CN113855555A - 一种自动精确分药控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动精确分药控制系统及方法，应用于自动控制领域，针对现有人工取药分药效率低下的问题；本发明的控制系统包括：上下位机通信子系统、蜂鸣器子系统、底座电机控制子系统、药盒安装检测子系统、药丸捕获检测子系统、超时报警子系统、药槽控制检测子系统、药槽处理子系统、药丸分道子系统等九大子系统，每个子系统都有自己相应的作用；通过这些子系统之间的相互配合，可以极大程度保证分药过程的正确性和稳定性，最后也保证了分药结果的安全性。

Description

一种自动精确分药控制系统及方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，特别涉及一种物品分拣技术。

背景技术

目前，医院对于处方类的固体药物采用的是人工取药分药的方式进行的，即通过手持医师开具的药单到药房进行取药，药房护士进行定量的分药操作。这种方法存在几个问题：第一，高峰点患者较多，医务人员人手不足造成排队现象；第二，固体药物有相应的存储环境，使用取药时不太方便，可能有造成交叉感染的风险；第三，分药操作是由医务人员手工操作，存在错误分药等风险；第四，一个医务人员一次配药只能按时间顺序来取出各种药丸以及取出相应的数量，并不能同时配置，效率较低。因此，研究一种自动化方案以实现固体药物的储存、剂量的精确控制、药物分离等功能，提升药物管理的自动化、智能化水平，具有重要的现实意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种自动精确分药控制系统及方法，能够自动快捷准确的将药丸分到相应的药盒里。

本发明采用的技术方案为：一种自动精确分药控制系统，包括：储药盒、药盒底座电机、药盒底座、光电传感器、分道模块、旋转电磁铁、分道通道、药槽、落药主通道以及控制主板，所述药盒底座电机、第一接近传感器、光电传感器、旋转电磁铁均与控制主板电连接；

储药盒用于存放对应药品；储药盒底部设置有托药盘，所述托药盘上设有漏药孔；

储药盒通过传动轴连接安装在药盒底座上，药盒底座上设有出药口，药盒底座电机转动通过传动轴带动药盒中托药盘转动，当托药盘上漏药孔和药盒底座上出药口重合时，药丸由于重力作用穿过两个孔落下来；

每个储药盒底座出药口处安装有光电传感器，用于捕获该出药口掉落的药丸数量；

每个储药盒底座出药口均与落药主通道连接；落药主通道通过分道模块与旋转电磁铁将落入的药丸分配至对应药槽。

还包括：第一接近传感器，第一接近传感器安装在药盒底座上，用于检测药盒底座上是否安装有储药盒。

还包括：药槽弹出电机、药槽固定底座、压力传感器、第二接近传感器；药槽放置于药槽固定底座上，药槽弹出电机安装与药槽底座上，用于弹出药槽，所述压力传感器安装与药槽内部，用于检测药槽内是否有药丸；第二接近传感器安装于药槽底座上，用于检测药槽是否成功被推回卡住。

还包括上位机，所述上位机通过485总线与控制主板进行通信。

一种基于上述控制系统的自动精确分药控制方法，包括：

S1、初始化配药数据；包括各储药盒需要掉落的药丸数量；

系统上电初始化完毕之后，控制板通过上下位机通信子系统开始接收到上位机发送的命令后，并对该命令进行解析。

S2、通过压力传感器检测是否存在有效的药槽，如果存在有效药槽，根据药槽位置触发旋转电磁铁动作，配合分道模块，选通对应的分道；否则继续等待；

S3、控制对应的药盒底座电机转动，通过传动轴带动储药盒中托药盘转动，掉落药丸；

S4、根据光电传感器对各出药口掉落药丸进行计数，当对应出药口掉落药丸达到需要掉落的药丸数据，则执行步骤S5；否则返回执行步骤S3；

S5、控制药槽弹出电机将对应药槽弹出，得到最终的配药。

步骤S3还包括通过第一接近传感器检测储药盒是否安装在储药盒底座上。

本发明的有益效果：本发明的控制系统采用模块化设计的设计思路，由上下位机通信，蜂鸣器，底座电机控制等近十种子系统组成。每种子系统都与一个或多个其他子系统相关联，整个控制系统形成一个子系统控制网。这套完整的控制流程需要任何一个环节都正常运行，一旦某个环节出现错误，控制系统都会报警提醒，直到解决了问题，控制系统才会继续正常运行，极大提高了分药的准确性和安全性。通过本发明的方法和步骤，可快速、准确的完成分药。

附图说明

图1为本发明的控制系统组成框图；

图2为本发明的上下位机通信子系统；

图3为本发明的蜂鸣器子系统流程图；

图4为本发明的底座电机控制子系统流程图；

图5为本发明的药盒安装检测子系统流程图；

图6为本发明的药丸捕获检测子系统流程图；

图7为本发明的超时报警子系统流程图；

图8为本发明的药槽控制检测子系统流程图；

图9为本发明的药槽处理子系统流程图；

图10为本发明的药丸分道子系统流程图；

图11为本发明的控制系统总体流程图；

图12为本发明的控制系统结构示意图；

图13为本发明具体实施方式中提供的分道模块和旋转电磁铁的一种安装方式；

附图标记说明：001-储药盒，002-药盒底座电机，003-第一接近传感器，004-药盒底座，005-光电传感器，006-分道模块，007-旋转电磁铁，008-分道通道，009-药槽弹出电机，010-药槽，011-药槽固定底座，012-压力传感器，013-第二接近传感器，014-落药主通道。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图12所示为本发明的控制系统结构示意图，本发明的控制系统包括：储药盒001，药盒底座电机002，第一接近传感器003，药盒底座004，光电传感器005，分道模块006，旋转电磁铁007，分道通道008，药槽弹出电机009，药槽010，药槽固定底座011，压力传感器012，第二接近传感器013，落药主通道014。

本发明实施例采用的控制板选用ARM控制板，芯片采用STM32F407ZGT6。系统上电投入使用后，控制板首先进行初始化(包括系统时钟、定时器、串口、各个驱动器，以及系统一些设定参数等)。在控制板上面集成一颗蜂鸣器，通过这颗蜂鸣器设计蜂鸣器报警系统；选择ARM芯片内部的一个定时器作为时基，加上相应的控制算法配合蜂鸣器报警子系统和药丸捕获检测子系统形成超时报警子系统；采用ARM芯片的一个串口例如usart2作为上下位机通信接口，从而根据协议完成上下位机通信子系统。

本发明提供一种自动精确分药控制系统，用以实现帮助医务人员在自动药物机上自助完成固体药丸的分类，提升药物管理的自动化、智能化水平的技术效果。整个控制系统采用模块化设计，避免功能耦合，如图1所示，可细分为上下位机通信子系统、蜂鸣器子系统、底座电机控制子系统、药盒安装检测子系统、药丸捕获检测子系统、超时报警子系统、药槽控制检测子系统、药槽处理子系统、药丸分道子系统等九大子系统，每个子系统都有自己相应的作用。通过这些子系统之间的相互配合，其中的错误反馈报警机制贯穿整个控制系统，在分药的过程中，一旦出现任何一个错误状态，系统便会向外界发出警报直到医护人员对错误状态处理完毕，系统才会继续正常运行。通过系统中各种安全监测系统和报警系统的配合下，可以极大程度保证分药过程的正确性和稳定性，最后也保证了分药结果的安全性。在整个分药过程中，药丸需要依靠重力的作用落下，然后经过特殊的结构，结合本发明的控制系统，最终完成精准、快速、安全分药。

以下对9个子系统进行详细阐述：

上下位机通信子系统如图2所示：为了操作的便利，下位机用来接收来自上位机的指令，从而间接的控制分药操作，为了系统安全性和稳定性，下位机也向上位机反馈控制过程中一些状态量。上下位机通信主要依靠485总线，下位机通过系统指定的一个通信串口orderusart接收和发送数据。

蜂鸣器子系统工作流程如图3所示：为了控制系统的安全性和稳定性，系统通过蜂鸣器发出“滴滴”的声音来显式的提示控制系统内部的状态。在系统内部设置buzzflag控制变量，将该变量关联到蜂鸣器。为了避免蜂鸣器鸣响时间对系统主任务的运行造成影响，系统开辟另外一个副任务处理蜂鸣器的控制。主任务和副任务并行运行，副任务通过不断的检测buzzflag状态来控制蜂鸣器。通过控制系统设置buzzflag为on状态，便可激活蜂鸣器从而发出“滴滴”响声。蜂鸣器鸣响一定时间后，便自动转为off状态，等待下一次的唤醒。

底座电机控制子系统的工作流程如图4所示：

底座电机控制子系统主要包括：储药盒001、药盒底座电机002、药盒底座004组成，药盒安装在药盒底座004上，电机启动通过传动轴带动药盒中托药盘旋转，从而令药丸从落药孔落下。

针对不同种类的药盒，对于每个药盒底座，控制系统给它们分配一个唯一的ID，比如假设有n个底座，那么根据底座在机器人中的安装位置，按照从上到下、从左到右的次序，在控制系统中依次创建ID变量box1，box2，box3，……，boxn，然后将药盒底座的控制电机与相应的ID变量相关联，形成不同的ID药盒控制结构体，该结构体包含控制电机相关的控制状态量motorflag，该状态量具有两种状态start和stop，分别对应电机的启动和停止。控制系统发送控制指令即设置相应电机状态量来控制电机的启动和停止，通过电机的ID号判断具体启动的哪个电机，当某电机启动前，药盒安装检测子系统启动，当某电机启动时，超时报警子系统随即启动。

药盒安装检测子系统工作流程如图5所示：

药盒安装检测子系统主要包括：第一接近传感器003，第一接近传感器003接近传感器安装在药盒底座004上面，当储药盒正常通过传动轴连接安装在药盒底座004上，第一接近传感器003模块会发生信号的变化。系统不断的采集003模块数据结合检测算法来判断药盒是否安装成功。

为了保证药盒正常工作，每个药盒底座和药盒之间安装有相应传感器(距离传感器，接近开关等)，通过该传感器检测药盒安装状态。主控芯片采集传感器信号量，系统创建安装状态量boxinstalflag表示该信号量，并根据信号量将boxinstalflag设定为ready(已经准备好)和noready(没有准备好)两种控制状态。在控制系统向某个ID的电机发送控制指令之前，系统将会检测该ID电机的安装状态量boxinstall，若是处于noready状态，系统将会通过orderusart串口发送药盒安装有误状态标志“ERROR_INSTALLATION”，并连续触发蜂鸣器信号，提示外部工作人员处理；若系统检测到ready状态，才会发送启动控制信号给该ID底座电机。

药丸捕获检测子系统工作流程如图6所示：

药丸捕获检测子系统主要包括：光电传感器005，广电传感器005安装在药盒底座004的出药口处，光电传感器005和主控板相连，通过不断的检测光电传感器005的数据并在系统内部做出处理，从而实现药丸检测功能。

当控制系统发出控制指令启动某一ID药盒底座电机时，系统开始等待药丸掉落。底座电机转动通过传动轴带动药盒中托药盘转动，当转盘上漏药孔和底座上出药口重合时，药丸会由于重力作用穿过两个孔落下来；在每个药盒底座出药口的附近安装有一个高灵敏的光电传感器，用于捕获掉落的药丸。系统在每次启动药盒电机之后都会立即不断地检测传感器状态，系统创建状态量catchflag表示该传感器状态。并将该状态判断为catch(药丸捕获到)和nocatch(药丸未捕获)两种状态。由于药丸掉落存在一定的时间差，在传感器检测区间将会一直检测到药丸存在，为了避免重复检测，系统根据传感器的状态nocatch(药丸未检测到)—catch(药丸一直存在于传感器检测区间)--nocatch(药丸离开传感器检测区间)变化定为“一个药丸掉落过程”。每次“一个药丸掉落过程”发生后，系统将会发出一个蜂鸣器触发信号，提示外界药丸掉落事件的发生。

超时报警子系统工作流程如图7所示：为了保证控制系统安全性，避免外界硬件系统和机械结构的损坏，系统具有超时报警机制。超时报警系统具体利用主控芯片内部的定时器中断完成。从启动某ID电机这一时刻起，控制系统内部会立即启动倒计时报警系统，若是在规定的时间内药丸捕获检测子系统未检测到药丸掉落，在中断回调函数中，系统将会通过orderusart串口发送超时状态标志“ERROR_TIMEOUT”，并立即给电机发送停止信号并持续触发蜂鸣器信号，提示外部工作人员的处理。若是在规定时间内成功检测到药丸的掉落，则立即关闭超时报警系统并初始化定时器内部设置的数据，并等待下一次启动。

药槽控制检测子系统工作流程如图8所示：

药槽控制检测子系统主要包括：压力传感器012和第二接近传感器013；压力传感器012安装在药槽内部，压力传感器012连接一个薄片，薄片大小几乎和药槽内部大小一致，掉落到药槽的药丸最终停在薄片上面。第二接近传感器013安装在药槽固定底座011上，用来检测药槽是否成功被推回卡住。第二接近传感器013和第一接近传感器003都能检测物体的接近状态，第一接近传感器003属于涡流式，只检测导电体的接近，而第二接近传感器013属于电容式不限于检测导电体物体。压力传感器012以及第二接近传感器013连接主控板，主控板不断地采集两个传感器的数据，判断是否达到要求。

创建closeflag状态量表示采集到的第二接近传感器013状态，并根据第二接近传感器013的数据将closeflag置为in和out两种状态，分别表示药槽的未弹出和弹出两种状态。创建ismedicine状态变量，true和false两种状态分别表示药槽中是否存在药品(药槽中存在药品和药槽中不存在药品)。通过ADC采集器实时获得压力传感器012的数据，并经过归一化处理得到药盒中实际物体质量数据，根据具体情况系统内部设置一个临界质量值criticalmass，当药槽物体重量大于等于criticalmass，系统将ismedicine置为true，表示存在药品，反之置为false，表示药槽为空。若药槽处于推回状态和药槽为空状态，系统定义其为有效药槽，使用状态量validbox表示，反之使用unvalidbox表示。当所有的药槽都处于unvalidbox状态时，系统连续触发蜂鸣器信号，通过orderusart串口发送满载状态标志“ERROR_FULLLOAD”，直到通过处理存在有效药槽。

药槽处理子系统工作流程如图9所示：

药槽处理子系统主要包括：药槽弹出电极009、药槽010、药槽固定底座011，系统通过控制启动药槽弹出电机，药槽控制电磁铁打开药槽锁扣结构，然后通过弹簧等弹性工具将药槽弹出，然后取出其中的药丸，并手动将药槽推回，药槽会被锁扣结构固定在药槽底座。

为了提高效率，一般药丸出口处会有多个药槽，当系统完成一次完整的分药后，所有的药丸都聚集在其中一个终点药槽中，系统控制执行器(电磁开关，电机等)将药槽弹出，工作人员取出药丸后将药槽推回。系统将每个药槽执行器分配一个唯一ID，每个ID药槽对应一个控制状态量boxcontrol，系统通过设定boxcontrol为on来弹出药槽。

药丸分道子系统工作流程如图10所示：

药丸分道子系统主要由分道模块006、旋转电磁铁007组成，分道模块006是一种特殊的分道结构，旋转电磁铁007可以是一种或者几种固定角度的旋转电磁铁状态组合，通过这些电磁铁旋转控制电磁铁上安装的旋转格挡叶片的状态组合形成不同的通道。药丸受到重力作用滑动经过由分道模块006和旋转电磁铁007组成的药丸分道子系统。分道模块006和旋转电磁铁007的一种安装方式如图13所示，可形成一个通向三号药槽的通道。

当一种配方的所有种类药丸都成功掉落到初始设定的终点药槽中，需要及时切换通道连通另一个药槽。假设备用药槽的数量是n，分道执行器(旋转电机，旋转气缸等)操作后连通了药槽t，则系统提前将此时执行器的组合控制状态记录，设置通道选择标志量chselectflagt，并设定该标志量具有两种状态true和false，系统通过设置chselectflagt为true状态完成通道切换。所有通道的标志为chselectflag1，chselectflag2，……，chselectflagn，所有的标志量在同一时刻至多只有一个处于true状态；当切换其他通道时，系统将该对应标志量设置成true，并自动将上一个处于true状态的通道标志量设置为false，然后系统根据之前记录的分道执行器控制状态发送对应的控制信号，完成通道的切换。不过系统在进行通道切换之前，会通过药槽控制检测子系统检测将要切换的通道对应药槽是否安全，只有当药槽处于validbox状态的时候，系统才会正常切换。否则系统将会通过orderusart串口发送切换通道错误状态标志“ERROR_CH_SELECT”，并连续触发蜂鸣器报警系统，并停止切换通道。

整个控制系统的运行流程如图11所示，其主要包含以下几个步骤：

第一步，系统上电初始化完毕之后，控制板通过上下位机通信子系统开始接收到上位机发送的命令后，并对该命令进行解析。

第二步，首先会通过药槽检测子系统检测是否存在有效的药槽，如果存在有效药槽，则继续通过药丸分道子系统进行下一步“选择分道”，根据上位机指令选择一个有效的药槽；若不存在有效药槽，则通过蜂鸣器报警子系统报警，同时通过上下位机通信系统发送错误码。

第三步，根据上位机的指令，在启动相应ID的药盒底座电机前，通过药盒安装检测子系统检测该ID药盒是否正确安装，若没有正确安装，则启动蜂鸣器子系统报警提醒并向上位机发送状态错误码；若正确安装，则通过底座电机控制子系统同时启动对应的某一个或者某几个底座电机，同时开启超时报警子系统。

第四步，底座电机启动后，隔一段时间，药丸就会从落药孔经由005光电传感器进入落药主通道014，落药主通道014是一个倾斜而且光滑的槽，不同药盒掉落的药丸通过药丸捕获检测子系统后都会掉落到落药主通道014。通过药丸捕获检测子系统来计数相应ID编号底座对应种类的药丸数量，每落下一颗药丸，电机都会经过启动-停止这一过程，若是多颗药丸，电机不断重复这个过程。每次启动都会开启超时报警子系统，若在设定最大时间内成功落下药丸，则电机会被关闭，超时报警子系统会自动初始化并关闭，等待下次开启；若没有在设定最大时间内成功落下药丸，则会触发超时报警子系统，然后向上位机发送错误状态，等待外部人员处理。系统内部不断累加相应掉落药丸数量，若相应药丸数量达到上位机指令中设定的值时，通过底座电机控制子系统控制关闭相应ID电机，并将系统记录的值清零，等待下一次启动。

本步骤中设定最大时间内成功落下药丸，通过设置系统内部代码中相关变量可以设定一个最大延迟报警时间，这个最大延迟报警时间可以根据药盒底座电机转动圈数来设置，在这里可以设置一个值3，意思就是最大报警设定时间为药盒底座电机转动3圈的时间，如果电机转动三圈还没有掉落药丸，可以认为系统出现故障或者其他问题，就启动报警系统。

第五步，掉落到014落药主通道的药丸会由于重力的作用向斜下方滑动，药丸都会滑到006模块。等到一个配方中所有的药丸都经由006模块进入某一个008模块中，最后都会进入对应的药槽。通过药槽处理子系统将药槽中的药丸弹出并及时取走。

药槽是一个无盖的盒子，末端有个类似钩子的部分。在药槽的后面安装有电磁铁，在电磁铁和药槽末端的钩子有一个金属杆，金属杆的末端也是一个钩子，并和药槽末端钩子相互卡锁，电磁铁上电可以吸附金属杆的另一端，通过杠杆原理打开卡锁。药槽穿在两根平行杆上，药槽和药槽后面的板子间是弹簧，当卡锁打开，处于压缩状态的弹簧就会把药槽弹出，然后医护人员可以从药槽中取出药丸，并将药槽推进直到两个钩子互相卡锁。或者直接重复二到四步，一次配完多种配方药再一次性取走。

重复步骤二到五，便可完成自动配药过程。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种自动精确分药控制系统，其特征在于，包括：储药盒、药盒底座电机、药盒底座、光电传感器、分道模块、旋转电磁铁、分道通道、药槽、落药主通道以及控制主板，所述药盒底座电机、第一接近传感器、光电传感器、旋转电磁铁均与控制主板电连接；

储药盒用于存放对应药品；储药盒底部设置有托药盘，所述托药盘上设有漏药孔；

储药盒通过传动轴连接安装在药盒底座上，药盒底座上设有出药口，药盒底座电机转动通过传动轴带动药盒中托药盘转动，当托药盘上漏药孔和药盒底座上出药口重合时，药丸由于重力作用穿过两个孔落下来；

每个储药盒底座出药口处安装有光电传感器，用于捕获该出药口掉落的药丸数量；

每个储药盒底座出药口均与落药主通道连接；落药主通道通过分道模块与旋转电磁铁将落入的药丸分配至对应药槽。

2.根据权利要求1所述的一种自动精确分药控制系统，其特征在于，还包括：第一接近传感器，第一接近传感器安装在药盒底座上，用于检测药盒底座上是否安装有储药盒。

3.根据权利要求2所述的一种自动精确分药控制系统，其特征在于，还包括：药槽弹出电机、药槽固定底座、压力传感器、第二接近传感器；药槽放置于药槽固定底座上，药槽弹出电机安装与药槽底座上，用于弹出药槽，所述压力传感器安装与药槽内部，用于检测药槽内是否有药丸；第二接近传感器安装于药槽底座上，用于检测药槽是否成功被推回卡住。

4.根据权利要求3所述的一种自动精确分药控制系统，其特征在于，还包括上位机，所述上位机通过485总线与控制主板进行通信。

5.一种基于权利要求1-4任一一项权利要求所述的控制系统的自动精确分药控制方法，其特征在于，包括：

S1、初始化配药数据；包括各储药盒需要掉落的药丸数量；

S2、通过压力传感器检测是否存在有效的药槽，如果存在有效药槽，根据药槽位置触发旋转电磁铁动作，配合分道模块，选通对应的分道；否则继续等待；

S3、控制对应的药盒底座电机转动，通过传动轴带动储药盒中托药盘转动，掉落药丸；

S4、根据光电传感器对各出药口掉落药丸进行计数，当对应出药口掉落药丸达到需要掉落的药丸数据，则执行步骤S5；否则返回执行步骤S3；

S5、控制药槽弹出电机将对应药槽弹出，得到最终的配药。

6.根据权利要求5所述的一种基于上述控制系统的自动精确分药控制方法，其特征在于，步骤S3还包括通过第一接近传感器检测储药盒是否安装在储药盒底座上。

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