面向血型分析儀的自動(dòng)加樣機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

廖 強(qiáng)，黎焰勤，陳里里

(1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044;2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

1 引言

隨著醫(yī)療檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，血型分析鑒定、交叉配血和抗體篩查等的檢測(cè)方法已從一般的手工玻片法或試管法，發(fā)展到半自動(dòng)檢測(cè)，再發(fā)展到今天的全自動(dòng)檢測(cè)。但目前國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化醫(yī)療儀器自動(dòng)化水平較低，國(guó)產(chǎn)血型分析設(shè)備基本達(dá)不到全自動(dòng)化要求，全自動(dòng)血型分析系統(tǒng)的研究剛剛開始，除少數(shù)由于檢測(cè)量非常巨大，半自動(dòng)血型分析儀無(wú)法完成日常檢驗(yàn)工作而使用進(jìn)口全自動(dòng)血型分析設(shè)備的大型醫(yī)療機(jī)構(gòu)外，所使用的血型實(shí)驗(yàn)儀器仍處于半自動(dòng)狀態(tài)［1］。相反，國(guó)外在血型分析儀器領(lǐng)域起步較早，發(fā)展較為迅速，實(shí)驗(yàn)儀器更新?lián)Q代較快，全自動(dòng)血型鑒定分析設(shè)備自動(dòng)化程度較高，從而大大提高了血液檢測(cè)的效率，降低了人工操作所需的人力成本［2］。全自動(dòng)血型分析儀的一個(gè)重要組成部分是其加樣裝置，加樣裝置在不同位置進(jìn)行抽放樣，因此加樣裝置在不同位置間移動(dòng)的自動(dòng)化程度是血液分析儀的自動(dòng)化程度的重要基礎(chǔ)組成部分［3］。所以，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，筆者設(shè)計(jì)了基于DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡的血型分析儀自動(dòng)機(jī)械臂加樣控制系統(tǒng)，實(shí)際測(cè)試表明該系統(tǒng)能滿足血型分析儀要求的快速化和準(zhǔn)確性。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

血型分析儀自動(dòng)加樣過程:加樣裝置安裝在一個(gè)直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，通過直角坐標(biāo)平臺(tái)帶動(dòng)加樣裝置移動(dòng)，首先加樣裝置移動(dòng)到樣品試管處，抽取樣品，再移動(dòng)到96微孔板上放出樣品，然后移動(dòng)到試劑試管處，抽取試劑，移動(dòng)到96微孔板上，放出試劑，讓試劑與樣品混勻，然后再吸取混勻和的液體，運(yùn)動(dòng)到測(cè)量槽，放出液體，然后到清洗位置清洗，最后回到原點(diǎn)或進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。加樣裝置的工作路徑可由圖1所示。

圖1 加樣裝置工作循環(huán)

因此，本控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是控制直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)加樣裝置運(yùn)動(dòng)到指定位置。該系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、滾珠絲杠、光柵尺等組成，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其中DMC5400是本系統(tǒng)的核心和重點(diǎn)［4］。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

目前，常用的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)有直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、可編程計(jì)算機(jī)控制器以及運(yùn)動(dòng)控制卡等［5］。運(yùn)動(dòng)控制卡是一種基于工業(yè)PC機(jī)的上位控制單元，工業(yè)PC機(jī)具有軟件資源豐富、運(yùn)算能力強(qiáng)大、精度高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，采用“運(yùn)動(dòng)控制卡+工業(yè)PC機(jī)”模式使控制系統(tǒng)更加標(biāo)準(zhǔn)化、柔性化。因此，本控制系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)硬件部分由主控計(jì)算機(jī)、DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡、交流伺服控制驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)組成。運(yùn)動(dòng)控制卡插在主控計(jì)算機(jī)的PCI插槽上，通過主控計(jì)算機(jī)向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出各種運(yùn)動(dòng)指令，然后通過伺服驅(qū)動(dòng)器X、Y、Z三軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械臂到達(dá)空間指定位置。硬件組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 控制卡的選型與控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制卡采用雷塞公司的DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡。該卡以ASIC集成電路為核心，基于PCI總線，可控制四軸數(shù)字式伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)多軸插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)、編碼器位置檢測(cè)等功能。常用于工業(yè)機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)自動(dòng)采樣處理設(shè)備、機(jī)器視覺及自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備、激光加工設(shè)備、電子產(chǎn)品裝配測(cè)量設(shè)備、半導(dǎo)體及LCD生產(chǎn)設(shè)備、特殊數(shù)控機(jī)床等機(jī)電一體化設(shè)備當(dāng)中。

為使DMC5400控制卡正確控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，按照?qǐng)D4所示連接控制電路。分配控制卡接口的1號(hào)引腳“PUL1+”和2號(hào)引腳“PUL1－”連接X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這幾個(gè)引腳均用于差分輸出脈沖信號(hào)，控制X軸直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)位置和速度;分配3號(hào)引腳“DIR1+”和4號(hào)引腳“DIR1－”連接X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于差分輸出方向信號(hào)，控制X軸直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向。Y軸與Z軸的控制卡接口與X軸控制卡接口類似，如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制卡控制電路設(shè)計(jì)

3.3 伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的選擇

該系統(tǒng)選用大慣量永磁同步電機(jī)MHMD 022P1U，其主要參數(shù)為:額定功率為200 W;額定頻率為200 Hz;額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min;額定轉(zhuǎn)矩為0.64 N·m;最大轉(zhuǎn)矩為1.91 N·m;相電壓為200 V;繞組為星型接法;編碼器選用5線制增量式編碼器，分辨率為10000，脈沖數(shù)為2500 p/r。選用松下Panasonic脈沖控制專用驅(qū)動(dòng)器，其型號(hào)為 MADDT1207003，主要參數(shù):最大瞬時(shí)輸出電流10 A;電源單相200 V，電流檢測(cè)器的額定電流為7.5 A。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件總體架構(gòu)

DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡是本控制系統(tǒng)關(guān)鍵硬件，是一款高性能的PCI四軸運(yùn)動(dòng)控制卡。DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡隨卡提供了Window 2000/XP等操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)dmc5400.dll，它是一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制API函數(shù)庫(kù)，因此在開發(fā)上層應(yīng)用軟件時(shí)不必了解底層硬件細(xì)節(jié)，這使得編程變得相對(duì)簡(jiǎn)單［6］。

系統(tǒng)的軟件部分在Windows XP系統(tǒng)下運(yùn)行，以VC++6.0為開發(fā)工具，采用面向?qū)ο蠛湍K化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件部分的程序由初始化模塊和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊組成［7］。軟件的控制程序流程如圖5所示。

圖5 控制程序流程圖

4.2 運(yùn)動(dòng)控制卡的編程

4.2.1 初始化控制卡

初始化模塊即對(duì)DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡分配系統(tǒng)資源以及參數(shù)設(shè)置，包括脈沖參數(shù)設(shè)置、伺服電機(jī)參數(shù)設(shè)置、原點(diǎn)參數(shù)設(shè)置以及限位參數(shù)設(shè)置［8］。在初始化函數(shù)中添加的代碼如下。

CardCount=d5400_board_init();//為DMC5400控制卡分配系統(tǒng)資源并初始化控制卡，返回值為0～5，數(shù)字表示控制卡的數(shù)量

if(CardCount==0)

{MessageBox(“沒有發(fā)現(xiàn) DMC5400控制卡!”);}//錯(cuò)誤提醒

for(i=0;i＜4;i++)

{d5400_set_pulse_outmode(i，0);//設(shè)置 4 個(gè)軸的脈沖輸出模式

d5400_config_INP_PIN(i，0，1);// 設(shè)置 4 個(gè)軸的伺服電機(jī)參數(shù)

d5400_config_home_mode(i，1，4);//設(shè)置 4 個(gè)軸的原點(diǎn)參數(shù)

d5400_config_softlimit(i，1，1);//開啟軟件限位設(shè)置

d5400_enable_softlimit(i，1);

}

d5400_set_softlimit_data(0，－ 100*2000，800*2000);//設(shè)置X，Y，Z軸的運(yùn)動(dòng)范圍

d5400_set_softlimit_data(1，－ 100*2000，500*2000);

d5400_set_softlimit_data(2，－ 20*2000，140*2000);

4.2.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊即對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送指令，完成預(yù)定的動(dòng)作目標(biāo)。其中，運(yùn)動(dòng)控制模式分為單軸運(yùn)動(dòng)控制和多軸運(yùn)動(dòng)模式。

(1)單軸運(yùn)動(dòng)控制

DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡提供的單軸運(yùn)動(dòng)控制模式有梯形速度曲線運(yùn)動(dòng)模式、S形速度曲線運(yùn)動(dòng)模式和連續(xù)運(yùn)動(dòng)模式，為降低運(yùn)動(dòng)過程中的速度波動(dòng)以及簡(jiǎn)化編程，這里采用S形速度曲線運(yùn)動(dòng)模式。

d5400_s_pmove(WORD axis，long Dist，WORD posi_mode);其中，axis表示軸號(hào)，Dist表示運(yùn)動(dòng)距離，posi_mode表示坐標(biāo)模式。

(2)多軸運(yùn)動(dòng)模式

多軸運(yùn)動(dòng)模式是指DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡提供直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)、圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)和連續(xù)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。由于本控制系統(tǒng)對(duì)空間運(yùn)動(dòng)軌跡沒有要求，因此這里采用最簡(jiǎn)單的直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

d5400_t_line2(WORD axis1，long Dist1，WORD axis2，long Dist2，WORD posi_mode);其中，axis1、axis2表示第一、二軸軸號(hào)，Dist1、Dist2表示第一、二軸運(yùn)動(dòng)距離，posi_mode表示坐標(biāo)模式。

4.3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

坐標(biāo)平臺(tái)的主要精度指標(biāo)是重復(fù)定位精度［9］，為測(cè)定其重復(fù)定位精度，選定運(yùn)動(dòng)過程中的零點(diǎn)、測(cè)量槽以及清洗處三個(gè)點(diǎn)，按給定的速度、加速時(shí)間，讓X、Y、Z三軸重復(fù)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)30次，并測(cè)量其誤差，并取所測(cè)數(shù)據(jù)的平均值與三倍均方值為其精度，如表1所列。由表1可知直角坐標(biāo)平臺(tái)的重復(fù)定位精度最大為0.312 mm，遠(yuǎn)高于血型分析儀中使用的試管最小直徑6 mm，能夠滿足實(shí)際使用過程中對(duì)抽放樣裝置針頭的定位要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)血型分析儀自動(dòng)加樣機(jī)械臂的自動(dòng)控制。

5 結(jié)語(yǔ)

臨床上使用血型分析儀快速分析病人血液樣本的血型及理化性質(zhì)對(duì)于及時(shí)診斷病情具有重要意義，筆者基于DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)了面向血型分析儀的自動(dòng)加樣機(jī)械臂控制系統(tǒng)。通過大量實(shí)際測(cè)試，該控制系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)快速加樣，而且減少了人工操作，避免了人為因素的隨機(jī)性，使檢測(cè)更可靠。后續(xù)工作將采用可編程控制器代替PC，以減小該系統(tǒng)的體積并控制成本，使該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用更為廣泛。

表1 坐標(biāo)平臺(tái)的重復(fù)定位精度

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