醫用采血針細導管卷繞包裝關鍵功能研制

張斌才，周大威，劉木林，何笑筱，邵君華，潘 波，鄭 龍

（邁得醫療工業設備股份有限公司，浙江 臺州 317607）

醫療行業里，一次性醫用細導管被大量使用[1]。該管狀醫療用品在出廠前都需要將其纏繞包裝起來，使用時不需要再次消毒，只需拆開包裝就可以使用。

目前國內還沒有能實現細導管纏繞和包裝的自動化設備，其卷繞包裝都由工人手工完成[2-3]。手工操作容易附上病菌，往往要對工人進行嚴格的消毒，同時還要在無菌凈化車間內進行操作，需要消耗巨大的能源和生產空間[2]。另外由于細導管的尺寸較細，手工纏繞包裝的效率較低，因此亟需研發全自動細導管卷繞包裝設備。

1 設備的結構及工作原理

采血針細導管通常由靜脈針、細導管、針座、采血針幾部分組成，如圖1所示。采血針用于輸液管和真空采血管的連通，細導管是血液流通的通道，靜脈針用于穿刺靜脈。

圖1 采血針細導管實物

醫用耗材產品所使用的軟導管黏粘，導管壁薄，存在配件位置隨機、折管率高等問題，要將其以一定的位置和形狀進行包裝難度大[4]。本項目通過柔性定位、多級定向、恒線速度隨動、恒張力控制等技術，解決了軟管在全自動包裝時所需的形態固定、統一等問題，降低了耗材質量不穩定可能導致的藥物輸送不暢等風險。

1.1 采血針細導管整體架構

此醫用軟導管定型裝置包括機架、水平的導軌、卷繞機械爪、送管機械爪等，如圖2所示。卷繞機械爪和送管械爪分別能夠夾取目標軟導管的兩端并將軟導管拉直成與導軌相平行的直線狀，導軌上滑動連接有滑動架，機架和滑動架之間設有用于驅動該滑動架沿導軌往復滑動的第一驅動機構，滑動架連接有卷繞機械手，卷繞機械手的上端能夠夾取軟導管的一端并有定位靜脈針的作用，能夠通過旋轉驅動機構轉動將軟導管卷繞在該卷繞機械爪外側面上。本醫用軟導管定型裝置使卷繞機械爪和送管機械抓同步進行，通過彈簧浮動裝置減緩因卷繞速度變化引起的彈力波動，從而使得軟導管的張緊度處于適當狀態，能夠整齊地卷繞軟導管，獲得卷繞整齊的線圈[5]。

圖2 成品采血針細導管自動卷繞整體構架

圖3為成品采血針細導管自動卷繞定型裝置。以靜脈針手指夾為固定點，卷繞手指夾為外支撐，通過同步輪傳遞扭力，將導管層次分明地纏繞在繞管定型手指夾上。

圖3 成品采血針細導管自動卷繞定型裝置

因卷繞定型手指夾是非標準圓形，所以在卷繞時存在速度波動，影響卷繞定型效果。圖4為成品采血針細導管自動送管裝置。送管手指夾機械裝置在滑軌滑塊中有彈簧裝置，當卷繞速度加快時，導管張力會增大，此時牽引送管手指夾前移，彈簧壓縮；當卷繞速度減慢時，導管張力會減小，此時牽引送管手指夾后退，彈簧回彈；往復進行，從而降低卷繞的速度波動。

圖4 成品采血針細導管自動送管裝置

1.2 采血針細導管實施路徑

1.2.1 抓取部分

先用卷繞械爪和送管機械爪夾取軟導管的兩端將軟導管拉直，拉直后的軟導管一般和導軌相平行，卷繞機械手的上端先夾住軟導管的一端，同時限制住靜脈針，然后卷繞機械手的下端通過旋轉驅動機構轉動進行卷繞。在卷繞的過程中，第一驅動機構帶動滑動架沿導軌滑動，從而間接帶動送管機械爪沿導軌滑動，使得卷繞機械手卷繞的同時，送管機械爪往前移送。通過伺服匹配速度，加之送管機械爪裝有彈簧浮動裝置，減緩因卷繞速度變化引起的彈力波動，從而使得軟導管的張緊度處于適當狀態，能夠整齊地卷繞軟導管，獲得卷繞后整齊的線圈[6]。

在醫用軟導管定型裝置中，卷繞機械爪和送管機械爪成一定角度，送管機械爪要高于卷繞機械爪，使得卷繞后的線圈沿豎直方向依次排列，且采血針始終在靜脈針上方，大大提高卷繞的整齊度。

1.2.2 旋轉卷繞部分

在醫用軟導管定型裝置中，卷繞裝置包括固定套、轉軸、定型氣缸和夾緊氣缸，固定套沿豎直方向設置且其側部固定在機架上，轉軸沿豎直方向插接在固定套內且兩者沿轉軸的軸向定位，該轉軸能夠繞軸線相對固定套轉動且該轉軸的兩端分別伸出固定套的兩端面，夾緊氣缸固定在轉軸的上端部，夾緊氣缸上有一對夾緊塊，用于夾緊定位靜脈針。夾緊氣缸側面有定型氣缸，定型氣缸上裝有4根沿豎直方向設置的卷繞柱，卷繞柱相互平行且處于相同水平高度。固定套的作用是對轉軸進行軸向定位，轉軸在卷繞伺服的驅動下轉動，從而帶動卷繞柱轉動，這樣讓軟導管在卷繞柱上卷繞能夠起到更好的定型效果。

2 設備的結構及工作原理

2.1 控制系統整體設計

整臺設備的控制系統主要任務是輸液器包裝的運動控制、機械爪控制和定位控制。通過PLC（Programmable Logic Controller）控制導向伺服機構實現導管定位實時控制[6]。同時利用觸摸屏進行工作過程的監控及各種模式的切換和操作。整機控制方案如圖5所示。

圖5 控制系統方案圖

2.2 PLC控制系統

本設備整體控制系統以PLC為核心，完成氣缸、伺服電機的檢測控制、運動控制、封口和指示燈的控制，同時裝配Proface觸摸屏實現人機界面交互。核心的多級定向、柔性定位工藝通過多個磁性開關獲得導管的階段位移，同時配合點膠模塊實現同步有序的導管接口裝配。

整體控制系統以PLC為核心，選用了歐姆龍伺服驅動器、歐姆龍電機、Proface觸摸屏、正泰電器等硬件，電氣柜布局如圖6所示。

圖6 卷繞模塊電氣布局圖

整機控制程序較龐大，主要分為公共程序、卷繞伺服程序和包裝伺服程序等，能夠實現初始化運行、軟管自動夾持和位置控制、高頻加熱熔頭磨具溫度控制、故障處理等各項任務，PLC的輸出控制主要是通過輔助繼電器輔助實現的。

2.3 人機界面設計

本設備使用了Proface人機界面，通過與PLC的組態，能夠實現設備的運行監控及操作。根據設計的實用性原則，觸摸屏畫面以自動伸出畫面為主界面，有設定運行參數、位置參數和手動操作的按鈕窗口，能夠實現參數的設定以及手動操作等；并且根據設計的實用性原則，觸摸屏畫面還以生產畫面為主界面，下設運動參數、工藝設定、模具控制等子窗口，通過按鈕切換進入。主界面主要顯示設備實時工況，如圖7所示。

圖7 人機界面主界面

3 結論

本設備通過采用多級定向、柔性定位控制傳感器技術、卷繞恒線速度及恒張力同步控制系統技術，將產品卷繞成要求的外形，解決了軟管在全自動包裝時所需的形態固定，降低了耗材質量不穩定可能導致的藥物輸送不暢等風險。相比人工卷繞，解決了效率低下、卷繞形態不統一、折管率高等問題。