全自動生化進樣系統(tǒng)的設(shè)計

劉鎮(zhèn)武， 尚志武， 黃炎彬

(1.天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387；2. 天津市一瑞生物工程有限公司，天津 300000)

全自動生化進樣系統(tǒng)的設(shè)計

劉鎮(zhèn)武1， 尚志武1， 黃炎彬2

(1.天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387；2. 天津市一瑞生物工程有限公司，天津 300000)

醫(yī)療檢測過程中，傳統(tǒng)的人工檢測方法效率低、主觀誤差大、成本高.針對人工檢測的缺陷以及生化分析系統(tǒng)高精度、小型化的需求，自主研發(fā)了一種全自動生化進樣系統(tǒng).該系統(tǒng)在機械結(jié)構(gòu)上兼具移液和取退吸頭的功能，在控制方法上優(yōu)化了執(zhí)行機構(gòu)的控制算法.首先，為滿足自動進樣系統(tǒng)的實際需求，設(shè)計了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和以STM32控制芯片為核心的控制系統(tǒng)；其次，通過論證步進電機的控制算法，決定采用S型曲線控制算法，并對其進行優(yōu)化和實現(xiàn)，從而提高了系統(tǒng)的控制精度和速度；最后，為進一步提高系統(tǒng)的魯棒性，對試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析，得到了系統(tǒng)的誤差補償曲線和校正方法.結(jié)果表明改進后的系統(tǒng)擁有更高的進樣精度，滿足了更廣泛的實際需求，對醫(yī)療器械的研發(fā)具有指導(dǎo)意義.

生化分析儀； 進樣系統(tǒng)； STM32； S型曲線； 誤差補償

隨著人們生活水平的提高，人們對健康的重視和疾病的預(yù)防程度也在增加.生化檢驗已經(jīng)成為檢測和預(yù)防人類疾病的重要手段，其通過對病人的血液或尿液進行相關(guān)物質(zhì)含量的檢測，準確快速地為醫(yī)師提供相應(yīng)的病理指標，用以預(yù)防諸如乙肝、心肌梗死、HIV、SARS等危險病癥.

全自動微量移液系統(tǒng)作為全自動酶免分析儀前處理系統(tǒng)的重要功能模塊[1]，在加快反應(yīng)速度、降低成本、增大實驗數(shù)量等方面具有十分重要的作用，一直以來都是全自動酶免分析儀的關(guān)鍵技術(shù)之一[2].而人工手動檢測已在效率、主觀誤差和成本控制上逐見弊端，如何實現(xiàn)高精度、多功能的自動進樣系統(tǒng)已成為新型生化分析儀的發(fā)展方向.并且多數(shù)生化分析儀都需要通過移液來完成相關(guān)的生化反應(yīng)，為了避免反應(yīng)液懸掛內(nèi)壁影響下次反應(yīng)，往往通過更換吸頭來進行不同的反應(yīng)實驗，為此本文在手動移液器原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了全自動生化進樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)的吸排功能而且兼具取退吸頭的功能；此外，還對步進電機的控制算法進行了論證和優(yōu)化，并使用高速微控制芯片STM32作為整個控制系統(tǒng)的核心；最后，利用整個設(shè)備進行采樣實驗，分析誤差的來源并進行誤差補償，實現(xiàn)了真正意義上的高效和高精度.

1 進樣系統(tǒng)工作流程

全自動生化進樣系統(tǒng)采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103控制芯片作為系統(tǒng)的控制單元和數(shù)據(jù)處理的核心，并提供多個接口便于其他輔助器件的接入.為了提高可移植性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制算法上都采用了模塊化設(shè)計，以便于完成不同的目標任務(wù).整個進樣系統(tǒng)由機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)上圍繞移液器展開設(shè)計，在保證密封性的前提下增加了取退吸頭的功能；控制系統(tǒng)中，通過檢測光電傳感器和微動開關(guān)的信號判斷所處的工作狀態(tài)，并控制步進電機旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)吸排和取退吸頭功能，其中光電傳感器主要對目前的工作狀態(tài)進行反饋，限位開關(guān)則對系統(tǒng)的安全狀態(tài)和吸頭的存在狀態(tài)進行反饋.全自動生化進樣系統(tǒng)工作流程如圖1所示.

圖1 全自動生化進樣系統(tǒng)工作流程Fig.1 Working flow of automatic biochemical sampling system

2 進樣系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)及其工作原理

進樣系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)由進樣器、取退吸頭模塊和動力模塊組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.該系統(tǒng)主要實現(xiàn)了樣品的精確提取、移動、注入以及吸頭的取退等功能，其中動力模塊用來實現(xiàn)進樣系統(tǒng)自動化功能.由于該系統(tǒng)兼具取退吸頭功能，其在豎直方向上的行程較大，大行程的直線電機容易造成空間上的浪費，所以采用步進電機帶動絲杠副的方式實現(xiàn)豎直方向的移動.其中基板作為拓展板，可在基板上增加橫向滑軌實現(xiàn)移液系統(tǒng)的左右移動，從而實現(xiàn)多通道檢測.在基板上裝有光電開關(guān)，可檢測從提拉板伸出的觸片，從而檢測進樣針活塞桿的伸出長度，以此標定系統(tǒng)運行的工作狀態(tài)和初始化位置.在基板上側(cè)和下側(cè)安裝限位開關(guān)防止電機過沖或者控制失效等意外的出現(xiàn).

1—進樣器腔體；2—V槽壓板；3—柱塞桿；4—提拉固定板；5—限位開關(guān)；6—同步輪；7—同步帶；8—步進電機；9—直線軸承；10—光軸；11—基座；12—密封板上；13—密封板下；14—移動板；15—吸頭安裝柱；16—退吸頭蓋；17—吸頭.圖2 全自動生化進樣系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Mechanical structure diagram of automatic biochimical sampling system

進樣系統(tǒng)的核心是進樣器，進樣器代替手持移液器的吸排腔體，其密封性能的好壞直接影響取樣精度.傳統(tǒng)進樣設(shè)備往往是自己加工一個柱塞泵，然后使用密封圈對腔體和柱塞進行密封，但是這種方案在實際應(yīng)用中受到加工精度和可移植性的影響，往往不容易實現(xiàn)，所以本文進樣系統(tǒng)在進樣器結(jié)構(gòu)上采用國內(nèi)精密進樣器配合定制夾具的方案，實現(xiàn)進樣系統(tǒng)的吸排功能，這樣既保證了加工泵體的密封精度，也降低了生產(chǎn)成本.本次實驗采用的是上海高鴿工貿(mào)500 μL進樣器.

大部分國內(nèi)的生化分析儀在檢測過程中需進行多次混合反應(yīng)，為了避免殘留腔體內(nèi)壁的余液影響反應(yīng)，往往用移液吸頭吸排移液，并在反應(yīng)結(jié)束后更換移液吸頭保證下次反應(yīng)的可靠性，為此需在進樣器頭部安裝取吸頭和退吸頭的結(jié)構(gòu)，并用O形密封圈密封，具體結(jié)構(gòu)如圖3.

1—吸頭；2—安裝柱；3—退吸頭蓋；4—退吸頭內(nèi)蓋；5—限位開關(guān)；6—O形密封圈；7—進樣器連接座；8—密封圈.圖3 進樣器頭部機構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of injector head mechanism

該進樣系統(tǒng)兼具自動取、退吸頭的功能，真正意義上實現(xiàn)了自動化.吸頭安裝柱與吸頭通過靜摩擦安裝，退吸頭頂蓋在吸頭被插上時會觸發(fā)限位開關(guān)并反饋開關(guān)量給MCU，表明吸頭已經(jīng)取好.退吸頭時通過控制步進電機升降移動板，從而下壓退吸頭頂蓋將吸頭退去.在退吸頭頂蓋與移動板之間安放有壓縮彈簧，防止退吸頭頂蓋與移動板內(nèi)壁接觸卡死.

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)分為對吸排過程的控制和對取退吸頭過程的控制.其控制原理如下：工作開始時，進樣系統(tǒng)在豎直方向上移動，當吸頭限位開關(guān)有信號傳來時完成取吸頭動作；柱塞桿在步進電機的控制下尋找初始位置，然后通過設(shè)定的吸排量向上提拉柱塞桿完成吸液動作；柱塞桿向下推動越過光電開關(guān)1完成排液動作；回到初始化位置等待退吸頭命令，退吸頭板向下推動至吸頭限位開關(guān)無信號產(chǎn)生，完成退吸頭動作；回到初始化位置.進樣器的活塞拉桿行程作用示意圖如圖4所示，其中光電開關(guān)1處為初始化位置，也是吸排動作的原點，光電開關(guān)1至光電開關(guān)2的區(qū)間為吸排區(qū)間，光電開關(guān)1至下極限位區(qū)間是取退吸頭區(qū)間，所以在進樣器的1個提拉行程中就實現(xiàn)了全部功能.

圖4 控制系統(tǒng)的全行程功能示意圖Fig.4 Schematic diagram of full stroke function of the control system

控制系統(tǒng)采用STM32F103控制芯片[3]，其工作頻率為72 MHz，有豐富的增強I/O端口和8個16位定時器，其適用于很多場合：醫(yī)療生化檢測設(shè)備、工業(yè)精密儀器、可編程控制器、3D打印機和掃描儀等.為此將STM32應(yīng)用在進樣系統(tǒng)中，不僅提高了控制精度和處理速度，也為整個生化分析系統(tǒng)的其他部件提供了更為方便高效的控制接口.

3.1 步進電機的控制

經(jīng)測量，進樣器柱塞桿的提拉力也就是最大靜摩擦力為6～7 N，退吸頭的最大靜摩擦力為2～3 N，為減小安裝空間，選取絲杠直徑為10 mm、導(dǎo)程為2 mm的T型絲杠，柱塞桿的可用行程為60 mm，所以絲杠的長度選取75 mm.同步輪的減速比為2∶1，經(jīng)計算啟動轉(zhuǎn)矩為0.028 N·m，選取17HS3001雙極性混合式步進電機，步距角為1.8°，額定電流為1.67 A，其最大轉(zhuǎn)矩達到0.370 N·m，其矩頻特性曲線如圖5.

圖5 步進電機矩頻特性曲線Fig.5 Frequency torque characteristic curve of stepping motor

步進電機是整個進樣系統(tǒng)的動力核心，其控制精度直接關(guān)系著整個進樣系統(tǒng)的吸排精度，所以整個控制系統(tǒng)是圍繞步進電機的控制和傳感器反饋信號的處理展開的.由于STM32控制器I/O端口輸出的高電壓為3.3 V，無法直接驅(qū)動步進電機，所以需要通過控制步進電機驅(qū)動器進行控制，其兼具細分功能，增強電機的運動平穩(wěn)性，延長電機的使用壽命[4-5].

步進電機驅(qū)動器采用的DRV8825芯片可以驅(qū)動一個兩相四線的步進電機，輸入電壓為8～45 V，最大電流為1.7 A，通過PWM輸入來驅(qū)動.通過引腳的MODE0/MODE1/MODE2來配置從1到32的細分模式[6].其中STM32的PWM輸出連接STEP，ENBL連接使能端口，低電平有效，DIR連接方向端口，RESET為復(fù)位端口，低電平有效.DRV8825的電路連接圖如圖6所示.

圖6 DRV8825接線示意圖Fig.6 DRV8825 wiring diagram

3.2 加減速算法

由于進樣系統(tǒng)的吸排量和取退吸頭都是由步進電機來控制，所以步進電機起停轉(zhuǎn)速的算法十分重要，其關(guān)系著吸排精度和取退吸頭時的沖擊強度，對整個進樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性來說是至關(guān)重要的.

失步和過沖現(xiàn)象分別出現(xiàn)在步進電機啟動和停止的時候，其中：失步是由于同步力矩無法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度；在控制脈沖結(jié)束時，轉(zhuǎn)子在步進過程中獲得過多的能量，其平均速度會高于定子磁場的平均轉(zhuǎn)速，使得步進電機輸出轉(zhuǎn)矩偏大，產(chǎn)生了過沖現(xiàn)象.

為了消除失步和過沖現(xiàn)象，應(yīng)在電機啟動和停止時實現(xiàn)加減速控制[7]，其實質(zhì)是在速度變化過程中控制脈沖的發(fā)送頻率實現(xiàn)加減速.通常，加減速算法主要有梯形曲線、指數(shù)曲線和S型曲線[8].

1)梯形運行曲線.

對于梯形曲線來說，電機經(jīng)歷勻加速、勻速、勻減速和停止四個過程.其特點是算法簡便、占用時少、響應(yīng)快、效率高、實現(xiàn)方便[9].但在變速和勻速的轉(zhuǎn)折點不能平滑過渡，這將影響電機的運行效率和使用壽命，實際應(yīng)用較少.

2)指數(shù)運行曲線.

作為數(shù)控系統(tǒng)中較常見的加減速模型，指數(shù)運行曲線是按指數(shù)規(guī)律變化，加速度變化規(guī)律函數(shù)與速度變化規(guī)律函數(shù)互為反函數(shù).其克服了梯形運行曲線中速度不平穩(wěn)的問題，運動精度得到了提高，但初始加速度大，容易引起機械部件的沖擊，在加減速的起點仍然存在加減速突變，限制了加速度的提高.

3)S型曲線.

S型曲線常用來控制加速度的突變現(xiàn)象.S型曲線并不是一種固定的算法，其可分為7個階段，加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段和減減速段[10]，其速度和加速度曲線如圖7所示.通過調(diào)整不同階段的參數(shù)得到不同性能的加減速特性，常見的S型曲線有拋物線型和三角函數(shù)型兩種，因此應(yīng)用靈活.S型曲線的核心思想是讓加速度不發(fā)生突變[11]，其加減速平穩(wěn)，柔性快速，是一種綜合性能比較好的加減速模型.因此本進樣系統(tǒng)的步進電機控制采用S型曲線控制.

圖7 S型曲線的速度和加速度曲線圖Fig.7 Velocity and acceleration curve of S type curve

其速度公式為

(1)

式(1)描述了步進電機整個的速度變化過程.

3.3 S型加減速曲線的優(yōu)化與實現(xiàn)

為了提高步進電機運行的穩(wěn)定性和高效性，此次使用標準的7個階段的S型曲線.由于曲線的算法中相關(guān)參數(shù)較多，直接實現(xiàn)較為復(fù)雜，所以選取插補法來實現(xiàn)加減速曲線，這樣不僅縮短了算法的代碼執(zhí)行周期，也更容易通過改變相關(guān)參數(shù)的值實現(xiàn)不同的應(yīng)用場合.為此需設(shè)定多個初始化參數(shù)：最高轉(zhuǎn)速vm、起跳速度v0、加加速和減加速過程中的插補周期ta、加速階段總時間t3和最大加速度am.根據(jù)上述算法流程可得到控制流程，如圖8所示.

圖8 S型曲線算法控制流程Fig.8 Control flow of S type curve algorithm

圖8僅為加速階段的控制流程，減速階段算法的基本框架和加速階段的相同，只是每次循環(huán)時速度v的賦值是v-a.為了保證勻加速階段的存在,所以應(yīng)有ty>0，當ty<0時則說明很快加速到了最高速度vm，此時應(yīng)適當減小t3或am.考慮電機控制的穩(wěn)定性和高效性，整個加速時間范圍設(shè)定為t3<0.1 s，由于S型曲線的對稱性，加速和減速時間相同.

上述只是理論層面的算法轉(zhuǎn)化，實際在STM32的控制中是通過改變輸出PWM波的脈沖頻率來實現(xiàn)速度變化，所以時間t代表步進電機的步數(shù)，v代表的是脈沖頻率，a代表的是頻率的增加量.通常選取較大轉(zhuǎn)矩的時速作為S型曲線的最高轉(zhuǎn)速vm，由圖5可知步進電機在200 r/min時轉(zhuǎn)矩較高，所以vm=200 r/min，此時輸出脈沖為700 Hz，選取起跳速度v0=50 r/min，此時輸出脈沖為100 Hz，最大每步加速頻率am=40 Hz，總加速所需步數(shù)t3=25步，每步一插補，所以ta=1步.

每步的實際輸出脈沖頻率設(shè)為Vn，則整個加速過程的實際時間應(yīng)為

(2)

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過對上述S型曲線算法的分析和優(yōu)化，可將算法轉(zhuǎn)化為STM32控制步進電機轉(zhuǎn)速的對應(yīng)函數(shù)，其輸入量為算法的初始化參數(shù)，輸出量為脈沖周期變化的PWM波，以此控制轉(zhuǎn)速.其中入口參數(shù)還是算法的入口參數(shù)，只不過實際的操作是對定時器的自動重裝載寄存器ARR、預(yù)分頻寄存器PSC以及捕獲比較寄存器CCR進行控制，其中ARR和PSC控制PWM波的脈沖周期，CCR控制PWM波的占空比.

參照圖4，系統(tǒng)的吸排過程分為吸液和排液，為了防止排液時液體在吸嘴口被空氣阻礙無法完全排出，在排液過程中往往比吸液過程多設(shè)定一些進給量.其中吸液過程是通過控制步進電機轉(zhuǎn)數(shù)實現(xiàn)精確控制，排液則是將光電開關(guān)中斷作為停止信號.吸液階段在獲得進樣體積后經(jīng)過函數(shù)處理得到步進電機所需轉(zhuǎn)數(shù)，然后進入步進電機轉(zhuǎn)速控制函數(shù)，當走完指定轉(zhuǎn)數(shù)后停止，其中包括了加速、勻速和減速階段.在排液過程中，步進電機反轉(zhuǎn)然后進入加速、勻速函數(shù)直至接收到光電開關(guān)產(chǎn)生的中斷信號后進入減速函數(shù)，也即排液階段比吸液階段多了1個電機減速過程的角度，即45°，反映在排液量上是1.05 μL，對于高進度設(shè)備來說已經(jīng)足夠完全排盡吸頭內(nèi)液體.具體流程圖如圖9(a)所示.

圖9 吸液和取退吸頭控制流程圖Fig.9 Control flow chart of taking the liquid and taking or withdrawing suction head

取退吸頭的過程因為不需要量化的控制，所以只需控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，并不斷地檢測限位開關(guān)的信號，判斷是否有吸頭的存在，當無吸頭時步進電機反轉(zhuǎn)回到初始化位置.具體流程圖如圖9(b)所示.

5 誤差分析與補償

在過去幾十年中，國內(nèi)外學者提出了很多方法用于吸液過程問題判定[12].參照Michael Kaplit[13]對吸液過程壓力曲線的線性回歸分析以及Masaaki Takeda等人[14]對堵針問題的分類和分析，對實驗環(huán)境進行了重新排查和解決.為了檢驗本系統(tǒng)的吸排精度、控制精度以及誤差存在的原因，通過編碼器對步進電機進行實時的轉(zhuǎn)數(shù)反饋.其中編碼器選取歐姆龍編碼器E6B2-CWZ6C，由于編碼器輸出的是脈沖量，經(jīng)過STM32的輸入捕獲后計算單位時間內(nèi)接收的脈沖數(shù)，經(jīng)過換算得到實際轉(zhuǎn)角大小，將換算后的結(jié)果通過串口傳輸給上位機，便可得到實際的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù).而這些數(shù)據(jù)可以用來計算梯形絲杠之前的機構(gòu)傳動誤差和步進電機控制誤差.這些數(shù)據(jù)將在圖10中用絲杠實際吸液量來表示.

圖10 補償前理論吸液量與實際吸液量的比較Fig.10 Comparison of the theoretical imbibition value and the actual imbibition value before compensation

對于實際進樣器吸液量的實驗，以20 μL容量作為最大吸排量進行滴定實驗，國內(nèi)目前沒有專門針對數(shù)字可調(diào)移液器的校準方法[15]，參照國外的 ISO 8655-6[16]，允許誤差如表1所示.

表1 檢定規(guī)程誤差允許表

其中規(guī)定的檢定點為5,10,20 μL，容量允許誤差為檢驗合格的標準，并且數(shù)據(jù)的重復(fù)率也須在規(guī)定范圍內(nèi)，故此整個實驗方法取樣數(shù)據(jù)需按照ISO 8655-6的標準進行，這樣也為實驗的準確性提供了保證.具體實驗細節(jié)如下：

電機控制：為更好控制實驗精度和可靠性，步進電機的控制過程采用1/8微步模式，使用上文介紹的S型曲線步進電機控制算法.

檢定點所需理論脈沖數(shù)：5 μL處為960；10 μL處為1 920；20 μL處為3 840.

測量介質(zhì)：去離子水.

測量設(shè)備：0.01 mg的電子天平，用于質(zhì)量測定.

測量范圍：對包括檢定點在內(nèi)的10個測量點進行符合規(guī)程的測量，每個脈沖值根據(jù)ISO 8655-6的操作規(guī)程測定10組有效數(shù)據(jù)，然后取平均值作為該脈沖值的最終實驗數(shù)據(jù).

實驗數(shù)據(jù)通過圖10表示，該圖主要反映了整個系統(tǒng)的吸液誤差和絲杠之前的機構(gòu)傳動誤差之間的關(guān)系，通過對比這2種誤差大小關(guān)系分析主要誤差來源，并提出解決辦法.

通過圖10我們可發(fā)現(xiàn)：1)總誤差遠大于步進電機控制誤差和進樣器的制造誤差;2)誤差隨吸排量的增大而減小，說明是靜態(tài)誤差;3)從電機到絲桿副的過程存在一定的機械誤差;4)進樣器存在一定累積誤差，并且誤差值存在跳動現(xiàn)象;5)機械誤差和控制誤差在總誤差中的比重較大.

通過對上述結(jié)論的分析，可以得出：整個系統(tǒng)存在系統(tǒng)誤差和隨機誤差，并且系統(tǒng)誤差遠大于隨機誤差.其中：傳動環(huán)節(jié)的誤差主要為結(jié)構(gòu)件的制造精度誤差和安裝誤差，諸如同步帶多邊形效應(yīng)和偏心引起的傳動誤差，滾珠絲杠副的制造誤差；進樣器的誤差主要來自本身的制造誤差(允許范圍內(nèi))和空氣壓縮性的影響，在吸頭內(nèi)的空氣具有拉伸性[17]，在氣液置換時同樣的氣體并不能置換相同體積的液體.

通過對誤差的分析可知，在機械結(jié)構(gòu)上可更換精度更高的傳動部件來減小傳動誤差，在控制端可以轉(zhuǎn)換步進電機細分模式來控制最小吸排單位，同時可繼續(xù)優(yōu)化控制算法來實現(xiàn)更為精細的控制，還可以采用線性補償?shù)姆绞綄ξ怒h(huán)節(jié)進行誤差補償[18].對實驗中實際吸液量與脈沖數(shù)進行最小二乘法線性擬合，可得到擬合直線方程y=0.005x-0.097 9.對擬合函數(shù)求反函數(shù)即可得到實驗的補償函數(shù)y=200x+19.58.

在補償后的新實驗中，將補償函數(shù)轉(zhuǎn)化為代碼錄入STM32控制程序中，新函數(shù)的輸入量應(yīng)為所需吸取的液體體積，輸出量應(yīng)為補償后的總脈沖數(shù).在控制函數(shù)之前加補償函數(shù)，補償后的值作為步進電機控制的輸入量執(zhí)行轉(zhuǎn)動控制，結(jié)合之前的控制算法后再次進行吸排實驗.

具體實驗方法和步驟與之前相同，實驗結(jié)果如圖11所示，在這里略去了絲杠實際吸液量，因為絲桿實際吸液量在數(shù)據(jù)上的顯示和之前的數(shù)據(jù)無異，而補償曲線實際上是將此部分誤差進行了算法上的補償，實際結(jié)果表明補償函數(shù)明顯降低了系統(tǒng)誤差.

圖11 補償后理論吸液量與實際吸液量的比較Fig.11 Comparison of the theoretical imbibition value and the actual imbibition value after compensation

6 結(jié)束語

本文針對自動生化進樣系統(tǒng)的需求設(shè)計了新型機械結(jié)構(gòu)并論述了實現(xiàn)方法.在控制系統(tǒng)上，為提高整個進樣系統(tǒng)的取樣精度，對步進電機的控制算法進行了分析和優(yōu)化，對優(yōu)化后的S型曲線控制算法給出了實現(xiàn)方法；對整個進樣系統(tǒng)進行誤差實驗，對實驗結(jié)果進行分析，得出誤差來源和解決辦法，經(jīng)計算得到誤差補償函數(shù)，以此來進行控制端的輸入補償；最后對補償后的控制系統(tǒng)進行新的實驗驗證，發(fā)現(xiàn)補償后的精度得到了很大提高.在接下來的工作中，將會結(jié)合此進樣系統(tǒng)對全自動生化分析儀進行更為深入的研究，將核心算法進行拓展，設(shè)計更為便捷高效的生化控制系統(tǒng).

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Design of full automatic biochemical sampling system

LIU Zhen-wu1， SHANG Zhi-wu1， HUANG Yan-bin2

(1.Tianjin Modern Electromechanical Equipment Technology Key Laboratory， Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387， China； 2.Tianjin Era Biology Engineering Co., Ltd.， Tianjin 300000, China)

In the process of medical examination, the traditional manual detection method has the characteristics of low efficiency, high subjective error and high cost. According to the defects of artificial detection and the requirements of biochemical analysis system with high precision and miniaturization, a full automatic biochemical sampling system was developed. In the mechanical structure, the system had the functions of moving the liquid and taking and withdrawing the suction head. In the control method, the actuator control algorithm was optimized. Firstly, the whole system structure was designed and the control system based on the STM32 control chip was completed to meet the actual needs of the automatic sampling system. Secondly, by demonstrating the stepper motor control algorithm, the S type curve control algorithm was used, and the algorithm was optimized and implemented, thus, the control accuracy and speed was improved. Finally, in order to further improve the robustness of the system, we collated and analyzed the experimental data, and got the system error compensation curve and the method of correction. The results show that the improved system has higher accuracy of sampling, meets the actual needs more extensively, and has guiding significance for the development of medical devices.

biochemical analyzer; sampling system; STM32; S type curve; error compensation

2016-04-14.

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天津市科技支撐計劃重點項目(16YFZCSY00860)．

劉鎮(zhèn)武(1990—)，男，河南洛陽人，碩士生，從事機械機構(gòu)研究，E-mail:jikouji@126.com. http://orcid.org//0000-0002-0145-0690 通信聯(lián)系人：尚志武(1977—)，男，天津人，正高級工程師，從事智能診斷與動態(tài)測控、機電一體化技術(shù)、先進檢測技術(shù)等研究，E-mail:shangzhiwu@126.com.http://orcid.org//0000-0002-7310-0921

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.06.014

TP 29

A

1006-754X(2016)06-0612-08