越能组合出符合要求的重量，但过程也越复杂。组合称量在全自动中药配方系统中的应用，正是用机械的办法巧妙地模拟了药剂师在称药过程中反复的抓入抓出换来换去的复杂而费事的称量过程，实现了比人工称量更高的精度控制和更高的工作效率。
权利要求1.一种全自动中药配方系统，其特征在于包含组合药箱(1)，螺旋送药系统(8)，驱动轨道(2)，称量系统(3)，计算机(6)——单片机(5)控制系统，包装系统(7)，和控制电路，所述的组合药箱(1)由单个药箱水平排列成圈，再根据中药种类数分为若干层，各层之间设置一个竖直的在各层均有能和称量系统(3)的存药斗(12)对准的横向开口的送药管道(4)，送药管道(4)底部连接包装系统(7)，单个药箱底部为倾斜的漏斗状，所述的螺旋送药系统(8)外面是圆柱形套管，套管里面是直径和螺距都足够大以能通过所有的中药为度的螺旋，螺旋中间是轴，轴两端穿过圆柱形套管两端的底部的轴承，轴的一端接有能被电磁铁吸合的轮盘(9)，轮盘(9)的轴孔上设置轴销，圆柱形套管和螺旋精密结合，圆柱形套管在螺旋结束的两端分别开有向上和向下的口，圆柱形套管在与药箱底部的连接处成圆弧状，圆柱形套管和药箱底部可以水平连接，也可以根据试验成一定的向下的倾斜角连接，所述的驱动轨道(2)在水平面上内外各处等距的两圈绕各层组合药箱(1)成环形，在轨道与每个药箱正对的位置上安装一块永久磁铁，所述的称量系统(3)由电子天平(16)，组合秤盘(10)，轨道电机(17)，轨道轮(25)，动力电机(13)，电磁吸盘(14)，存药斗(12)，回流装置(11)，称量系统壳体(29)和磁敏传感器组成，称量系统通过轨道轮(25)置于驱动轨道(2)上面，能在轨道上水平移动，其组合秤盘(10)的内侧小格能和螺旋送药系统(8)的套管的向下的开口对准，所述的计算机——单片机控制系统包括单片机(5)和计算机(6)，计算机(6)内运行一个中药管理系统和一个控制全自动中药配方系统的控制软件，单片机(5)中运行一个能识别计算机中控制软件所发出的控制命令的程序，计算机(6)通过串口和电子天平(16)、磁敏传感器、单片机(5)连接，单片机(5)和驱动电路(26)连接，所述的控制电路由计算机(6)和电子天平(16)、磁敏传感器、单片机(5)之间的串口数据线，单片机(5)和驱动电路(26)间的信号线，驱动电路(26)，继电器(27)、工作电路(28)组成。
2.如权利要求1所述的全自动中药配方系统，其特征在于所述的组合秤盘(10)下端通过轴和电子天平的重量传感器固定连接，轴体穿过固定在称量系统壳体(29)上的轴孔，能敏感地上下移动，轴的上端竖直固定连接旋转电机(24)，旋转电机的电机壳上固定一个磁敏传感器的磁敏探头，旋转电机的轴上设置一组电刷，每个电刷连接一个组合秤盘小格的微电机，旋转电机轴的上端连接一个圆形支撑盘(30)，圆形支撑盘的下表面一个能与旋转电机壳上的磁敏探头对应的圆周上与每个组合秤盘小格对应的位置安装一块永久磁铁，圆形支撑盘(30)上等角度地连结10个组合秤盘小格。
3.如权利要求1或2所述的全自动中药配方系统，其特征在于所述的组合秤盘(10)的每个组合秤盘小格俯视面成扇形，水平侧视面上沿成直线，下沿成抛物线形，组合秤盘小格底部固定连接半圆形齿轮(22)，齿轮的轴在组合秤盘小格重心的外侧，轴的两端穿过固定在圆形支撑盘(30)上竖直支起的轴承上，半圆形齿轮的靠内侧斜下方安装有由微电机驱动的小齿轮(23)。
4.如权利要求1所述的全自动中药配方系统，其特征在于所述的回流装置(11)的结构包括位于组合秤盘(10)下侧的称量系统壳体(29)上，安装有一段水平螺旋(19)，水平螺旋(19)内侧一端装有电机，水平螺旋(19)上表面安装有和水平螺旋(19)啮合的回流装置底座(20)，回流装置底座(20)两侧精密接触固定在称量系统壳体(29)上的滑槽，回流装置底座(20)的外侧固定安装有竖直的滑槽和一段竖直螺旋(18)，竖直螺旋(18)的下端在回流装置底座(20)上装有电机，滑块(21)精密包含在竖直的滑槽内，和竖直螺旋(18)啮合，滑块(21)上装有回药斗(15)，回药斗(15)的结构和组合秤盘小格结构类似，所不同的是回药斗(15)的容积为组合秤盘小格的10倍，且俯视面成正方形。
5.如权利要求1所述的全自动中药配方系统，其特征在于所述的动力电机(13)位于组合秤盘(10)的上方，固定在称量系统壳体(29)支架上，电磁吸盘(14)固定在动力电机(13)的轴上，动力电机(13)的轴上装有电刷，电刷连结电磁吸盘(14)的两个电极，动力电机(13)的位置是在称量系统(3)沿驱动轨道(2)移动时，电磁吸盘(14)能和螺旋送药系统(8)的轮盘(9)对准。
6.如权利要求1所述的全自动中药配方系统，其特征在于所述的存药斗(12)固定在与回药装置(11)相对的另一侧称量系统壳体(29)上，其结构和回药斗(15)类似，所不同的是尺寸更大。
7.如权利要求1所述的全自动中药配方系统，其特征在于所述的控制电路的驱动电路(26)驱动一组继电器(27)，每个继电器(27)的负载端连接一个工作电路(28)，一个工作电路(28)连接一个用电设备包括电机，电磁铁，包装系统。
专利摘要一种名为全自动中药配方系统，能实现按中药处方作全自动中药原生药材配方的中医药设备。它结合机械设计，数学组合算法及计算机控制技术，分为组合药箱(1)，螺旋给料系统(8，)，驱动轨道(2)，称量系统(3)，计算机——单片机控制系统(5，6)，包装系统(7)和必要的控制电路。其中称量系统，计算机——单片机控制系统是整个系统的核心。采用计算机控制，组合药箱盛药，螺旋推进送药，组合称量称药，回流装置回药，包装系统包药的技术方案。组合称量在全自动中药配方系统中的应用，正是用机械的办法巧妙地模拟了药剂师在称药过程中反复的抓入抓出换来换去的复杂而费事的称量过程，实现了比人工称量更高的精度控制和更高的工作效率。
文档编号A61J3/00GK201558311SQ20092024323
公开日2010年8月25日 申请日期2009年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者陈晴雷 申请人:陈晴雷