全自動生化進樣系統的設計

劉鎮武， 尚志武， 黃炎彬

(1.天津工業大學 天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387；2. 天津市一瑞生物工程有限公司，天津 300000)

全自動生化進樣系統的設計

劉鎮武1， 尚志武1， 黃炎彬2

(1.天津工業大學 天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387；2. 天津市一瑞生物工程有限公司，天津 300000)

醫療檢測過程中，傳統的人工檢測方法效率低、主觀誤差大、成本高.針對人工檢測的缺陷以及生化分析系統高精度、小型化的需求，自主研發了一種全自動生化進樣系統.該系統在機械結構上兼具移液和取退吸頭的功能，在控制方法上優化了執行機構的控制算法.首先，為滿足自動進樣系統的實際需求，設計了整個系統的結構和以STM32控制芯片為核心的控制系統；其次，通過論證步進電機的控制算法，決定采用S型曲線控制算法，并對其進行優化和實現，從而提高了系統的控制精度和速度；最后，為進一步提高系統的魯棒性，對試驗數據進行整理和分析，得到了系統的誤差補償曲線和校正方法.結果表明改進后的系統擁有更高的進樣精度，滿足了更廣泛的實際需求，對醫療器械的研發具有指導意義.

生化分析儀； 進樣系統； STM32； S型曲線； 誤差補償

隨著人們生活水平的提高，人們對健康的重視和疾病的預防程度也在增加.生化檢驗已經成為檢測和預防人類疾病的重要手段，其通過對病人的血液或尿液進行相關物質含量的檢測，準確快速地為醫師提供相應的病理指標，用以預防諸如乙肝、心肌梗死、HIV、SARS等危險病癥.

全自動微量移液系統作為全自動酶免分析儀前處理系統的重要功能模塊[1]，在加快反應速度、降低成本、增大實驗數量等方面具有十分重要的作用，一直以來都是全自動酶免分析儀的關鍵技術之一[2].而人工手動檢測已在效率、主觀誤差和成本控制上逐見弊端，如何實現高精度、多功能的自動進樣系統已成為新型生化分析儀的發展方向.并且多數生化分析儀都需要通過移液來完成相關的生化反應，為了避免反應液懸掛內壁影響下次反應，往往通過更換吸頭來進行不同的反應實驗，為此本文在手動移液器原理的基礎上，設計了全自動生化進樣系統，該系統不僅具有傳統的吸排功能而且兼具取退吸頭的功能；此外，還對步進電機的控制算法進行了論證和優化，并使用高速微控制芯片STM32作為整個控制系統的核心；最后，利用整個設備進行采樣實驗，分析誤差的來源并進行誤差補償，實現了真正意義上的高效和高精度.

1 進樣系統工作流程

全自動生化進樣系統采用基于Cortex-M3內核的STM32F103控制芯片作為系統的控制單元和數據處理的核心，并提供多個接口便于其他輔助器件的接入.為了提高可移植性，在結構設計和控制算法上都采用了模塊化設計，以便于完成不同的目標任務.整個進樣系統由機械結構和控制系統組成，結構上圍繞移液器展開設計，在保證密封性的前提下增加了取退吸頭的功能；控制系統中，通過檢測光電傳感器和微動開關的信號判斷所處的工作狀態，并控制步進電機旋轉實現吸排和取退吸頭功能，其中光電傳感器主要對目前的工作狀態進行反饋，限位開關則對系統的安全狀態和吸頭的存在狀態進行反饋.全自動生化進樣系統工作流程如圖1所示.

圖1 全自動生化進樣系統工作流程Fig.1 Working flow of automatic biochemical sampling system

2 進樣系統機械結構及其工作原理

進樣系統機械結構由進樣器、取退吸頭模塊和動力模塊組成，其整體結構如圖2所示.該系統主要實現了樣品的精確提取、移動、注入以及吸頭的取退等功能，其中動力模塊用來實現進樣系統自動化功能.由于該系統兼具取退吸頭功能，其在豎直方向上的行程較大，大行程的直線電機容易造成空間上的浪費，所以采用步進電機帶動絲杠副的方式實現豎直方向的移動.其中基板作為拓展板，可在基板上增加橫向滑軌實現移液系統的左右移動，從而實現多通道檢測.在基板上裝有光電開關，可檢測從提拉板伸出的觸片，從而檢測進樣針活塞桿的伸出長度，以此標定系統運行的工作狀態和初始化位置.在基板上側和下側安裝限位開關防止電機過沖或者控制失效等意外的出現.

1—進樣器腔體；2—V槽壓板；3—柱塞桿；4—提拉固定板；5—限位開關；6—同步輪；7—同步帶；8—步進電機；9—直線軸承；10—光軸；11—基座；12—密封板上；13—密封板下；14—移動板；15—吸頭安裝柱；16—退吸頭蓋；17—吸頭.圖2 全自動生化進樣系統機械結構示意圖Fig.2 Mechanical structure diagram of automatic biochimical sampling system

進樣系統的核心是進樣器，進樣器代替手持移液器的吸排腔體，其密封性能的好壞直接影響取樣精度.傳統進樣設備往往是自己加工一個柱塞泵，然后使用密封圈對腔體和柱塞進行密封，但是這種方案在實際應用中受到加工精度和可移植性的影響，往往不容易實現，所以本文進樣系統在進樣器結構上采用國內精密進樣器配合定制夾具的方案，實現進樣系統的吸排功能，這樣既保證了加工泵體的密封精度，也降低了生產成本.本次實驗采用的是上海高鴿工貿500 μL進樣器.

大部分國內的生化分析儀在檢測過程中需進行多次混合反應，為了避免殘留腔體內壁的余液影響反應，往往用移液吸頭吸排移液，并在反應結束后更換移液吸頭保證下次反應的可靠性，為此需在進樣器頭部安裝取吸頭和退吸頭的結構，并用O形密封圈密封，具體結構如圖3.

1—吸頭；2—安裝柱；3—退吸頭蓋；4—退吸頭內蓋；5—限位開關；6—O形密封圈；7—進樣器連接座；8—密封圈.圖3 進樣器頭部機構示意圖Fig.3 Schematic diagram of injector head mechanism

該進樣系統兼具自動取、退吸頭的功能，真正意義上實現了自動化.吸頭安裝柱與吸頭通過靜摩擦安裝，退吸頭頂蓋在吸頭被插上時會觸發限位開關并反饋開關量給MCU，表明吸頭已經取好.退吸頭時通過控制步進電機升降移動板，從而下壓退吸頭頂蓋將吸頭退去.在退吸頭頂蓋與移動板之間安放有壓縮彈簧，防止退吸頭頂蓋與移動板內壁接觸卡死.

3 控制系統設計

控制系統分為對吸排過程的控制和對取退吸頭過程的控制.其控制原理如下：工作開始時，進樣系統在豎直方向上移動，當吸頭限位開關有信號傳來時完成取吸頭動作；柱塞桿在步進電機的控制下尋找初始位置，然后通過設定的吸排量向上提拉柱塞桿完成吸液動作；柱塞桿向下推動越過光電開關1完成排液動作；回到初始化位置等待退吸頭命令，退吸頭板向下推動至吸頭限位開關無信號產生，完成退吸頭動作；回到初始化位置.進樣器的活塞拉桿行程作用示意圖如圖4所示，其中光電開關1處為初始化位置，也是吸排動作的原點，光電開關1至光電開關2的區間為吸排區間，光電開關1至下極限位區間是取退吸頭區間，所以在進樣器的1個提拉行程中就實現了全部功能.

圖4 控制系統的全行程功能示意圖Fig.4 Schematic diagram of full stroke function of the control system

控制系統采用STM32F103控制芯片[3]，其工作頻率為72 MHz，有豐富的增強I/O端口和8個16位定時器，其適用于很多場合：醫療生化檢測設備、工業精密儀器、可編程控制器、3D打印機和掃描儀等.為此將STM32應用在進樣系統中，不僅提高了控制精度和處理速度，也為整個生化分析系統的其他部件提供了更為方便高效的控制接口.

3.1 步進電機的控制

經測量，進樣器柱塞桿的提拉力也就是最大靜摩擦力為6～7 N，退吸頭的最大靜摩擦力為2～3 N，為減小安裝空間，選取絲杠直徑為10 mm、導程為2 mm的T型絲杠，柱塞桿的可用行程為60 mm，所以絲杠的長度選取75 mm.同步輪的減速比為2∶1，經計算啟動轉矩為0.028 N·m，選取17HS3001雙極性混合式步進電機，步距角為1.8°，額定電流為1.67 A，其最大轉矩達到0.370 N·m，其矩頻特性曲線如圖5.

圖5 步進電機矩頻特性曲線Fig.5 Frequency torque characteristic curve of stepping motor

步進電機是整個進樣系統的動力核心，其控制精度直接關系著整個進樣系統的吸排精度，所以整個控制系統是圍繞步進電機的控制和傳感器反饋信號的處理展開的.由于STM32控制器I/O端口輸出的高電壓為3.3 V，無法直接驅動步進電機，所以需要通過控制步進電機驅動器進行控制，其兼具細分功能，增強電機的運動平穩性，延長電機的使用壽命[4-5].

步進電機驅動器采用的DRV8825芯片可以驅動一個兩相四線的步進電機，輸入電壓為8～45 V，最大電流為1.7 A，通過PWM輸入來驅動.通過引腳的MODE0/MODE1/MODE2來配置從1到32的細分模式[6].其中STM32的PWM輸出連接STEP，ENBL連接使能端口，低電平有效，DIR連接方向端口，RESET為復位端口，低電平有效.DRV8825的電路連接圖如圖6所示.

圖6 DRV8825接線示意圖Fig.6 DRV8825 wiring diagram

3.2 加減速算法

由于進樣系統的吸排量和取退吸頭都是由步進電機來控制，所以步進電機起停轉速的算法十分重要，其關系著吸排精度和取退吸頭時的沖擊強度，對整個進樣系統的穩定性來說是至關重要的.

失步和過沖現象分別出現在步進電機啟動和停止的時候，其中：失步是由于同步力矩無法使轉子速度跟隨定子磁場的旋轉速度；在控制脈沖結束時，轉子在步進過程中獲得過多的能量，其平均速度會高于定子磁場的平均轉速，使得步進電機輸出轉矩偏大，產生了過沖現象.

為了消除失步和過沖現象，應在電機啟動和停止時實現加減速控制[7]，其實質是在速度變化過程中控制脈沖的發送頻率實現加減速.通常，加減速算法主要有梯形曲線、指數曲線和S型曲線[8].

1)梯形運行曲線.

對于梯形曲線來說，電機經歷勻加速、勻速、勻減速和停止四個過程.其特點是算法簡便、占用時少、響應快、效率高、實現方便[9].但在變速和勻速的轉折點不能平滑過渡，這將影響電機的運行效率和使用壽命，實際應用較少.

2)指數運行曲線.

作為數控系統中較常見的加減速模型，指數運行曲線是按指數規律變化，加速度變化規律函數與速度變化規律函數互為反函數.其克服了梯形運行曲線中速度不平穩的問題，運動精度得到了提高，但初始加速度大，容易引起機械部件的沖擊，在加減速的起點仍然存在加減速突變，限制了加速度的提高.

3)S型曲線.

S型曲線常用來控制加速度的突變現象.S型曲線并不是一種固定的算法，其可分為7個階段，加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段和減減速段[10]，其速度和加速度曲線如圖7所示.通過調整不同階段的參數得到不同性能的加減速特性，常見的S型曲線有拋物線型和三角函數型兩種，因此應用靈活.S型曲線的核心思想是讓加速度不發生突變[11]，其加減速平穩，柔性快速，是一種綜合性能比較好的加減速模型.因此本進樣系統的步進電機控制采用S型曲線控制.

圖7 S型曲線的速度和加速度曲線圖Fig.7 Velocity and acceleration curve of S type curve

其速度公式為

(1)

式(1)描述了步進電機整個的速度變化過程.

3.3 S型加減速曲線的優化與實現

為了提高步進電機運行的穩定性和高效性，此次使用標準的7個階段的S型曲線.由于曲線的算法中相關參數較多，直接實現較為復雜，所以選取插補法來實現加減速曲線，這樣不僅縮短了算法的代碼執行周期，也更容易通過改變相關參數的值實現不同的應用場合.為此需設定多個初始化參數：最高轉速vm、起跳速度v0、加加速和減加速過程中的插補周期ta、加速階段總時間t3和最大加速度am.根據上述算法流程可得到控制流程，如圖8所示.

圖8 S型曲線算法控制流程Fig.8 Control flow of S type curve algorithm

圖8僅為加速階段的控制流程，減速階段算法的基本框架和加速階段的相同，只是每次循環時速度v的賦值是v-a.為了保證勻加速階段的存在,所以應有ty>0，當ty<0時則說明很快加速到了最高速度vm，此時應適當減小t3或am.考慮電機控制的穩定性和高效性，整個加速時間范圍設定為t3<0.1 s，由于S型曲線的對稱性，加速和減速時間相同.

上述只是理論層面的算法轉化，實際在STM32的控制中是通過改變輸出PWM波的脈沖頻率來實現速度變化，所以時間t代表步進電機的步數，v代表的是脈沖頻率，a代表的是頻率的增加量.通常選取較大轉矩的時速作為S型曲線的最高轉速vm，由圖5可知步進電機在200 r/min時轉矩較高，所以vm=200 r/min，此時輸出脈沖為700 Hz，選取起跳速度v0=50 r/min，此時輸出脈沖為100 Hz，最大每步加速頻率am=40 Hz，總加速所需步數t3=25步，每步一插補，所以ta=1步.

每步的實際輸出脈沖頻率設為Vn，則整個加速過程的實際時間應為

(2)

4 控制系統軟件設計

通過對上述S型曲線算法的分析和優化，可將算法轉化為STM32控制步進電機轉速的對應函數，其輸入量為算法的初始化參數，輸出量為脈沖周期變化的PWM波，以此控制轉速.其中入口參數還是算法的入口參數，只不過實際的操作是對定時器的自動重裝載寄存器ARR、預分頻寄存器PSC以及捕獲比較寄存器CCR進行控制，其中ARR和PSC控制PWM波的脈沖周期，CCR控制PWM波的占空比.

參照圖4，系統的吸排過程分為吸液和排液，為了防止排液時液體在吸嘴口被空氣阻礙無法完全排出，在排液過程中往往比吸液過程多設定一些進給量.其中吸液過程是通過控制步進電機轉數實現精確控制，排液則是將光電開關中斷作為停止信號.吸液階段在獲得進樣體積后經過函數處理得到步進電機所需轉數，然后進入步進電機轉速控制函數，當走完指定轉數后停止，其中包括了加速、勻速和減速階段.在排液過程中，步進電機反轉然后進入加速、勻速函數直至接收到光電開關產生的中斷信號后進入減速函數，也即排液階段比吸液階段多了1個電機減速過程的角度，即45°，反映在排液量上是1.05 μL，對于高進度設備來說已經足夠完全排盡吸頭內液體.具體流程圖如圖9(a)所示.

圖9 吸液和取退吸頭控制流程圖Fig.9 Control flow chart of taking the liquid and taking or withdrawing suction head

取退吸頭的過程因為不需要量化的控制，所以只需控制步進電機的正反轉，并不斷地檢測限位開關的信號，判斷是否有吸頭的存在，當無吸頭時步進電機反轉回到初始化位置.具體流程圖如圖9(b)所示.

5 誤差分析與補償

在過去幾十年中，國內外學者提出了很多方法用于吸液過程問題判定[12].參照Michael Kaplit[13]對吸液過程壓力曲線的線性回歸分析以及Masaaki Takeda等人[14]對堵針問題的分類和分析，對實驗環境進行了重新排查和解決.為了檢驗本系統的吸排精度、控制精度以及誤差存在的原因，通過編碼器對步進電機進行實時的轉數反饋.其中編碼器選取歐姆龍編碼器E6B2-CWZ6C，由于編碼器輸出的是脈沖量，經過STM32的輸入捕獲后計算單位時間內接收的脈沖數，經過換算得到實際轉角大小，將換算后的結果通過串口傳輸給上位機，便可得到實際的轉速和轉數.而這些數據可以用來計算梯形絲杠之前的機構傳動誤差和步進電機控制誤差.這些數據將在圖10中用絲杠實際吸液量來表示.

圖10 補償前理論吸液量與實際吸液量的比較Fig.10 Comparison of the theoretical imbibition value and the actual imbibition value before compensation

對于實際進樣器吸液量的實驗，以20 μL容量作為最大吸排量進行滴定實驗，國內目前沒有專門針對數字可調移液器的校準方法[15]，參照國外的 ISO 8655-6[16]，允許誤差如表1所示.

表1 檢定規程誤差允許表

其中規定的檢定點為5,10,20 μL，容量允許誤差為檢驗合格的標準，并且數據的重復率也須在規定范圍內，故此整個實驗方法取樣數據需按照ISO 8655-6的標準進行，這樣也為實驗的準確性提供了保證.具體實驗細節如下：

電機控制：為更好控制實驗精度和可靠性，步進電機的控制過程采用1/8微步模式，使用上文介紹的S型曲線步進電機控制算法.

檢定點所需理論脈沖數：5 μL處為960；10 μL處為1 920；20 μL處為3 840.

測量介質：去離子水.

測量設備：0.01 mg的電子天平，用于質量測定.

測量范圍：對包括檢定點在內的10個測量點進行符合規程的測量，每個脈沖值根據ISO 8655-6的操作規程測定10組有效數據，然后取平均值作為該脈沖值的最終實驗數據.

實驗數據通過圖10表示，該圖主要反映了整個系統的吸液誤差和絲杠之前的機構傳動誤差之間的關系，通過對比這2種誤差大小關系分析主要誤差來源，并提出解決辦法.

通過圖10我們可發現：1)總誤差遠大于步進電機控制誤差和進樣器的制造誤差;2)誤差隨吸排量的增大而減小，說明是靜態誤差;3)從電機到絲桿副的過程存在一定的機械誤差;4)進樣器存在一定累積誤差，并且誤差值存在跳動現象;5)機械誤差和控制誤差在總誤差中的比重較大.

通過對上述結論的分析，可以得出：整個系統存在系統誤差和隨機誤差，并且系統誤差遠大于隨機誤差.其中：傳動環節的誤差主要為結構件的制造精度誤差和安裝誤差，諸如同步帶多邊形效應和偏心引起的傳動誤差，滾珠絲杠副的制造誤差；進樣器的誤差主要來自本身的制造誤差(允許范圍內)和空氣壓縮性的影響，在吸頭內的空氣具有拉伸性[17]，在氣液置換時同樣的氣體并不能置換相同體積的液體.

通過對誤差的分析可知，在機械結構上可更換精度更高的傳動部件來減小傳動誤差，在控制端可以轉換步進電機細分模式來控制最小吸排單位，同時可繼續優化控制算法來實現更為精細的控制，還可以采用線性補償的方式對吸排環節進行誤差補償[18].對實驗中實際吸液量與脈沖數進行最小二乘法線性擬合，可得到擬合直線方程y=0.005x-0.097 9.對擬合函數求反函數即可得到實驗的補償函數y=200x+19.58.

在補償后的新實驗中，將補償函數轉化為代碼錄入STM32控制程序中，新函數的輸入量應為所需吸取的液體體積，輸出量應為補償后的總脈沖數.在控制函數之前加補償函數，補償后的值作為步進電機控制的輸入量執行轉動控制，結合之前的控制算法后再次進行吸排實驗.

具體實驗方法和步驟與之前相同，實驗結果如圖11所示，在這里略去了絲杠實際吸液量，因為絲桿實際吸液量在數據上的顯示和之前的數據無異，而補償曲線實際上是將此部分誤差進行了算法上的補償，實際結果表明補償函數明顯降低了系統誤差.

圖11 補償后理論吸液量與實際吸液量的比較Fig.11 Comparison of the theoretical imbibition value and the actual imbibition value after compensation

6 結束語

本文針對自動生化進樣系統的需求設計了新型機械結構并論述了實現方法.在控制系統上，為提高整個進樣系統的取樣精度，對步進電機的控制算法進行了分析和優化，對優化后的S型曲線控制算法給出了實現方法；對整個進樣系統進行誤差實驗，對實驗結果進行分析，得出誤差來源和解決辦法，經計算得到誤差補償函數，以此來進行控制端的輸入補償；最后對補償后的控制系統進行新的實驗驗證，發現補償后的精度得到了很大提高.在接下來的工作中，將會結合此進樣系統對全自動生化分析儀進行更為深入的研究，將核心算法進行拓展，設計更為便捷高效的生化控制系統.

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Design of full automatic biochemical sampling system

LIU Zhen-wu1， SHANG Zhi-wu1， HUANG Yan-bin2

(1.Tianjin Modern Electromechanical Equipment Technology Key Laboratory， Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387， China； 2.Tianjin Era Biology Engineering Co., Ltd.， Tianjin 300000, China)

In the process of medical examination, the traditional manual detection method has the characteristics of low efficiency, high subjective error and high cost. According to the defects of artificial detection and the requirements of biochemical analysis system with high precision and miniaturization, a full automatic biochemical sampling system was developed. In the mechanical structure, the system had the functions of moving the liquid and taking and withdrawing the suction head. In the control method, the actuator control algorithm was optimized. Firstly, the whole system structure was designed and the control system based on the STM32 control chip was completed to meet the actual needs of the automatic sampling system. Secondly, by demonstrating the stepper motor control algorithm, the S type curve control algorithm was used, and the algorithm was optimized and implemented, thus, the control accuracy and speed was improved. Finally, in order to further improve the robustness of the system, we collated and analyzed the experimental data, and got the system error compensation curve and the method of correction. The results show that the improved system has higher accuracy of sampling, meets the actual needs more extensively, and has guiding significance for the development of medical devices.

biochemical analyzer; sampling system; STM32; S type curve; error compensation

2016-04-14.

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天津市科技支撐計劃重點項目(16YFZCSY00860)．

劉鎮武(1990—)，男，河南洛陽人，碩士生，從事機械機構研究，E-mail:jikouji@126.com. http://orcid.org//0000-0002-0145-0690 通信聯系人：尚志武(1977—)，男，天津人，正高級工程師，從事智能診斷與動態測控、機電一體化技術、先進檢測技術等研究，E-mail:shangzhiwu@126.com.http://orcid.org//0000-0002-7310-0921

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.06.014

TP 29

A

1006-754X(2016)06-0612-08