颗粒中药自动发药机的研制.doc

和中药颗粒自动配方发药机组成.结构如图1所示: 图1中药颗粒自动配方发药机结构图电子处方终端用于医生通过医院内部局域网在终端电脑上处方,然后将电子处方信息存储到.颗粒中药自动发药机的研制 林建辉 李志蜀四川大学 计算机学院, 四川 成都 610064摘 要：本文描述了颗粒中药自动发药机的总体方案及与现有方案比较的优势。详细讨论了自动发药机的机械布局及几项关键技术。包括：下药与称量一体化瓶盖；取药机械手；药杯封口机；旋转贮杯架与贮杯筒。介绍了与工艺过程相配套的电控单元及其程序流程。对自动发药机配置的软件系统也有所涉及。最后给出技术结论。关键词：颗粒中药自动发药机 下药与称量一体化瓶盖 旋转贮杯架与贮杯筒 Research on automatic dispensing machine for powdery Chinese herbal medicine LIN Jian-hui,LI Zhi-shu (Computer college,Sichuang Univ.,Chengdu,610064,China)Abstract: This paper describes the general scheme of automatic dispensing machine for powdery Chinese herbal medicine, and compared its advantage with existing schemes. discusses the machine layout and a few key techniques in detail including the bottle cover used to incorporate pouring the powder and measuring its dosage, a mechanical hand taking powder; the capper sealing medicine cup, the rotating stand and canisters storing cups .The electrical control unit and its flow are also introduced corresponding to technical course. The software system installed to machine is also referred. Eventually the technical conclusion is reached.Keywords: automatic dispensing machine for powdery Chinese herbal medicine, bottle cover used to incorporate pouring powder and measuring its dosage, rotating stand and canisters storing cups传统中医采用手工操作抓药、称量和包装。其称量准确性和操作速度无严格保证1。将种类繁多、来源广泛的中医原药加工、提炼、浓缩，制成规格和密度相对集中的颗粒制剂2,3，同时研制与之相配套的颗粒中药自动发药机，是提高中医配药过程发药速度和称量准确性的有效手段。国内外现有发药机主要采用以下两种技术方案：一是将单味颗粒中药预制成一定剂量的小袋，小袋间相互首尾相连且预制断裂孔，发药时利用两对具有一定速差的夹紧轮拉开袋间断裂孔，实现下药4。小袋预制剂量即为单味药的最小分辨剂量。二是采用公用药品收集容器，将处方上的全部药品收集后，转入混合搅拌工序，经搅拌后，由分包机封装为小袋包装。前述第一种方案可避免药品的交叉污染，但预制小袋的剂量确定是一个两难的问题：大则对最小分辨剂量有害，难以满足中华人民共和国药典5所规定的误差要求；小则降低发药速度且总袋数过多，给病家的使用带来极大不便。故该方案的实用性及方便性值得商榷。第二种方案在单一处方重复发药时可较大幅度提高发药速度，但搅拌均匀性难以保证，且由于采用公用药品收集容器，处方间的残留药品交叉污染不可避免。可以认为该方案有原理性缺陷，难以被业界认可和通过相应的国家标准。因此，研制一种原理先进、简洁高效、成本低廉、可靠性高、使用方便且无交叉污染的颗粒中药自动发药机成为四川大学计算机学院颗粒中药自动发药机课题组的目标。1 自动发药机总体结构四川大学计算机学院颗粒中药自动发药机课题组受四川绿色药业集团委托研制的颗粒中药自动发药机是集计算机智、能控制、人工智能、机械6 、电子电气、塑料、通信及医学等多学科，多领域的综合性系统。其控制系统可以分为三个层次：管理级、监控调度级、设备控制级。1.1管理级由上位机完成，是整个系统的管理与控制中心，管理与控制配药全过程。它接收医生开出的处方信息，查询药品数据库和处方数据库，并根据下层监控调度级传来的配药过程信息，经智能处理，产生下一个配药、发药任务，存放于任务队列中。管理级同时还接收药品的出入库信息，管理药品数据库和处方数据库，并对药品使用情况进行统计分析、查询，产生药品的需求计划。1.2监控调度级 由上位机实现，接收来自下层设备控制级传来的系统运行状态信息，包括取药位置、下药的完成情况、条形码7识别药品与需取药品的核对正确与否等，监控着整个配药系统的运行。同时，它对上层管理级下达的配药任务进行调度，合理规划各任务执行的先后顺序，以提高整个系统的运行效率。1.3设备控制级主要由性能稳定可靠的可编程控制器PLC8组成。配药任务经调度级分配后，由PLC控制相应的执行机构完成配药操作。PLC负责控制取药装置进行下药和成品的封装，控制下药系统准确实现处方要求的药品重量等。系统的硬件由局域网的多台终端计算机、一台打印机、两个条形码阅读器（一个阅读器位于发药机背面，在操作员换药瓶时读入当前药品的药名、浓缩比、密度等信息，一个阅读器位于发药机的取药机械手上，当取药机械手到达目标药瓶位置时，确认被取药品的身份是否正确。）和中药颗粒自动配方发药机组成。结构如图1所示： 图1中药颗粒自动配方发药机结构图电子处方终端用于医生通过医院内部局域网在终端电脑上处方，然后将电子处方信息存储到网络的数据库服务器。划价PC机负责将数据库服务器的电子处方调出，完成划价工作。划价完成以后，上位机对完成划价后的电子处方进行自动发药。上位机为一台性能较高的PC机，与中药颗粒自动配方发药机管理系统配合，负责发药机的控制、完成处方的审核，并协调整个自动发药机的运行。由PLC控制自动发药机运行。机电控制系统由贮药架，取药装置和导轨组成，完成药瓶精确定位和药品定量输出。打印机打印各种查询统计报表，处方以及划价单。2 发药机机械配置发药机机械配置如图2所示。图2 发药机机械配置图采用直排矩阵框架式模块化结构。左右药柜可分离，安装时由紧固件连为一体。可有效控制单一机件的最大长度，利于药机的拆卸与运输，同时可相对降低机件的加工难度和材料成本。左右药柜中分别配置两个独立的组合药架，每一药架可安放129=108个药瓶，四个药架共安放432个药瓶。药瓶容量约400g，为无毒医用塑料9注塑成型。其中，左药柜含抽湿机，右药柜含封口机、旋转贮杯架、瞬间负压发生器及电气控制单元。发药机机械尺寸为：4600mm 1100mm 2050mm。也可根据用户需求，以增加药柜的方式，方便地扩充可发药的规模。具体而言，每增加一个药柜，即可增加两个药架，也即1082=216个药瓶。需要指出的是，由X，Y交流侍服电机驱动的取药单元及其上的取药机械手在左右药柜紧固连接后，可无障碍地在整个药柜前的取药平面以二维坐标实现全部药瓶的任意位置定位与取药。其结构示意如图3。图3 发药机左视图3 关键技术研制发药机关键技术或关键部件包括：下药与称量机构，取药机械手，药杯封口机，旋转贮杯架与贮杯筒。其中，尤以下药与称量机构最为重要。3.1下药与称量机构下药与称量的技术路径选择，是整个发药机研制的起点与成败关键。在下药与称量的技术方案确定以后，其它的技术与工艺均可视为在其上的配套与展开。鉴于现有发药机在下药与称量原理上的不足，课题组经艰苦努力与多方探索，确定了现有的技术方案。（已申请专利。实用新型专利号ZL03 2 49768.710，发明专利审请号03135523.4）如图4所示。 图4 计量与下药一体化药瓶盖计量与下药一体化药瓶盖包括下药件1、计量件2和药瓶外盖3等，下药件上的出药孔与外盖上的进药孔相错排列。位于下药件与药瓶外盖间的计量件由取药机械手上的旋转同步带驱动作旋转运动，当其正对外盖上的进药孔时，垂直放置的药瓶中的颗粒中药进入计量孔，继续旋转正对下药件上的下药孔时，计量件里的颗粒中药经下药孔掉进药杯，完成一次最小分辨剂量的下药过程。可见，该专利装置可同时完成计量与下药功能，其简洁实用的设计不仅保证了下药过程的高可靠性，也为简化与之配套的下药机械手，药杯封口机，旋转贮杯装置等的设计提供了有利条件。3.2 机械手与X，Y方向运动单元位于X，Y方向运动小车上的下药机械手在运动小车准确到达目标药瓶时，进行下药操作。其结构如图5所示。（发明专利审请号200610020641.9，实用新型专利审请号200620033685.0。）图5 取药机械手三层结构的取药机械手取药时，由电机5驱动中间层前伸，其上的药杯支架1（含药杯）到达计量与下药一体化药瓶盖正下方，准备接取掉下的颗粒中药。与此同时，位于上层的旋转下药装置上的双面同步带齿轮2也前伸与一体化药瓶盖上计量件外侧的同步齿有效啮合，当旋转下药电机3运动时，带动药瓶盖的计量件旋转运动，实现下药目的。X,Y方向运动小车由交流侍服电机驱动，实现取药平面任意位置的运动。值得一提的是，X方向驱动由上下两台电机同步驱动，以保证X方向驱动的平稳性。 3.3 药杯封口机取药过程完成后，应对药杯进行封口。封口工序采用电加热热封方法。该常规热封方法简洁有效。示意如图6。图6 药杯封口机当取药后的机械手经X，Y驱动准确到达封口工位，取药机械手前伸，经到位检测无误后，热封头下压，完成封口过程。取药机械手后缩，到达相邻翻杯工位，翻杯电机旋转一周，已封口的药杯掉入导引槽，滑入贮杯筐，等待操作人员取出。3.4 旋转贮杯架与贮杯筒贮杯与取杯是取药前的先期工序。 旋转贮杯架（发明专利审请号200410081378.5，实用新型专利审请号200420105351.0）上安放八个贮杯筒，每一贮杯筒可装60-80个预制塑料药杯。示意如图7。图7 旋转贮杯架与贮杯筒取药机械手在取杯工位前伸，经到位检测无误后，当前贮杯筒下压，启动瞬间负压发生器，将一只药杯吸进取药机械手上的药杯托架，并保证其余药杯不被吸下。贮杯筒上升后，机械手后缩，完成一次完整的取杯工序。预制塑料药杯为一次性使用，保证两次处方间发药过程没有任何联系，有效避免了处方间药品的交叉污染。以上四种关键技术及于之相应的工序，加上翻杯工序，形成一个完整的发药过程。即：取杯工序X，Y行走与机械手取药工序药杯封口工序翻杯工序4 控制与执行单元本设计采用SIEMENS公司的S-200-226 PLC11可编程控制器作为控制核心。其特点是性价比高，性能稳定，完全满足系统技术要求。其与上位机的通信由PC/PPI缆线连接至上位机的串口。PLC须完成的技术要求为：检测相应工位各传感器的状态，输出相应的控制命令。4.1 检测信号检测信号包括X，Y左右、上下限位检测；X，Y工位到位检测；药杯水平检测；取杯到位检测；贮杯筒到位及上升到位检测；封口机到位及上升到位检测；旋转翻杯检测；机械手前伸到位及后缩到位检测；负压检测；加热检测；抽湿检测等。4.2 控制输出控制输出包括X，Y驱动交流侍服12电机控制；取药机械手伸缩电机控制；取药机械手下药电机控制；取药机械手旋转翻杯电机控制；贮药架旋转电机控制；贮药筒上下电机控制；封口机上下电机控制；封口机收带电机控制；负压发生器启停控制；加热启停控制；抽湿控制等。PLC控制单元的电气框图见图8。图8 PLC控制单元电气框图5 自动发药机软件设计 自动发药机软件设计包括下位机（PLC）控制系统软件设计和上位机配药管理软件设计。5.1下位机（PLC）控制系统软件设计下位机接收上位机传送的配药动作指令，控制各执行机构完成发药，并向上位机反馈发药任务的执行状态。下位机控制软件分为系统复位、系统扫描、接收发药处方、发药过程四个模块。由于西门子公司的Micro Computing13软件提供的SIMATIC控件能够方便实现上位机和下位机之间的通信，故不需为下位机专门设计通信模块。当然，也可编程实现自由端口通讯，以提高传输速率。5.1.1系统复位模块复位模块保证处于任意位置的小车能回到原点（取杯工位）。尤其在遭遇掉电等不可预测故障，运动小车及取药机械手可能位于任意位置、任意工序时，复位模块在重新上电时依次处理不同状况，使小车安全返回原点。包括：判断机械手是否在后限位（即：机械手缩回）。这是复位过程最重要的判据。由于机械手取药时位于药瓶行间，此时若作X，Y运动，机械手将被损坏。因此，机械手不在后限位（机械手前伸），严禁小车运动，否则，将导致严重后果。其它工序理由相同。机械手如在后限位，检查各主要部件是否故障，如故障，则报警；无故障直接回到原点判断机械手中是否有药杯，此时的药杯是指上次取药过程因故未完成的残留药杯，如有则封口（封口目的是防止残留药粉在转杯时撒出），将封好口的残留药杯转出丢弃，然后回到原点为取药做准备。如机械手不在后限位，且转筒或封口机任意一个不在上限位，则先将转筒和封口机提至上限位（防止机械手伸手时碰撞损坏机件），并判断转杯处机械手是否水平（防止当转杯处机械手不水平，缩手时卡在转杯处损坏机件），如果水平，将机械手缩回至后限位；如果不水平则进行一次转杯使之水平，然后机械手再缩回后限位，到达后限位后的流程与上同，开始检查各部件是否故障。由于取药小车取药的位置是相对原点（取杯工序）计算得出的，小车每次取药时均从原点开始，可保证小车准确定位取药。同时，消除了处方间取药工序积累的定位误差，也大幅度降低了准确定位的技术要求。复位模块程序流程如图9。图9 复位流程图5.1.2 系统扫描模块系统扫描模块的功能是自动逐行扫描药架上药瓶的条形码，然后将条形码数据放到数据库的当前药瓶位置信息表中。该表为取药过程的参照表，只有该表上的药品才能由取药机械手取药成功。或：对于取药机械手，只有该表上的药品才是实际存在的。每次上电时，强制系统进行扫描，以保证取药顺利进行。为减少发药时间，一般将常用药瓶放置于离原点较近的位置。当然，不同的季节、不同的地域，对中药的需求可能发生变化，药瓶的位置及种类也可相应变动。如果重新设置药瓶的位置，经扫描后，即动态更新。5.1.3接收发药处方模块发药处方由上位机经PC/PPI缆线发送给下位机，在发送过程中，将整个处方信息存入下位机PLC内存，在发药机发药过程中，可发送下一个处方。即：任何时候，下位机PLC最多存储两张处方，节约PLC的资源。PLC接收发药流程如图10。图10 PLC接收发药流程图向PLC发送的中药信息格式如下：X坐标Y坐标X方向Y方向发药量5.1.4发药过程模块发药过程模块是整个中药发药机控制程序的核心模块。该模块包括取药杯、取药、小车X、Y运动到位、机械手取药、药杯封口压膜等过程。发药流程如图11。图11 发药流程图处方发送之前需验证，主要包括：处方是否存在“十八反，十九畏”，如有，提示是否继续发送处方；检查处方总药量是否超标，如超标则报警提示；是否存在药量不足或过期，如果发现则报警提示。验证通过的处方传送至PLC，获取相应的X，Y坐标及方向、下药量等信息，取药机械手在取杯工位获取药杯。小车沿X、Y方向运动到达目标药瓶位置，条码阅读器将药瓶的条形码返回上位机进行身份认证，身份认证通过后，取药机械手方可取药。如目标药瓶位置出错，身份认证失败，系统报警，系统重新进行自检扫描。处方上的所有药品取药结束后，小车到达封口工位，封口药杯，再到达转杯工位，输出已封口的药杯。小车返回原点。如需继续下一处方的发药过程，小车回到原点后，重复取药过程的各工序。否则，停在原点等待新任务。最后，将封口的药杯贴上已打印的相关信息标签（姓名、性别、年龄、服用方法、服用禁忌、发药日期、有效期等），即为成品。5.2上位机配药管理信息系统在颗粒中药自动发药机系统中，配药任务的形成以及对中药基本信息、处方的管理都是以相应的数据库为依托的。在中药颗粒自动配方发药机信息管理系统的设计中，使用SQL Server 200014作为后台数据库管理系统，并结合医院的中药管理系统，开发了颗粒中药自动发药机的信息管理软件。该软件包括以下模块：5.2.1电子处方生成管理模块医生在填写处方单时，需要输入病人和处方医生的信息，从药品数据库选择中药或者从常用处方中选择药单。生成的电子处方在没有划价之前可以修改。5.2.2常用处方管理模块常用处方模块提供几百种药典记载和民间常用的验方，便于医生处方时进行参照，然后根据患者具体的病情，更改药名或药量。该模块提供了常用处方的添加，修改和删除功能。5.2.3员工管理模块员工管理模块管理药房或医院员工的基本信息，包括添加、修改员工基本信息。5.2.4中药基本信息管理模块中药基本信息数据库存放大量中药的基本信息，其中只有432味药（根据医院或药房的规模可以进行扩展）置于发药机药架上。该模块将每种中药的条形码、名称、拼音缩写、浓缩比等基本中药信息存放到数据库。5.2.5药瓶更换模块药瓶更换模块是在药瓶中的药物发放完毕以后，用户需要把新的药瓶放上药架。由于用户在操作过程中可能同时更换几个药瓶，存在将药瓶放错位置的可能性，所以在用户更换药瓶时必须使用条码阅读器将药瓶的条码信息读出。条码的信息主要包括中药的识别码以及该药瓶中药颗粒的浓缩比及密度。换药后的自检防止用户在换药的时候换错药瓶，保证数据库的中药位置信息和药架的中药位置保持一致。5.2.6查看药瓶位置状况通过图形化界面可查看各味中药在药架上的位置状况、现有药量以及药品有效期的提示信息。5.2.7用户管理用户管理对操作员以及操作员的权限进行管理。系统分配操作员的使用权限，确保系统的安全。5.2.8查询统计模块查询统计模块包括：（1）医生工作量查询统计：统计处方医生某段时间处方数量及处方价格。（2）中药用量统计：统计某段时间中药的使用量。（3）中药查询统计：查询药架上中药的剩余量和有效期，当剩余量和有效期低于下限时，报警提示。（4）某段时间内的病员统计等。5.2.9系统帮助模块提供对用户使用本信息管理系统的帮助支持。6其它相关技术说明6.1药品密封与干燥颗粒中药富含多醣，易受潮板结。因此，保持其干燥极为重要。自动发药机上所使用的药瓶瓶盖是相对密封的。任一时刻，不论取药与否，瓶中颗粒中药均不直接暴露于空气中。另一方面，配置抽湿机，保持发药机内的相对湿度，与此相应，机架上使用密封条，使发药机内的空间与机外相对隔离，以保证抽湿效果。6.2误差分析 每一张由医生开出的处方，其上的每一味中药，通过发药机发送前，必须经过误差分析。由前述的下药原理可知，该发药机采用小量杯方式。因此，发药过程本质上是离散方式，而非连续方式。离散方式发药必然产生误差。误差最大值为二分之一小量杯重量的颗粒中药。同时，一张处方上的所有药品重量也应进行分析，以满足对总重量的误差要求。误差分析与处理模块配置于每台医生终端电脑上。6.3取药过程路径优化在同一药架上取多味颗粒中药，其取药效率除受药品在药架上排列位置的影响，还与取药的先后顺序有关。一张常规处方约十味中药，考虑到取药小车启停时的加减速曲线与取药相邻距离相关等因素，取药过程的路径优化较为复杂，也较为典型。处理该问题的软件模块配置于上位机的监控调度级中。7技术特点 由以上各项技术构成的中药自动发药机有以下特点：随症加减：每味药均可按照医生的处方对药量进行增减，最小量只与下药小量杯的容积相关；配药量精确：误差范围符合国家药典相关标准；无交叉污染：每味药的下药过程及盛药药杯均各自独立，杜绝了交叉污染；发药安全性高：发药过程中利用条码扫描等手段进行双重药品身份验证，确保发药过程的准确性；药品独立包装：按照处方取好药后，每付药独立密封包装在一个药杯内，患者服用方便；良好的药品存放环境：药品存放于密封环境中，具防尘防潮措施，确保药品质量；网络管理功能：电子处方可在网络上不同的医生终端生成，传到数据库，经划价，通过发药机统一发药；操作简单可靠：管理系统具有良好的人机界面，可对中药、处方及发药机进行管理。大大降低劳动强度，只需一名发药人员即可完成所有操作。8结论经课题组各位同仁多年艰辛努力，历经四代样机的研制，克服各种困难，颗粒中药自动发药机已于二零零五年十一月获鉴定会鉴定通过。鉴定委员会的关键评语为：“国内领先，世界先进”。目前课题组正全力以赴投入发药机的改进、优化、定型工作中，以期将原理先进、简洁高效、成本低廉、可靠性高、使用方便且无交叉污染的颗粒中药自动发药机尽快投入市场，服务于社会，也为中药产业现代化贡献一点微薄之力。参考文献1 SONG Jinbin,LI Aihua. 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