楊延麗，黃 震

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

0 引 言

隨著我國醫(yī)療水平不斷提高，對于全自動化的醫(yī)療設備需求量越來越大，同時對全自動設備的自動化程度、精度穩(wěn)定性等指標的要求也越來越高，對于醫(yī)療設備的研制來說，如何將手工設備和半自動設備升級成穩(wěn)定可靠的全自動化設備，是非常重要的問題。全自動化的醫(yī)療儀器往往需要在一個操作平臺上完成各種動作，如吸取血清樣本、吸取反應試劑、向反應杯中加入微量液體等，這些動作都需要使用全自動化的運動控制器來完成，再結合相應的控制軟件和人機界面軟件等。依據(jù)醫(yī)療儀器檢驗項目的檢驗方法和原理，完成復雜的醫(yī)療檢驗過程，能大幅度提高醫(yī)療檢驗的通量、精度、重復性等指標，降低檢驗成本。

本文介紹了一種用于醫(yī)療儀器取樣平臺的三維運動控制模塊的設計，該模塊已經(jīng)在全自動化醫(yī)療儀器上進行了批量的生產并投入醫(yī)院使用，從總體運行情況和大量的測試數(shù)據(jù)來看，該運動控制模塊運行穩(wěn)定，可靠性高。

1 取樣平臺三維運動控制模塊機械結構設計

在儀器的操作平臺上，設計三維運動控制進行定位的機械機構，即 X、Y、Z三軸運動機械臂，X、Y、Z三軸的電機，三軸電機驅動器，嵌入式運動控制卡共同組成本模塊的大三維運動控制系統(tǒng)。

在機械運動機構設計上，每軸均采用了“步進電機＋直線導軌”的方式進行直線運動，各軸根據(jù)負載大小的不同采用不同的電機型號和導軌型號。步進電機是一種可以開環(huán)使用的數(shù)字傳動裝置，具有快速啟動、停止，轉速與輸入時鐘頻率成正比，能實現(xiàn)精確定位以及直接接受數(shù)字量等特點[1]。本模塊采用的CPC滾珠靜音直線導軌可以進行平穩(wěn)的運動導引，能達到很高的定位精度。

Y軸導軌安裝在儀器平臺左右兩側的金屬固定板上，為了保證運行精度和平穩(wěn)性，Y軸導軌左右各一個。Y軸電機固定在底板上，電機軸上裝入主動輪，與主動輪等高同線的另外一端固定從動輪，主動輪和從動輪通過同步帶連接，同步帶的兩個末端通過固定零件固定在直線導軌的滑塊上。通過左右兩個直線導軌保證Y軸運行的直線性。Y軸安裝完畢后，在左右兩個導軌的滑塊上固定X軸，大三維的 X軸就架在Y軸之上運行。為了保障X軸運行的平穩(wěn)性和直線性，X軸仍然采用雙導軌設計。如圖 1所示，將電機和X軸固定座安裝在X軸固定板上，套入主動輪。從動輪固定座、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輪和從動輪，同步帶末端固定在導軌的滑塊上。

圖1 X軸機械結構設計圖Fig.1 Mechanical structure of large-scale threedimensional X-axis motion

大三維的 Z軸負責帶動加樣針進行垂直運動，完成一系列動作。Z軸的直線運動機構仍然采用電機和直線導軌方式，Z軸下端固定在 X軸的一個導軌滑塊上，Z軸架在X軸的運動機構之上。

2 三維運動控制模塊硬件控制設計

對于大三維運動控制單元，要求速度快，動作精確，并且載重量大，因此本模塊采用了 PC作為運動控制中心，根據(jù)運動控制的方法、方式對三維機構多點、多曲線度地連續(xù)控制，可以達到非常高的速度和精度。系統(tǒng)每次運行，需要進行幾百上千次操作，傳動系統(tǒng)需要保證穩(wěn)定性、精確性、可靠性。在三維運動中，目前大多使用光電開關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。本模塊針對機器的特點進行了改進，將光電開關、光柵板去除，只保留原點位置的一個位置檢測，并且保證每次都是同一方向的位置定位，這樣就提高了原點定位的準確度。通過軟件的控制設計，本模塊可以完成一系列復雜的自動化工作，由于 PC是整個醫(yī)療儀器系統(tǒng)的控制中心，有許多重要的通訊、控制、人機交互等工作需要處理，所以大三維運動控制采用專門的嵌入式運動控制卡，對 X、Y、Z三軸電機進行控制，結合加速、減速曲線控制，實現(xiàn)精確定位、平穩(wěn)的啟動與停止。在長期運行時，會按環(huán)節(jié)即時復位，重新定位，以保證最大限度地減少誤差。使用運動控制卡來完成運動控制和計算，大大減輕了 PC上位機的工作量。另一方面整機的機械結構得到了很大的精簡。

根據(jù)以上的運動控制分析，設計了如下硬件控制方案：大三維的運動控制以上位機 PC為總控制中心，PC通過串口控制嵌入式運動控制卡，運動控制卡根據(jù) PC指令完成各種運動控制的運算，控制 X、Y、Z三軸的電機驅動器，從而實現(xiàn)了上述復雜的運動控制[2]。硬件連接邏輯關系如圖2所示。

圖2 大三維運動控制硬件連接邏輯關系圖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動控制卡EasySmc 5470，它使用高速ARM 32位處理器(主頻208,Hz)，配合 FPGA 實現(xiàn)三軸的運動控制。該控制卡提供了豐富的通訊控制命令，為上位機 PC對大三維的定位和運動控制提供了可靠的保障[3]。

X 軸電機驅動器 MD656的 EN-、DIR-、PLS-分別連接嵌入式運動控制卡的 X-FREE、X-DIR、X-CP引腳，這 3個功能引腳分別為脫機信號、方向控制、步進脈沖信號，X軸電機驅動器 MD656的 EN+、DIR+、PLS+全部接入嵌入式運動控制卡的 X-OPTP陽極公共端。X 軸電機驅動器 MD656的 A+、A-、B+、B- 4個引腳分別接入X軸兩相步進電機的A相和B相。X軸電機驅動器外接24,V DC電源。Y軸和Z軸電機、電機驅動器、運動控制卡之間的電路連接方式與X軸相同。

3 三維運動控制模塊控制軟件設計

運動控制模塊的軟件設計主要是運動軌跡控制算法的設計、運動控制函數(shù)庫的設計和上位機 PC的界面程序設計。上位機與集成化嵌入式運動控制卡之間的通訊，按照在運動控制卡基本控制命令基礎上制定的完備的通訊協(xié)議格式進行。

運動控制模塊的控制功能主要依靠運動控制函數(shù)庫，該函數(shù)庫包含所有的與運動控制相關的功能函數(shù)。這些函數(shù)主要是基本運動函數(shù)，包括原點復位函數(shù)、限位光耦查詢函數(shù)、運動初始化函數(shù)、單軸運動函數(shù)、多軸直線插補函數(shù)、兩軸圓弧插補函數(shù)、制動函數(shù)、軸狀態(tài)查詢函數(shù)、運動參數(shù)查詢函數(shù)等。主要的工作過程包括初始化、工作模式設定、運動函數(shù)、狀態(tài)讀取等，從而完成運動控制功能，對于具體運動，編寫了相應的運動函數(shù)，方便程序的進一步開發(fā)；另外根據(jù)運動控制卡的寄存器和命令的結構，編寫了通用的操作函數(shù)。

要實現(xiàn)醫(yī)療儀器平臺的準確取樣、往微孔板加樣、拾取加樣 TIP頭等動作，要求 X、Y軸準確運動定位，再者總體移液量大，分液程序復雜，所以要求三維運動控制機構運行要達到一定速度，才能滿足儀器整體檢測速度和檢測效率的要求。為此，三維運動控制模塊控制軟件設計需要采用合適的運動軌跡算法(直線插補、圓弧插補)和加減速控制算法(梯形曲線加減速、S曲線加減速)[4]。

三維運動的目標是實現(xiàn)高速高精度的移液，因此一方面要求三維運動系統(tǒng)反應快，快速準確起停，縮短準備時間；另一方面要求運動過程平穩(wěn)，沖擊小，而電機在起動和停止時容易產生沖擊、超程或振蕩，這就必須進行加減速控制。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個階段：①勻加速段，速度按照設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，速度保持已達到的最大速度運行；③勻減速段，按設定的加速度減速到零，同時到達目標位置。梯形速度曲線的實質在于限制了加速度的大小，實際上也就限制了電機的起動電流和起動轉矩，減少了對機械部件的沖擊力度?？梢宰C明，梯形曲線是在給定位置、最大速度和加速度的條件下，各種運動軌跡中時間最優(yōu)的曲線。

上位機PC界面程序采用Delphi來編寫，同時需要生成數(shù)據(jù)報表的組件FastReport 4.2和串口通訊控件SPCOMM。在控制界面上，通過直接輸入XYZ坐標使三維運動控制機構直接運動到目的地，或者在當前位置基礎上實現(xiàn) XYZ中任意一軸的單步運動，從而可以對本三維運動模塊進行測試，滿足其運動的準確性、可靠性、穩(wěn)定性等指標。該程序根據(jù)每臺儀器的參數(shù)的實際定位，將三軸的坐標原點尺寸，加樣平臺上試劑、血清樣本位置等參數(shù)實際測量調校后保存在參數(shù)表中，這樣每次使用儀器時，直接將參數(shù)表調入使用，大大簡化了批量生產制造和使用過程對儀器初始位置尺寸參數(shù)調校工作，也有利于提高儀器三維運動控制的準確性。

4 結 論

本文介紹的這種適合醫(yī)療儀器取樣平臺三維運動控制模塊，經(jīng)過研制的樣機的性能指標測試，可以實現(xiàn)平臺上各種樣品取樣、移液、加樣等醫(yī)學檢驗所需要的自動化動作，并在整體運行速度、運動控制精度、運行平穩(wěn)度方面完全滿足醫(yī)療儀器的指標要求，是一種成本較低、實用性比較強的三維運動控制模塊。但是，該模塊在運行精度、長時間運行可靠性方面還有進一步提升的空間，比如在運動軌跡控制算法上借鑒數(shù)控加工機械的位插補控制算法，采用更專業(yè)的運動控制芯片等，這也是下一步研究工作的重點。

［1］郭成，翁盛隆，談士力，等. DSP和PBL3717A構成的步進電機的控制系統(tǒng)[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2004(3)：63-67.

［2］孫志剛，馬文光，朱德森，等. 基于 80C196KC的交流伺服電機控制卡的開發(fā)與應用[J]. 機械與電子，1999(3)：11-13

［3］張瑋. 運動控制卡的研究[D]. 西安：西安交通大學，2002：8-11.

［4］楊進錄. 如何使機械運動部件控制最佳[J]. 電子工業(yè)專用設備，2005(3)：25-27.

［3］楊凱峰. 單軸運動控制器的設計[D]. 武漢：華中科技大學，2008：11-13.