中藥自動(dòng)化立體存儲(chǔ)系統(tǒng)及其搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

中藥自動(dòng)化立體存儲(chǔ)系統(tǒng)及其搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1中藥自動(dòng)化立體存儲(chǔ)系統(tǒng)在快速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)中，機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程已成為社會(huì)的中心主題。伴隨著機(jī)電一體化在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用,自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無(wú)人車(chē)間、無(wú)人生產(chǎn)流水線(xiàn)等已經(jīng)隨處可見(jiàn)。機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置,它對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率,改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。20世紀(jì)80年代初,PLC可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)末期,可編程控制器更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要,并被各個(gè)國(guó)家紛紛開(kāi)發(fā)利用。人機(jī)操作界面是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話(huà)接口,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分,具有可編程功能,可附帶PLC控制功能,應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)中藥的藥材資源約有1.2萬(wàn)種,一個(gè)普通中藥診所常用藥就多達(dá)四五百種。由于中藥材種類(lèi)繁多、形狀各異,給藥房管理帶來(lái)諸多不便。中藥品的存儲(chǔ)管理信息化水平比較低,勞動(dòng)強(qiáng)度大,藥房工作效率不高,而中醫(yī)在我國(guó)醫(yī)療事業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。設(shè)計(jì)的中藥自動(dòng)化立體存儲(chǔ)系統(tǒng)及其搬運(yùn)機(jī)械手裝置,可以有效地解決人工取藥及藥材管理時(shí)存在的問(wèn)題。該裝置以PLC可編程控制器為核心部件,利用人機(jī)操作面板控制搬運(yùn)機(jī)械手抓取藥物,并采用高精度稱(chēng)重傳感器,精確稱(chēng)取藥物重量,氣動(dòng)控制的自動(dòng)開(kāi)合藥箱,配合機(jī)械手快速取藥,實(shí)現(xiàn)中藥材的科學(xué)化管理。將現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)中醫(yī)結(jié)合,為中醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供良好的機(jī)會(huì)。2取藥劑量的確定自動(dòng)化立體存儲(chǔ)系統(tǒng)采用密集式庫(kù)架設(shè)計(jì),鋁合金作為箱體材料,以PLC為控制核心控制搬運(yùn)機(jī)械手對(duì)中藥進(jìn)行搬運(yùn),方便中藥庫(kù)房的管理。工作原理如下:取藥時(shí),藥劑師在人機(jī)操作界面上進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,根據(jù)藥方輸入所需抓取藥材的劑量,選擇所需藥材,由PLC控制系統(tǒng)精確定位,通過(guò)前后、左右、上下三維運(yùn)動(dòng)使取藥機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至指定藥箱位置,同時(shí)控制系統(tǒng)控制相應(yīng)電磁閥動(dòng)作,使氣缸推動(dòng)藥箱自動(dòng)彈出,然后取藥機(jī)械手伸入藥箱進(jìn)行取藥。抓藥后,取藥機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至托盤(pán)位置張開(kāi)手爪進(jìn)行放藥,托盤(pán)下裝有稱(chēng)重傳感器,對(duì)藥材進(jìn)行稱(chēng)量,并通過(guò)變送器將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)PLC輸出,人機(jī)操作界面自動(dòng)輸出本次操作取出的藥量,當(dāng)藥材劑量足夠時(shí),藥箱自動(dòng)收回,否則取藥機(jī)械手繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至該藥箱再次進(jìn)行取藥、稱(chēng)量,直到達(dá)到所要求的劑量為止。設(shè)計(jì)方案及總體結(jié)構(gòu)圖,如圖1、圖2所示。3中國(guó)的自動(dòng)立體存儲(chǔ)系統(tǒng)及其機(jī)械臂的設(shè)計(jì)3.1前后方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部分通過(guò)緊固螺栓與地基相連,通過(guò)前后、左右、上下三個(gè)方向的移動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手到達(dá)指定位置。機(jī)械手的上下及前后方向的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、絲杠、移動(dòng)滑臺(tái)、光杠導(dǎo)軌組成,其左右方向的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶及帶輪、直線(xiàn)導(dǎo)軌組成。機(jī)械手手爪與前后運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌固定實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng),稱(chēng)量托盤(pán)安放于垂直手臂的下端,與左右運(yùn)動(dòng)的滑臺(tái)連接,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手爪與滑臺(tái)的同步運(yùn)動(dòng),方便機(jī)械手手爪放藥。搬運(yùn)機(jī)械手及運(yùn)動(dòng)裝置總體設(shè)計(jì),如圖3所示。3.2“地”基之并發(fā)癥搬運(yùn)機(jī)械手爪模擬人的手形,設(shè)計(jì)成左右手掌的形狀?！笆直邸苯徊?抓取時(shí)能夠調(diào)節(jié)手爪的開(kāi)合,以保證抓取不同體積不同形狀的藥材。手爪通過(guò)鋸齒嚙合實(shí)現(xiàn)對(duì)藥材的抓取。如圖4所示。3.3藥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中藥自動(dòng)化立體存儲(chǔ)系統(tǒng)主要由庫(kù)位、藥箱、氣動(dòng)控制部分構(gòu)成。密集式存儲(chǔ)庫(kù)架,每個(gè)庫(kù)位對(duì)應(yīng)一個(gè)藥箱,為避免藥材長(zhǎng)期殘余變質(zhì),設(shè)計(jì)底部?jī)A斜約12°的坡底型藥箱,以保證藥材始終存留在箱前部,方便取藥機(jī)械手抓取藥材。氣動(dòng)控制部分主要有氣缸架、氣缸組成,氣缸陣列于庫(kù)架背部與各個(gè)藥箱對(duì)應(yīng),實(shí)現(xiàn)藥箱的自動(dòng)開(kāi)合。自動(dòng)化立體存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及藥箱結(jié)構(gòu)圖,如圖5所示。機(jī)械部分技術(shù)性能指標(biāo),如表3所示。4中國(guó)的自動(dòng)三維存儲(chǔ)系統(tǒng)及其機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制4.1人機(jī)界面控制原理控制系統(tǒng)以西門(mén)子PLC為核心部件,通過(guò)控制程序控制電磁閥和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)械手的定位—抓取—稱(chēng)量—檢測(cè),藥箱的自動(dòng)開(kāi)合等一系列功能。首先操作人員通過(guò)人機(jī)界面發(fā)出指令,借助PLC控制器與PC機(jī)的通訊;然后PLC控制器接收人機(jī)界面指令,并針對(duì)交流、直流、開(kāi)關(guān)量、模擬量、電位、脈沖信號(hào),由I/O模塊與按鈕、行程開(kāi)關(guān)、傳感器、變送器、控制閥直接連接,控制機(jī)械手的三維運(yùn)動(dòng);與此同時(shí),自動(dòng)彈出式藥箱的電磁閥通電,彈出藥箱,機(jī)械手到達(dá)彈出藥箱位置,根據(jù)接收的模擬量、脈沖信號(hào)及傳感器的反饋信號(hào)完成取藥;最后搬運(yùn)機(jī)械手復(fù)位,藥箱閉合?？刂瞥绦蛄鞒虉D,如圖6所示。4.2機(jī)械手手加快入藥取藥時(shí)PLC控制系統(tǒng)可以精確定位,通過(guò)前后、左右、上下三維運(yùn)動(dòng)使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至已彈出藥箱的位置,開(kāi)始取藥,抓藥后機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至托盤(pán)位置張開(kāi)手爪進(jìn)行放藥,機(jī)械手手爪的動(dòng)作靠平行夾HDP20S型氣缸驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn),采用氣動(dòng)控制方式,以靜音空氣壓縮機(jī)為氣源,利用PLC控制器控制電磁閥的通斷以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手爪的夾緊松開(kāi),完成藥材的取放,達(dá)到所需藥量時(shí)停止取藥。4.3藥箱自動(dòng)控制中藥自動(dòng)化立體存儲(chǔ)系統(tǒng)整體庫(kù)架由庫(kù)位、藥箱、氣動(dòng)控制部分構(gòu)成。氣動(dòng)控制部分以靜音空氣壓縮機(jī)為氣源,MAL20×75型氣缸制動(dòng),電磁閥控制氣缸拉桿伸縮,實(shí)現(xiàn)藥箱的自動(dòng)彈出與閉合。氣動(dòng)控制工作原理:以靜音空氣壓縮機(jī)作為氣源,經(jīng)過(guò)濾器凈化,油霧器過(guò)濾,通過(guò)減壓閥調(diào)節(jié)氣壓大小,二位五通換向閥控制氣缸拉桿伸縮,從而控制藥箱的自動(dòng)彈出與閉合。氣動(dòng)控制原理圖,如圖6所示。4.4過(guò)變送器輸出中藥自動(dòng)化立體存儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)精度為0.1g的平行梁式稱(chēng)重傳感器對(duì)藥材進(jìn)行精確稱(chēng)量,并通過(guò)變送器將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)PLC輸出,控制程序根據(jù)輸出信號(hào)控制機(jī)械手反復(fù)取藥,直至達(dá)到所需藥量;與此同時(shí)計(jì)算機(jī)對(duì)每種藥材的取用量進(jìn)行累加,并與藥箱內(nèi)藥材的初始重量進(jìn)行比較,當(dāng)藥箱內(nèi)藥材減少到所設(shè)置值時(shí)發(fā)出警報(bào),提醒醫(yī)師及時(shí)補(bǔ)充藥材,防止藥材短缺。5中藥立體化分揀裝置中藥自動(dòng)化立體存儲(chǔ)系統(tǒng)及其搬運(yùn)機(jī)械手裝置針對(duì)中藥形狀的不規(guī)則及多樣性,設(shè)計(jì)了可以用于抓取多種形狀中藥的機(jī)械手(如粉狀,葉狀,枝狀等),控制部分以PLC為控制核心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了中藥立體化存取系統(tǒng),附有自動(dòng)稱(chēng)量檢測(cè)裝置及氣動(dòng)控制的自動(dòng)彈出式藥箱,以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)械手的定位—抓取—稱(chēng)量—檢測(cè)