一種取樣平臺三維運動控制模塊的設計

楊延麗，黃 震

(1. 廈門安防科技職業學院 福建廈門361026；2. 廈門大學 福建廈門361005)

0 引 言

隨著我國醫療水平不斷提高，對于全自動化的醫療設備需求量越來越大，同時對全自動設備的自動化程度、精度穩定性等指標的要求也越來越高，對于醫療設備的研制來說，如何將手工設備和半自動設備升級成穩定可靠的全自動化設備，是非常重要的問題。全自動化的醫療儀器往往需要在一個操作平臺上完成各種動作，如吸取血清樣本、吸取反應試劑、向反應杯中加入微量液體等，這些動作都需要使用全自動化的運動控制器來完成，再結合相應的控制軟件和人機界面軟件等。依據醫療儀器檢驗項目的檢驗方法和原理，完成復雜的醫療檢驗過程，能大幅度提高醫療檢驗的通量、精度、重復性等指標，降低檢驗成本。

本文介紹了一種用于醫療儀器取樣平臺的三維運動控制模塊的設計，該模塊已經在全自動化醫療儀器上進行了批量的生產并投入醫院使用，從總體運行情況和大量的測試數據來看，該運動控制模塊運行穩定，可靠性高。

1 取樣平臺三維運動控制模塊機械結構設計

在儀器的操作平臺上，設計三維運動控制進行定位的機械機構，即 X、Y、Z三軸運動機械臂，X、Y、Z三軸的電機，三軸電機驅動器，嵌入式運動控制卡共同組成本模塊的大三維運動控制系統。

在機械運動機構設計上，每軸均采用了“步進電機＋直線導軌”的方式進行直線運動，各軸根據負載大小的不同采用不同的電機型號和導軌型號。步進電機是一種可以開環使用的數字傳動裝置，具有快速啟動、停止，轉速與輸入時鐘頻率成正比，能實現精確定位以及直接接受數字量等特點[1]。本模塊采用的CPC滾珠靜音直線導軌可以進行平穩的運動導引，能達到很高的定位精度。

Y軸導軌安裝在儀器平臺左右兩側的金屬固定板上，為了保證運行精度和平穩性，Y軸導軌左右各一個。Y軸電機固定在底板上，電機軸上裝入主動輪，與主動輪等高同線的另外一端固定從動輪，主動輪和從動輪通過同步帶連接，同步帶的兩個末端通過固定零件固定在直線導軌的滑塊上。通過左右兩個直線導軌保證Y軸運行的直線性。Y軸安裝完畢后，在左右兩個導軌的滑塊上固定X軸，大三維的 X軸就架在Y軸之上運行。為了保障X軸運行的平穩性和直線性，X軸仍然采用雙導軌設計。如圖 1所示，將電機和X軸固定座安裝在X軸固定板上，套入主動輪。從動輪固定座、X軸固定底板墊塊固定于X軸固定底板上，同樣采用同步帶連接主動輪和從動輪，同步帶末端固定在導軌的滑塊上。

圖1 X軸機械結構設計圖Fig.1 Mechanical structure of large-scale threedimensional X-axis motion

大三維的 Z軸負責帶動加樣針進行垂直運動，完成一系列動作。Z軸的直線運動機構仍然采用電機和直線導軌方式，Z軸下端固定在 X軸的一個導軌滑塊上，Z軸架在X軸的運動機構之上。

2 三維運動控制模塊硬件控制設計

對于大三維運動控制單元，要求速度快，動作精確，并且載重量大，因此本模塊采用了 PC作為運動控制中心，根據運動控制的方法、方式對三維機構多點、多曲線度地連續控制，可以達到非常高的速度和精度。系統每次運行，需要進行幾百上千次操作，傳動系統需要保證穩定性、精確性、可靠性。在三維運動中，目前大多使用光電開關與光柵板配合的方式，這樣無論在精確度、方便性和成本上都沒有優勢。本模塊針對機器的特點進行了改進，將光電開關、光柵板去除，只保留原點位置的一個位置檢測，并且保證每次都是同一方向的位置定位，這樣就提高了原點定位的準確度。通過軟件的控制設計，本模塊可以完成一系列復雜的自動化工作，由于 PC是整個醫療儀器系統的控制中心，有許多重要的通訊、控制、人機交互等工作需要處理，所以大三維運動控制采用專門的嵌入式運動控制卡，對 X、Y、Z三軸電機進行控制，結合加速、減速曲線控制，實現精確定位、平穩的啟動與停止。在長期運行時，會按環節即時復位，重新定位，以保證最大限度地減少誤差。使用運動控制卡來完成運動控制和計算，大大減輕了 PC上位機的工作量。另一方面整機的機械結構得到了很大的精簡。

根據以上的運動控制分析，設計了如下硬件控制方案：大三維的運動控制以上位機 PC為總控制中心，PC通過串口控制嵌入式運動控制卡，運動控制卡根據 PC指令完成各種運動控制的運算，控制 X、Y、Z三軸的電機驅動器，從而實現了上述復雜的運動控制[2]。硬件連接邏輯關系如圖2所示。

圖2 大三維運動控制硬件連接邏輯關系圖Fig.2 The circuit interconnection with logical function of large-scale three-dimensional motion control module

本模塊選用的集成化嵌入式運動控制卡EasySmc 5470，它使用高速ARM 32位處理器(主頻208,Hz)，配合 FPGA 實現三軸的運動控制。該控制卡提供了豐富的通訊控制命令，為上位機 PC對大三維的定位和運動控制提供了可靠的保障[3]。

X 軸電機驅動器 MD656的 EN-、DIR-、PLS-分別連接嵌入式運動控制卡的 X-FREE、X-DIR、X-CP引腳，這 3個功能引腳分別為脫機信號、方向控制、步進脈沖信號，X軸電機驅動器 MD656的 EN+、DIR+、PLS+全部接入嵌入式運動控制卡的 X-OPTP陽極公共端。X 軸電機驅動器 MD656的 A+、A-、B+、B- 4個引腳分別接入X軸兩相步進電機的A相和B相。X軸電機驅動器外接24,V DC電源。Y軸和Z軸電機、電機驅動器、運動控制卡之間的電路連接方式與X軸相同。

3 三維運動控制模塊控制軟件設計

運動控制模塊的軟件設計主要是運動軌跡控制算法的設計、運動控制函數庫的設計和上位機 PC的界面程序設計。上位機與集成化嵌入式運動控制卡之間的通訊，按照在運動控制卡基本控制命令基礎上制定的完備的通訊協議格式進行。

運動控制模塊的控制功能主要依靠運動控制函數庫，該函數庫包含所有的與運動控制相關的功能函數。這些函數主要是基本運動函數，包括原點復位函數、限位光耦查詢函數、運動初始化函數、單軸運動函數、多軸直線插補函數、兩軸圓弧插補函數、制動函數、軸狀態查詢函數、運動參數查詢函數等。主要的工作過程包括初始化、工作模式設定、運動函數、狀態讀取等，從而完成運動控制功能，對于具體運動，編寫了相應的運動函數，方便程序的進一步開發；另外根據運動控制卡的寄存器和命令的結構，編寫了通用的操作函數。

要實現醫療儀器平臺的準確取樣、往微孔板加樣、拾取加樣 TIP頭等動作，要求 X、Y軸準確運動定位，再者總體移液量大，分液程序復雜，所以要求三維運動控制機構運行要達到一定速度，才能滿足儀器整體檢測速度和檢測效率的要求。為此，三維運動控制模塊控制軟件設計需要采用合適的運動軌跡算法(直線插補、圓弧插補)和加減速控制算法(梯形曲線加減速、S曲線加減速)[4]。

三維運動的目標是實現高速高精度的移液，因此一方面要求三維運動系統反應快，快速準確起停，縮短準備時間；另一方面要求運動過程平穩，沖擊小，而電機在起動和停止時容易產生沖擊、超程或振蕩，這就必須進行加減速控制。其中最常用的一種方式是梯形曲線加減速算法[5]。規則的梯形曲線分為3個階段：①勻加速段，速度按照設定的加速度值從零加速到最大速度 Vmax；②勻速段，加速度值為零，速度保持已達到的最大速度運行；③勻減速段，按設定的加速度減速到零，同時到達目標位置。梯形速度曲線的實質在于限制了加速度的大小，實際上也就限制了電機的起動電流和起動轉矩，減少了對機械部件的沖擊力度?？梢宰C明，梯形曲線是在給定位置、最大速度和加速度的條件下，各種運動軌跡中時間最優的曲線。

上位機PC界面程序采用Delphi來編寫，同時需要生成數據報表的組件FastReport 4.2和串口通訊控件SPCOMM。在控制界面上，通過直接輸入XYZ坐標使三維運動控制機構直接運動到目的地，或者在當前位置基礎上實現 XYZ中任意一軸的單步運動，從而可以對本三維運動模塊進行測試，滿足其運動的準確性、可靠性、穩定性等指標。該程序根據每臺儀器的參數的實際定位，將三軸的坐標原點尺寸，加樣平臺上試劑、血清樣本位置等參數實際測量調校后保存在參數表中，這樣每次使用儀器時，直接將參數表調入使用，大大簡化了批量生產制造和使用過程對儀器初始位置尺寸參數調校工作，也有利于提高儀器三維運動控制的準確性。

4 結 論

本文介紹的這種適合醫療儀器取樣平臺三維運動控制模塊，經過研制的樣機的性能指標測試，可以實現平臺上各種樣品取樣、移液、加樣等醫學檢驗所需要的自動化動作，并在整體運行速度、運動控制精度、運行平穩度方面完全滿足醫療儀器的指標要求，是一種成本較低、實用性比較強的三維運動控制模塊。但是，該模塊在運行精度、長時間運行可靠性方面還有進一步提升的空間，比如在運動軌跡控制算法上借鑒數控加工機械的位插補控制算法，采用更專業的運動控制芯片等，這也是下一步研究工作的重點。

［1］郭成，翁盛隆，談士力，等. DSP和PBL3717A構成的步進電機的控制系統[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2004(3)：63-67.

［2］孫志剛，馬文光，朱德森，等. 基于 80C196KC的交流伺服電機控制卡的開發與應用[J]. 機械與電子，1999(3)：11-13

［3］張瑋. 運動控制卡的研究[D]. 西安：西安交通大學，2002：8-11.

［4］楊進錄. 如何使機械運動部件控制最佳[J]. 電子工業專用設備，2005(3)：25-27.

［3］楊凱峰. 單軸運動控制器的設計[D]. 武漢：華中科技大學，2008：11-13.