樣本架轉向搬運裝置的研究與應用

牛杰，姜宗品（通信作者），牛文明，趙鵬，王超

安圖實驗儀器（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，健康體檢市場的規模也日益擴大。臨床中多種疾病需定期進行體外診斷，直接拉動體外診斷業務的發展[1]。目前，醫用多臺分析儀器并機的小流水線或實驗室生化、免疫等儀器對接時，樣本架輸送方向與儀器檢測時不一致，常需要樣本架旋轉搬運裝置輔助調整。樣本架旋轉搬運裝置用于全自動化體外診斷裝置的并機，當于流水線或實驗室生化、免疫、尿儀等儀器對接時，采用旋轉搬運機構可在任意角度調節，可同時兼容儀器對接時多種角度轉換接口連接，解決了多臺分析儀器的并機對接問題[2-4]。由于體外診斷設備存在多樣性、差異性和復雜性，故對樣本架旋轉搬運裝置的設計提出了更高要求?，F有旋轉搬運裝置結構復雜，無法兼容軌道間狹小場合使用，且僅匹配固定單一規格的儀器，工作效率及設備故障率均較低[5-6]。因此，本研究設計了一款樣本架旋轉搬運裝置，以期解決上述問題。

1 樣本架轉向搬運裝置設計

1.1 工作原理

樣本架的轉向搬運裝置由樣本架搬運機構及轉向機構組成。主要采用步進電機直連聯軸器旋轉原理、凸輪傳動原理、連桿傳動原理和光傳感器位置判斷等原理，實現樣本架的轉向和搬運。其中，樣本架搬運機構位于轉向機構上方，當樣本架轉向機構轉向時，將同時帶動樣本搬運機構一同旋轉。其中，樣本架搬運機構主要實現對樣本架的勾取與放置；樣本架轉向機構實現不同對接儀器間的轉向。當樣本架到位后，樣本架搬運機構勾取樣本架并抬高離開軌道，再由轉向機構通過旋轉將樣本架轉移至需求位置的軌道上，然后由搬運機構完成對樣本架的放置，從而實現樣本架轉向及取放功能，如圖1 所示。

圖1 樣本架轉向搬運裝置

1.2 硬件材料與組裝

1.2.1 樣本架搬運機構

樣本架搬運機構的組件主要為機加件，材質為A6061 鋁合金，其中勾手為2.0 鈑金件，材質為SUS304 不銹鋼，組裝連接固定件優先采用內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六角頂絲，材質同樣為SUS304 不銹鋼。樣本架搬運機構如圖2所示，主要由護板、傳感器1、傳感器2、橫向滑軌、凸輪軸承、勾手、勾手轉接板、導向板、電機1、U 型塊、支撐板和傳感器3 組成。電機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 型塊及導向板進行滑動配合，導向板固定在支撐板上，勾手轉接板與凸輪軸承、橫向滑軌、縱向滑軌連接[7]。當電機1 帶動U 型塊轉動時，U 型塊帶動凸輪軸承在導向板槽內運動，勾手轉接板沿橫向滑軌、縱向滑軌水平或豎直運動，因勾手轉接板與凸輪軸承固定連接，勾手伴隨勾手轉接板固定連接，所以勾手可以完成在導向板槽內U 字形軌跡運動。護板固定滑軌、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 樣本架搬運機構

1.2.2 樣本架轉向機構

樣本架轉向機構如圖3 所示，由轉軸、軸承安裝板、傳感器4、橫撐板、電機2、固定板、聯軸器、感應片、限位銷、軸承蓋、定位銷和傳感器5 組成。橫撐板支撐整個機構，電機2 作為動力裝置帶動轉軸轉動，傳感器4 為旋轉前到位傳感器，傳感器5為旋轉后到位傳感器，由程序控制電機轉動的角度，實現轉動軸不同角度的旋轉。其中，樣本架搬運機構和樣本架轉向機構進行組裝時，樣本架轉向機構中的轉軸與樣本架搬運機構中的支撐板通過定位銷實現定位固定連接，定位銷同時保證轉軸與支撐板的安裝精度。

圖3 樣本架轉向機構

1.3 軟件邏輯設計

軟件邏輯設計作為本裝置的重要組成部分，側重于系統功能與模塊間的關系，展示了本裝置的功能實現和邏輯流程。樣本架轉向搬運裝置的功能需求如圖4 所示：樣本架起始位置為a，運行至b 位置后，再復位至a 位置。在此功能需求的基礎上，結合該裝置各模塊的具體情況，進行詳細的軟件邏輯設計如圖5 所示。樣本架轉向搬運裝置初始化運行后，當樣本架被傳送至a 位置時，轉向機構中電機2 帶動搬運機構旋轉，旋轉至感應片將傳感器4 觸發，傳感器4 識別勾手是否至a 對應位置，若是，則搬運機構中電機1 旋轉帶動勾手伸出將樣本架a 勾起至傳感器1 識別判斷；若否，則報警整機急停，需人工進行問題排查。當勾手觸發傳感器1，識別樣本架是否到位，若是，則電機2 帶動樣本架旋轉至傳感器5 識別b 位是否對位，若是，則樣本架搬運中電機1 旋轉帶動勾手伸出將樣本架a 勾起至傳感器3 識別判斷；若否，則報警整機急停，需人工進行問題排查。當勾手觸發傳感器3，識別樣本架是否到b 位，若是則電機2 帶動整體復位；若否，則報警整機急停，需人工進行問題排查。樣本架搬運機構由電機通過U 型塊旋轉帶動凸輪軸承，凸輪軸承帶動勾手轉接板，再由導向板及滑軌完成導向，從而實現勾手按導向板槽內形狀做上下或伸縮運動。樣本架搬運機構只用電機1 可實現勾手帶動樣本架完成伸縮及上下運動（U 字形軌跡運動），具有效率高，結構簡單、占用空間小等優點。同時，傳感器1 判斷勾手上是否有樣本，具有防呆報警功能，其中限位銷具有保護功能，防止元器件相互碰撞而損壞。

圖4 樣本架轉向搬運裝置工作路徑

圖5 樣本架轉向搬運裝置的應用

圖5 樣本架轉向搬運裝置的軟件邏輯設計

2 轉向機構參數設置

轉向機構作為樣本架轉向裝置的核心機構之一，由于該裝置中轉向設計要求較高，故障率及疲勞問題多。以轉向機構為例，進行運動力學分析，并確定相關電機2 參數。轉動慣量計算公式如（1）～（3）所示。

式中：JL為整體轉動慣量（kg·m2）；Ji1為負載轉動慣量（kg·m2）；Ji1為樣本架轉動慣量（kg·m2）；m1為負載質量（kg）；m2為樣本架質量（kg）；A1為負載縱向距離（mm）；B1為負載橫向距離（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為負載數量（個）；n2為樣本架數量（個）；設計中已知參數：A1=60，B1=75，A2=118，B2=20，e1=0，e2=0，n1=1，n2=1；從而得出整體轉動慣量JL=21.561×10-4；根據轉動慣量及設計需求，選擇電機2 參數如表1 所示，并校核慣性比及安全系數（慣量比1～30，安全系數大于2 為符合要求）。慣性比（β）根據整體轉動慣量JL及電機參數以公式（4）計算，可知β=11.55，滿足要求。安全系數計算公式如（5）～（9）所示。

表1 轉向機構電機2 參數選擇

式中：S為運行安全系數；TL1為運行時必要轉矩（N·m）；TL為運行時初始轉矩（N·m）；Ta為運行時加速轉矩（N·m）；f2為運行頻率（Hz）；f1為起動脈沖（Hz）；t0為移動時間（s）；t1為加減速時間（s）；A為移動脈沖數（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，從而得出運行安全系數S=8.7，滿足使用要求。

3 樣本架轉向搬運裝置的應用效果

樣本架轉向搬運裝置屬于全自動樣本處理系統中對接生化處理設備的重要單元模塊，已在重慶、江蘇、安徽、山東、河南和遼寧等地多家醫院應用。同時，該裝置可以與小流水線或實驗室生化、免疫、尿儀等儀器并機使用，當出現樣本架輸送方向與儀器檢測不一致時，可實現多軌道場景下的不同樣本架角度旋轉于對接。

3.1 已有裝置與本裝置參數比較

在相同測試環境下，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 型生化儀對接的轉臺裝置對比，分別從結構、兼容性、適用設備、效率、可靠性和空間尺寸多維度進行分析，已有裝置與現設計裝置具體對比參數如表2 所示。通過對比可知，現設計的裝置簡化了結構組成，提高了設備對接使用場景的兼容性及工作效率，增加了適用儀器規格的范圍，降低故障率及占位空間尺寸。

表2 已有裝置與現設計裝置對比

3.2 應用測試及并線疲勞測試

應用測試如圖5 所示，在室內溫度22.5～27.8 ℃、濕度21%～64%的環境下，將樣本架轉向搬運裝置通過與實驗室生化裝置并機，將主軌道上的樣本架搬運到對接的實驗室生化裝置的軌道上，由測試人員參照醫院樣本管使用規范、環境和頻率，進行樣本架轉向搬運測試，經過130 萬次，等效10 年疲勞測試。測試結果顯示，故障率＜1‰，滿足疲勞壽命10 年的測試要求。

4 結論

本研究設計的樣本架轉向搬運裝置通過結構布局、原理分析和工作流程設計，并重點針對轉向機構的運動力學進行分析，最后將其進行并機應用及疲勞測試。結果表明，該裝置可在任意角度調節、旋轉、移動，兼容儀器對接時多種角度轉換接口的連接，有效地解決了多臺分析儀器的并機對接問題。樣本架轉向搬運裝置的研制成功為全自動體外診斷設備多儀器串聯或并聯時的樣本轉運提供了新的解決方案。