任宇宁
衢州学院 浙江衢州 324000
摘要： 智能服药辅助机器人系统的硬件结构，可根据系统要求来分析，整个服药辅助机器人分为如下5部分：动力系统、系统旋转装置、药物拣取装置、检测系统、人机互动与通讯。以这五个部分为基础展开对智能服药机器辅助机器人的硬件设计与选型，最终实现机器人对病患进行更好的监测及保护。
关键词：硬件结构设计与选型
引言 本文依据安全、稳定、快速、高可靠性、低成本的原则，针对智能服药辅助机器人的硬件设计与选型展开论述。
1系统组成
整个服药辅助机器人分为如下5部分：动力系统、系统旋转装置、药物拣取装置、检测系统、人机互动与通讯。
1.1动力系统
本系统采用气泵作为系统的动力源，推动拣取装置运转。
气动控制有如下优点。
（1）气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。介质为空气，较之液压介质来说不易燃烧，故使用安全。
（2）工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。
（3）输出力以及工作速度的调节非常容易。气缸的动作速度一般小于1M/S，比液压和电气方式的动作速度快。
1.2系统旋转装置设计
系统的旋转装置设计，药盒分为旋转底座，药盒底座，中间的旋转轴和小药盒四部分组成。
（1）旋转底座由一个圆柱体构成，中间放置步进电机，四周空间大，有利于放置语音模块和走线。
（2）旋转轴。
（3）药盒底座设计有六个药盒的底座，每个底座可放置一个药盒，底座内部设有卡扣，防止药盒在转动时出现小药盒，脱离药盒底座。
（4）小药盒低端设计为圆锥形，有利于气缸吸取所需药物，同时药盒两端设有卡槽可有效固定药盒。
药盒还设有防封、防潮的密封盖设计，为药物的保存提供了有效支持。六个药盒位置的设计也同时可满足病人或老人日常的多种不同的用药需求。
1.3药物拣取装置
药盒的拣取装置由一个升降气缸，一个旋转气缸和一个取药的气动吸嘴组成。
升降气缸控制拣取装置的上下移动，旋转气缸控制拣取装置的旋转，而升降气缸和旋转气缸，是简单直线和旋转运动，使系统更加的稳定。升降气缸选用了小行程气缸，保证了可在小范围内精准吸取药物。
气动吸嘴用来吸取药盒内形状各异的颗粒药品。气嘴的形状，大小，各异，有利于拣取较小药颗粒的要求，同时可根据颗粒的大小，更换大小不同的气嘴，令此系统更加的灵活方便。
1.4盒内药量的检测设计
首先由工作人员，每次加入同等数量的药品。并记入在系统内，在吸盘放药处装有镜面反射传感器，当药品被取出，吸盘放下时药品会触发传感器动作，系统计入药物的取出。每种药物的减少，经过PLC处理器的计算，计算出药盒内的余量。
1.5检测是否服药
检测是否服药，原理与药量的检测相同，是由一个漫反射传感器完成，通过漫反射传感器的动作判断，药盘是否被取走，如被取走，传感器发生动作，代表已经服药。
1.6人机交互设计
工业触摸屏，是通过触摸式工业显示器把人和机器连为一体的智能化界面。
它是替代传统控制按钮和指示灯的智能化操作显示终端。它可用来设置参数，显示数据，监控设备状态，以曲线/动画等形式描绘自动化控制过程。更方便、快捷、表现力更强，并可简化为PLC的控制程序，功能强大的触摸屏创造了友好的人机界面。
1.7触摸屏与控制器的通讯
此系统采用的是工业以太网通讯，所旋转的PLC控制器与触摸屏都带有以太网接口，工业以太网是基于IEEE 802.3?(Ethernet)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网，SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。
采用工业以太网通讯有如下优点：
（1）由于Ethernet方式通讯使用TCP/IP协议，采用廉价的双绞线（Twisted-Pair）传输介质，可与Internet网络连接，过程数据资源的开放性和共享性好。
后续用户无需增加过多的硬件投入即可实时获取过程数据信息。
（2）当PLC与笔记本电脑相连时，可节省昂贵的CP1512专用网卡。使任何一台笔记本电脑在生产现场可随时随地的与PLC相连。方便自如地利用笔记本电脑编辑、修改，及在线监控和调试程序。
由此可知，PLC采用Ethernet方式通讯具有性价比高，兼容性好的特点。
2PLC的选择
目前市场上的PLC种类有很多，选择一种合适的PLC控制器控制系统起着至关重要的作用。根据此系统的需求选择的是S7-200 smart ST20可编程逻辑控制器，此控制器是德国的西门子公司生产的小型可控制系统，选择这款控制器有以下原因：
1．I/O点数
I/O 点数有12点输入，8点输出，可满足此系统的控制需求。另外，对于不同的应用需求，产品配置更加灵活，最大限度的控制成本。
2．选件扩展，精确定制
新颖的信号板设计可扩展通信端口、数字量通道、模拟量通道。在不额外占用电控柜空间的前提下，信号板扩展能更加贴合用户的实际配置，提升产品的利用率，同时降低用户的扩展成本。
3．高速芯片，性能卓越
配备西门子专用高速处理器芯片，基本指令执行时间可达0.15 μs ，在同级别小型PLC 中遥遥领先。一颗强有力的“芯”，能让您在应对繁琐的程序逻辑，复杂的工艺要求时表现 的从容不迫。
4．以太互联，经济便捷
CPU 模块本体标配以太网接口，集成了强大的以太网通信功能。一根普通的网线即可将程序下载到PLC 中，方便快捷，省去了专用编程电缆。通过以太网接口还可与其它CPU 模块、触摸屏、计算机进行通信，轻松组网。
5．两轴脉冲，运动自如
CPU 模块本体最多集成2 路高速脉冲输出，频率高达100 kHz，支持PWM/PTO输出方式以及多种运动模式，可自由设置运动包络。配以方便易用的向导设置功能，快速实现设备调速、定位等功能。
3组态触摸屏的选择
触摸屏选择的是 TPC7062TI型号的触摸屏，此款触摸屏带有以太网通讯，能使得与PLC的通讯速率大大的提高，传输更加的稳定。
MCGS的优点是容易上手，功能简洁，对于开关控制及画面切换实现起来比较容易，建立数据库比较直观容易，通过以太网通讯可实现与多台下位机进行数据交换，适用于各种不同的中小型自动化项目。
4 步进电机的选择
经过对服药辅助机器人的药盒负载的计算选择42步的步进电机，负载能完全胜任，机身长度适中，能减小整个药盒的体积， 步距角为1.8°，满足系统的精度。
5 传感器的选择
传感器，此系统中选择了三种传感器，分别是用于气缸上的磁控接近传感器，用于检测药品取出数量的镜面反射传感器，和判断是否服药的漫反射传感器。
漫射式传感器适合自动化行业的多种应用。产品特点是坚固的外壳和紧凑的设计。产品防护等级IP69K，可在非常苛刻的环境下使用。激光漫射传感器的特点是高精度，可用于准确检测细小的部件。发射器和接收器同在一体，发射器发出的光被物体反射然后被接收。不同的操作距离保证在检测范围内稳定的检测。调整简单、价格便宜、适应性强，可保证在各个领域的应用。完全满足本系统要求。
对于镜面反射传感器，本系统有着严格的要求，药物的种类，大小各有不同，对传感器的要求十分苛刻。
保证传感器发射的光线直接符合系统的要求，当药物由吸嘴取出放入托盘时，切断光线，使传感器工作。
磁控接近传感器，选取的是D-C73,传感器的动作范围在4-14mm,滞磁区间为2mm,使用寿命千万至亿次，完全满足此系统的要求。
镜面反射传感器，使用的是一种光束略小于药颗粒的传感器，当要颗粒落下时，刚好切断光束使传感器动作，将将信息反馈给PLC进行处理。
5 总结
本系统基于可编程逻辑控制器建立了智能服药辅助机器人，并按照此项目所需功能，针对进行了硬件设计和选型的论述，以达到期望的效果。
参考文献：
[1]王玉中.电气控制与PLC应用技术【M】.河南：河南科学技术出版社，2010.
[2]史国生，电气控制与可编程控制器技术[M].北京：化学工业出版社，2013.
[3]组态王设计人员指南[Z].北京：北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，2013
作者简介：
任宇宁(1998-)，男，浙江义乌，衢州学院，机械电子工程。