全自動(dòng)智能取料試管貼標(biāo)機(jī)研制

鄭開(kāi)經(jīng)

摘 要：為解決現(xiàn)在醫(yī)院化驗(yàn)室采血試管使用手工貼標(biāo)簽方式效率低、易出錯(cuò)、不美觀問(wèn)題，研究了一種高效、貼標(biāo)精準(zhǔn)、出錯(cuò)率極低的全自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)。利用上位機(jī)和ARM聯(lián)合控制，通過(guò)連接醫(yī)院LIS系統(tǒng)，可以即時(shí)同步需要做檢查病人的信息，自動(dòng)選取打印內(nèi)容和化驗(yàn)的試管種類(lèi);通過(guò)ARM對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和打印時(shí)間的精準(zhǔn)控制，使每一個(gè)帶有病人信息的標(biāo)簽都可以平整地貼在Φ12mm試管指定位置上。設(shè)備從接收到貼標(biāo)命令到完成動(dòng)作出料只需4s/支，是手工速度的7倍以上。全自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)保證了貼標(biāo)內(nèi)容的準(zhǔn)確無(wú)誤，同時(shí)大大提高了貼標(biāo)工作效率。

關(guān)鍵詞：ARM;LIS;貼標(biāo)機(jī);試管;自動(dòng)化;步進(jìn)電機(jī);優(yōu)化算法

引言：

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[1]。現(xiàn)有的幾款自動(dòng)試管分揀與貼標(biāo)機(jī)無(wú)法滿足大眾日益提升的需求。本著實(shí)用性、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，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)[2]。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(guò)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。ARM將通過(guò)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)

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[3]。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。

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15W最大吸合力20N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(kāi)。

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。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(guò)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30mm×50mm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)由推拉式電磁鐵和試管托片組成，電磁鐵一端與托片相連接，實(shí)現(xiàn)托片的伸縮動(dòng)作。電磁鐵采用12V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(kāi)，試管可以憑自身重力下落到正下方的出料口。

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(guò)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

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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2所示。

圖2 ?系統(tǒng)框圖

4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(guò)程中，采用醫(yī)院常用的直徑Φ12mm～Φ13mm、長(zhǎng)度50～100mm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4s/支。整機(jī)外形尺寸為600mm×580mm×580mm（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(kāi)始計(jì)時(shí)，手工過(guò)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。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。

表1 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)：

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(xún)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。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(guò)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。

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