自动中药配药车及其配药方法与流程

本发明属于自动配药技术领域，具体涉及一种自动中药配药车及其配药方法。

背景技术：

目前，机械臂有液压驱动、气压驱动、电机驱动、机械驱动等驱动方式。液压驱动是利用液压油传递压力和能量，其优点是驱动力大，但由于油箱与机械臂的距离较远，其响应速度较慢；气压驱动是利用空气压力传递运动和动力，其优点是传动介质可压缩，其驱动力较小；电机驱动是利用电能转换为机械的方式进行输出，其优点转动精准、反应灵敏、有较大的驱动力。由此，电机驱动更适合智能运输中的机械臂。

随着工厂自动化、计算机集成制造系统技术逐步发展、以及柔性制造系统、自动化立体仓库的广泛应用。尤其是中药搬运环境中，药品搬运机器人只是简单的运输，不够智能化。目前，美国的大部分医院都运用了药品自动搬运机器人，可以将药房里的要准确定位的到达指定地点。中医药是中国传承千年的传统文化，传统中医药也越来越被世界所认知。中医药是打造“中国梦”中华民族复兴的重要内容，也是国家一带一路国策，走向世界的中国文化名片，关系到老百姓的医疗需求和健康保障。因此，设计一个自动中药配药车尤为重要，可以大大提高医院的效率，减少医院排队现象。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种自动中药配药车及其配药方法。

本发明自动中药配药车，包括行进机构、升降机构和配药机构。所述的行进机构包括底板(1)、编码器(2)、寻迹传感器(3)、直流电机(4)、车轮(5)和支撑轴(7)。所述的四个直流电机(4)两两一组对中固定在底板(1)的两侧。四个直流电机(4)与四个编码器(2)分别固定。所述编码器(2)输入轴的两端与对应直流电机(4)的输出轴及车轮(5)分别固定。所述h根支撑轴(7)的底端均与底板(1)固定，3≤h≤8。所述的两个寻迹传感器(3)对中固定在底板(1)的前端。两个寻迹传感器(3)的间距为25～40mm。

所述的升降机构包括光电传感器(8)、固定板(9)和丝杠导轨滑台。所述的固定板(9)与h根支撑轴(7)的顶端固定。所述的三个光电传感器(8)分别固定在固定板(9)的前端及两侧。所述的丝杠导轨滑台包括移动块(10)、滑台支架(11)、驱动电机(12)和丝杠(14)。所述的滑台支架(11)固定在固定板(9)上。所述的丝杠(14)通过轴承支承在滑台支架(11)上。所述的驱动电机(12)与滑台支架(11)固定；驱动电机(12)的输出轴与丝杠(14)的一端固定。丝杠(14)与固定在移动块(10)上的螺母构成螺旋副。移动块(10)与滑台支架(11)构成滑动副。

所述的配药机构包括抓药机械臂、称重机械臂、摄像头(15)、升降平台(16)和储药盒(17)。所述的升降平台(16)与升降机构内的移动块(10)固定。升降平台(16)顶面的两侧对中开设有两个矩形槽。两个储药盒(17)底部的矩形凸块分别放置在两个矩形槽内。所述的摄像头(15)固定在升降平台(16)的前端。

所述的抓药机械臂包括第一旋转舵机(19)、第一支架(20)、第一关节、夹持器和回药板(31)。所述的夹持器包括夹持架(22)、夹持舵机(23)和单爪(24)。所述的夹持舵机(23)固定在夹持架(22)上。所述的两个单爪(24)对中设置在夹持架(22)上，且均与夹持架(22)构成转动副。分别固定在两个单爪(24)上的两个不完全齿轮啮合。夹持舵机(23)的输出轴与一个不完全齿轮固定。所述的回药板(31)固定在夹持器的一侧，且与夹持舵机(23)的输出轴轴线垂直。所述的第一关节由第一驱动舵机(21)和第一转动架(33)组成。所述的第一驱动舵机(21)输出轴与第一转动架(33)固定。f个第一关节依次排列连接，2≤f≤8，上一级第一关节的第一转动架(33)与下一级第一关节的第一驱动舵机(21)固定。首端关节的第一驱动舵机(21)与第一支架(20)固定。第一支架(20)与第一旋转舵机(19)的输出轴固定，第一旋转舵机(19)固定在升降平台(16)前端，且位于摄像头(15)的背侧。末端关节的第一转动架(33)与夹持架(22)固定。f个第一驱动舵机(21)输出轴轴线平行。第一旋转舵机(19)及夹持舵机(23)的输出轴轴线均与第一驱动舵机(21)输出轴轴线垂直。

所述的称重机械臂包括第二旋转舵机(26)、第二支架(27)、第二关节和称药盒。所述的称药盒包括内盒(29)、外盒(30)和压力传感器(32)。所述的内盒(29)设置在外盒(30)内。所述的压力传感器设置在外盒(30)底部和内盒(29)底部之间。所述的第二关节由第二驱动舵机(28)和第二转动架(34)组成。所述的第二驱动舵机(28)输出轴与第二转动架(34)固定。e个第二关节依次排列连接，2≤e≤8，上一级第二关节的第二转动架(34)与下一级第二关节的第二驱动舵机(28)固定。首端关节的第二驱动舵机(28)与第二支架(27)固定。第二支架(27)与第二旋转舵机(26)的输出轴固定，第二旋转舵机(26)固定在升降平台(16)后端。末端关节的第二转动架(34)与外盒(30)固定；e个第二驱动舵机(28)输出轴轴线平行。第二旋转舵机(26)输出轴轴线与第二驱动舵机(28)输出轴轴线垂直。

所述的压力传感器共有四个。四个压力传感器沿外盒(30)内壁底部周向均布。

本发明还包括控制器和无线模块。所述的控制器采用型号为arduino2560的微控制板。控制器通过无线模块与上位机相连。所述的编码器(2)、寻迹传感器(3)、光电传感器(8)、压力传感器(32)均与控制器相连。

所述的寻迹传感器(3)采用型号为tcrt5000的红外光电传感器。

所述的编码器(2)采用绝对值旋转编码器。

所述的光电传感器(8)采用型号为e3f-ds10c4的光电开关。

所述的压力传感器(32)采用型号为jhbm-m的称重传感器。

该自动中药配药车的配药方法，具体如下：

步骤一、以中药柜(35)为终点布置供寻迹传感器(3)识别的行进轨道。中药柜由排列成m层s列的药格组成，2≤m≤8，2≤s≤10。行进轨道的顶面比地面高3～10mm。行进轨道包括主轨道(36)、分支轨道(37)、圆弧轨道(38)和转弯识别标记(39)。主轨道(36)、分支轨道(37)、圆弧轨道(38)和转弯识别标记(39)的宽度均为10～22mm。

主轨道的起点在医生诊台(40)处。s条分支轨道(37)的起点均通过圆弧轨道(38)与主轨道(36)连接，s条分支轨道不相交。圆弧轨道的中心圆弧半径大于或等于200mm。主轨道与s条圆弧轨道的连接处均设置有转弯识别标记。转弯识别标记的长度大于或等于45mm。转弯识别标记的长度方向与主轨道垂直，且转弯识别标记与主轨道的交点为转弯识别标记的正中位置。s条分支轨道的终点分别在s列药格处。在中药柜上建立坐标系，第x列、第y层药格的坐标值为(x，y)，与第x列药格连接的分支轨道为第x条分支轨道。与第x条分支轨道连接的圆弧轨道为第x条圆弧轨道。第x条圆弧轨道比第x+1条圆弧轨道更靠近主轨道的起点。

步骤二、医生将药方输入上位机，上位机通过无线模块将药方传输给控制器。控制器将药方中k味中药对应药格在坐标系中的坐标(ai，bi)，按ai从小到大依次排序，即ai≤ai+1，i＝1,2,…,k；且若ai＝ai+1，则bi＜bi+1；并记录坐标系中坐标(ai，bi)处药格所需取的中药重量ci。

步骤三、行进机构沿着主轨道向前行进。向前行进过程中，两个寻迹传感器(3)位于主轨道的两侧；若两个寻迹传感器(3)均检测不到行进轨道，则四个直流电机(4)等速转动。若其中一个寻迹传感器(3)检测到行进轨道，则与该寻迹传感器(3)位于同一侧的两个直流电机(4)转速降低。

行进过程中，若位于固定板(9)前端的光电传感器(8)检测前方有物体，且摄像头(15)未检测到前方有中药柜。则认为行进机构前方出现障碍物或行人，行进机构停止前进，等待行人或障碍物消失，继续前进。

步骤四、行进机构到达转弯识别标记时，两个寻迹传感器(3)同时检测到转弯识别标记。两个寻迹传感器(3)检测到第a1个转弯识别标记时，行进机构沿第a1条圆弧轨道转弯，向第a1条分支轨道行进。

步骤五、令n＝1。

步骤六、若位于固定板(9)前端的光电传感器(8)检测前方有物体，且摄像头(15)检测到前方有中药柜。行进机构停止前进。

步骤七、升降机构将配药机构上升至bn层的位置。

步骤八、抓药机械臂抓取坐标(an，bn)处的中药并放入称重机械臂的称药盒。

步骤九、压力传感器检测称药盒内中药重量。若称药盒内的中药重量小于99％×cn，重复步骤八。若称药盒内的中药重量大于或等于99％×cn。则进入步骤十。

步骤十、若称药盒内的中药重量大于101％×cn，则称重机械臂将称药盒内的部分中药倒在抓药机械臂的回药板(31)上。抓药机械臂将回药板(31)上的中药倒回药格，重复步骤九。若称药盒内的中药重量在99％×cn～101％×cn之间，则称重机械臂将称药盒中的中药倒入储药盒(17)，进入步骤十一。

步骤十一、若n＜k，则将n增大1，进入步骤十二；否则直接进入步骤十三。

步骤十二、若an＝an-1，重复步骤七、八、九、十和十一。若an＞an-1，行进机构后退至主轨道处，并沿主轨道继续向前行进；两个寻迹传感器(3)检测到第an个转弯识别标记后，行进机构沿圆弧轨道转弯，向分支轨道行进。重复步骤六、七、八、九、十和十一。

步骤十三、行进机构沿行进轨道后退至医生的诊台。医生将配好的中药取走。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明能够自动根据药方完成中药的配制，大大提升了中药配药的效率和精准性。

2、本发明采用双机械臂结构，相互协同工作，自由灵敏。

3、本发明结构简单，整体重量较小。

4、本发明具有升降机构，能够适应不同层数的药柜。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是本发明中行进机构的示意图；

图3是本发明拆去配药机构的示意图；

图4是本发明中配药机构的示意图；

图5是本发明中抓药机械臂的示意图；

图6是本发明中称重机械臂的示意图；

图7是本发明所用行进轨道的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，自动中药配药车，包括行进机构、升降机构、配药机构、控制器和无线模块。控制器采用型号为arduino2560的微控制板。控制器通过无线模块与上位机相连。

行进机构包括底板1、编码器2、寻迹传感器3、直流电机4、车轮5、电机架6和支撑轴7。寻迹传感器3采用型号为tcrt5000的红外光电传感器。编码器2采用绝对值旋转编码器。四个直流电机4两两一组通过电机架6对中固定在底板1的两侧。四个直流电机4与四个编码器2分别固定。编码器2输入轴的两端与对应直流电机4的输出轴及车轮5分别固定。编码器2用于反馈直流电机4的转动圈数，从而实现对行进机构的精准控制。四根支撑轴7的底端均与底板1固定。两个寻迹传感器3对中固定在底板1的前端。两个寻迹传感器3的间距为30mm。

如图1和3所示，升降机构包括光电传感器8、固定板9和丝杠导轨滑台。光电传感器8采用型号为e3f-ds10c4的光电开关。固定板9与四根支撑轴7的顶端固定。三个光电传感器8分别固定在固定板9的前端及两侧。丝杠导轨滑台包括移动块10、滑台支架11、驱动电机12、联轴器13和丝杠14。滑台支架11固定在固定板9上。丝杠14通过轴承支承在滑台支架11上。驱动电机12与滑台支架11固定；驱动电机12的输出轴通过联轴器13与丝杠14的一端固定。丝杠14与固定在移动块(10)上的螺母构成螺旋副。移动块10与滑台支架11构成滑动副。

如图1和4所示，配药机构包括抓药机械臂、称重机械臂、摄像头15、升降平台16、储药盒17、第一固定架18和第二固定架25。升降平台16与升降机构内的移动块10固定。升降平台16顶面的两侧对中开设有两个矩形槽；两个矩形槽与两个储药盒17底部的矩形凸块横截面尺寸相同。两个储药盒17底部的矩形凸块分别放置在两个矩形槽内。摄像头15固定在升降平台16的前端，且背向丝杠导轨滑台。第一固定架18固定在升降平台16前端，且位于摄像头15的背侧。第二固定架25固定在升降平台16后端。

如图5所示，抓药机械臂包括第一旋转舵机19、第一支架20、第一关节、夹持器和回药板31。夹持器包括夹持架22、夹持舵机23和单爪24。夹持舵机23固定在夹持架22上。两个单爪24对中设置在夹持架22上，且均与夹持架22构成转动副。分别固定在两个单爪24上的两个不完全齿轮啮合。夹持舵机23的输出轴与一个不完全齿轮固定。回药板31固定在夹持器的一侧，且与夹持舵机23的输出轴轴线垂直。第一关节由第一驱动舵机21和第一转动架33组成。第一驱动舵机21输出轴与第一转动架33固定。三个第一关节依次排列连接，上一级第一关节的第一转动架33与下一级第一关节的第一驱动舵机21固定。首端关节的第一驱动舵机21与第一支架20固定。第一支架20与第一旋转舵机19的输出轴固定，第一旋转舵机19固定在第一固定架18上。末端关节的第一转动架33与夹持架22固定。三个第一驱动舵机21输出轴轴线平行。第一旋转舵机19及夹持舵机23的输出轴轴线均与第一驱动舵机21输出轴轴线垂直。

如图6所示，称重机械臂包括第二旋转舵机26、第二支架27、第二关节和称药盒。称药盒包括内盒29、外盒30和压力传感器32。压力传感器32采用型号为jhbm-m的称重传感器。内盒29设置在外盒30内，且与外盒30构成滑动副。四个压力传感器均设置在外盒30底部和内盒29底部之间，用于检测内盒29内部中药的重量。四个压力传感器沿外盒30内壁底部周向均布。第二关节由第二驱动舵机28和第二转动架34组成。第二驱动舵机28输出轴与第二转动架34固定。两个第二关节排列连接，上一级第二关节的第二转动架34与下一级第二关节的第二驱动舵机28固定。首端关节的第二驱动舵机28与第二支架27固定。第二支架27与第二旋转舵机26的输出轴固定，第二旋转舵机26固定在第二固定架25上。末端关节的第二转动架34与外盒30固定；两个第二驱动舵机28输出轴轴线平行。第二旋转舵机26输出轴轴线与第二驱动舵机28输出轴轴线垂直。

编码器2、寻迹传感器3、光电传感器8、压力传感器32均与控制器相连。

该自动中药配药车的配药方法，具体如下：

步骤一、如图7所示，以中药柜35为终点布置供寻迹传感器3识别的行进轨道。中药柜由排列成m层s列的药格组成，m＝4，s＝4。行进轨道的顶面比地面高5mm。行进轨道包括主轨道36、分支轨道37、圆弧轨道38和转弯识别标记39。主轨道36、分支轨道37、圆弧轨道38和转弯识别标记39的宽度均为20mm。

主轨道的起点在医生诊台40处。s条分支轨道37的起点均通过圆弧轨道38与主轨道36连接，s条分支轨道不相交。圆弧轨道的中心圆弧半径为300mm。主轨道与s条圆弧轨道的连接处均设置有转弯识别标记。转弯识别标记的长度为50mm。转弯识别标记的长度方向与主轨道垂直，且转弯识别标记与主轨道的交点为转弯识别标记的正中位置。s条分支轨道的终点分别在s列药格处。在中药柜上建立坐标系，第x列、第y层药格的坐标值为(x，y)，与第x列药格连接的分支轨道为第x条分支轨道。与第x条分支轨道连接的圆弧轨道为第x条圆弧轨道。第x条圆弧轨道比第x+1条圆弧轨道更靠近主轨道的起点。

步骤二、医生将药方输入上位机，上位机通过无线模块将药方传输给控制器。控制器将药方中k味中药对应药格在坐标系中的坐标(ai，bi)，按ai从小到大依次排序，即ai≤ai+1，i＝1,2,…,k；且若ai＝ai+1，则bi＜bi+1；并记录坐标系中坐标(ai，bi)处药格所需取的中药重量ci。

步骤三、行进机构沿着主轨道向前行进。向前行进过程中，两个寻迹传感器3位于主轨道的两侧；若两个寻迹传感器3均检测不到行进轨道，则四个直流电机4等速转动。若其中一个寻迹传感器3检测到行进轨道，则与该寻迹传感器3位于同一侧的两个直流电机4转速降低，行进机构向该侧转弯。

行进过程中，若位于固定板9前端的光电传感器8检测前方有物体，且摄像头15未检测到前方有中药柜。则认为行进机构前方出现障碍物或行人，行进机构停止前进，等待行人或障碍物消失，继续前进。

步骤四、行进机构到达转弯识别标记时，两个寻迹传感器3同时检测到转弯识别标记。两个寻迹传感器3检测到第a1个转弯识别标记时，行进机构沿第a1条圆弧轨道转弯，向第a1条分支轨道行进。

步骤五、令n＝1。

步骤六、若位于固定板9前端的光电传感器8检测前方有物体，且摄像头15检测到前方有中药柜。行进机构停止前进。

步骤七、升降机构将配药机构上升至bn层的位置。

步骤八、抓药机械臂抓取坐标(an，bn)处的中药并放入称重机械臂的称药盒。

步骤九、压力传感器检测称药盒内中药重量。若称药盒内的中药重量小于99％×cn，重复步骤八。若称药盒内的中药重量大于或等于99％×cn。则进入步骤十。

步骤十、若称药盒内的中药重量大于101％×cn，则称重机械臂将称药盒内的部分中药倒在抓药机械臂的回药板31上。抓药机械臂将回药板31上的中药倒回药格，重复步骤九。若称药盒内的中药重量在99％×cn～101％×cn之间，则称重机械臂将称药盒中的中药倒入储药盒17，进入步骤十一。

步骤十一、若n＜k，则将n增大1，进入步骤十二；否则直接进入步骤十三。

步骤十二、若an＝an-1，重复步骤七、八、九、十和十一。若an＞an-1，行进机构后退至主轨道处，并沿主轨道继续向前行进；两个寻迹传感器3检测到第an个转弯识别标记后，行进机构沿圆弧轨道转弯，向分支轨道行进。重复步骤六、七、八、九、十和十一。

步骤十三、行进机构沿行进轨道后退至医生的诊台。医生将配好的中药取走。