(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

隨著大眾健康意識(shí)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(fù)荷愈發(fā)沉重，提高醫(yī)護(hù)工作者的工作效率勢(shì)在必行。傳統(tǒng)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)采用人工方式對(duì)真空采血管進(jìn)行貼標(biāo)，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(biāo)過程無(wú)法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作，不利于之后機(jī)器對(duì)標(biāo)簽內(nèi)容的識(shí)別，造成漏讀或誤讀的醫(yī)療事故。現(xiàn)有的幾款自動(dòng)試管分揀與貼標(biāo)機(jī)體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)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(shí)不具備試管分類分揀功能，只是半自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)[1-8]。本著實(shí)用性、高精度、高效性、低成本、可擴(kuò)充等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)和上位機(jī)的共同控制，并結(jié)合對(duì)機(jī)械手和步進(jìn)電機(jī)智能運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)化算法和醫(yī)院先進(jìn)的LIS系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種可以快速將病人的個(gè)人信息準(zhǔn)確無(wú)誤地貼到試管上，而且可以提高貼簽的效率和準(zhǔn)確性的全自動(dòng)貼簽機(jī)。貼簽機(jī)的應(yīng)用可使化驗(yàn)室醫(yī)務(wù)人員便捷地進(jìn)行試管貼標(biāo)工作，且方便醫(yī)院進(jìn)行病人檔案管理。

1 工作原理

全自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)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(jī)再利用代碼向醫(yī)院LIS系統(tǒng)發(fā)出該病人信息的請(qǐng)求，獲得所需患者的相關(guān)信息及檢驗(yàn)項(xiàng)目，提取需要打印出來(lái)的信息并生成條碼，再把這些信息傳送到ARM與設(shè)定好的標(biāo)簽打印模板生成標(biāo)簽，然后控制條碼打印機(jī)打印標(biāo)簽，配合機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)將標(biāo)簽平整貼到試管上的工作。同時(shí)在機(jī)械單元上的若干個(gè)光感、限位及接近開關(guān)能夠?qū)崟r(shí)給ARM反饋貼簽的動(dòng)作狀態(tài)，從而更精確地實(shí)現(xiàn)控制，也使整個(gè)設(shè)備具有自我檢測(cè)、報(bào)障及自我故障處理的功能，真正實(shí)現(xiàn)智能化。ARM將通過報(bào)文將工作狀態(tài)反饋給上位機(jī)，完成后上位機(jī)給LIS系統(tǒng)中標(biāo)本進(jìn)行標(biāo)記，整個(gè)自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)系統(tǒng)的控制命令傳遞、工作實(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以ARM為控制核心的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 試驗(yàn)機(jī)

圖3 整體結(jié)構(gòu)分布圖

2.1 多功能試管倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能料倉(cāng)由8個(gè)排料倉(cāng)組成，可以放置8種常用的化驗(yàn)試管，各個(gè)倉(cāng)寬度為國(guó)標(biāo)試管管體直徑Φ12，而試管帽直徑大于Φ12，則能夠架在倉(cāng)體上，倉(cāng)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(cāng)體下端，配合機(jī)械手進(jìn)行夾取。同時(shí)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(gè)料倉(cāng)下端安裝光感，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倉(cāng)內(nèi)試管數(shù)量和取料判斷功能。

2.2 十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

十字滑臺(tái)主要配合機(jī)械手實(shí)現(xiàn)在X、Y兩個(gè)軸向的移動(dòng)，每個(gè)軸向上由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，使機(jī)械手能夠精準(zhǔn)到達(dá)所需試管的料倉(cāng)位置進(jìn)行抓取及運(yùn)送到貼標(biāo)機(jī)構(gòu)處。機(jī)械手位置準(zhǔn)確與否直接影響取料、送料的可靠性，步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)成本低，方便維修，結(jié)構(gòu)少，排除累計(jì)誤差，可有效帶動(dòng)負(fù)載慣量。如果為非超載狀態(tài)，可以在該表脈沖數(shù)、信號(hào)頻率之后實(shí)現(xiàn)停止位置、轉(zhuǎn)速的控制。例如，如果脈沖信號(hào)數(shù)量為1，則步距角也將為1。

2.3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手負(fù)責(zé)對(duì)試管的抓取和釋放兩個(gè)動(dòng)作，主要由一片電磁鐵構(gòu)成。電磁鐵采用功率15 W最大吸合力20 N的較大型號(hào)，考慮到試管倉(cāng)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(cè)鐵片，機(jī)械手抓緊，斷電則松開。

圖4 旋轉(zhuǎn)貼標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

2.4 旋轉(zhuǎn)貼標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三輥旋轉(zhuǎn)貼標(biāo)機(jī)構(gòu)主要由1個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的2個(gè)主輥和另一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)只具有壓緊功能的從動(dòng)壓輥組成，見圖4。主輥電機(jī)是齒輪軸，方便用皮帶帶動(dòng)2個(gè)主輥旋轉(zhuǎn)，而壓輥電機(jī)使用絲杠軸，讓壓輥固定件可以帶動(dòng)壓輥橫向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)壓緊動(dòng)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(dāng)試管移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心時(shí)，壓輥橫向運(yùn)動(dòng)，使三輥壓緊試管，從而通過主輥旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)試管和壓輥旋轉(zhuǎn)。為了保證壓輥壓在試管上的受力均衡，使用兩個(gè)同型號(hào)的電機(jī)安裝在壓輥固定件的上半段和下半段，也使壓輥前后運(yùn)動(dòng)更可靠。

2.5 打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

打印機(jī)采用熱敏標(biāo)簽打印機(jī)，打印清晰,速度快，熱敏頭壽命長(zhǎng)，更換便簽紙也很方便。這種打印機(jī)可編程，自帶指令集支持ARM直接發(fā)送報(bào)文控制動(dòng)作和打印內(nèi)容。打印機(jī)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)尼龍材質(zhì)有彈性的壓輥可以輕松將標(biāo)簽紙卷到試管壁上，完成貼標(biāo)工作。

2.6 出料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

出料機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)托片的伸縮動(dòng)作，見圖5、圖6。電磁鐵采用12 V最大吸合力42N型號(hào)，保證動(dòng)作的快速性。但較大的電磁鐵在動(dòng)作的瞬間將產(chǎn)生電磁干擾，擾亂其它并行動(dòng)作，所以需要對(duì)電路板和線路進(jìn)行必要的電磁隔離。電磁鐵不通電時(shí)托片處于伸出狀態(tài)，此時(shí)試管帽可以架在托片上，試管可以處在選裝機(jī)構(gòu)中間進(jìn)行操作。當(dāng)電磁鐵通電托片收縮，同時(shí)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(jī)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)

圖6 出料結(jié)構(gòu)俯視圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試管自動(dòng)貼標(biāo)系統(tǒng)的主要功能，是將從LIS獲得的患者相關(guān)信息及檢驗(yàn)項(xiàng)目打印到試管標(biāo)簽上并通過相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作結(jié)構(gòu)自動(dòng)將標(biāo)簽粘貼到管壁上。除與LIS進(jìn)行交互的上位機(jī)控制軟件外，整個(gè)貼標(biāo)系統(tǒng)還包括以ARM為主控制芯片的打印貼標(biāo)控制系統(tǒng)以及以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械動(dòng)作單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)框圖

要實(shí)現(xiàn)試管標(biāo)簽的自動(dòng)打印粘貼，首先需要分析標(biāo)簽粘貼動(dòng)作控制流程。整個(gè)系統(tǒng)的控制動(dòng)作可分解為：(1)上位機(jī)通過掃碼器獲取需要化驗(yàn)病人的個(gè)人檔案條形碼，向醫(yī)院LIS系統(tǒng)請(qǐng)求病人的化驗(yàn)項(xiàng)目；(2)LIS數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將患者相關(guān)信息及檢驗(yàn)項(xiàng)目回傳給上位機(jī)，由上位機(jī)提取需要打印出來(lái)的信息并生成條碼；(3)把上位機(jī)的信息傳送到下位機(jī)通過ARM生成設(shè)定好的標(biāo)簽打印模板；(4)接收到報(bào)文的ARM選擇試管種類，對(duì)十字滑臺(tái)進(jìn)行控制，調(diào)整安裝在其上面的機(jī)械手位置，保證在對(duì)應(yīng)試管倉(cāng)的正上方；(5)夾取試管倉(cāng)最下端試管的試管帽位置；(6)控制滑臺(tái)提起試管并移動(dòng)到托片處松開，使試管懸掛在旋轉(zhuǎn)貼標(biāo)機(jī)構(gòu)中心位置；(7)待試管放入后夾緊試管，使其緊貼轉(zhuǎn)動(dòng)軸輪，讓試管能在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)；(8)熱敏打印機(jī)將相關(guān)信息打印至標(biāo)簽上，標(biāo)簽在試管的轉(zhuǎn)動(dòng)牽引下自動(dòng)粘貼到試管上；(9)拉開托片電磁鐵，讓試管可以自動(dòng)跌落至出料抽屜中，貼標(biāo)動(dòng)作完成。

在機(jī)械單元上的若干個(gè)光感、限位及接近開關(guān)能夠?qū)崟r(shí)給ARM反饋貼簽的每一個(gè)動(dòng)作狀態(tài)，保證每個(gè)環(huán)節(jié)準(zhǔn)確到位、安全可靠，從而更精確地實(shí)現(xiàn)控制，同時(shí)使整個(gè)設(shè)備具有自我檢測(cè)、報(bào)障及自我故障處理的功能，真正實(shí)現(xiàn)智能化[9-15]。ARM將通過報(bào)文將工作狀態(tài)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)貼標(biāo)的完成情況給LIS系統(tǒng)中標(biāo)本進(jìn)行標(biāo)記，整個(gè)自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)系統(tǒng)的控制命令傳遞、工作實(shí)現(xiàn)、狀態(tài)信息反饋完成。

圖8 主電路拓?fù)鋱D

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(shì)，就是STM32F4的主頻提高了很多，達(dá)到168 MHz，在控制電機(jī)時(shí)最多需要對(duì)4路電機(jī)控制電路發(fā)送脈沖信號(hào)，為了保證不丟失脈沖和電機(jī)的速度，這就需要高主頻控制器。同時(shí)試管貼標(biāo)機(jī)需要的I/O口較多，其具有多達(dá)140個(gè)具有中斷功能的I/O端口，高達(dá)136個(gè)快速I/O，最高84 MHz高達(dá)138個(gè)可耐5 V的I/O。考慮到需要與上位機(jī)通訊及后期通訊模塊拓展，F(xiàn)4具有多達(dá)15個(gè)通信接口(3個(gè)I2C、4個(gè)USART/4個(gè)UART、3 個(gè) SPI、2 個(gè) CAN)。圖8為貼標(biāo)機(jī)主電路拓?fù)鋱D。

作為開環(huán)控件的步進(jìn)電機(jī)，限制了單片機(jī)對(duì)動(dòng)作結(jié)構(gòu)位置的獲取。要實(shí)現(xiàn)可視化、安全的打印貼標(biāo)操作，應(yīng)當(dāng)保證以閉環(huán)控制法進(jìn)行動(dòng)作。設(shè)計(jì)ARM系統(tǒng)時(shí)，要注意反饋電路設(shè)計(jì)[16-21]。本課題選擇EE-SH3系光電傳感器安裝在十字滑臺(tái)位置方案，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)反饋。透過型光電傳感器則為EE-SH3系，可以感應(yīng)金屬，能夠起到十字滑臺(tái)X、Y向電機(jī)限位及定位作用。當(dāng)發(fā)光二極管與光敏三極管之間處于開放狀態(tài)時(shí)，將導(dǎo)通光敏三極管。光敏三極管、發(fā)光二級(jí)管在機(jī)械結(jié)構(gòu)位置處于特定情況時(shí)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(jī)械動(dòng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

控制電路中最重要的一部分就是通過脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的速度，搭配方向信號(hào)端和使能信號(hào)端，就能實(shí)現(xiàn)試管貼標(biāo)機(jī)的機(jī)械動(dòng)作。試管貼標(biāo)機(jī)是精密的理療設(shè)備，對(duì)動(dòng)作的精度很高，需要多個(gè)動(dòng)作協(xié)調(diào)配合完成。在機(jī)械自動(dòng)貼標(biāo)方面，由步進(jìn)電機(jī)完成控制，實(shí)現(xiàn)定位的精準(zhǔn)化。此次選擇東芝企業(yè)的TB6560芯片作為ARM系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)核心，具有高集成、低耗能的特點(diǎn)。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(hù)；設(shè)置溫度保護(hù)裝置，在超過150 ℃溫度時(shí)，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(qū)動(dòng)內(nèi)置。圖9展示了此次設(shè)計(jì)的TB6560步進(jìn)電機(jī)電路結(jié)構(gòu)，共有3個(gè)主要電路結(jié)構(gòu)，即自動(dòng)半流、信號(hào)隔離、主電路。

圖9 步進(jìn)電機(jī)控制電路圖

在控制時(shí)，會(huì)發(fā)出CLK、CW、EN信號(hào)，各信號(hào)代表不同的動(dòng)作命令。例如，若要實(shí)現(xiàn)使能控制，則對(duì)EN端信號(hào)使能；若要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，則對(duì)CW信號(hào)端置0或1；若要進(jìn)行速度、轉(zhuǎn)角控制，則對(duì)CLK信號(hào)端發(fā)脈沖數(shù)。信號(hào)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(hào)；第二，保護(hù)接口板電路，降低電機(jī)干擾度。不同速度光耦隔離信號(hào)類型有差異。如中高速光耦對(duì)應(yīng)CLK、CW信號(hào)，這樣不僅能夠信號(hào)耦合，也可阻止畸變、滯后現(xiàn)象的發(fā)生，使脈沖頻率、驅(qū)動(dòng)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(hào)傳速；CW、EN信號(hào)的隔離由4N35、817C普通光耦完成(1片)。

VMA、VMB為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)在高頻范圍轉(zhuǎn)矩的輸出。電機(jī)2相輸出接口包括OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM，接兩相四線制步進(jìn)電機(jī)的A+、A-、B+、B-。電機(jī)A、B相電流極大值可按照IOUT(A)=0.5(V)/RNF(Ω)式計(jì)算，定義引腳有NFA、NFB，接三組電阻調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，為了使電機(jī)能夠在不同的工作要求下發(fā)揮最大輸出能力，同時(shí)保證電機(jī)在正常的溫升范圍內(nèi)工作。

在設(shè)計(jì)VDD為5 V的邏輯控制電路時(shí)，應(yīng)接入旁路電容、去耦電容，以實(shí)現(xiàn)噪聲減少。過流保護(hù)、工作狀態(tài)顯示燈分別是PROTECT、MO；芯片復(fù)位腳是RESET，低電平有效；斬波器頻率與RESET電容值密切相關(guān)，以100～1 000 pF、且取400 Hz～44 kHz頻率為佳。利用M1、M2，能夠?qū)崿F(xiàn)1/2、1/8、1/16、整部等細(xì)分類型，是“細(xì)分設(shè)置”引腳。在低頻狀態(tài)下，步進(jìn)電機(jī)劇烈振動(dòng)，制造高分貝噪音，應(yīng)當(dāng)通過細(xì)分調(diào)節(jié)避免。在貼標(biāo)情況下，電機(jī)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(shè)定M1、M2為0、0的整步狀態(tài)。

在細(xì)分之后，步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部動(dòng)作將會(huì)出現(xiàn)微小的變化。首先，直接調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組電流；其次，影響合成磁場(chǎng)，得到圓形旋轉(zhuǎn)的均勻磁場(chǎng)；第三，步距角實(shí)現(xiàn)細(xì)分。若條件正常，那么旋轉(zhuǎn)力矩幅值直接同合成磁場(chǎng)矢量大小有關(guān)；步距角值同相鄰合成磁場(chǎng)矢量夾角有關(guān)。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(jìn)電機(jī)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(guān)。而直接通過DCY1、DCY2的設(shè)置是能夠?qū)υ肼暦重愡M(jìn)行調(diào)控的。在總結(jié)42電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，模式選定為0%不衰減。

長(zhǎng)時(shí)間的電機(jī)運(yùn)行會(huì)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(yùn)行期間確定為0電流狀態(tài)，這對(duì)電機(jī)降溫有幫助。根據(jù)前文得知，輸出電流的最大值由NFA、NFB設(shè)置，輸出電流的比例設(shè)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(duì)驅(qū)動(dòng)電流值進(jìn)行調(diào)節(jié)后，輸出扭矩會(huì)隨之而變。以74CH123芯片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)半流電路的設(shè)計(jì)，使電流保持單穩(wěn)態(tài)，并能夠重復(fù)觸發(fā)。觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路時(shí)，由CLK實(shí)現(xiàn)。TQ2引腳同該類型電路反向傳輸相連之后，TQ2將在驅(qū)動(dòng)脈沖消失時(shí)電平為高，保持時(shí)電路為低。單穩(wěn)態(tài)電路在反向輸出時(shí)接TQ2引腳，TQ2保持低電平對(duì)應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)持續(xù)發(fā)脈沖，高電平對(duì)應(yīng)無(wú)驅(qū)動(dòng)脈沖。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

4.1 主控程序設(shè)計(jì)

ARM的程序采用分層化結(jié)構(gòu)，最底層為各個(gè)動(dòng)作元件的獨(dú)立動(dòng)作，中層是初始化、取料、移料、放料、旋轉(zhuǎn)貼標(biāo)、出料的機(jī)械結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)幼?，上層是正向和反向的整體流程。這樣就實(shí)現(xiàn)了分層可控原則，再加入MODBUS通訊程序，根據(jù)設(shè)定好的報(bào)文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，可與上位機(jī)進(jìn)行控制命令和故障的信息交互，方便上位機(jī)對(duì)ARM控制的各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試和實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖10所示。同時(shí)，上位機(jī)從LIS系統(tǒng)獲得的病人化驗(yàn)信息傳遞給ARM，生成對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)試管貼標(biāo)機(jī)的聯(lián)網(wǎng)功能。

圖10 ARM程序拓?fù)鋱D

下位機(jī)程序剛開始需要光感、限位配合各個(gè)機(jī)械部分進(jìn)行復(fù)位初始化，定位后根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的病人檢驗(yàn)信息選擇對(duì)應(yīng)的試管進(jìn)行貼標(biāo)。每次在抓取試管前，ARM通過光感檢測(cè)對(duì)應(yīng)試管倉(cāng)是否有料，無(wú)料則向上位機(jī)發(fā)送帶有故障號(hào)的報(bào)文并等待加料。十字滑臺(tái)將試管送到旋轉(zhuǎn)貼標(biāo)機(jī)構(gòu)后，是否需要復(fù)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(zhuǎn)貼標(biāo)上方位置為基準(zhǔn)，進(jìn)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(gè)病人，如圖11所示。這樣避免了每次都回到初始位置而浪費(fèi)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了貼標(biāo)機(jī)智能化抓取過程，提高了整體工作效率。

檢測(cè)試管貼標(biāo)機(jī)的故障，采用在程序內(nèi)部加入動(dòng)作定時(shí)，即每個(gè)步驟完成的時(shí)間與正常工作完成的時(shí)間進(jìn)行比較，超過加入裕度的正常時(shí)間時(shí)，試管貼標(biāo)機(jī)停止工作并上報(bào)對(duì)應(yīng)動(dòng)作故障的報(bào)文，使每個(gè)動(dòng)作環(huán)節(jié)在程序上進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞。

由于十字滑臺(tái)動(dòng)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(jī)從故障光感反向的正常光感位置，工作設(shè)定的最長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)距離脈沖數(shù)，達(dá)到需要更換光感的準(zhǔn)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(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)

由于采用了TB6560芯片作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，ARM程序只需要對(duì)脈沖CLK、方向CW、使能EN控制和多個(gè)步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作，就能讓機(jī)械結(jié)構(gòu)按照程序流程動(dòng)作，簡(jiǎn)化了編程環(huán)節(jié)。I/O口的高低電平切換配合延時(shí)，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(jī)工作方向時(shí)，只要改變CW引腳的值，就能使勵(lì)磁繞組上的脈沖信號(hào)改變換相順序邏輯。步進(jìn)脈沖是通過軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)所需的速度和移動(dòng)距離設(shè)定各個(gè)電機(jī)的脈沖數(shù)，步進(jìn)脈沖頻率、速度的計(jì)算公式為

(1)

(2)

5 樣機(jī)試驗(yàn)

在自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)過程中，采用醫(yī)院常用的直徑Φ12 mm～Φ13 mm、長(zhǎng)度50～100 mm規(guī)格真空采血試管，能夠兼容現(xiàn)有檢驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)簽內(nèi)容，兼容條碼格式有Code39、Code128、EAN128、EAN8/13、Codabar、Int2/5、UPCA/E，試管倉(cāng)存放8種試管，每倉(cāng)30支，整機(jī)容量240支。整體流程速度可以達(dá)到小于4 s/支。整機(jī)外形尺寸為600 mm×580 mm×580 mm(長(zhǎng)×寬×高)，體積較小，便于放置在化驗(yàn)室。貼標(biāo)位置錯(cuò)誤率和整體系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤率均低于1‰。

為了更直觀地看到自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)的工作效率，采用100個(gè)試管手工和機(jī)器對(duì)比，從掃描器掃描病人信息開始計(jì)時(shí)，手工過程包括點(diǎn)擊打印機(jī)工作按鈕和貼標(biāo)簽2個(gè)步驟，而試管貼標(biāo)機(jī)根據(jù)接收到的報(bào)文組織標(biāo)簽內(nèi)容并控制相關(guān)結(jié)構(gòu)工作。結(jié)果如表1所示。

表1 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)整體結(jié)構(gòu)合理，能實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確貼標(biāo)，且自動(dòng)化程度高，可流水線模式工作，操作方便，所貼標(biāo)簽工整、美觀、衛(wèi)生。

6 結(jié)論

全自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)擁有獨(dú)創(chuàng)的5部一體機(jī)械結(jié)構(gòu)，配合合理可靠的排布，既保證了組合動(dòng)作路徑的高效性，又減小了整體的體積。簡(jiǎn)單易操作的上位機(jī)管理軟件，能夠準(zhǔn)確采集LIS系統(tǒng)的患者信息，取代了手動(dòng)查詢的時(shí)間，也避免了因選擇化驗(yàn)信息錯(cuò)誤導(dǎo)致的醫(yī)療事故。以ARM為控制核心配合穩(wěn)定的步進(jìn)電機(jī)控制電路和傳感器的硬件策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整體動(dòng)作單元的閉環(huán)控制和并行控制，保證每一個(gè)動(dòng)作的可靠高效。運(yùn)行路徑優(yōu)化算法及自檢程序，能夠快速可靠地實(shí)現(xiàn)試管貼標(biāo)動(dòng)作，再通過MODBUS通訊協(xié)議，實(shí)時(shí)反饋運(yùn)行狀況及故障情況，達(dá)到快速排除故障、減少病人等待時(shí)間的要求?？煽康臋C(jī)械結(jié)構(gòu)搭配優(yōu)化的控制邏輯，使標(biāo)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(cuò)誤問題和衛(wèi)生問題。聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的信息實(shí)時(shí)共享也必將是今后現(xiàn)代化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，而醫(yī)院的各個(gè)設(shè)備通過LIS系統(tǒng)間接實(shí)現(xiàn)了一體化連接，也給自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)更多的發(fā)展前景。