智能药房自动化上药出药系统及方法与流程

本发明涉及一种智能药房技术领域，具体涉及一种智能药房自动化上药出药系统及方法。

背景技术：

目前我国医疗卫生信息化建设正迈入智慧时代。为加快推进感知健康和智慧医疗的建设与发展，不仅是对“健康中国2020”提高全民健康目标的强力支撑，更是落实新医改、“3521工程”，全面提高管理和服务水平，向社会提供优质高效智能的医疗服务的必然趋势。当前药房药品摆放分散，药房面积利用率低，还增加了药师的劳动强度，急需设计制造一种能够降低药剂师工作强度、提高药品上药和发药的效率和准确率，构建服务质量好、智能程度高、信息化和自动化程度高的药房。目前国内政府及医疗机构都在积极引入智慧化与信息化手段，希望通过自动化和智慧化手段来解决上述问题。如将优质医疗资源的经验进行数字化和自动化，同时建设平台进行分享。推进医疗和健康数据的互通、互联、互认以解决信息孤岛等。而智慧医院系统由数字医院和提升应用两部分组成，其中数字医院包括拥有为医院所属各部门提供对病人诊疗信息和行政管理信息的收集、存储、处理、提取及数据交换的能力，并满足所有授权用户的功能需求的医院信息系统(his)、实验室信息管理系统(lis)和医学影像的存储和传输系统(pacs)；而智能药房系统正是智慧医院的重要组成部分，也为其他两个系统提供了硬件基础。本专利中的智能药房信息化和自动化的实现将是“智慧医疗”中的重要组成部分。实现智能药房后，将为“智慧医疗”打下良好的硬件基础。同时，通过逐步实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备甚至是智慧药房等之间的互动，逐步达到信息化与自动化。有利于医疗行业融入更多人工智慧、传感技术等高科技，使医疗服务走向真正意义的智能化，推动医疗事业的繁荣发展，推进智能药房甚至智慧医疗高效的服务患者。现有自动化药房的技术中，具有如下缺点：

1)通常采用斜坡式储药柜，并利用重力使得药品下滑进行发药，容易出现摩擦力过大而无法发药，影响系统可靠性；

2)上药出药系统通常未采用智能优化方法及系统，从而使得机械手的运动距离得不到优化，影响了系统效率和能耗；

3)上药系统通常采用条形码来识别药品的编号，较少结合视觉检测这一稳定性可靠性较高的检测手段；

4)未同时优化上药与出药机械手的路径。

现有专利中，“cn200810019053.2-自动化药房”提供一种自动化药房，包括斜坡式储药柜、发药装置、分拣装置、上药装置和控制管理系统，斜坡式储药柜的u型槽与支撑梁固定并与水平面成20°倾角。但是上药出药未采用智能优化系统，且发药和储药柜采用重力式20°倾角机构而非平面式结构，可靠性受到限制。而专利“cn201010153524.6-智能配发药方法”提供了一种用于医院门诊的智能配发药方法，该方法利用自动化控制系统录入配药单的信息，并利用自动化控制系统记录和检索配药单上的药品在储药装置上的储放信息。但是该方法未采用pso优化方法来设计上药和发药流程，机械手不具备智能的特点，另外，未采用视觉系统进行上药检测。论文“快速发药系统的设计与运动分析”对快速发药系统的机械结构和控制部分做了设计，对出药机构进行了运动分析，计算了药盒的运动轨迹，对不同种类的盒装药品在机器采用的翻板机构进行了设计，对上药机械手进行了运动分析，研究了其固有特性，验证了送药机构的振幅，设计了快速发药系统的上药机械手、储药柜、出药机构、输送装置等的机械结构，以及控制系统。但是该论文未同时涉及上药出药顺序的优化设计，未涉及视觉检测系统，系统精度和稳定性无法得到保障。

技术实现要素：

本发明提供一种智能药房自动化上药出药系统及方法，有效提高医院现有药房盒装药品整体发放效率及存储效率。

为实现上述目的，本发明提供一种智能药房自动化上药出药系统，其特点是，该系统包含：

外力助推式储药柜，其设有若干水平式储药槽；

上药机构，其将药品由上药机构的进药口传输至预设对应的水平式储药槽的进药口；

发药机构，其将选定药品由其所在水平式储药槽的出药口传输至发药机构的出药口；

分拣机构，其进药口连接发药机构的出药口，分拣机构将接收的药品传送并分拣到指定取药口；

控制系统，其连接上药机构、发药机构和分拣机构，采用粒子群tsp优化方法，计划并控制上药机构进行上药和发药机构进行发药的顺序和最短运动路径。

上述的外力助推式储药柜还包含：用于设置若干水平式储药槽的储药柜机架。

上述的上药机构包含：

上药机械手，在其进药位置与外力助推式储药柜中每个水平式储药槽之间运动；

上药输送机构，其输入端连接上药机构进药口，输出端连接上药机械手的进药位置；上药机械手将上药输送机构传送的药品传输至对应的水平式储药槽。

上述的发药机构包含：

发药机械手，在其出药位置与外力助推式储药柜中每个水平式储药槽之间运动；

发药输送机构，其输入端连接发药机械手的出药位置，输出端连接发药机构的出药口，发药机械手将选定药品由其所在水平式储药槽的出药口传输至发药机构的出药口。

上述的控制系统包含：

tsp发药配置优化系统，其采用粒子群tsp优化计划发药机构发药顺序和最短运动路径，输出发药优化信息；

运动控制系统，其接收并根据发药优化信息，下达发药机构控制指令；

电机伺服发药运动控制器，其输出端连接发药机构，接收发药机构控制指令，控制发药机构遍历选定药品的水平式储药槽将药品传输至分拣机构。

上述的控制系统包含：

tsp上药配置优化系统，其采用粒子群tsp优化计划上药机构上药顺序和最短运动路径，输出上药优化信息；

运动控制系统，其接收并根据上药优化信息，下达上药机构控制指令；

电机伺服上药运动控制器，其输出端连接上药机构，接收上药机构控制指令，控制上药机构承载药品分别遍历对应的水平式储药槽进行自动上药。

上述智能药房自动化上药出药系统还包含设置于水平式储药槽的一端激光测距传感器，水平式储药槽内药品沿激光测距传感器的测量方向叠放，激光测距传感器检测水平式储药槽放置药品后的剩余长度b并上传，以式(1)盘点水平式储药槽内药品数量x：

x＝(a-b)/c(1)

式(1)中，a为水平式储药槽内部沿叠放药品方向的长度，c为一个药品的厚度。

上述智能药房自动化上药出药系统还包含设置于上药机构旁的视觉检测模块，其采集当前进行上药的药品的条形码或图像信息，获取当前药品信息，与数据库中的预存药品信息交叉匹配，确认当前进行上药的药品的信息。

一种智能药房自动化上药出药系统的上药出药方法，其特点是，该方法包含：

采用粒子群tsp优化计划上药机构进行上药和发药机构进行发药的顺序和最短运动路径；

上药时，上药机构根据优化的上药顺序和最短运动路径，将药品由上药机构的进药口传输至预设对应的水平式储药槽的进药口；

发药时，发药机构根据优化的发药顺序和最短运动路径，将选定药品由其所在水平式储药槽的出药口传输至分拣机构，分拣机构将接收的药品传送并分拣到指定取药口。

上述上药或发药顺序和最短运动路径的计划方法包含：

设定原点o为机械手放置的初始位置的坐标系xoy；

每个药品的二维位置信息以图元的格式收集并预存在数据库中，包括药品信息及对应的x轴和y轴的位置坐标信息；

将药品所在位置假设成图元中的各个结点，形成点阵，药品之间的距离看作是边的权值；

根据药品信息来确定药品在智能药房里放置的位置，映射到点阵中的各个对应结点，计算得到从原点出发、并遍历图中所有结点、最后返回到原点的最短路径。

本发明智能药房自动化上药出药系统及方法和现有技术相比，其优点在于，本发明公开的智能药房能够按照处方要求准确发放盒装药品，并优化上药和出药的顺序，使得完成指定的任务前提下，机械手臂的运动距离大大缩短，从而实现了能量的节省和资源的节约，同时，采用水平而非斜坡式发药结构，保证了可靠性，克服了传统药房中，单独凭借重力可能因摩擦力过大造成药品无法正常出药的不足；

本发明激光测距进行药品的盘点和计数，可靠性进一步得到提升，该系统可以储存一定数量的盒装药品，确保发药的连续进行，并可以根据任务情况自行计算最优路径，从而相对于传统的药房自动化系统具备了一定的智能性，可大幅提高药品的储存密度及发放效率，该系统可靠性高，智能性强，成本低，可推广性强，是一种有潜力创造经济效益和社会效益的方法及系统。

附图说明

图1为本发明智能药房自动化上药出药系统的装配图；

图2为本发明智能药房自动化上药出药系统内部结构的示意图；

图3为本发明智能药房自动化上药出药系统内部结构的示意图；

图4为本发明智能药房自动化上药出药系统的外部结构图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的实施例。

本发明公开了一种智能药房自动化上药出药系统及方法，能按照处方要求准确发放盒装药品，并优化机械手的路径使其达到较小的总位移，还能储存足够数量的药品供发放，保证一定周期内(通常一周换两次)发药功能正常运行，还能通过上药检测系统把药盒准确的放在指定位置上，而激光探测器能准确的对系统药品数量进行清点；该系统可以有效提高药品的存储密度，提升其发放效率，同时还可以实现自动上药，实现智能药房系统的高效率上药及发药，降低对人力资源的要求，保证系统的高可靠性和稳定性。

如图1并结合图2、图3何图4所示，智能药房自动化上药出药系统包含：外力助推式储药柜100、上药机构、发药机构、分拣机构和控制系统。

外力助推式储药柜100内包含有架体102，横向固定在架体102上的若干药架支撑梁103，架体102和药架支撑梁103组成储药柜机架。

外力助推式储药柜100还包含分别焊接固定在储药柜机架上的若干水平式储药槽101。水平式储药槽101采用水平条状轨道结构，两条平行轨道的转弯处采用u型槽结构连接，用于存储和管理药品，其根据药品使用频率和规格进行了优化设计。

在水平式储药槽101的一端激光测距传感器，水平式储药槽内药品沿激光测距传感器的测量方向叠放，激光测距传感器检测水平式储药槽放置药品后的剩余长度b并上传，以式(1)盘点水平式储药槽内药品数量x：

x＝(a-b)/c(1)

式(1)中，a为水平式储药槽内部沿叠放药品方向的长度，c为一个药品的厚度。

通过激光测距传感器读取水平式储药槽101中药品的数量，实现了药品的动态库存管理，当某一种药品过少时，还会自动报警，从而提醒进行采购补充，这也有助于医生开药和实现药品的采购管理等功能。

具体的，激光测距传感器作为智能药房自动化上药出药系统的上药盘点系统，其工作流程为：利用激光测距传感器测距的原理，将激光测距传感器安装在未装满药盒的一端，测出反射回来的距离后，利用药槽总长度减去这一段没有药盒的长度，再除以药盒的宽度，就可以计算出当前时刻药槽上的药盒数目，从而完成了对当前药品的盘点任务。上药通道与出药通道配合，共同实现药品的批量补给、药盒密集存储与管理，并按处方自动发药并自动发送到指定位置。

进一步的，水平式储药槽101中药品的密集存储与库存管理方式包含：通常规定药盒(药品所在包装盒)最大尺寸方向为长度，最小尺寸为高度，居中的为宽度。药盒的长度范围变化较大，宽度范围次之，高度范围最小，所以按药盒高度并留有一定空间余量将储药柜分成若干层，按照药盒宽度范围将整个储药柜分成若干列，行和列交错的地方放置水平式储药槽101的u型槽，槽中盛放药盒。每一层的层高是一致的，按照摆在该层的最高的药盒选取该层的层高。每列的宽度不相等，但是分系列设计，不用每种药品做一种储药柜u型槽，减少u型槽模具数量，降低成本。u型槽提前根据药品使用频率和规格进行了优化设计。每一列u型槽中的药品种类和数量可以从激光测距传感器中进行读取计算。从而实现了药品的动态库存管理，当某一种药品过少时，还会自动报警，从而提醒进行采购补充，提高了系统的智能性。

上药机构包含上药输送机构(图中未标示)和上药机械手201。上药机械手201上设有用于放置药品的u型槽；上药输送机构采用输送皮带，其一端为上药口，另一端为出药口，上药输送机构的出药口与上药机械手201的u型槽的进药口相对接，上药机械手201安装在水平式储药槽101旁的竖直设置的固定梁，固定梁设有与上药机械手201机械连接的升降机，使上药机械手201可沿固定梁上下运动，上药机械手201自身可由电机控制进行前后左右组合运动，使上药机械手201在上药输送机构的出药口与任意水平式储药槽101之间运动。当上药机械手201运动到其所承载药品预设对应的水平式储药槽101，上药机械手201的u型槽的出药口与水平式储药槽101的u型槽的进药口相对接，从而构成上药通道。

对于上药机构的工作流程为：采用粒子群tsp优化与控制管理软件系统进行上药顺序的求解计算，使得上药机械手201能够遍历所有上药点，自动优化一段时间内的机械臂的理想的运动路径，获得上药的顺序，并将数据发送给上药机械手201进行自动上药。

发药机构包含发药机械手301、发药输送机构302和升降机。发药机械手301设有用于放置药品的u型槽，发药输送机构302采用接药传送带，升降机为设置于发药机械手301两端的升降轨道，分别由底部安装的交流伺服电机进行驱动。

发药机械手301为长条状，与发药输送机构302运送方向平行，可承载外力助推式储药柜100内所对应一行水平式储药槽101中的任意一个或多个药品，并机械连接升降机，由升降机带动在水平式储药槽101与发药输送机构302之间运动。

当发药机械手301位于指定运输的药品所在的水平式储药槽101，发药机械手301的u型槽的进药口与水平式储药槽101的u型槽的出药口对接，发药机械手301由升降机带动至发药输送机构302，发药机械手301的出药口与发药输送机构302过渡衔接构成发药通道。

对于发药机构的工作流程为：发药输送机构302的进药口与发药机械手u型槽的出药口对接，出药部分直接与发药输送机构302间接相连，并采用粒子群tsp优化与控制管理软件系统进行一段时间内的发药顺序的求解计算，使得发药机械手301能够遍历所有水平式储药槽101的出药口，并自动优化制定时间段内的发药机械手301的理想的运动路径，获得发药的顺序，并将发药机构控制指令发送给发药机械手301进行自动发药。

分拣机构(图中未标示)进药口连接发药机构的出药口，分拣机构将接收的药品传送并分拣到指定取药口。

本发明公开的智能药房自动化上药出药系统还包含设置于上药机构旁的视觉检测模块(图中未标示)，其采集当前进行上药的药品的条形码或图像信息，获取当前药品信息，与数据库中的预存药品信息交叉匹配，确认当前进行上药的药品的信息。通过视觉检测系统校核上药的准确性，并与上药通道与出药通道配合，共同实现药品的批量补给、药盒密集存储与管理，并按指定的发药清单，将药品自动发送到指定位置的功能。

具体的，通过视觉检测模块对所发送药品进行确认，具体过程是：先采集图片，判断是否有条形码，如果有条形码，直接通过条形码获取药品信息，如果没有条形码，则对图片进行处理，完成滤波和图像匹配，并和数据库信息进行交叉匹配，从而实现药品的确认过程，完成后即可发起该药品的上药流程。

本发明公开的智能药房自动化上药出药系统还包含控制系统，其连接上药机构、发药机构和分拣机构，用于采用粒子群tsp优化方法，计划并控制上药机构进行上药和发药机构进行发药的顺序和最短运动路径。

控制系统包含tsp发药配置优化系统、tsp上药配置优化系统、激光测距智能药房监控计算机系统、运动控制系统、电机伺服发药运动控制器、电机伺服上药运动控制器、数据采集卡和plc模块。其中，tsp发药配置优化系统、tsp上药配置优化系统、医院信息系统及自动化药房监控计算机分别与药房服务器相连，运动控制系统、数据采集卡以及plc控制模块与智能药房监控计算机相连，完成对出药过程的控制。

tsp发药配置优化系统用于采用粒子群tsp优化计划发药机构发药顺序和最短运动路径，上传发药优化信息至药房服务器，由药房服务器下发至智能药房监控计算机。

tsp上药配置优化系统，其采用粒子群tsp优化计划上药机构上药顺序和最短运动路径，上传上药优化信息至药房服务器，由药房服务器下发至智能药房监控计算机。

运动控制系统用于通过智能药房监控计算机，接收并根据发药优化信息，下达发药机构控制指令，以及接收并根据上药优化信息，下达上药机构控制指令。

电机伺服发药运动控制器输出端连接发药机构，输入端连接运动控制系统，用于接收发药机构控制指令，控制发药机构遍历选定药品的水平式储药槽将药品传输至分拣机构。

电机伺服上药运动控制器输出端连接上药机构，输入端连接运动控制系统，用于接收上药机构控制指令，控制上药机构承载药品分别遍历对应的水平式储药槽进行自动上药。

本发明还公开了一种智能药房自动化上药出药系统的上药出药方法，该方法具体包含：

医生开具处方后，录入成为医院信息系统(his系统)的电子处方。自动化药房服务器读取his系统中的处方信息，通过智能药房实现药品的发放，并输送给病人。

智能药房计算机管理软件系统读取his系统电子处方后，将处方对应成药品坐标和数量信息发送给药房监控计算机，执行器进行出药动作，

发药时，采用粒子群tsp优化计划发药机构进行发药的顺序和最短运动路径。发药机构根据优化的发药顺序和最短运动路径，将选定药品由其所在水平式储药槽的出药口传输至分拣机构，分拣机构将接收的药品传送并分拣到指定取药口。

当智能药房自动化上药出药系统需要上药时，采用粒子群tsp优化计划上药机构进行上药的顺序和最短运动路径。上药机构根据优化的上药顺序和最短运动路径，将药品由上药机构的进药口传输至预设对应的水平式储药槽的进药口。

具体的，上药或发药顺序和最短运动路径的计划方法包含：

由于取药路径优化直接关系着系统取药的时间和效率，所以发药机取药路径优化是自动发药机系统中一个比较关键的问题。取药路径的优化问题本质上就是图论中的最短路径问题。其中，优化取药路径的设计思路为：取药路径的优化过程中，需要药架上每种药放置的位置信息以计算路径的长短，每个药品的二维位置信息以图元的格式收集并存放在相关的数据库中，其中包括条形码(如果没有则为图像信息)、x轴和y轴的位置坐标信息。

当开始取药时，根据处方输入的药品信息来确定药品在矩形药架里放置的位置，映射到点阵中的各个对应结点。建立坐标系xoy，设原点就是取药机械手放置的初始位置(也是复位位置)，即药架的原点坐标(0,0)。设定，x轴向左为正方向，y轴以原点为界向上为正方向，向下为负方向。求解取药的最短路径问题具体就是：将处方信息中需取配的各个药品所在位置假设成图中的各个结点，形成点阵，药品之间的距离看作是边的权值，根据药品信息来确定药品在智能药房里放置的位置，映射到点阵中的各个对应结点，计算得到从原点出发、并遍历图中所有结点、最后返回到原点的最短路径。设计取药最短路径的问题可以转化为推销商问题，也就是tsp问题，本发明中采用pso优化tsp问题可以以较快的速度获得最优路径的解。

该智能药房具有优化发药功能及密集存储功能，保证上药的准确性和效率。发药和上药同时进行，因而控制系统软件采取了多线程方式进行编写。执行tsp优化出来的上药和出药路径。具体是由服务器管理库存，定期自动生成上药类型与数量，并发送给上药终端计算机。上药操作员对照上药终端界面清单提示，把一定品种和数量的药盒放在上药输送机构，经过视觉检测模块完成尺寸检测后，与服务器数据库中药盒尺寸对比完成确认。随后药盒被输送到上药机械手u槽中，并采用电磁阀打开方式推动其进入u型槽中。

本发明中的智能药房主要针对现有的不足进行研究，该系统的信息化和自动化的实现将是“智慧医疗”中的重要组成部分。实现智能药房后，将为“智慧医疗”打下良好的硬件基础。同时，通过逐步实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备甚至是智慧药房等之间的互动，逐步达到信息化与自动化。有利于医疗行业融入更多人工智慧、传感技术等高科技，使医疗服务走向真正意义的智能化，推动医疗事业的繁荣发展，推进智能药房甚至智慧医疗高效的服务患者。

综上可见，本发明提出并实现了一种智能化与自动化和智能化药房系统，提供一种基于粒子群求解旅行商优化设计策略的智能化、自动化上药和出药方法与系统，是一种可有效提高医院现有药房盒装药品整体发放效率及存储效率的自动化装置，可完成自动补给和高可靠性发药，实现了药盒密集存储与管理，并可以按处方自动发药并分拣到确定窗口，有效提高了医院药品的存储密度和药品的发放效率，还实现了医院药房盒装药品发放的整体流程信息化和自动化，具有巨大的经济与社会效益，是一种有潜力的优化设计方法及系统。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。