全自動智能取料試管貼標機研制

(石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043)

隨著大眾健康意識的不斷提升與人口老齡化的沖擊，醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)的工作負荷愈發(fā)沉重，提高醫(yī)護工作者的工作效率勢在必行。傳統(tǒng)的醫(yī)療機構采用人工方式對真空采血管進行貼標，該方式易造成采血管的二次污染，且人工方式效率低下。受操作者主觀因素的影響，貼標過程無法實現(xiàn)標準化操作，不利于之后機器對標簽內(nèi)容的識別，造成漏讀或誤讀的醫(yī)療事故。現(xiàn)有的幾款自動試管分揀與貼標機體積較大、結構復雜，不利于安裝和使用，而且不能聯(lián)網(wǎng)，缺乏與現(xiàn)代化LIS的信息交互，同時不具備試管分類分揀功能，只是半自動貼標機[1-8]。本著實用性、高精度、高效性、低成本、可擴充等原則進行設計，采用單片機和上位機的共同控制，并結合對機械手和步進電機智能運動軌跡的優(yōu)化算法和醫(yī)院先進的LIS系統(tǒng)，設計了一種可以快速將病人的個人信息準確無誤地貼到試管上，而且可以提高貼簽的效率和準確性的全自動貼簽機。貼簽機的應用可使化驗室醫(yī)務人員便捷地進行試管貼標工作，且方便醫(yī)院進行病人檔案管理。

1 工作原理

全自動試管貼標機的主要功能，是先通過掃碼儀采集需做檢查的病人的代碼，上位機再利用代碼向醫(yī)院LIS系統(tǒng)發(fā)出該病人信息的請求，獲得所需患者的相關信息及檢驗項目，提取需要打印出來的信息并生成條碼，再把這些信息傳送到ARM與設定好的標簽打印模板生成標簽，然后控制條碼打印機打印標簽，配合機械結構實現(xiàn)將標簽平整貼到試管上的工作。同時在機械單元上的若干個光感、限位及接近開關能夠實時給ARM反饋貼簽的動作狀態(tài)，從而更精確地實現(xiàn)控制，也使整個設備具有自我檢測、報障及自我故障處理的功能，真正實現(xiàn)智能化。ARM將通過報文將工作狀態(tài)反饋給上位機，完成后上位機給LIS系統(tǒng)中標本進行標記，整個自動試管貼標機系統(tǒng)的控制命令傳遞、工作實現(xiàn)、狀態(tài)信息反饋完成。原理如圖1所示。

圖1 原理圖

2 機械結構設計

以ARM為控制核心的機械結構如圖2、圖3所示。

圖2 試驗機

圖3 整體結構分布圖

2.1 多功能試管倉結構設計

多功能料倉由8個排料倉組成，可以放置8種常用的化驗試管，各個倉寬度為國標試管管體直徑Φ12，而試管帽直徑大于Φ12，則能夠架在倉體上，倉體采用45°傾斜角放置，保證試管可以利用自身重力滑落到倉體下端，配合機械手進行夾取。同時可以在同樣的空間中放置更多的試管，下方空間還可以安置控制電路。在每個料倉下端安裝光感，實現(xiàn)實時監(jiān)測倉內(nèi)試管數(shù)量和取料判斷功能。

2.2 十字滑臺結構設計

十字滑臺主要配合機械手實現(xiàn)在X、Y兩個軸向的移動，每個軸向上由一個步進電機控制，使機械手能夠精準到達所需試管的料倉位置進行抓取及運送到貼標機構處。機械手位置準確與否直接影響取料、送料的可靠性，步進電機生產(chǎn)成本低，方便維修，結構少，排除累計誤差，可有效帶動負載慣量。如果為非超載狀態(tài)，可以在該表脈沖數(shù)、信號頻率之后實現(xiàn)停止位置、轉速的控制。例如，如果脈沖信號數(shù)量為1，則步距角也將為1。

2.3 機械手結構設計

機械手負責對試管的抓取和釋放兩個動作，主要由一片電磁鐵構成。電磁鐵采用功率15 W最大吸合力20 N的較大型號，考慮到試管倉試管間的擠壓力保證能夠可靠取料。電磁鐵1通電吸合兩側鐵片，機械手抓緊，斷電則松開。

圖4 旋轉貼標結構圖

2.4 旋轉貼標結構設計

三輥旋轉貼標機構主要由1個步進電機帶動的2個主輥和另一個電機帶動只具有壓緊功能的從動壓輥組成，見圖4。主輥電機是齒輪軸，方便用皮帶帶動2個主輥旋轉，而壓輥電機使用絲杠軸，讓壓輥固定件可以帶動壓輥橫向運動，實現(xiàn)壓緊動作。金屬輥外包裹一層尼龍，尼龍本身硬度適中且具有一定彈性，可保證輥與試管貼合緊密。當試管移動到旋轉機構中心時，壓輥橫向運動，使三輥壓緊試管，從而通過主輥旋轉帶動試管和壓輥旋轉。為了保證壓輥壓在試管上的受力均衡，使用兩個同型號的電機安裝在壓輥固定件的上半段和下半段，也使壓輥前后運動更可靠。

2.5 打印機結構設計

打印機采用熱敏標簽打印機，打印清晰,速度快，熱敏頭壽命長，更換便簽紙也很方便。這種打印機可編程，自帶指令集支持ARM直接發(fā)送報文控制動作和打印內(nèi)容。打印機有自剝離托附紙及回收的功能，利用30 mm×50 mm便簽紙自帶的挺度，可以使其自然平整地送到壓輥和試管之間縫隙，旋轉機構旋轉時尼龍材質有彈性的壓輥可以輕松將標簽紙卷到試管壁上，完成貼標工作。

2.6 出料結構設計

出料機構由1推拉式電磁鐵和試管托片2組成，電磁鐵一端與托片相連接，實現(xiàn)托片的伸縮動作，見圖5、圖6。電磁鐵采用12 V最大吸合力42N型號，保證動作的快速性。但較大的電磁鐵在動作的瞬間將產(chǎn)生電磁干擾，擾亂其它并行動作，所以需要對電路板和線路進行必要的電磁隔離。電磁鐵不通電時托片處于伸出狀態(tài)，此時試管帽可以架在托片上，試管可以處在選裝機構中間進行操作。當電磁鐵通電托片收縮，同時壓輥拉開，試管可以憑自身重力下落到正下方的出料口。

圖5 出料機構試驗機

圖6 出料結構俯視圖

3 控制系統(tǒng)設計

試管自動貼標系統(tǒng)的主要功能，是將從LIS獲得的患者相關信息及檢驗項目打印到試管標簽上并通過相應的機械動作結構自動將標簽粘貼到管壁上。除與LIS進行交互的上位機控制軟件外，整個貼標系統(tǒng)還包括以ARM為主控制芯片的打印貼標控制系統(tǒng)以及以步進電動機為主要執(zhí)行機構的機械動作單元，系統(tǒng)結構如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)框圖

要實現(xiàn)試管標簽的自動打印粘貼，首先需要分析標簽粘貼動作控制流程。整個系統(tǒng)的控制動作可分解為：(1)上位機通過掃碼器獲取需要化驗病人的個人檔案條形碼，向醫(yī)院LIS系統(tǒng)請求病人的化驗項目；(2)LIS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將患者相關信息及檢驗項目回傳給上位機，由上位機提取需要打印出來的信息并生成條碼；(3)把上位機的信息傳送到下位機通過ARM生成設定好的標簽打印模板；(4)接收到報文的ARM選擇試管種類，對十字滑臺進行控制，調整安裝在其上面的機械手位置，保證在對應試管倉的正上方；(5)夾取試管倉最下端試管的試管帽位置；(6)控制滑臺提起試管并移動到托片處松開，使試管懸掛在旋轉貼標機構中心位置；(7)待試管放入后夾緊試管，使其緊貼轉動軸輪，讓試管能在電動機的帶動下旋轉；(8)熱敏打印機將相關信息打印至標簽上，標簽在試管的轉動牽引下自動粘貼到試管上；(9)拉開托片電磁鐵，讓試管可以自動跌落至出料抽屜中，貼標動作完成。

在機械單元上的若干個光感、限位及接近開關能夠實時給ARM反饋貼簽的每一個動作狀態(tài)，保證每個環(huán)節(jié)準確到位、安全可靠，從而更精確地實現(xiàn)控制，同時使整個設備具有自我檢測、報障及自我故障處理的功能，真正實現(xiàn)智能化[9-15]。ARM將通過報文將工作狀態(tài)反饋給上位機，上位機根據(jù)貼標的完成情況給LIS系統(tǒng)中標本進行標記，整個自動試管貼標機系統(tǒng)的控制命令傳遞、工作實現(xiàn)、狀態(tài)信息反饋完成。

圖8 主電路拓撲圖

3.1 主控制電路

主控芯片采用STM32F407ZGT6。較之STM32F1/F2等Cortex-M3產(chǎn)品及51產(chǎn)品，STM32F4最大的優(yōu)勢，就是STM32F4的主頻提高了很多，達到168 MHz，在控制電機時最多需要對4路電機控制電路發(fā)送脈沖信號，為了保證不丟失脈沖和電機的速度，這就需要高主頻控制器。同時試管貼標機需要的I/O口較多，其具有多達140個具有中斷功能的I/O端口，高達136個快速I/O，最高84 MHz高達138個可耐5 V的I/O?？紤]到需要與上位機通訊及后期通訊模塊拓展，F(xiàn)4具有多達15個通信接口(3個I2C、4個USART/4個UART、3 個 SPI、2 個 CAN)。圖8為貼標機主電路拓撲圖。

作為開環(huán)控件的步進電機，限制了單片機對動作結構位置的獲取。要實現(xiàn)可視化、安全的打印貼標操作，應當保證以閉環(huán)控制法進行動作。設計ARM系統(tǒng)時，要注意反饋電路設計[16-21]。本課題選擇EE-SH3系光電傳感器安裝在十字滑臺位置方案，以實現(xiàn)檢測反饋。透過型光電傳感器則為EE-SH3系，可以感應金屬，能夠起到十字滑臺X、Y向電機限位及定位作用。當發(fā)光二極管與光敏三極管之間處于開放狀態(tài)時，將導通光敏三極管。光敏三極管、發(fā)光二級管在機械結構位置處于特定情況時將出現(xiàn)停止工作的情況，而這主要是由于檔片遮擋的緣故[22-23]。在機械動作元件位置數(shù)據(jù)獲取上，主要由反饋電路發(fā)送位置信息，為打印過程提供閉環(huán)控制。

3.2 步進電機驅動電路

控制電路中最重要的一部分就是通過脈沖控制步進電機的速度，搭配方向信號端和使能信號端，就能實現(xiàn)試管貼標機的機械動作。試管貼標機是精密的理療設備，對動作的精度很高，需要多個動作協(xié)調配合完成。在機械自動貼標方面，由步進電機完成控制，實現(xiàn)定位的精準化。此次選擇東芝企業(yè)的TB6560芯片作為ARM系統(tǒng)驅動核心，具有高集成、低耗能的特點。其基本特性為：可提供整步、1/2、1/8、1/16等操控形式；可過流保護；設置溫度保護裝置，在超過150 ℃溫度時，輸出斷開；40 V的最高耐壓，3.5 V的最大單相輸出電流；雙全橋MOSFET驅動內(nèi)置。圖9展示了此次設計的TB6560步進電機電路結構，共有3個主要電路結構，即自動半流、信號隔離、主電路。

圖9 步進電機控制電路圖

在控制時，會發(fā)出CLK、CW、EN信號，各信號代表不同的動作命令。例如，若要實現(xiàn)使能控制，則對EN端信號使能；若要對電機轉向進行控制，則對CW信號端置0或1；若要進行速度、轉角控制，則對CLK信號端發(fā)脈沖數(shù)。信號控制端均須用光耦隔離后再與芯片連接。利用光耦的意義有：第一，整形控制信號；第二，保護接口板電路，降低電機干擾度。不同速度光耦隔離信號類型有差異。如中高速光耦對應CLK、CW信號，這樣不僅能夠信號耦合，也可阻止畸變、滯后現(xiàn)象的發(fā)生，使脈沖頻率、驅動板間更加融合。在本課題，CLK、CW的隔離由6N137高速光耦完成(1片)，并得到10 MHz的信號傳速；CW、EN信號的隔離由4N35、817C普通光耦完成(1片)。

VMA、VMB為步進電機驅動電源引腳接24 V，電壓范圍為4.5～40 V，較高的電壓可增大電機在高頻范圍轉矩的輸出。電機2相輸出接口包括OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM，接兩相四線制步進電機的A+、A-、B+、B-。電機A、B相電流極大值可按照IOUT(A)=0.5(V)/RNF(Ω)式計算，定義引腳有NFA、NFB，接三組電阻調節(jié)驅動電流，為了使電機能夠在不同的工作要求下發(fā)揮最大輸出能力，同時保證電機在正常的溫升范圍內(nèi)工作。

在設計VDD為5 V的邏輯控制電路時，應接入旁路電容、去耦電容，以實現(xiàn)噪聲減少。過流保護、工作狀態(tài)顯示燈分別是PROTECT、MO；芯片復位腳是RESET，低電平有效；斬波器頻率與RESET電容值密切相關，以100～1 000 pF、且取400 Hz～44 kHz頻率為佳。利用M1、M2，能夠實現(xiàn)1/2、1/8、1/16、整部等細分類型，是“細分設置”引腳。在低頻狀態(tài)下，步進電機劇烈振動，制造高分貝噪音，應當通過細分調節(jié)避免。在貼標情況下，電機基本都工作在快速、高頻的模式下，整步可以滿足控制精度要求，故設定M1、M2為0、0的整步狀態(tài)。

在細分之后，步進電機內(nèi)部動作將會出現(xiàn)微小的變化。首先，直接調節(jié)勵磁繞組電流；其次，影響合成磁場，得到圓形旋轉的均勻磁場；第三，步距角實現(xiàn)細分。若條件正常，那么旋轉力矩幅值直接同合成磁場矢量大小有關；步距角值同相鄰合成磁場矢量夾角有關。在電流衰減幅值操控上，由DCY1、DCY2的值組合完成，如0、25%、50%、100%等模式。步進電機的高頻噪聲同脈沖頻率、供電穩(wěn)定性、自身工況等要素息息相關。而直接通過DCY1、DCY2的設置是能夠對噪聲分貝進行調控的。在總結42電機試驗數(shù)據(jù)之后，模式選定為0%不衰減。

長時間的電機運行會產(chǎn)生熱量，如果通過TQ1和TQ2引腳確定最大電流輸出的工作狀態(tài)，且在停止運行期間確定為0電流狀態(tài)，這對電機降溫有幫助。根據(jù)前文得知，輸出電流的最大值由NFA、NFB設置，輸出電流的比例設置由TQ1和TQ2完成。在00、01、10、11狀態(tài)下，同電流最大值相比，電流輸出值占比是100%、75%、50%、25%。在直接對驅動電流值進行調節(jié)后，輸出扭矩會隨之而變。以74CH123芯片實現(xiàn)自動半流電路的設計，使電流保持單穩(wěn)態(tài)，并能夠重復觸發(fā)。觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路時，由CLK實現(xiàn)。TQ2引腳同該類型電路反向傳輸相連之后，TQ2將在驅動脈沖消失時電平為高，保持時電路為低。單穩(wěn)態(tài)電路在反向輸出時接TQ2引腳，TQ2保持低電平對應電機驅動持續(xù)發(fā)脈沖，高電平對應無驅動脈沖。

4 系統(tǒng)程序設計

4.1 主控程序設計

ARM的程序采用分層化結構，最底層為各個動作元件的獨立動作，中層是初始化、取料、移料、放料、旋轉貼標、出料的機械結構單元動作，上層是正向和反向的整體流程。這樣就實現(xiàn)了分層可控原則，再加入MODBUS通訊程序，根據(jù)設定好的報文結構和內(nèi)容，可與上位機進行控制命令和故障的信息交互，方便上位機對ARM控制的各個機械結構進行調試和實時監(jiān)控，如圖10所示。同時，上位機從LIS系統(tǒng)獲得的病人化驗信息傳遞給ARM，生成對應的檢驗項目標簽，實現(xiàn)試管貼標機的聯(lián)網(wǎng)功能。

圖10 ARM程序拓撲圖

下位機程序剛開始需要光感、限位配合各個機械部分進行復位初始化，定位后根據(jù)上位機發(fā)送的病人檢驗信息選擇對應的試管進行貼標。每次在抓取試管前，ARM通過光感檢測對應試管倉是否有料，無料則向上位機發(fā)送帶有故障號的報文并等待加料。十字滑臺將試管送到旋轉貼標機構后，是否需要復位到初始的位置取決于同一病人是否還有其它血樣檢查。如果有則以旋轉貼標上方位置為基準，進行反向初始化和反向取料；沒有則返回初始位置等待下一個病人，如圖11所示。這樣避免了每次都回到初始位置而浪費時間，實現(xiàn)了貼標機智能化抓取過程，提高了整體工作效率。

檢測試管貼標機的故障，采用在程序內(nèi)部加入動作定時，即每個步驟完成的時間與正常工作完成的時間進行比較，超過加入裕度的正常時間時，試管貼標機停止工作并上報對應動作故障的報文，使每個動作環(huán)節(jié)在程序上進行監(jiān)測，避免機械結構的損壞。

由于十字滑臺動作件速度較快，有可能與安裝在兩端的光感碰撞，造成光感損壞。為了方便更換光感組件，在程序中加入反向定位程序，即讓電機從故障光感反向的正常光感位置，工作設定的最長運動距離脈沖數(shù)，達到需要更換光感的準確位置。大大提高了后期的維修效率。

圖11 主控制程序流程圖

4.2 步進電機程序設計

由于采用了TB6560芯片作為步進電動機驅動芯片，ARM程序只需要對脈沖CLK、方向CW、使能EN控制和多個步進電機協(xié)調動作，就能讓機械結構按照程序流程動作，簡化了編程環(huán)節(jié)。I/O口的高低電平切換配合延時，就能產(chǎn)生脈沖輸出。由于TB6560內(nèi)部的脈沖分配電路，在改變電機工作方向時，只要改變CW引腳的值，就能使勵磁繞組上的脈沖信號改變換相順序邏輯。步進脈沖是通過軟件延時實現(xiàn)的，根據(jù)所需的速度和移動距離設定各個電機的脈沖數(shù)，步進脈沖頻率、速度的計算公式為

(1)

(2)

5 樣機試驗

在自動試管貼標機重復性實驗過程中，采用醫(yī)院常用的直徑Φ12 mm～Φ13 mm、長度50～100 mm規(guī)格真空采血試管，能夠兼容現(xiàn)有檢驗系統(tǒng)標簽內(nèi)容，兼容條碼格式有Code39、Code128、EAN128、EAN8/13、Codabar、Int2/5、UPCA/E，試管倉存放8種試管，每倉30支，整機容量240支。整體流程速度可以達到小于4 s/支。整機外形尺寸為600 mm×580 mm×580 mm(長×寬×高)，體積較小，便于放置在化驗室。貼標位置錯誤率和整體系統(tǒng)運行錯誤率均低于1‰。

為了更直觀地看到自動試管貼標機的工作效率，采用100個試管手工和機器對比，從掃描器掃描病人信息開始計時，手工過程包括點擊打印機工作按鈕和貼標簽2個步驟，而試管貼標機根據(jù)接收到的報文組織標簽內(nèi)容并控制相關結構工作。結果如表1所示。

表1 對比試驗結果

試驗結果表明，自動試管貼標機整體結構合理，能實現(xiàn)高效、準確貼標，且自動化程度高，可流水線模式工作，操作方便，所貼標簽工整、美觀、衛(wèi)生。

6 結論

全自動試管貼標機擁有獨創(chuàng)的5部一體機械結構，配合合理可靠的排布，既保證了組合動作路徑的高效性，又減小了整體的體積。簡單易操作的上位機管理軟件，能夠準確采集LIS系統(tǒng)的患者信息，取代了手動查詢的時間，也避免了因選擇化驗信息錯誤導致的醫(yī)療事故。以ARM為控制核心配合穩(wěn)定的步進電機控制電路和傳感器的硬件策略，實現(xiàn)了對整體動作單元的閉環(huán)控制和并行控制，保證每一個動作的可靠高效。運行路徑優(yōu)化算法及自檢程序，能夠快速可靠地實現(xiàn)試管貼標動作，再通過MODBUS通訊協(xié)議，實時反饋運行狀況及故障情況，達到快速排除故障、減少病人等待時間的要求?？煽康臋C械結構搭配優(yōu)化的控制邏輯，使標簽工整、牢靠、快速地貼在試管的指定位置上，避免了傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的錯誤問題和衛(wèi)生問題。聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的信息實時共享也必將是今后現(xiàn)代化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，而醫(yī)院的各個設備通過LIS系統(tǒng)間接實現(xiàn)了一體化連接，也給自動試管貼標機更多的發(fā)展前景。