自動化控制結合傳感器反饋及檢測技術在醫(yī)療器械研發(fā)及生產(chǎn)中的應用

摘要：隨著全球科學技術的不斷發(fā)展和進步，自動化技術及智能制造技術正在不斷發(fā)展完善，逐漸得到人們的認可也在實踐中不斷應用，自動化生產(chǎn)在制造業(yè)中各個領域也開始嶄露頭角。各行各業(yè)都要逐步適應時代的要求，進入智能制造的時代。具體表現(xiàn)在自動化控制領域中，較大規(guī)模集成電路水平得到了顯著提升。之所以集成電路運行質量水平大幅度提升，很大程度上是因為PLC技術在其中得到了廣泛應用。PLC技術及單片機技術是一項新技術類型，它的研究應用將會為自動化控制帶來積極的推動作用。所以，展開文中主題分析非常具有必要性。本文分析了醫(yī)療器械產(chǎn)品研發(fā)及制造中自動化控制及傳感器技術應用的意義，并提出了具體的應用措施，闡述了自動化控制和傳感器反饋及檢測技術在未來生物醫(yī)療行業(yè)發(fā)展趨勢，希望對促進我國生物醫(yī)療發(fā)展做出積極貢獻。

關鍵詞：自動化控制;傳感器反饋技術;傳感器檢測技術;醫(yī)療器械研發(fā);醫(yī)療產(chǎn)品生產(chǎn);應用

隨著我國自動化技術的迅速發(fā)展，各行各業(yè)對生產(chǎn)的現(xiàn)代化要求也與日俱增，生產(chǎn)的效率也逐步提升。電氣工程及自動化控制的地位和作用越來越重要，工業(yè)自動化控制利用可編程控制器即PLC作為控制系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，通過上位機的組態(tài)編程和參數(shù)畫面，來與PLC通信，通過程序控制中間繼電器的線圈觸點或各類弱電的電氣元件，而中間繼電器的常開常閉點則可接接觸器的線圈，起到間接控制接觸器、電機、各類加熱元件和變頻器的功能。而傳感器的應用如同是給自動控制增加了，感官和觸覺的功能。各種各樣的傳感器得到廣泛的應用，如溫度傳感器，當溫度達到設定值時系統(tǒng)會將觸發(fā)信號反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過反饋信號來驅動接下來的邏輯控制;如壓力傳感器，當壓力值到設定范圍時，產(chǎn)生壓力信號，反饋給PLC，PLC內部程序會進行下一步動作判斷;如光電傳感器，檢查產(chǎn)品是否到達指定位置，通過傳感器信號的有無來給控制系統(tǒng)信號，從而觸發(fā)系統(tǒng)下一步程序動作?？梢哉f傳感器反饋的技術真正實現(xiàn)了從半自動化控制到自動化控制的轉變，而傳感器除了提供反饋信號，更升華一步來說就是傳感器的檢測技術，通過信號的放大，實現(xiàn)數(shù)字量與模擬量的轉換，從我們生活中的各種模擬信號轉變?yōu)殡妷弘娏餍盘?，或者圖像信號，實現(xiàn)高精度判斷，高精度位置控制，高精度檢測的功能。傳感器技術與自動控制相結合，再加上檢測判斷最終實現(xiàn)了真正的無人化，自動化。在各類領域的大量應用及發(fā)展，自動生產(chǎn)線、自動分檢線、物流自動化、AGV機器人領域、無人停車廠等等。在醫(yī)療器械領域也在逐步發(fā)展。各類自動控制器如PLC、單片機，各類儀表等。通過特定的邏輯程序，外加傳感技術，實現(xiàn)醫(yī)療器械操作的簡單高效，醫(yī)護人員工作的快捷便利，患者治療的便捷與舒適。國內醫(yī)療器械的研發(fā)也在不斷的加快腳步，因為自動化控制技術及傳感器技術的日趨成熟，實現(xiàn)了本來很難實現(xiàn)的各類醫(yī)學試劑檢測，血液成分的檢測，細胞成像技術等。但是科技的進步要需要人才技術的不斷提高，因為自動化控技術在研發(fā)和生產(chǎn)時直接關系到整個產(chǎn)品生產(chǎn)的穩(wěn)定性、高效性、工藝的安全性。電氣工程、自動化工程師應對所負責的工程項目的質量有高度的責任心，充分應用自己的專業(yè)水平深入、細致的搞

好自動化控制的技術、質量、進度、安全等管理工作。

1.醫(yī)療器械研發(fā)中自動化控制及傳感器反饋技術應用的意義

如何在醫(yī)療器械研發(fā)中高效的應用自動化控制及傳感技術，成為研發(fā)創(chuàng)新的關鍵問題。醫(yī)療器械產(chǎn)品在研發(fā)時的關鍵要素主要有四點：（1）操作便捷;（2）使用過程高效精準;（4）產(chǎn)品具有高穩(wěn)定性高精度（3）安全可靠性。操作便捷是指在醫(yī)療器械產(chǎn)品在研發(fā)過程中，需要充分考慮到該產(chǎn)品在用戶使用時的可操作性及操作便捷度，最好實現(xiàn)一鍵啟動，過程中通過自動控制，傳感器的檢測反饋信號，最后自動停止。便捷的操作可大大提高操作人員的舒適度，操作人員在操作器械的同時也可以完成一些簡單的其他工作，工作效率也逐步提高，也可不斷降低操作過程中的失誤。因為簡單的單按鈕或者單程序控制，無需做太多復雜的動作，減少操作繁瑣度，設計更為人性化。使用過程的高效精準是指在醫(yī)療產(chǎn)品研發(fā)時要考慮到產(chǎn)品操作過程中的高效性與精準度，精準的了解客戶的需求，及高效的完成工作，PLC是ms級的反應速度，能快速接收信號并反饋給控制機構執(zhí)行下部動作，反應迅速。在研發(fā)過程中產(chǎn)品元器件的選型也是尤為重要，產(chǎn)品的控制要求，控制精度，及準確的判斷更是研發(fā)過程中考慮的重要環(huán)節(jié)。產(chǎn)品具有高穩(wěn)定性高精度是指一個新產(chǎn)品的研發(fā)必須要考慮到產(chǎn)品的穩(wěn)定性，產(chǎn)品在使用過程中可能出現(xiàn)的意外情況及合理的應對措施，如在產(chǎn)品自動控制加熱和降溫過程中，由于溫度變化由高溫到低溫會出現(xiàn)冷凝水所以在控制元件、傳感器選型時要考慮外觀的防水性，或者在控制中增加排風機構來增加產(chǎn)品的穩(wěn)定性。高精度是指在產(chǎn)品研發(fā)過程中通過精密的控制程序或者精度高的傳感器來實現(xiàn)高精度控制，減少控制誤差，從而減少產(chǎn)品在研發(fā)后使用時出現(xiàn)誤判斷或者誤動作的情況，給使用者造成損失，這也是產(chǎn)品研發(fā)過程中考慮的重要環(huán)節(jié)。安全可靠性是產(chǎn)品研發(fā)過程中的重中之重，自動控制及傳感器都是需要電力驅動，都是電氣元件，所有元件的安全性由為重要，在產(chǎn)品研發(fā)初期要進行多次老化試驗，多次不斷重復的操作找出自動控制程序中的漏洞或者誤判程序，傳感器的極限值及誤差值，金屬外殼及器械的漏電檢查，要完全杜絕產(chǎn)品的安全隱患。安全性是生物醫(yī)療產(chǎn)品研發(fā)中的重點關注點。

2.自動化控制及傳感器技術在醫(yī)療器械產(chǎn)品生產(chǎn)制造中的應用

2.1自動化傳輸線體在醫(yī)療器械產(chǎn)品制造中的應用

工業(yè)自動化發(fā)展的時間比較長，而且出現(xiàn)的時間比較早，工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)對其他因素考慮較少，只要實現(xiàn)控制要求即可，所以起步比較早。最具代表性的就是自動化傳輸線體，實現(xiàn)點對點的自動化運輸控制，樓層間的產(chǎn)品運輸，惡劣環(huán)境下的材料輸送，在運輸過程中，能夠根據(jù)物品的種類以及自身特性進行分類運輸，不僅能夠對一些機械零部件進行運輸，也可以對體積較大的重量型物品進行運輸，采取現(xiàn)代化控制方式，能有效的對多級傳送帶進行科學控制，避免因出現(xiàn)控制失誤而引起的不便。在醫(yī)療產(chǎn)品的生產(chǎn)中，有嚴格的生產(chǎn)環(huán)境要求，大部分是在無塵車間生產(chǎn)，對車間內的環(huán)境要求很高，換氣次數(shù)和塵埃粒子數(shù)的管控也是相當嚴格，所以減少人員在生產(chǎn)過程中與產(chǎn)品的接觸，可以很有效的減少產(chǎn)品受污染的風險。使用自動化控制原理，對上位機觸摸屏機構進行編程，再對可編程控制器進行編程操作，讓二者進行通訊連接，結合傳輸皮帶、滾輪機構、變頻器、電機，氣動控制元件、光電傳感器，及一些機械裝置的配合最終實現(xiàn)單工序內部的傳輸機構，減少人員的來回走動，和頻繁的領料操作，只需要在下料處安排人員對產(chǎn)品進行收集，再順利進入下道工序即可。光電傳感器的信號用來判斷產(chǎn)品到達的有無，傳感器的反饋信號讓控制中樞知曉產(chǎn)品已到達，采取收料操作或者進入產(chǎn)品緩沖區(qū)，等待收料的操作。高精度的傳輸控制就會運用到步進電機、伺服電機，這樣可以通過編程來準確控制電機啟停位置，對一些位置精度要求高的產(chǎn)品或元件生產(chǎn)時會運用到。極大程度上減少人員消耗，提高操作便捷度。實現(xiàn)單工序的自動化傳輸后，要進一步提升自動化效果，則可對多道工序進行邏輯控制并傳輸，通過傳感器技術與自動控制的結合，多次判斷與信號轉換，控制執(zhí)行元器件如電機、升降系統(tǒng)，滑臺系統(tǒng)等實現(xiàn)多道工序乃至整個產(chǎn)品線的自動化傳輸線體，讓醫(yī)療器械產(chǎn)品的生產(chǎn)從多人工的勞動密集型到產(chǎn)線化的一個轉變，減少人員頻繁走動造成環(huán)境變化的風險;減少人員長時間接觸產(chǎn)品而導致的產(chǎn)品污染的風險;大大提高了生產(chǎn)的效率，減少人工成本。

2.2機械手自動控制在醫(yī)療器械產(chǎn)品制造中的應用

自動傳輸線體的的實現(xiàn)，讓醫(yī)療產(chǎn)品的生產(chǎn)有了大的發(fā)展，但是僅僅實現(xiàn)傳輸?shù)墓δ?，在減少人員方面的作用是有限的，于是在傳輸線之后的組裝工序也逐步實現(xiàn)了自動化控制，應用較廣泛的是機械手技術，各類機械手在產(chǎn)品生產(chǎn)中的得到廣泛應用。上下料機移栽械手，通過夾爪機構、或吸盤機構對傳輸后的產(chǎn)品進行自動上下料操作，將產(chǎn)品放入下道工序傳送帶，或者直接放入下料托盤，真正意義上實現(xiàn)了無需人工操作，通過機械手控制系統(tǒng)與PLC的通訊協(xié)議，實現(xiàn)了PLC對機械手的控制。機械手抓取物品點位的控制，可以精準抓取和放料。完成工序間的相互轉換，更大程度上提高了自動化控制的等級，向無人化的方向更近一步。除了上下料移載機械手，功能性機械手的運用也是相當廣泛，機械手一般由多軸控制，如同人的關節(jié)可以多方向移動，X軸，Y軸，Z軸。在實現(xiàn)機械手上下左右移動的同時，對機械手的末端增加旋轉或者裁切裝置，即可實現(xiàn)機械手的開孔功能，裁切功能，擰瓶蓋功能等，但這些功能的實現(xiàn)都需要配合傳感器反饋技術，如定點切割，需要傳感器精準確定切割位置，旋轉開孔或者擰瓶蓋需要傳感器反饋上部旋轉機構旋轉的圈數(shù)。各類機械手的點位確定都是需要產(chǎn)生點位信號，光電傳感器作為產(chǎn)生原點信號反饋給機械手。有些功能性機械手甚至可以直接用于醫(yī)療器械上，如康復機器人，通過各機械結構的前后邏輯控制，幫助患者實現(xiàn)術后康復，手臂功能的回復等，可

以說機械手的運用是自動控制的重要升級。

2.3傳感器檢測反饋技術在醫(yī)療器械產(chǎn)品制造中的應用

在醫(yī)療器械產(chǎn)品制造過程中，有些產(chǎn)品的生產(chǎn)和裝配需要區(qū)分零部件的正反面，通過自動傳輸線體輸送至指定位置，然后通過氣動元件將產(chǎn)品推送到機械手抓取位置，但是機械手無法判斷產(chǎn)品的正反面，所以裝配時就會出現(xiàn)誤操作。為了解決這個問題，需要將自動化控制技術提升到新的高度，對傳感器檢測技術進行再升華，出現(xiàn)了視覺檢測技術，通視覺定位，在視覺系統(tǒng)中建模編程，使用高精度相機抓拍產(chǎn)品到達位置時的照片，將照片與相機模型進行比對，判斷出正反面及產(chǎn)品的具體位置，將信號傳輸給可編程控制器，相互結合實現(xiàn)對產(chǎn)品正反面及具體位置的判斷。傳感器及視覺檢測技術如同是自動化控制技術的感官，通過視覺看到機械手需要抓取的位置，將自動控制引向一個新的高度，醫(yī)療器械生產(chǎn)時除了零件的裝配用到視覺定位以外，成品的良否判斷依然可以使用視覺檢測，判斷產(chǎn)品外觀是否有異物或者缺失。將良品通過自動傳輸線體輸送到下一道工序，對不良品進行記錄并分揀處理進入不良品區(qū)。減少人為的判斷，因為人工長時間工作，會產(chǎn)生疲勞度。人工檢測容易受到的主觀因素的影響，而視覺檢測就杜絕了這種狀況，做好自動化生產(chǎn)設備的維護及易耗品的更換，定期的檢測測試就可以保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。傳感器檢測技術視覺檢測技術下的自動化生產(chǎn)，避免了人工高強度的工作情況，體現(xiàn)出了高效，及無人化的趨勢。

3.自動控制及傳感器技術在醫(yī)療器械核心部件研發(fā)中的發(fā)展趨勢3.1.醫(yī)療器械的核心技術逐漸向高精度傳感器技術方向偏移

醫(yī)療器械產(chǎn)品中很多創(chuàng)新產(chǎn)品的研發(fā)都在逐漸尋找突破口，自動化控制技術已經(jīng)日趨成熟，但是有些醫(yī)療儀器還是以國外進口為主。探索其中原因，更大程度上是因為國外的傳感器技術水平較高，醫(yī)療器械的主要核心部件已不是自動控制模塊或者程序代碼，已經(jīng)對高精尖的傳感器提出要求，檢測范圍，對顏色的感光度，對容差的區(qū)分范圍，這些都是之前產(chǎn)品研發(fā)中沒有注意的細節(jié)。通過對傳感器技術的不斷深入，配合自動控制已逐漸在血液成分制備領域取得一定成果，中國制造已經(jīng)逐步進入全球化的大家庭。

3.2加強技術開發(fā)

傳感器技術的飛速發(fā)展，各國爭相開發(fā)高新技術目前以科學技術與信息理論的的限制，在我國傳感器技術較發(fā)達國家相比仍處于相對落后的趨勢，這就要求傳感器技術開發(fā)人員加強對現(xiàn)有傳感器技術的研究，以滿足產(chǎn)品原有的性能擴大行業(yè)技術研究的深度和有效的技術，以市場需求為導向，滿足我國經(jīng)濟發(fā)展的同時，促進傳感器技術的發(fā)展。

4結論

在自動化控制領域中，其能夠運用各式各樣的自動控制裝置以監(jiān)控、反饋系統(tǒng)，對電氣系統(tǒng)進行控制管理.電氣工程自動化技術在醫(yī)療器械研發(fā)及生產(chǎn)領域的運用將越來越多，越來越廣，未來電氣自動化技術運用將會更加完善及智能。

參考文獻：

[1]黃紅玉通信電源技術2020年第8期129-131頁

[2]王化祥，張淑英傳感器原理及應用[M]2004年

[3]仇亞紅電子測試2020年第19期114-115頁

作者簡介：王健，男，江蘇鎮(zhèn)江，漢族，1989年12月1日，大學本科，自動化控制方向，助理工程師。