全自動智能取料試管貼標機研制

鄭開經(jīng)

摘 要：為解決現(xiàn)在醫(yī)院化驗室采血試管使用手工貼標簽方式效率低、易出錯、不美觀問題，研究了一種高效、貼標精準、出錯率極低的全自動貼標機。利用上位機和ARM聯(lián)合控制，通過連接醫(yī)院LIS系統(tǒng)，可以即時同步需要做檢查病人的信息，自動選取打印內(nèi)容和化驗的試管種類;通過ARM對旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和打印時間的精準控制，使每一個帶有病人信息的標簽都可以平整地貼在Φ12mm試管指定位置上。設備從接收到貼標命令到完成動作出料只需4s/支，是手工速度的7倍以上。全自動試管貼標機保證了貼標內(nèi)容的準確無誤，同時大大提高了貼標工作效率。

關(guān)鍵詞：ARM;LIS;貼標機;試管;自動化;步進電機;優(yōu)化算法

引言：

隨著大眾健康意識的不斷提升與人口老齡化的沖擊，醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)的工作負荷愈發(fā)沉重，提高醫(yī)護工作者的工作效率勢在必行。傳統(tǒng)的醫(yī)療機構(gòu)采用人工方式對真空采血管進行貼標，該方式易造成采血管的二次污染，且人工方式效率低下[1]。現(xiàn)有的幾款自動試管分揀與貼標機無法滿足大眾日益提升的需求。本著實用性、高效性、低成本、可擴充等原則進行設計，采用單片機和上位機的共同控制，設計了一種可以快速將病人的個人信息準確無誤地貼到試管上，而且可以提高貼簽的效率和準確性的全自動貼簽機[2]。貼簽機的應用可使化驗室醫(yī)務人員便捷地進行試管貼標工作，且方便醫(yī)院進行病人檔案管理。

1工作原理

全自動試管貼標機的主要功能，是先通過掃碼儀采集需做檢查的病人的代碼，上位機再利用代碼向醫(yī)院LIS系統(tǒng)發(fā)出該病人信息的請求，獲得所需患者的相關(guān)信息及檢驗項目，提取需要打印出來的信息并生成條碼，再把這些信息傳送到ARM與設定好的標簽打印模板生成標簽，然后控制條碼打印機打印標簽，配合機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)將標簽平整貼到試管上的工作。ARM將通過報文將工作狀態(tài)反饋給上位機，完成后上位機給LIS系統(tǒng)中標本進行標記，整個自動試管貼標機系統(tǒng)的控制命令傳遞、工作實現(xiàn)、狀態(tài)信息反饋完成。原理如圖1所示。

圖1 原理圖

2機械結(jié)構(gòu)設計

2.1多功能試管倉結(jié)構(gòu)設計

多功能料倉由8個排料倉組成，可以放置8種常用的化驗試管，各個倉寬度為國標試管管體直徑Φ12，而試管帽直徑大于Φ12，則能夠架在倉體上，倉體采用45°傾斜角放置，保證試管可以利用自身重力滑落到倉體下端，配合機械手進行夾取[3]。同時可以在同樣的空間中放置更多的試管，下方空間還可以安置控制電路。在每個料倉下端安裝光感，實現(xiàn)實時監(jiān)測倉內(nèi)試管數(shù)量和取料判斷功能。

2.2十字滑臺結(jié)構(gòu)設計

十字滑臺主要配合機械手實現(xiàn)在X、Y兩個軸向的移動，每個軸向上由一個步進電機控制，使機械手能夠精準到達所需試管的料倉位置進行抓取及運送到貼標機構(gòu)處。機械手位置準確與否直接影響取料、送料的可靠性，步進電機生產(chǎn)成本低，方便維修，結(jié)構(gòu)少，排除累計誤差，可有效帶動負載慣量。如果為非超載狀態(tài)，可以在該表脈沖數(shù)、信號頻率之后實現(xiàn)停止位置、轉(zhuǎn)速的控制。

2.3機械手結(jié)構(gòu)設計

機械手負責對試管的抓取和釋放兩個動作，主要由一片電磁鐵構(gòu)成。電磁鐵采用功率15W最大吸合力20N的較大型號，考慮到試管倉試管間的擠壓力保證能夠可靠取料。電磁鐵1通電吸合兩側(cè)鐵片，機械手抓緊，斷電則松開。

2.4旋轉(zhuǎn)貼標結(jié)構(gòu)設計

三輥旋轉(zhuǎn)貼標機構(gòu)主要由1個步進電機帶動的2個主輥和另一個電機帶動只具有壓緊功能的從動壓輥組成。主輥電機是齒輪軸，方便用皮帶帶動2個主輥旋轉(zhuǎn)，而壓輥電機使用絲杠軸，讓壓輥固定件可以帶動壓輥橫向運動，實現(xiàn)壓緊動作。金屬輥外包裹一層尼龍，尼龍本身硬度適中且具有一定彈性，可保證輥與試管貼合緊密。當試管移動到旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中心時，壓輥橫向運動，使三輥壓緊試管，從而通過主輥旋轉(zhuǎn)帶動試管和壓輥旋轉(zhuǎn)。為了保證壓輥壓在試管上的受力均衡，使用兩個同型號的電機安裝在壓輥固定件的上半段和下半段，也使壓輥前后運動更可靠。

2.5打印機結(jié)構(gòu)設計

打印機采用熱敏標簽打印機，打印清晰，速度快，熱敏頭壽命長，更換便簽紙也很方便。這種打印機可編程，自帶指令集支持ARM直接發(fā)送報文控制動作和打印內(nèi)容。打印機有自剝離托附紙及回收的功能，利用30mm×50mm便簽紙自帶的挺度，可以使其自然平整地送到壓輥和試管之間縫隙，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)時尼龍材質(zhì)有彈性的壓輥可以輕松將標簽紙卷到試管壁上，完成貼標工作。

2.6出料結(jié)構(gòu)設計

出料機構(gòu)由推拉式電磁鐵和試管托片組成，電磁鐵一端與托片相連接，實現(xiàn)托片的伸縮動作。電磁鐵采用12V最大吸合力42N型號，保證動作的快速性。但較大的電磁鐵在動作的瞬間將產(chǎn)生電磁干擾，擾亂其它并行動作，所以需要對電路板和線路進行必要的電磁隔離。電磁鐵不通電時托片處于伸出狀態(tài)，此時試管帽可以架在托片上，試管可以處在選裝機構(gòu)中間進行操作。當電磁鐵通電托片收縮，同時壓輥拉開，試管可以憑自身重力下落到正下方的出料口。

3控制系統(tǒng)設計

試管自動貼標系統(tǒng)的主要功能，是將從LIS獲得的患者相關(guān)信息及檢驗項目打印到試管標簽上并通過相應的機械動作結(jié)構(gòu)自動將標簽粘貼到管壁上。除與LIS進行交互的上位機控制軟件外，整個貼標系統(tǒng)還包括以ARM為主控制芯片的打印貼標控制系統(tǒng)以

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及以步進電動機為主要執(zhí)行機構(gòu)的機械動作單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ?系統(tǒng)框圖

4樣機試驗

在自動試管貼標機重復性實驗過程中，采用醫(yī)院常用的直徑Φ12mm～Φ13mm、長度50～100mm規(guī)格真空采血試管，能夠兼容現(xiàn)有檢驗系統(tǒng)標簽內(nèi)容，兼容條碼格式有Code39、Code128、EAN128、EAN8/13、Codabar、Int2/5、UPCA/E，試管倉存放8種試管，每倉30支，整機容量240支。整體流程速度可以達到小于4s/支。整機外形尺寸為600mm×580mm×580mm（長×寬×高），體積較小，便于放置在化驗室。貼標位置錯誤率和整體系統(tǒng)運行錯誤率均低于1‰。為了更直觀地看到自動試管貼標機的工作效率，采用100個試管手工和機器對比，從掃描器掃描病人信息開始計時，手工過程包括點擊打印機工作按鈕和貼標簽2個步驟，而試管貼標機根據(jù)接收到的報文組織標簽內(nèi)容并控制相關(guān)結(jié)構(gòu)工作。結(jié)果如表1所示。試驗結(jié)果表明，自動試管貼標機整體結(jié)構(gòu)合理，能實現(xiàn)高效、準確貼標，且自動化程度高，可流水線模式工作，操作方便，所貼標簽工整、美觀、衛(wèi)生。

表1 對比試驗結(jié)果

結(jié)束語：

全自動試管貼標機擁有獨創(chuàng)的5部一體機械結(jié)構(gòu)，配合合理可靠的排布，既保證了組合動作路徑的高效性，又減小了整體的體積。簡單易操作的上位機管理軟件，能夠準確采集LIS系統(tǒng)的患者信息，取代了手動查詢的時間，也避免了因選擇化驗信息錯誤導致的醫(yī)療事故。以ARM為控制核心配合穩(wěn)定的步進電機控制電路和傳感器的硬件策略，實現(xiàn)了對整體動作單元的閉環(huán)控制和并行控制，保證每一個動作的可靠高效。聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的信息實時共享也必將是今后現(xiàn)代化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，而醫(yī)院的各個設備通過LIS系統(tǒng)間接實現(xiàn)了一體化連接，也給自動試管貼標機更多的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1]鐘璞，管俊洛，田炳彬，袁偉.全自動掃碼貼標一體機設計和實踐[J].設備管理與維修，2017（07）：61-62.

[2]程瑞，張秀艷，薄濤，劉海.平面貼標機的設計[J].價值工程，2017，36（17）：110-111.

[3]才華，劉樹軍，李軻冉.自動上下料試管貼標機的設計與研究[J].科技展望，2016，26（24）：138-139.