一種取樣平臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)

楊延麗，黃 震

(1. 廈門安防科技職業(yè)學(xué)院 福建廈門361026；2. 廈門大學(xué) 福建廈門361005)

0 引 言

隨著我國(guó)醫(yī)療水平不斷提高，對(duì)于全自動(dòng)化的醫(yī)療設(shè)備需求量越來越大，同時(shí)對(duì)全自動(dòng)設(shè)備的自動(dòng)化程度、精度穩(wěn)定性等指標(biāo)的要求也越來越高，對(duì)于醫(yī)療設(shè)備的研制來說，如何將手工設(shè)備和半自動(dòng)設(shè)備升級(jí)成穩(wěn)定可靠的全自動(dòng)化設(shè)備，是非常重要的問題。全自動(dòng)化的醫(yī)療儀器往往需要在一個(gè)操作平臺(tái)上完成各種動(dòng)作，如吸取血清樣本、吸取反應(yīng)試劑、向反應(yīng)杯中加入微量液體等，這些動(dòng)作都需要使用全自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)控制器來完成，再結(jié)合相應(yīng)的控制軟件和人機(jī)界面軟件等。依據(jù)醫(yī)療儀器檢驗(yàn)項(xiàng)目的檢驗(yàn)方法和原理，完成復(fù)雜的醫(yī)療檢驗(yàn)過程，能大幅度提高醫(yī)療檢驗(yàn)的通量、精度、重復(fù)性等指標(biāo)，降低檢驗(yàn)成本。

本文介紹了一種用于醫(yī)療儀器取樣平臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)，該模塊已經(jīng)在全自動(dòng)化醫(yī)療儀器上進(jìn)行了批量的生產(chǎn)并投入醫(yī)院使用，從總體運(yùn)行情況和大量的測(cè)試數(shù)據(jù)來看，該運(yùn)動(dòng)控制模塊運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。

1 取樣平臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)控制模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在儀器的操作平臺(tái)上，設(shè)計(jì)三維運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行定位的機(jī)械機(jī)構(gòu)，即 X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂，X、Y、Z三軸的電機(jī)，三軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡共同組成本模塊的大三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

在機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上，每軸均采用了“步進(jìn)電機(jī)＋直線導(dǎo)軌”的方式進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，各軸根據(jù)負(fù)載大小的不同采用不同的電機(jī)型號(hào)和導(dǎo)軌型號(hào)。步進(jìn)電機(jī)是一種可以開環(huán)使用的數(shù)字傳動(dòng)裝置，具有快速啟動(dòng)、停止，轉(zhuǎn)速與輸入時(shí)鐘頻率成正比，能實(shí)現(xiàn)精確定位以及直接接受數(shù)字量等特點(diǎn)[1]。本模塊采用的CPC滾珠靜音直線導(dǎo)軌可以進(jìn)行平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)引，能達(dá)到很高的定位精度。

Y軸導(dǎo)軌安裝在儀器平臺(tái)左右兩側(cè)的金屬固定板上，為了保證運(yùn)行精度和平穩(wěn)性，Y軸導(dǎo)軌左右各一個(gè)。Y軸電機(jī)固定在底板上，電機(jī)軸上裝入主動(dòng)輪，與主動(dòng)輪等高同線的另外一端固定從動(dòng)輪，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪通過同步帶連接，同步帶的兩個(gè)末端通過固定零件固定在直線導(dǎo)軌的滑塊上。通過左右兩個(gè)直線導(dǎo)軌保證Y軸運(yùn)行的直線性。Y軸安裝完畢后，在左右兩個(gè)導(dǎo)軌的滑塊上固定X軸，大三維的 X軸就架在Y軸之上運(yùn)行。為了保障X軸運(yùn)行的平穩(wěn)性和直線性，X軸仍然采用雙導(dǎo)軌設(shè)計(jì)。如圖 1所示，將電機(jī)和X軸固定座安裝在X軸固定板上，套入主動(dòng)輪。從動(dòng)輪固定座、X軸固定底板墊塊固定于X軸固定底板上，同樣采用同步帶連接主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，同步帶末端固定在導(dǎo)軌的滑塊上。

圖1 X軸機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Mechanical structure of large-scale threedimensional X-axis motion

大三維的 Z軸負(fù)責(zé)帶動(dòng)加樣針進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)，完成一系列動(dòng)作。Z軸的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仍然采用電機(jī)和直線導(dǎo)軌方式，Z軸下端固定在 X軸的一個(gè)導(dǎo)軌滑塊上，Z軸架在X軸的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之上。

2 三維運(yùn)動(dòng)控制模塊硬件控制設(shè)計(jì)

對(duì)于大三維運(yùn)動(dòng)控制單元，要求速度快，動(dòng)作精確，并且載重量大，因此本模塊采用了 PC作為運(yùn)動(dòng)控制中心，根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制的方法、方式對(duì)三維機(jī)構(gòu)多點(diǎn)、多曲線度地連續(xù)控制，可以達(dá)到非常高的速度和精度。系統(tǒng)每次運(yùn)行，需要進(jìn)行幾百上千次操作，傳動(dòng)系統(tǒng)需要保證穩(wěn)定性、精確性、可靠性。在三維運(yùn)動(dòng)中，目前大多使用光電開關(guān)與光柵板配合的方式，這樣無論在精確度、方便性和成本上都沒有優(yōu)勢(shì)。本模塊針對(duì)機(jī)器的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，將光電開關(guān)、光柵板去除，只保留原點(diǎn)位置的一個(gè)位置檢測(cè)，并且保證每次都是同一方向的位置定位，這樣就提高了原點(diǎn)定位的準(zhǔn)確度。通過軟件的控制設(shè)計(jì)，本模塊可以完成一系列復(fù)雜的自動(dòng)化工作，由于 PC是整個(gè)醫(yī)療儀器系統(tǒng)的控制中心，有許多重要的通訊、控制、人機(jī)交互等工作需要處理，所以大三維運(yùn)動(dòng)控制采用專門的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡，對(duì) X、Y、Z三軸電機(jī)進(jìn)行控制，結(jié)合加速、減速曲線控制，實(shí)現(xiàn)精確定位、平穩(wěn)的啟動(dòng)與停止。在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，會(huì)按環(huán)節(jié)即時(shí)復(fù)位，重新定位，以保證最大限度地減少誤差。使用運(yùn)動(dòng)控制卡來完成運(yùn)動(dòng)控制和計(jì)算，大大減輕了 PC上位機(jī)的工作量。另一方面整機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到了很大的精簡(jiǎn)。

根據(jù)以上的運(yùn)動(dòng)控制分析，設(shè)計(jì)了如下硬件控制方案：大三維的運(yùn)動(dòng)控制以上位機(jī) PC為總控制中心，PC通過串口控制嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù) PC指令完成各種運(yùn)動(dòng)控制的運(yùn)算，控制 X、Y、Z三軸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)了上述復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制[2]。硬件連接邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 大三維運(yùn)動(dòng)控制硬件連接邏輯關(guān)系圖Fig.2 The circuit interconnection with logical function of large-scale three-dimensional motion control module

本模塊選用的集成化嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡EasySmc 5470，它使用高速ARM 32位處理器(主頻208,Hz)，配合 FPGA 實(shí)現(xiàn)三軸的運(yùn)動(dòng)控制。該控制卡提供了豐富的通訊控制命令，為上位機(jī) PC對(duì)大三維的定位和運(yùn)動(dòng)控制提供了可靠的保障[3]。

X 軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 MD656的 EN-、DIR-、PLS-分別連接嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡的 X-FREE、X-DIR、X-CP引腳，這 3個(gè)功能引腳分別為脫機(jī)信號(hào)、方向控制、步進(jìn)脈沖信號(hào)，X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 MD656的 EN+、DIR+、PLS+全部接入嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡的 X-OPTP陽(yáng)極公共端。X 軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 MD656的 A+、A-、B+、B- 4個(gè)引腳分別接入X軸兩相步進(jìn)電機(jī)的A相和B相。X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器外接24,V DC電源。Y軸和Z軸電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制卡之間的電路連接方式與X軸相同。

3 三維運(yùn)動(dòng)控制模塊控制軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制模塊的軟件設(shè)計(jì)主要是運(yùn)動(dòng)軌跡控制算法的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)的設(shè)計(jì)和上位機(jī) PC的界面程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)與集成化嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡之間的通訊，按照在運(yùn)動(dòng)控制卡基本控制命令基礎(chǔ)上制定的完備的通訊協(xié)議格式進(jìn)行。

運(yùn)動(dòng)控制模塊的控制功能主要依靠運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)，該函數(shù)庫(kù)包含所有的與運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的功能函數(shù)。這些函數(shù)主要是基本運(yùn)動(dòng)函數(shù)，包括原點(diǎn)復(fù)位函數(shù)、限位光耦查詢函數(shù)、運(yùn)動(dòng)初始化函數(shù)、單軸運(yùn)動(dòng)函數(shù)、多軸直線插補(bǔ)函數(shù)、兩軸圓弧插補(bǔ)函數(shù)、制動(dòng)函數(shù)、軸狀態(tài)查詢函數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)查詢函數(shù)等。主要的工作過程包括初始化、工作模式設(shè)定、運(yùn)動(dòng)函數(shù)、狀態(tài)讀取等，從而完成運(yùn)動(dòng)控制功能，對(duì)于具體運(yùn)動(dòng)，編寫了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，方便程序的進(jìn)一步開發(fā)；另外根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制卡的寄存器和命令的結(jié)構(gòu)，編寫了通用的操作函數(shù)。

要實(shí)現(xiàn)醫(yī)療儀器平臺(tái)的準(zhǔn)確取樣、往微孔板加樣、拾取加樣 TIP頭等動(dòng)作，要求 X、Y軸準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)定位，再者總體移液量大，分液程序復(fù)雜，所以要求三維運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)運(yùn)行要達(dá)到一定速度，才能滿足儀器整體檢測(cè)速度和檢測(cè)效率的要求。為此，三維運(yùn)動(dòng)控制模塊控制軟件設(shè)計(jì)需要采用合適的運(yùn)動(dòng)軌跡算法(直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ))和加減速控制算法(梯形曲線加減速、S曲線加減速)[4]。

三維運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高速高精度的移液，因此一方面要求三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)快，快速準(zhǔn)確起停，縮短準(zhǔn)備時(shí)間；另一方面要求運(yùn)動(dòng)過程平穩(wěn)，沖擊小，而電機(jī)在起動(dòng)和停止時(shí)容易產(chǎn)生沖擊、超程或振蕩，這就必須進(jìn)行加減速控制。其中最常用的一種方式是梯形曲線加減速算法[5]。規(guī)則的梯形曲線分為3個(gè)階段：①勻加速段，速度按照設(shè)定的加速度值從零加速到最大速度 Vmax；②勻速段，加速度值為零，速度保持已達(dá)到的最大速度運(yùn)行；③勻減速段，按設(shè)定的加速度減速到零，同時(shí)到達(dá)目標(biāo)位置。梯形速度曲線的實(shí)質(zhì)在于限制了加速度的大小，實(shí)際上也就限制了電機(jī)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減少了對(duì)機(jī)械部件的沖擊力度。可以證明，梯形曲線是在給定位置、最大速度和加速度的條件下，各種運(yùn)動(dòng)軌跡中時(shí)間最優(yōu)的曲線。

上位機(jī)PC界面程序采用Delphi來編寫，同時(shí)需要生成數(shù)據(jù)報(bào)表的組件FastReport 4.2和串口通訊控件SPCOMM。在控制界面上，通過直接輸入XYZ坐標(biāo)使三維運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)直接運(yùn)動(dòng)到目的地，或者在當(dāng)前位置基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn) XYZ中任意一軸的單步運(yùn)動(dòng)，從而可以對(duì)本三維運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行測(cè)試，滿足其運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性等指標(biāo)。該程序根據(jù)每臺(tái)儀器的參數(shù)的實(shí)際定位，將三軸的坐標(biāo)原點(diǎn)尺寸，加樣平臺(tái)上試劑、血清樣本位置等參數(shù)實(shí)際測(cè)量調(diào)校后保存在參數(shù)表中，這樣每次使用儀器時(shí)，直接將參數(shù)表調(diào)入使用，大大簡(jiǎn)化了批量生產(chǎn)制造和使用過程對(duì)儀器初始位置尺寸參數(shù)調(diào)校工作，也有利于提高儀器三維運(yùn)動(dòng)控制的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

本文介紹的這種適合醫(yī)療儀器取樣平臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)控制模塊，經(jīng)過研制的樣機(jī)的性能指標(biāo)測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上各種樣品取樣、移液、加樣等醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)所需要的自動(dòng)化動(dòng)作，并在整體運(yùn)行速度、運(yùn)動(dòng)控制精度、運(yùn)行平穩(wěn)度方面完全滿足醫(yī)療儀器的指標(biāo)要求，是一種成本較低、實(shí)用性比較強(qiáng)的三維運(yùn)動(dòng)控制模塊。但是，該模塊在運(yùn)行精度、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可靠性方面還有進(jìn)一步提升的空間，比如在運(yùn)動(dòng)軌跡控制算法上借鑒數(shù)控加工機(jī)械的位插補(bǔ)控制算法，采用更專業(yè)的運(yùn)動(dòng)控制芯片等，這也是下一步研究工作的重點(diǎn)。

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