牛杰，姜宗品（通信作者），牛文明，趙鵬，王超

安圖實(shí)驗(yàn)儀器（鄭州）有限公司 （河南鄭州 450016）

近年來，隨著人們對于健康的重視程度不斷增加，健康體檢市場的規(guī)模也日益擴(kuò)大。臨床中多種疾病需定期進(jìn)行體外診斷，直接拉動體外診斷業(yè)務(wù)的發(fā)展[1]。目前，醫(yī)用多臺分析儀器并機(jī)的小流水線或?qū)嶒?yàn)室生化、免疫等儀器對接時(shí)，樣本架輸送方向與儀器檢測時(shí)不一致，常需要樣本架旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)裝置輔助調(diào)整。樣本架旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)裝置用于全自動化體外診斷裝置的并機(jī)，當(dāng)于流水線或?qū)嶒?yàn)室生化、免疫、尿儀等儀器對接時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)可在任意角度調(diào)節(jié)，可同時(shí)兼容儀器對接時(shí)多種角度轉(zhuǎn)換接口連接，解決了多臺分析儀器的并機(jī)對接問題[2-4]。由于體外診斷設(shè)備存在多樣性、差異性和復(fù)雜性，故對樣本架旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)提出了更高要求?，F(xiàn)有旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法兼容軌道間狹小場合使用，且僅匹配固定單一規(guī)格的儀器，工作效率及設(shè)備故障率均較低[5-6]。因此，本研究設(shè)計(jì)了一款樣本架旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)裝置，以期解決上述問題。

1 樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

樣本架的轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置由樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。主要采用步進(jìn)電機(jī)直連聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)原理、凸輪傳動原理、連桿傳動原理和光傳感器位置判斷等原理，實(shí)現(xiàn)樣本架的轉(zhuǎn)向和搬運(yùn)。其中，樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)位于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上方，當(dāng)樣本架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向時(shí)，將同時(shí)帶動樣本搬運(yùn)機(jī)構(gòu)一同旋轉(zhuǎn)。其中，樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)對樣本架的勾取與放置；樣本架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同對接儀器間的轉(zhuǎn)向。當(dāng)樣本架到位后，樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)勾取樣本架并抬高離開軌道，再由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)將樣本架轉(zhuǎn)移至需求位置的軌道上，然后由搬運(yùn)機(jī)構(gòu)完成對樣本架的放置，從而實(shí)現(xiàn)樣本架轉(zhuǎn)向及取放功能，如圖1 所示。

圖1 樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置

1.2 硬件材料與組裝

1.2.1 樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)

樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的組件主要為機(jī)加件，材質(zhì)為A6061 鋁合金，其中勾手為2.0 鈑金件，材質(zhì)為SUS304 不銹鋼，組裝連接固定件優(yōu)先采用內(nèi)六角圓柱頭不銹鋼螺釘，空間受限的采用十字頭扁圓頭螺釘或內(nèi)六角頂絲，材質(zhì)同樣為SUS304 不銹鋼。樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由護(hù)板、傳感器1、傳感器2、橫向滑軌、凸輪軸承、勾手、勾手轉(zhuǎn)接板、導(dǎo)向板、電機(jī)1、U 型塊、支撐板和傳感器3 組成。電機(jī)1 作為動力裝置固定在支撐板上并與U 型塊連接，凸輪軸承與U 型塊及導(dǎo)向板進(jìn)行滑動配合，導(dǎo)向板固定在支撐板上，勾手轉(zhuǎn)接板與凸輪軸承、橫向滑軌、縱向滑軌連接[7]。當(dāng)電機(jī)1 帶動U 型塊轉(zhuǎn)動時(shí)，U 型塊帶動凸輪軸承在導(dǎo)向板槽內(nèi)運(yùn)動，勾手轉(zhuǎn)接板沿橫向滑軌、縱向滑軌水平或豎直運(yùn)動，因勾手轉(zhuǎn)接板與凸輪軸承固定連接，勾手伴隨勾手轉(zhuǎn)接板固定連接，所以勾手可以完成在導(dǎo)向板槽內(nèi)U 字形軌跡運(yùn)動。護(hù)板固定滑軌、傳感器1、傳感器2 和傳感器3，其中傳感器1 感知勾手上是否有樣本架，傳感器2 和傳感器3 判斷抓手的位置[8-9]。

圖2 樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)

1.2.2 樣本架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

樣本架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖3 所示，由轉(zhuǎn)軸、軸承安裝板、傳感器4、橫撐板、電機(jī)2、固定板、聯(lián)軸器、感應(yīng)片、限位銷、軸承蓋、定位銷和傳感器5 組成。橫撐板支撐整個(gè)機(jī)構(gòu)，電機(jī)2 作為動力裝置帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，傳感器4 為旋轉(zhuǎn)前到位傳感器，傳感器5為旋轉(zhuǎn)后到位傳感器，由程序控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動軸不同角度的旋轉(zhuǎn)。其中，樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)和樣本架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行組裝時(shí)，樣本架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)軸與樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)中的支撐板通過定位銷實(shí)現(xiàn)定位固定連接，定位銷同時(shí)保證轉(zhuǎn)軸與支撐板的安裝精度。

圖3 樣本架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

1.3 軟件邏輯設(shè)計(jì)

軟件邏輯設(shè)計(jì)作為本裝置的重要組成部分，側(cè)重于系統(tǒng)功能與模塊間的關(guān)系，展示了本裝置的功能實(shí)現(xiàn)和邏輯流程。樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置的功能需求如圖4 所示：樣本架起始位置為a，運(yùn)行至b 位置后，再復(fù)位至a 位置。在此功能需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合該裝置各模塊的具體情況，進(jìn)行詳細(xì)的軟件邏輯設(shè)計(jì)如圖5 所示。樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置初始化運(yùn)行后，當(dāng)樣本架被傳送至a 位置時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中電機(jī)2 帶動搬運(yùn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至感應(yīng)片將傳感器4 觸發(fā)，傳感器4 識別勾手是否至a 對應(yīng)位置，若是，則搬運(yùn)機(jī)構(gòu)中電機(jī)1 旋轉(zhuǎn)帶動勾手伸出將樣本架a 勾起至傳感器1 識別判斷；若否，則報(bào)警整機(jī)急停，需人工進(jìn)行問題排查。當(dāng)勾手觸發(fā)傳感器1，識別樣本架是否到位，若是，則電機(jī)2 帶動樣本架旋轉(zhuǎn)至傳感器5 識別b 位是否對位，若是，則樣本架搬運(yùn)中電機(jī)1 旋轉(zhuǎn)帶動勾手伸出將樣本架a 勾起至傳感器3 識別判斷；若否，則報(bào)警整機(jī)急停，需人工進(jìn)行問題排查。當(dāng)勾手觸發(fā)傳感器3，識別樣本架是否到b 位，若是則電機(jī)2 帶動整體復(fù)位；若否，則報(bào)警整機(jī)急停，需人工進(jìn)行問題排查。樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)由電機(jī)通過U 型塊旋轉(zhuǎn)帶動凸輪軸承，凸輪軸承帶動勾手轉(zhuǎn)接板，再由導(dǎo)向板及滑軌完成導(dǎo)向，從而實(shí)現(xiàn)勾手按導(dǎo)向板槽內(nèi)形狀做上下或伸縮運(yùn)動。樣本架搬運(yùn)機(jī)構(gòu)只用電機(jī)1 可實(shí)現(xiàn)勾手帶動樣本架完成伸縮及上下運(yùn)動（U 字形軌跡運(yùn)動），具有效率高，結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，傳感器1 判斷勾手上是否有樣本，具有防呆報(bào)警功能，其中限位銷具有保護(hù)功能，防止元器件相互碰撞而損壞。

圖4 樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置工作路徑

圖5 樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置的應(yīng)用

圖5 樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置的軟件邏輯設(shè)計(jì)

2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作為樣本架轉(zhuǎn)向裝置的核心機(jī)構(gòu)之一，由于該裝置中轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)要求較高，故障率及疲勞問題多。以轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為例，進(jìn)行運(yùn)動力學(xué)分析，并確定相關(guān)電機(jī)2 參數(shù)。轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算公式如（1）～（3）所示。

式中：JL為整體轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；Ji1為負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；Ji1為樣本架轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；m1為負(fù)載質(zhì)量（kg）；m2為樣本架質(zhì)量（kg）；A1為負(fù)載縱向距離（mm）；B1為負(fù)載橫向距離（mm）；A2為樣本架縱向距離（mm）；B2為樣本架橫向距離（mm）；e1為負(fù)載離中心軸的距離（mm）；e2為樣本架離中心軸的距離（mm）；n1為負(fù)載數(shù)量（個(gè)）；n2為樣本架數(shù)量（個(gè)）；設(shè)計(jì)中已知參數(shù)：A1=60，B1=75，A2=118，B2=20，e1=0，e2=0，n1=1，n2=1；從而得出整體轉(zhuǎn)動慣量JL=21.561×10-4；根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量及設(shè)計(jì)需求，選擇電機(jī)2 參數(shù)如表1 所示，并校核慣性比及安全系數(shù)（慣量比1～30，安全系數(shù)大于2 為符合要求）。慣性比（β）根據(jù)整體轉(zhuǎn)動慣量JL及電機(jī)參數(shù)以公式（4）計(jì)算，可知β=11.55，滿足要求。安全系數(shù)計(jì)算公式如（5）～（9）所示。

表1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)電機(jī)2 參數(shù)選擇

式中：S為運(yùn)行安全系數(shù)；TL1為運(yùn)行時(shí)必要轉(zhuǎn)矩（N·m）；TL為運(yùn)行時(shí)初始轉(zhuǎn)矩（N·m）；Ta為運(yùn)行時(shí)加速轉(zhuǎn)矩（N·m）；f2為運(yùn)行頻率（Hz）；f1為起動脈沖（Hz）；t0為移動時(shí)間（s）；t1為加減速時(shí)間（s）；A為移動脈沖數(shù)（pulse）；L為移動量（°）；UL為單位移動量（deg/r）。

其中，已知L=180°，t0=1，t1=0.2，f1=0，UL=360，從而得出運(yùn)行安全系數(shù)S=8.7，滿足使用要求。

3 樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置的應(yīng)用效果

樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置屬于全自動樣本處理系統(tǒng)中對接生化處理設(shè)備的重要單元模塊，已在重慶、江蘇、安徽、山東、河南和遼寧等地多家醫(yī)院應(yīng)用。同時(shí)，該裝置可以與小流水線或?qū)嶒?yàn)室生化、免疫、尿儀等儀器并機(jī)使用，當(dāng)出現(xiàn)樣本架輸送方向與儀器檢測不一致時(shí)，可實(shí)現(xiàn)多軌道場景下的不同樣本架角度旋轉(zhuǎn)于對接。

3.1 已有裝置與本裝置參數(shù)比較

在相同測試環(huán)境下，將本裝置及已有裝置（安圖生物的Autolas A-1 型小流水線）均與ATBAFX8 型生化儀對接的轉(zhuǎn)臺裝置對比，分別從結(jié)構(gòu)、兼容性、適用設(shè)備、效率、可靠性和空間尺寸多維度進(jìn)行分析，已有裝置與現(xiàn)設(shè)計(jì)裝置具體對比參數(shù)如表2 所示。通過對比可知，現(xiàn)設(shè)計(jì)的裝置簡化了結(jié)構(gòu)組成，提高了設(shè)備對接使用場景的兼容性及工作效率，增加了適用儀器規(guī)格的范圍，降低故障率及占位空間尺寸。

表2 已有裝置與現(xiàn)設(shè)計(jì)裝置對比

3.2 應(yīng)用測試及并線疲勞測試

應(yīng)用測試如圖5 所示，在室內(nèi)溫度22.5～27.8 ℃、濕度21%～64%的環(huán)境下，將樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置通過與實(shí)驗(yàn)室生化裝置并機(jī)，將主軌道上的樣本架搬運(yùn)到對接的實(shí)驗(yàn)室生化裝置的軌道上，由測試人員參照醫(yī)院樣本管使用規(guī)范、環(huán)境和頻率，進(jìn)行樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)測試，經(jīng)過130 萬次，等效10 年疲勞測試。測試結(jié)果顯示，故障率＜1‰，滿足疲勞壽命10 年的測試要求。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置通過結(jié)構(gòu)布局、原理分析和工作流程設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)針對轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動力學(xué)進(jìn)行分析，最后將其進(jìn)行并機(jī)應(yīng)用及疲勞測試。結(jié)果表明，該裝置可在任意角度調(diào)節(jié)、旋轉(zhuǎn)、移動，兼容儀器對接時(shí)多種角度轉(zhuǎn)換接口的連接，有效地解決了多臺分析儀器的并機(jī)對接問題。樣本架轉(zhuǎn)向搬運(yùn)裝置的研制成功為全自動體外診斷設(shè)備多儀器串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)的樣本轉(zhuǎn)運(yùn)提供了新的解決方案。