一款智能藥箱的設(shè)計(jì)

引言

目前,老年人的健康狀況不容樂觀,早在2015年,我國失能、半失能老年人口就達(dá)到了約4063萬人,占老年人口的18.3%,老年人群慢性病患病率較高,約3/4的人患有一種及以上慢性病。老年人用藥存在的隱患主要有不按時(shí)服藥、錯(cuò)服/漏服藥和多次服藥等。針對(duì)這些情況,智能藥箱隨著時(shí)代的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。

目前主要有兩類智能藥箱:一類是家用藥箱,此種藥箱的體型較大,主要有自動(dòng)配藥、提醒吃藥的功能,并可以通過手機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)同步:另一類是戶外藥箱,此類藥箱較為輕便、易攜帶,但功能太單一,只有報(bào)時(shí)功能。多數(shù)藥箱只是方便取藥,功能較單一,而老人吃藥的時(shí)間也不長,如果僅僅把其當(dāng)作藥箱也是一種負(fù)擔(dān)。因此,本文設(shè)計(jì)了一款新型智能藥箱,它能夠?qū)崿F(xiàn)按時(shí)、按量提醒需要服藥的人員去服用藥物的功能,并且監(jiān)護(hù)人可以通過手機(jī)端查看服藥情況。如果沒有按時(shí)服藥,監(jiān)護(hù)人可以遠(yuǎn)程提醒,這樣可以避免因忘記服用藥物而發(fā)生意外情況。

1設(shè)計(jì)方案

本產(chǎn)品的系統(tǒng)整體模塊如圖1所示,各功能由機(jī)械傳動(dòng)、顯示與參數(shù)輸入、計(jì)數(shù)、語音及遠(yuǎn)程提醒等模塊實(shí)現(xiàn)。

(1）機(jī)械傳動(dòng)模塊主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)組成,按照空間結(jié)構(gòu)可以分為3個(gè)部分,各部分按照指令在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下協(xié)調(diào)運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

(2）顯示與參數(shù)輸入模塊能讓用戶自定義使用本產(chǎn)品,以實(shí)現(xiàn)本產(chǎn)品的普遍適用性。用戶可以通過液晶顯示觸摸屏選擇服藥種類(本產(chǎn)品設(shè)計(jì)了6個(gè)存藥盒,最多支持選擇6種）,并設(shè)置所選藥品所需服用數(shù)量和服藥具體時(shí)間(支持設(shè)置每天服藥不超過3次）。

(3）計(jì)數(shù)模塊是通過紅外對(duì)射管檢測來實(shí)現(xiàn)的,其原理是當(dāng)紅外對(duì)射管之間無遮擋時(shí)信號(hào)線一直為高電平,有遮擋時(shí)則為低電平。這樣只需要檢測信號(hào)線所連接開發(fā)板的GPIo口上電平信號(hào),就能知道紅外對(duì)射管是否有遮擋。整個(gè)藥箱有兩個(gè)用來計(jì)數(shù)的紅外對(duì)射管,一個(gè)放置在上擋板的出藥口下方,另一個(gè)放置在中擋板下方。

(4）語音模塊由小喇叭、驅(qū)動(dòng)板和sD卡組成。驅(qū)動(dòng)板能根據(jù)Io口的高低電平信息直接驅(qū)動(dòng)小喇叭播放sD卡中的音頻文件。當(dāng)需要播放語音提醒時(shí),通過開發(fā)板控制與驅(qū)動(dòng)板連接的Io口上的高低電平來實(shí)現(xiàn)。

(5）遠(yuǎn)程提醒模塊主要通過sTM32F407核心板上的EsP8622wi-Fi模塊完成[5],開發(fā)板聯(lián)網(wǎng),接入阿里云平臺(tái),并在手機(jī)上創(chuàng)建App程序,向監(jiān)護(hù)人實(shí)時(shí)顯示設(shè)備使用狀態(tài),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

藥箱整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。藥箱未工作時(shí),整體處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)用戶設(shè)置的服藥時(shí)間后,藥箱上層配藥裝置依靠步進(jìn)電機(jī)l8帶動(dòng)相應(yīng)儲(chǔ)藥盒2轉(zhuǎn)動(dòng)到出藥口。中間送藥裝置通過輪系將直流電機(jī)l5的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為蝸桿l4和錐齒輪的動(dòng)能,通過蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)將蝸桿盒l(wèi)3中的藥物運(yùn)到分離盒5,當(dāng)藥物進(jìn)入分離盒5時(shí),通過錐齒輪嚙合,將分離盒5中的藥品送至第二個(gè)出藥口,從而進(jìn)入到取藥盒l(wèi)2中,如此完成一次取藥工作。當(dāng)系統(tǒng)檢測到所有需要出藥的藥盒都完成出藥工作之后,會(huì)自動(dòng)播放語音以提醒用戶服藥,并在顯示屏上顯示出藥成功。同時(shí)會(huì)用紅外對(duì)射管檢測用戶是否把藥品取出來服用,若沒有將藥品取出,則過3min之后重復(fù)播放一次語音提醒。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)紅外對(duì)射管仍未監(jiān)測到抽屜打開,則紅外對(duì)射管會(huì)將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳給開發(fā)板,開發(fā)板再通過相應(yīng)算法和ESP8622wi-Fi模塊,利用網(wǎng)絡(luò)將這一異常信息發(fā)送至監(jiān)護(hù)人手機(jī)App,以此警告監(jiān)護(hù)人,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

2主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其工作原理

2.1儲(chǔ)藥盒

儲(chǔ)藥盒設(shè)計(jì)原則包括體積設(shè)計(jì)原則、外形設(shè)計(jì)原則和出藥口設(shè)計(jì)原則。

(1）體積設(shè)計(jì)原則:儲(chǔ)藥盒中儲(chǔ)存的藥物用量為一周。

(2）外形設(shè)計(jì)原則:儲(chǔ)藥盒放置在上擋板中,在推板的

推動(dòng)下,每次轉(zhuǎn)動(dòng)50o。

(3）出藥口設(shè)計(jì)原則:大多數(shù)藥片的直徑在4～7mm,厚度在2～5mm,膠囊的長度為l2～20mm,直徑在5～8mm。由于藥品屬于食用類物品,對(duì)于存藥的材料和環(huán)境有

嚴(yán)格要求,該零件材料采用食品級(jí)塑料。

2.2上層配藥部分

該部分結(jié)構(gòu)主要由推板l、儲(chǔ)藥盒2、上擋板3和步進(jìn)電機(jī)l8組成,如圖3所示。步進(jìn)電機(jī)l8放置在上擋板3中心,推板l與步進(jìn)電機(jī)l8連接在一起,儲(chǔ)藥盒2放置在上擋板上,相鄰兩個(gè)儲(chǔ)藥盒通過推板l分隔。工作時(shí),按照設(shè)定好的要求,步進(jìn)電機(jī)l8帶動(dòng)推板l轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)定好的角度,儲(chǔ)藥盒2轉(zhuǎn)動(dòng)到出藥口,待出藥完成之后再復(fù)位。且出藥時(shí)第一個(gè)出藥口處由直流電機(jī)l7帶動(dòng)滾軸l6上緊密接觸的海綿柱體向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng),以保證順暢出藥。藥品由海綿柱體轉(zhuǎn)運(yùn)經(jīng)過出口后還會(huì)經(jīng)過一對(duì)紅外對(duì)射管以檢測出藥數(shù)量,當(dāng)檢測到出藥量等于用戶輸入所需服藥量時(shí),直流電機(jī)l7先停止轉(zhuǎn)動(dòng),然后反向轉(zhuǎn)幾圈,把進(jìn)入緊密接觸的海綿柱體通道的藥粒送回儲(chǔ)藥盒。

2.3中間送藥部分

中間送藥部分通過輪系將電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為蝸桿和錐齒輪的動(dòng)能,傳動(dòng)方案如圖4所示。通過蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)將蝸桿盒中的藥物運(yùn)到分離盒,分離盒的設(shè)計(jì)是為了使藥品獨(dú)立分開,避免混合在一起,防止藥品通過紅外對(duì)射管時(shí)由于出藥數(shù)量不可控而造成計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。為了保證藥品獨(dú)立分開的效果,設(shè)計(jì)輪系時(shí)使蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)速比分離盒的轉(zhuǎn)速慢且都是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)藥物進(jìn)入分離盒時(shí),通過錐齒輪嚙合,將分離盒中的藥品送至第二個(gè)出藥口,當(dāng)藥品經(jīng)過第二個(gè)出藥口時(shí)會(huì)經(jīng)過第二對(duì)紅外對(duì)射管。

2.4底部取藥裝置

藥箱下層取藥裝置備有1個(gè)取藥盒12（待服用)和6個(gè)糾錯(cuò)盒7,如圖5所示。6個(gè)糾錯(cuò)盒與藥箱上層配藥部分6個(gè)儲(chǔ)藥盒的位置相對(duì)應(yīng)。當(dāng)檢測到經(jīng)過的藥品數(shù)量等于用戶所需服用藥量時(shí),帶動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的直流電機(jī)就會(huì)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)下層步進(jìn)電機(jī)9通過推板8把對(duì)應(yīng)糾錯(cuò)盒轉(zhuǎn)到第二個(gè)出藥口底下以承接多余藥品。

3控制模塊

本藥箱的控制系統(tǒng)采用sTM32F407核心板,使用C語言進(jìn)行編程,并配置TFT-LCD屏幕以設(shè)置服藥時(shí)間和服藥數(shù)量,其程序框圖如圖6所示。系統(tǒng)開始工作后,會(huì)先進(jìn)行初始化,若用戶選擇進(jìn)行配藥,則TFT-LCD屏將顯示字樣以提醒用戶將藥放入藥盒,用戶在設(shè)置好吃藥時(shí)間與吃藥數(shù)量后,系統(tǒng)將休眠,當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定配藥時(shí)間后,藥箱會(huì)按照預(yù)先設(shè)置進(jìn)行藥物的自動(dòng)配送,幫助老人完成吃藥。

4結(jié)語

人口老齡化的加劇對(duì)社會(huì)的養(yǎng)老功能提出了考驗(yàn)。老年人抵抗力差,容易得一些慢性疾病,并且老年人服藥也存在一些隱患。針對(duì)這些情況,智能藥箱隨著時(shí)代的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。本藥箱通過一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝置布局,利用各部分的協(xié)調(diào)運(yùn)行,功能上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了定時(shí)運(yùn)行、自動(dòng)配藥、按需配藥和定時(shí)提醒,而且操作簡單,運(yùn)行起來簡單高效,具有較高的實(shí)用性。