樣本托緩存裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張帥，姜宗品（通信作者），趙鵬，王超

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

體外診斷是指在人體外通過對(duì)人體樣本（如血液、體液、組織等）進(jìn)行檢測而獲取臨床診斷的信息產(chǎn)品和服務(wù)[1]。目前，國外體外診斷企業(yè)基本具備診斷試劑和設(shè)備的生產(chǎn)能力，而國內(nèi)企業(yè)以生產(chǎn)試劑為主，同時(shí)具備高端診斷設(shè)備研發(fā)實(shí)力的企業(yè)較少[2-3]。 國內(nèi)體外診斷相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備功能相對(duì)薄弱，許多設(shè)備仍采用手動(dòng)提供樣本托的供給方式。人工供給樣本托費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低且無緩存。因此，如何提高樣本托的供給效率，增加自動(dòng)化緩存，是目前相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)研究的重點(diǎn)[4]。

1 樣本托緩存裝置的設(shè)計(jì)

樣本托緩存裝置用于實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化流水線中的樣本托供給，能夠?qū)崿F(xiàn)樣本托的高效供給，減少人工供給費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，同時(shí)保障樣本托的自動(dòng)化緩存。

1.1 樣本托緩存裝置的工作原理

樣本托緩存裝置主要由傳送帶緩存機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和自張緊機(jī)構(gòu)組成[5-7]。該裝置工作時(shí)，需設(shè)置樣本托緩存裝置的一端為入口，另一端為出口。由自張緊裝置提供皮帶動(dòng)力，相鄰皮帶傳輸方向相反，軌道采用同軸設(shè)計(jì)原理，水平方向1 個(gè)自張緊裝置可帶動(dòng)2 條皮帶同時(shí)運(yùn)行[8-9]。垂直方向?yàn)閱为?dú)1 個(gè)自張緊裝置，其中樣本托緩存裝置傳送帶緩存裝置至少為2 個(gè)，且平行設(shè)置，由自張緊裝置提供皮帶動(dòng)力，相鄰傳送帶緩存裝置的傳送方向相反。轉(zhuǎn)向裝置用于自動(dòng)傳輸樣本托。如圖1 所示，樣本托依次通過入口進(jìn)入樣本托緩存裝置，通過傳送帶緩存裝置輸送樣本托，當(dāng)樣本托運(yùn)行至傳送帶緩存裝置的末端時(shí)，通過導(dǎo)向片轉(zhuǎn)向進(jìn)入下1 個(gè)傳送帶緩存裝置。此時(shí)樣本托在運(yùn)行至軌道末端時(shí)，需通過轉(zhuǎn)向裝置運(yùn)行至下1 個(gè)傳送帶緩存裝置并進(jìn)行輸送，直至樣本托到達(dá)樣本托緩存裝置的出口緩存。

圖1 樣本托緩存裝置

1.2 硬件材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 傳送帶緩存機(jī)構(gòu)

傳送帶緩存機(jī)構(gòu)組件主要為型材機(jī)加件，材質(zhì)選用型號(hào)為A6061 的鋁合金。導(dǎo)向片為2.0 鈑金件，材質(zhì)選用型號(hào)為A6061 的鋁合金。同步帶為聚氨酯材料。裝配使用的固定連接件優(yōu)先選用型號(hào)為SUS304 的不銹鋼材質(zhì)。

如圖2 所示，傳送帶緩存機(jī)構(gòu)主要由傳送帶1、第一導(dǎo)軌、傳輸帶2、第二導(dǎo)軌、導(dǎo)向片1、導(dǎo)向片2、傳送帶3、第三導(dǎo)軌、導(dǎo)向片3、傳送帶4、第四導(dǎo)軌、傳送帶5、第五導(dǎo)軌組成。第一、二、三、四導(dǎo)軌作為支撐組件水平并排安裝，導(dǎo)軌兩端需安裝同步輪及軸承組裝，用于連接傳送帶，第五導(dǎo)軌兩端安裝同步輪與連接傳送帶5 后，整體與水平傳送組件進(jìn)行拼接。導(dǎo)向片1、2、3 用于固定各零件，使其緊密貼合安裝，另可用于樣本托的換向傳送，傳送帶5 為垂直運(yùn)行，傳送帶1、2、3、4 為水平運(yùn)行。傳送帶1 與傳送帶3 運(yùn)行方向一致，傳送帶2 與傳送帶4 運(yùn)行方向一致。

圖2 傳送帶緩存機(jī)構(gòu)

1.2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

如圖3 所示，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向軸、聚氨酯同步輪、轉(zhuǎn)向固定板、同步輪1、同步輪2、同步帶、電機(jī)固定板、電機(jī)、電機(jī)張緊板組成。其標(biāo)準(zhǔn)件為：聚氨酯同步輪、同步帶、同步輪1、同步輪2 和電機(jī)。定制件中的機(jī)加件：轉(zhuǎn)向軸材質(zhì)為SUS304 不銹鋼。鈑金件：轉(zhuǎn)向固定板材質(zhì)為SUS304 不銹鋼。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向固定板支撐整個(gè)機(jī)構(gòu)，電機(jī)作為動(dòng)力裝置帶動(dòng)同步輪2、同步帶、同步輪1 運(yùn)行，同時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

1.2.3 自張緊機(jī)構(gòu)

如圖4 所示，自張緊機(jī)構(gòu)由電機(jī)、張緊調(diào)整板、安裝板、惰輪安裝板、皮帶、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、彈簧、滑軌安裝板、滑軌和惰輪組成。其中，標(biāo)準(zhǔn)件為：電機(jī)、皮帶、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、彈簧、滑軌和惰輪。定制件中的機(jī)加件（安裝板、惰輪安裝板和滑軌安裝板）材質(zhì)為A6063 鋁合金。鈑金件（張緊調(diào)整板）材質(zhì)為SUS304 不銹鋼板。自張緊機(jī)構(gòu)的安裝板支撐整個(gè)機(jī)構(gòu)，電機(jī)作為動(dòng)力裝置帶動(dòng)主動(dòng)輪，通過皮帶帶動(dòng)從動(dòng)帶輪運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)通過彈簧調(diào)整自身的自張緊。自張緊裝置采用集成化和模塊化設(shè)計(jì)，便于安裝和兼容多種規(guī)格導(dǎo)軌，如圖5 所示。

圖4 自張緊機(jī)構(gòu)

圖5 自張緊機(jī)構(gòu)應(yīng)用場景

1.3 軟件邏輯設(shè)計(jì)

樣本托緩存裝置的軟件邏輯工作流程，如圖6所示。樣本試管在進(jìn)入主軌道后，通過射頻識(shí)別裝置讀取樣本托底部的相關(guān)樣本數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)判斷是否需要進(jìn)行離心操作。若需進(jìn)行離心，樣本會(huì)自動(dòng)進(jìn)入離心機(jī)，樣本托隨后通過軌道傳輸?shù)綐颖就芯彺嫜b置區(qū)域，利用同步帶及轉(zhuǎn)向裝置依次傳輸進(jìn)入軌道內(nèi)，樣本完成離心后試管被放入樣本托，最后樣本托進(jìn)入出樣軌道。 其中，樣本托的緩存裝置可緩存100 個(gè)樣本托，同時(shí)實(shí)現(xiàn)緩存過程中樣本托不滯留、不卡頓的要求。

圖6 軟件邏輯設(shè)計(jì)工作流程

2 樣本托緩存裝置運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析

樣本托緩存裝置在樣本托傳輸過程中存在疲勞問題及故障率較多的現(xiàn)象，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的要求相對(duì)較高。現(xiàn)以驅(qū)動(dòng)裝置為例，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析，即主要通過轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算確定相關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)的參數(shù)。

2.3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

JL=（nJP+Jm）/ig；

JP=mpD/8；

Jm=mD/4；

式中，JL為總負(fù)載慣量（kg·m2）；JP為帶輪/滾筒慣量（kg·m2）；Jm為負(fù)載慣量（kg·m2）；n為帶輪/滾筒個(gè)數(shù)（個(gè)）；ig為減速比；m為負(fù)載重量（kg）；mp為帶輪/滾筒質(zhì)量（kg）；D為帶輪/滾筒直徑（mm）；

1 個(gè)樣本托質(zhì)量為60 g，1 條軌道可運(yùn)行25 個(gè)樣本托，4 條軌道共可運(yùn)行100 個(gè)樣本托（質(zhì)量共計(jì)為600 g），又因1 個(gè)電機(jī)可帶動(dòng)2 條軌道同時(shí)運(yùn)行，樣本托共為50 個(gè)，可計(jì)算負(fù)載重量m=3 kg。結(jié)合已知參數(shù)：D=20 mm、mp=0.02 kg、n=2、ig=1.25，可計(jì)算出JL=1.93 kg·m2。

2.3.2 電機(jī)參數(shù)的選擇及校核

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及設(shè)計(jì)需求，選擇電機(jī)參數(shù)見表1，并校核慣性比及安全系數(shù)。

表1 電機(jī)參數(shù)選擇

慣量比的公式為：

β=JL/i2J0

結(jié)合上述JL及i和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J0，可求出β=0.66，慣量比＜10 為合格，滿足要求。

安全系數(shù)的公式為：

S=Tm/T

T=Ta+TL；

Ta=2π（JL+J0）×N/60/t1/η

TL=FD/（2πηigηg）

N=60×λ×ig/[（t-t1）πD]

F=mgμcos0°

式中，T為轉(zhuǎn)矩（N·m）；Ta為加速轉(zhuǎn)矩（N·m）；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；N為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；t1為加速時(shí)間（s）；t為移動(dòng)時(shí)間（s）；ηg為效率；ig為減速比；η為帶輪/滾筒效率；μ為滑動(dòng)面摩擦系數(shù)；λ為移動(dòng)量（m）；F為摩擦推力（N）；

結(jié)合上述已知參數(shù)：帶輪/滾筒效率η=0.9、ig=1.25、ηg=0.9、μ=0.2、t1= 0.15 s、t=1 s、移動(dòng)量λ=110 mm，以及Tm=1.4 N·m，從而得出運(yùn)行安全系數(shù)S=16.299，滿足使用要求（S ≥2）。

3 樣本托緩存裝置的應(yīng)用

樣本托緩存裝置配套應(yīng)用于醫(yī)用實(shí)驗(yàn)室離心模塊，作為離心模塊的重要組成部分。目前樣本托的供應(yīng)多采用傳統(tǒng)方式（手動(dòng)或半自動(dòng)提供樣本托），樣本托供給不足，工作效率較低，無樣本托緩存。與本設(shè)計(jì)裝置對(duì)比見表2。

表2 傳統(tǒng)方式與本設(shè)計(jì)裝置對(duì)比

本研究設(shè)計(jì)的樣本托緩存裝置創(chuàng)新點(diǎn)如下：（1）可緩存。該裝置增加100 個(gè)樣本托緩存區(qū)，能夠保障樣本托及時(shí)有效地進(jìn)入緩存區(qū)等待；在滿足通量的情況下，當(dāng)樣本管完成離心后，樣本托可以盡快到達(dá)指定位置，樣本管無需等待。 （2）成本低。該裝置能夠全自動(dòng)供給樣本托，減少了傳統(tǒng)供給方式的時(shí)間成本、人工成本和管理成本。（3）效率高。該裝置單個(gè)樣本托響應(yīng)時(shí)間為0.36 s，傳統(tǒng)方式響應(yīng)時(shí)間為2～3 s，其效率提高82%～88 %，等效624 萬次疲勞壽命，可節(jié)省凈時(shí)間118～190 d。

經(jīng)應(yīng)用測試及并線疲勞測試結(jié)果顯示，樣本托可通過傳輸順利到達(dá)樣本托緩存裝置，并實(shí)現(xiàn)與模塊間的并機(jī)配合，等效10 年疲勞，624 萬次測試量，測試結(jié)果未出現(xiàn)問題，滿足疲勞測試要求（圖7）。

圖7 并機(jī)疲勞測試

4 總結(jié)

本研究設(shè)計(jì)的樣本托緩存裝置分別對(duì)傳送帶的緩存機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和自張緊機(jī)構(gòu)3 部分進(jìn)行硬件材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合軟件邏輯設(shè)計(jì)分析，構(gòu)建出整體結(jié)構(gòu)和布局。同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析，完成電機(jī)的選型與校核，為其提供理論基礎(chǔ)。經(jīng)應(yīng)用和疲勞測試，進(jìn)一步驗(yàn)證該裝置設(shè)計(jì)的可靠性。結(jié)果表明，該裝置作為體外診斷樣本托供給的初始環(huán)節(jié)，能夠替代傳統(tǒng)的人工或半自動(dòng)化供給方式，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效和大容量的緩存，為樣本托的供給和緩存場景提供了有利的參考。