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智能配药系统设计
　　摘要：介绍了新型系统的硬件和软件控制技术。硬件部分采用OMRON的和基于的电路板进行控制，软件部分则通过组态软件与界面编辑软件相结合对上位机进行控制和通讯。本系统达到国内领先、国际先进的水平，它的研制成功对在世界范围内的进一步推广起到了重要的作用。
　　系统(Intelligent Dispense System for Chinese Medicine)是随着中医院流程系统管理向电子化、网络化的方向发展而产生的。该系统工作的过程是：首先通过医院内部局域网将在终端电脑上开出的处方传至药房配药主控计算机，然后由主控计算机在查询药品数据库的基础上形成配药指令并下达给配药机器，完成配药过程。同时，主控计算机在配药机器终端的液晶显示屏上显示患者信息，并驱动打印机输出处方的综合信息，将处方综合信息连同配药机器输出的配好的分帖包装一起交付患者使用。系统的控制系统可分为机电控制系统和上位机软件控制系统，其结构框图如图1所示。
　　1 机电控制系统
　　机电控制系统为分层分布式结构，采用上位机+下位机+板的技术进行综合控制。其电路系统结构框图如图2所示。具体介绍如下：
　　(1)上位机使用PC机，负责管理级和监控调度级的控制。上位机不采用机的原因是因系统对于界面、数据库处理及网络联系等均有较高的要求。上位机的主要功能是将输入的二进制编码信息通过RS-232串口传送给下位机，并对下位机的工作状况进行实时监控，完成药方打印和液晶显示。另外，它与药品管理信息系统之间的信息交互，是通过医院内部的局域网来进行并采用TCP/IP协议实现的。
　　(2)下位机负责设备级控制。其功能是接收并解码上位机发送的二进制配药信息，然后根据配药信息选定所需药品，驱动相应集成电路板进行下药控制，并驱动机械手进行定位、取出药品、包装成袋，连同打印药方一起交付患者。下位机之所以采用而没有选择价格相对低廉的单片机，原因之一是为了满足配药机对高速运作的要求，X轴导轨和Y轴导轨均采用电机驱动，而单片机对伺服电机的控制能力相对较差，很难做到精确控制;原因之二是系统对可靠性的要求很高，而单片机的稳定性与相比要差一些，且容易受到外界电磁的干扰。
　　(3)下药直流电动机的控制采用以ALTERA
　　公司的ACEX1K芯片为核心的集成电路板来完成。在该芯片中集成了在Max+plus II开发系统中用VHDL语言编写的控制、计数和定时功能。该电路板的功能是接收从发来的命令和药品质量数，控制电动机的转数，在0.07g/转的精度下完成规定重量的下药。由于本系统使用了多达420个下药直流电机，因此采用可减少I/O点数及布线的集成电路板。该系统的所有下药电机由28块集成电路板分别控制，每块集成电路板控制的下药部分相对独立。这样，检查和维修不受位置限制，具有较高的可靠性和性价比。
　　1.1 控制
　　1.1.1 配置
　　本系统配置采用OMRON公司的C200HE型，并在其基础上扩展了一个16点型开关量输出模块C200H-OC225、一个32点晶体管型开关量输出模块C200H-OD215、两个16点开关量输入模块C200H-ID212和一个四轴位置控制模块C200HE-NC413。各模块的作用为：
　　(1)两个输入模块用来接收配药机器中各种接触器的位置反馈或动作的故障反馈，对其配置无特别要求;
　　(2)两个输出模块发出指令，用来操作配药机器。继电器型开关量输出模块驱动电流大，但不能频繁动作，因此用来控制所有电磁阀和各种直流电机、步进电机;晶体管型开关量输出模块则正好相反，且其输出为TTL电平，具有可以与其它集成电路接口的优点，用来驱动集成电路完成下药操作。
　　(3)四轴位置控制模块用来控制四轴(X、Y、Z、U)互相独立的两个伺服电机和三个步进电机。在X、Y轴上分别配置了两个伺服电机，而三个步进电机由于工作时间互相错开，全部配置在U轴上。另外，X、Y轴上各有左右限位开关和原点接近开关3个，Z轴有原点接近开关1个，这样，共7个接近开关接到C200HENC413上。该模块以不超过10ms的响应时间从内存取得命令，在500kp/s的高频脉冲下与内存数据建立映射关系，完成通过修改内存数据定位伺服电机和步进电机的位置以及通过内存数据反馈伺服电机和步进电机的位置情况的功能。
　　1.1.2 伺服电机控制电路
　　在本系统中，配置了两个OMRON公司的SMARTSTEP A伺服系统，对X、Y轴完成定位操作，具体控制电路如图3所示。其中包括四轴位置控制模块C200HE-NC413、通用控制电缆R88A-CPU002S、伺服驱动器R7D-AP04H、伺服电机R7M-A40030-BS1(为带制动器的带键直轴圆柱形电机)。图中，CN1代表伺服驱动器，CN2代表与伺服电机同轴的分辨率为2000脉冲/转的光学增量型编码器用，它可以完成从驱动器到伺服电机的具有位置反馈和速度反馈的闭环控制。在伺服电机中，M代表电机本身，E代表编码器，B代表动力制动器。由于固定脉冲代表固定距离，因此当伺服电机接收到控制系统发出的若干条脉冲指令后，就可以完成预定的定位。在本系统中，设置电机的分辨率为5000脉冲/转(0.072度/步)，伺服电机连接的同轴减速器比例为31，其带动导轨移动的速率为60mm/转。因此，伺服电机带动导轨移动的速率为20mm/5000脉冲。伺服电机控制电路的控制原理为：位置控制单元从设备处得到各种控制信号，并根据不同药罐间的距离与20mm/5000脉冲的数据大致算出映射到四轴位置控制模块NC413在中的脉冲数据;然后通过通用控制电缆输出高速脉冲给伺服驱动器，由其驱动伺服电机，使之根据误差反馈自动微调该数据，最终达到精确定位的目的。
　　1.1.3 步进电机控制电路
　　步进电机驱动器与C200HE-NC413的连线类似于图3中伺服电机驱动器与C200HE-NC413的连线，而步进电机驱动器与步进电机间的连线则如图4所示。本系统中控制机械手摆动的步进电机采用STONE公司的86BYG250B，驱动器采用STONE公司的混合式步进电机驱动器SH20806C;控制送袋与推袋的两个步进电机采用SANYO公司的103H548，驱动器采用STEP公司的四相混合式步进电机细分驱动器ST4HB03X。步进电机的控制类型为不具有位置反馈功能的开环控制，控制方法为在确定运动起点与终点的基础上，将位移或角度改变以200脉冲/转(0.18度/步)为分辨率转变为脉冲数，写入映射在NC413中的内存位置，从而控制步进电机完成定位。
　　1.2 系统工作步骤
　　系统中有各种电机、限位、定位用以及与真空气泵连接的电磁阀，可以完成取空药袋、打开空药袋及封装、输送药袋等功能，其工作时序见图5。
　　1.3 程序实现
　　利用OMRON的编程软件CX-Programmer完成梯形图的编写，程序包括如下六个模块：
　　(1)初始化模块，其功能是将的内存单元初始化，进行电气部分的归零操作，目的是为配药系统进行运转做好准备，防止误操作对系统造成不可挽回的破坏;
　　(2)接收模块，其功能是接收上位机界面中输入的二进制编码的信息(包括药品种类、数量、贴数等)，存入预先定义的内存单元;
　　(3)发送模块，其功能是将药品种类、数量等按照数据库与伺服电机结构中已定义的方式分别转变为下药直流电机位置和转动圈数，并发送到集成电路板，完成下药操作;
　　(4)反馈模块，其功能是接收来自集成电路板的直流电机转动停止(即规定重量下药动作完成)的反馈信号;
　　(5)控制模块，其功能是在确定下药过程完成后，驱动机械手完成取空药袋、打开空药袋、定位及集药等任务，并驱动药袋封口装置动作，触发直流电动机带动皮带转动，送出药品;
　　(6)故障处理模块，其功能是接收各处传感器反馈的接近或故障信号，随时停止系统的配药动作，以进行故障处理。
　　此外，在发送模块和控制模块中建立时间联系，使得在一次多贴药配药过程中，下一贴药的下药、取空药袋动作与上一贴药的封口、传输动作并行进行，缩短了配药时间。
　　2 上位机软件控制系统
　　上位机软件控制系统包括药品信息数据库和人机对话界面，前者主要存储医院的药品信息，包括名称、数量、价格、药性、有效期等;后者则与数据库建立连接，可以实现查询、开处方、药品管理、处方管理、打印、液晶显示等功能。其流程图如图6所示。
　　2.1 工控组态软件
　　是美国 Intellution公司开发的基于视窗的大型应用软件，包含动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通信等组件。在本系统中，应用编写了主界面和系统运行的动态模拟显示程序。
　　(1)主界面是上位机与下位机之间的连接桥梁，其功能是与编写的界面建立联系，激活配药控制界面和药品管理界面。
　　(2)系统运行动态模拟显示的实现方式是首先在
　　的DRAW模式下画出整个配药系统的模拟图，包括静止物体及各种动作显示，设定限位与故障反馈警报;然后在中对I/O点进行组态，并在数据库中建立各药罐、各动作I/O类型及其在下位机中的地址。这样，当中的程序开始运行时，相应地址中的模拟量或开关量便发生变化。这种变化可在配药系统动作的同时显示到动态模拟界面，使动态模拟同步进行。在配药系统封闭运行的情况下，其作用之一是可以从动态模拟画面中实时观察到系统的运作情况，之二是可在系统发生可反馈性故障时在第一时间得到提示，快速完成对故障的调整。
　　2.2 界面编辑软件
　　该部分软件包括取药与加药两个模块，均具有权限控制功能，用户需输入密码，可保证系统的安全性。界面框架图如图7所示。
　　取药模块的主要任务是与ACCESS数据库取得联系，将需要的药品名、数量、贴数等通过传入下位机中，完成取药操作。其中，在数据库中的药品名采用拼音查询，数量与贴数则可多次修改。同时，还要向液晶屏输出患者及处方信息，并完成处方打印。
　　在取药模块中进行了取药任务优化处理算法的设计，其目的是在医生开药顺序任意的情况下完成最短时间的配药过程。由于机械手在X、Y轴伺服电机的控制下的匀速行走速度为1m/s，因此时间最短即为行走路线最短，这个问题等价于典型的旅行商(TSP)问题。在本系统中，420个药罐分为前后两面各14行等距排列，每一面中又分左右两侧各7行，每行15个。此外，药罐位置每单位Y轴坐标与三个单位X轴坐标相同，且机械手对前后两面的取药由步进电机摆动控制。经过简单计算可以确定本系统中实际节点应为66个。采用新的禁忌遗传算法在中编程，该算法对多节点系统设置禁忌步长和松弛步长。引入张弛效应，与传统遗传算法相比，减小了可行解空间，提高了收敛速度。
　　加药模块为药品管理员专用，主要任务是从界面中修改数据库中货存药品的所有信息。
　　对散装实现定量配置的系统在控制方法上有多种创新，具有良好的人机界面，能在足够短的时间内对指定药方完成配药。该系统通过了上海市科委主持的专家鉴定，达到国内领先、国际先进的水平，在运行中情况良好，可靠性和安全性都得到了验证。
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分类号：业 密级：――
UDC： 单位代码： !QQZ鱼 Y 工学硕士学位论文 配药机器人的设计及优化的研究 作者姓名 ： 张楠 指导教师：
王南教授 申请学位级别： 工学硕士 学科专业：
机械设计及理论 所在单位：
机电学院 授予学位单位： 河北工程大学 ADissertationSu bmittedto Hebei of UniversityEngineering FortheAcademic ofMasterof Degree Engineering The On and of studydesignoptimization a robot ISpenSInq ● V Candidate ：ZhangNan ：Prof．WangNan Supervisor
Academic for：Master DegreeApplied ofEngineering ：Mechanicaland Specialty DesignTheory ofMechanicaland College／Department：College Electronic Engineering Hebei of University Engineering May,2013 独创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究
工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或
集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑北工壅大鲎或其他教育
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由本人承担。
…一躲弓咨呻
签字日期：甲侈穆月够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 塑皇垦墨壅盘堂 有关保留、使用学位论文的规
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弓侈唧 签字日期：俨侈年f月杉日
导师签名： 素? 签字眺≯哆钌月驱日 摘
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输液配药机器人设计及其专家系统控制
【摘要】：输液是一种主要的治疗方式,很多的健康问题通过输液予以治疗。我国现阶段输液配药大多在注射室或病区治疗室实现,而且一般是人工完成,工作强度大,配药效率低下。此外人工配药存在诸多弊端,如易造成药液污染、护士易被玻璃划伤、配制有毒药物易造成职业病等。研制配药机器人对于解决人工配药的弊端、降低医护人员的劳动强度和保护医护人员的身体健康有重大意义。配药机器人使原来耗时繁重的配药工作效率大大提高,对追求效率的今天,其实用性与快速性使其需求十分明显,研究和设计配药机器人势在必行。对医院人工药液配制流程进行分析研究,确定了输液配药机器人需要实现的功能,并对机器人功能进行模块化划分;根据规划的模块化划分的功能,以及各自由度电机的控制模式,分别设计了配药机器人机械系统方案和控制系统方案。根据人工输液药物配制的流程,并将该过程移植到机器人上,规划了机器人实现输液药液的配药流程。通过以上工作,使输液配药机器人方案得以从结构和方法上确定。根据配药机器人的总体功能和机械臂模块功能,设计实现了机械臂模块,并对所设计机械臂模块进行了正逆运动学求解;将机械臂模块的危险件导入ANSYS中,通过对危险件进行变形和应力两方面的分析,证明了所设计机械臂模块满足强度要求。设定了机器人的零点,即机器人各自由度工作的参考点,并完成了机器人的回零程序。针对配药流程的繁杂,将配药流程分解成可完成特定功能的子动作,通过这些子动作的组合可以实现任意输液处方的药液配制,实现了配药流程的动作分解;进一步完成了这些子动作相应的驱动的函数,调用相应函数即可实现既定的子动作。针对配药机器人工作过程中的涉及的药品种类繁多、药瓶规格多样、药品配制流程复杂等问题,基于专家系统理论,建立了配药知识库和配药流程推理机,实现了具有专家知识的配药机器人控制系统。对设计实现的专家系统进行实例测试,结果表明所设计实现的专家系统,能够准确地推理并自动生成针对医生处方的由配药动作组成的机器人配药流程序列。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2015【分类号】：TH789;TP242【目录】：
摘要4-5ABSTRACT5-9第1章 绪论9-18 1.1 课题背景9 1.2 课题研究的目的和意义9-11 1.3 国内外研究现状11-16
1.3.1 国外研究现状11-15
1.3.2 国内研究现状15-16 1.4 本文主要研究内容16-18第2章 整体方案设计18-28 2.1 引言18 2.2 机器人功能规划18-20 2.3 机械结构方案设计20-23 2.4 控制方案设计23-25 2.5 药物配制流程规划25-27 2.6 本章小结27-28第3章 机械臂模块设计28-36 3.1 引言28 3.2 机械臂模块结构28-29 3.3 机械臂模块运动学29-34
3.3.1 机械臂模块正运动学31-33
3.3.2 机械臂模块逆运动学33-34 3.4 机械臂模块安全分析34-35 3.5 本章小结35-36第4章 配药运动规划36-49 4.1 引言36 4.2 机器人零点设置36-37 4.3 配药运动分解37-44
4.3.1 上注射器动作37-38
4.3.2 下注射器动作38-39
4.3.3 抽吸安瓿瓶动作39-41
4.3.4 抽吸西林瓶动作41-43
4.3.5 抽吸溶剂（母液）动作43
4.3.6 抽吸溶剂（西林）动作43-44
4.3.7 注入输液袋动作44 4.4 实验44-48
4.4.1 安瓿瓶切割实验44-46
4.4.2 参数化抽吸安瓿瓶实验46-47
4.4.3 西林瓶开启实验47-48 4.5 本章小结48-49第5章 基于专家系统的控制系统49-62 5.1 引言49 5.2 专家系统简介49-51 5.3 专家系统结构设计51-52 5.4 专家系统的实现52-58
5.4.1 配药知识库的建立52-57
5.4.2 推理机的设计与实现57-58
5.4.3 人机交互界面58 5.5 整机实验58-61 5.6 本章小结61-62结论62-63参考文献63-67攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果67-69致谢69
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塑胶件十大设计窍门之四焊接技术
    焊接技术 最佳装配技术---第二部分除了在本系列第7部分中所描述的装配技术外，塑料零件连接中还可以使用许多其他不同的焊接方法。为确保低成本、有效功能设计，在设计的早期阶段，十分有必要选择一种适宜的焊接方法，并对所需连接几何形状给予充分考虑。 对不用其他装配零件而永久性联结的塑料零件的装配可采用焊接方法。焊接方法的选择依据以下几种标准：根据模塑零件的几何形状，所使用的原料, 成本、总生产周期的综合因素，装配部位所要求的机械性能和外观质量。图1不同焊接方法大规模生产中，有许多不同的廉价的焊接方法。最常用的塑料工程零件的焊接方法有（图1）：§高温工具焊接 §旋转焊接 §振动焊接 §超声焊接 其他方法有：§高频焊接 §感应焊接 §热气焊接 还有一些新的方法正在开发中（例如焊接），但尚未在工业中获得广泛使用。在所有方法中，都要使用加热（使塑料表面融化再粘接）和加压。通常通过接触或辐射发热、内部或外部摩擦发热，或用电加热等方式提供热量。选择合适方法为得到高质量、重复性好的焊接质量，需要选择一种合适的焊接方法，以使焊接参数最优化，并确保需要焊接的零件设计正确，与所选用的焊接方法相匹配。焊机制造商不仅要提供标准，还要提供适合各种各样焊接任务的特殊焊接。在决定选用某种焊接方法前，与设备制造商或树脂供应商进行商议探讨是十分明智的选择。不同的焊接特点从理论上讲，所有热塑性塑料都是可以焊接的。但是有时塑料的焊接性能相当不同。非晶态聚合物和半结晶聚合物不能焊接在一起。由于水气会影响焊接质量，所以尼龙等吸水性塑料焊接前需要预先干燥。为使焊接质量最好，尼龙零件最好注塑后立即焊接，或焊接前将之放在干燥环境中。玻璃纤维和稳定剂等树脂添加剂同样会影响焊接质量。选择适宜的工艺参数和零件设计，未增强塑料的焊接装配件的强度可以和其原料相媲美。对于玻璃纤维增强塑料而言，在焊接区域上，由于纤维分离和再取向使得强度减弱，这一点在设计中必须予以考虑。图2正确的焊接设计高质量焊接的基本保证在于焊接剖面的正确设计。在图2和图3中所示剖面图中显示了正确的基本设计。如果对焊接区域外观有特殊审美要求，则需要考虑特殊几何形状。图3此图给出通过凹槽以吸收多余材料，从而避免飞边（图4）。薄壁零件设计时需要在零件双方之间加入一个导槽，这样，当使用一定的焊接压力时，零件壁不会移动而偏离预定位置。图4图5超声焊接的特点半结晶聚合物熔点变化剧烈，当加热时，聚合物瞬间从固相转变成液相。因此，对半结晶塑料的超声焊接中，最好使用剪切焊接（图5）。由于非晶态塑料有一个软化范围，所以非晶态塑料的焊接设计相对次要些。图6给出近声场和远声场焊接方法的示意图。靠着接触点之间距离的不同，超声波将摆动传至工件内，并使接触面间粘合连接起来。总的说来，近声场焊接对所有塑料都会有很好的效果。对于低弹模数塑料的焊接最好采用近声场焊接方法。图6焊接技术 最佳装配技术---第二部分除了在本系列第7部分中所描述的装配技术外，塑料零件连接中还可以使用许多其他不同的焊接方法。为确保低成本、有效功能设计，在设计的早期阶段，十分有必要选择一种适宜的焊接方法，并对所需连接几何形状给予充分考虑。 对不用其他装配零件而永久性联结的塑料零件的装配可采用焊接方法。焊接方法的选择依据以下几种标准：根据模塑零件的几何形状，所使用的原料, 成本、总生产周期的综合因素，装配部位所要求的机械性能和外观质量。图1不同焊接方法大规模生产中，有许多不同的廉价的焊接方法。最常用的塑料工程零件的焊接方法有（图1）：§高温工具焊接 §旋转焊接 §振动焊接 §超声焊接 其他方法有：§高频焊接 §感应焊接 §热气焊接 还有一些新的方法正在开发中（例如激光焊接），但尚未在工业中获得广泛使用。在所有方法中，都要使用加热（使塑料表面融化再粘接）和加压。通常通过接触或辐射发热、内部或外部摩擦发热，或用电加热等方式提供热量。选择合适方法为得到高质量、重复性好的焊接质量，需要选择一种合适的焊接方法，以使焊接参数最优化，并确保需要焊接的零件设计正确，与所选用的焊接方法相匹配。焊机制造商不仅要提供标准设备，还要提供适合各种各样焊接任务的特殊焊接设备。在决定选用某种焊接方法前，与设备制造商或树脂供应商进行商议探讨是十分明智的选择。不同的焊接特点从理论上讲，所有热塑性塑料都是可以焊接的。但是有时塑料的焊接性能相当不同。非晶态聚合物和半结晶聚合物不能焊接在一起。由于水气会影响焊接质量，所以尼龙等吸水性塑料焊接前需要预先干燥。为使焊接质量最好，尼龙零件最好注塑后立即焊接，或焊接前将之放在干燥环境中。玻璃纤维和稳定剂等树脂添加剂同样会影响焊接质量。选择适宜的工艺参数和零件设计，未增强塑料的焊接装配件的强度可以和其原料相媲美。对于玻璃纤维增强塑料而言，在焊接区域上，由于纤维分离和再取向使得强度减弱，这一点在设计中必须予以考虑。图2正确的焊接设计高质量焊接的基本保证在于焊接剖面的正确设计。在图2和图3中所示剖面图中显示了正确的基本设计。如果对焊接区域外观有特殊审美要求，则需要考虑特殊几何形状。图3此图给出通过凹槽以吸收多余材料，从而避免飞边（图4）。薄壁零件设计时需要在零件双方之间加入一个导槽，这样，当使用一定的焊接压力时，零件壁不会移动而偏离预定位置。图4图5超声焊接的特点半结晶聚合物熔点变化剧烈，当加热时，聚合物瞬间从固相转变成液相。因此，对半结晶塑料的超声焊接中，最好使用剪切焊接（图5）。由于非晶态塑料有一个软化范围，所以非晶态塑料的焊接设计相对次要些。图6给出近声场和远声场焊接方法的示意图。靠着接触点之间距离的不同，超声波将摆动传至工件内，并使接触面间粘合连接起来。总的说来，近声场焊接对所有塑料都会有很好的效果。对于低弹模数塑料的焊接最好采用近声场焊接方法。图6
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