醫(yī)用輸液器卷繞包裝關(guān)鍵功能研制

羅 堅(jiān)，徐 峰，鄭 龍，劉木林，王學(xué)元，趙輝軍，陳 松

（邁得醫(yī)療工業(yè)設(shè)備股份有限公司，浙江 臺(tái)州317600）

1 引言

醫(yī)療行業(yè)里，一次性使用輸液器被大量使用[1]。輸液管一般是由滴斗組件、導(dǎo)管、穿刺器、藥液過(guò)濾器、流量調(diào)節(jié)器、頭皮針等組成。這些管狀醫(yī)療用品在出廠前都需要將其纏繞包裝起來(lái)，使用時(shí)不需要再次消毒，只需拆開(kāi)包裝就可以使用了。

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有能實(shí)現(xiàn)輸液器纏繞和包裝的自動(dòng)化設(shè)備，其卷繞包裝都由人工手工完成。手工操作容易附上病菌，往往要對(duì)工人進(jìn)行嚴(yán)格的消毒，同時(shí)還要在無(wú)菌凈化車(chē)間內(nèi)進(jìn)行操作，需要消耗巨大的能源和生產(chǎn)空間[2]。另外由于輸液器的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，手工纏繞包裝的效率較低，因此急需研發(fā)全自動(dòng)輸液器卷繞包裝設(shè)備。

2 輸液器結(jié)構(gòu)組成及工作原理

輸液器的幾個(gè)組件中，穿刺器用于連通輸液管和藥液，軟管是藥液流通的通道，滴斗一般用于觀察輸液管中藥液的流速快慢，流量調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)藥液在輸液管中流通的快慢，過(guò)濾器用于過(guò)濾藥液中的塊狀固體顆粒，頭皮針用于連通藥液與人體靜脈。典型卷繞合格的輸液器如圖1所示。

圖1 輸液器實(shí)物圖

醫(yī)用耗材產(chǎn)品所使用的軟導(dǎo)管黏粘，導(dǎo)管壁薄，存在配件位置隨機(jī)、折管率高等問(wèn)題，要將其以一定的位置和形狀進(jìn)行包裝難度大。項(xiàng)目通過(guò)柔性定位、多級(jí)定向、恒線(xiàn)速度隨動(dòng)、恒張力控制等技術(shù)，解決了軟管在全自動(dòng)包裝時(shí)所需的形態(tài)固定、統(tǒng)一要求，降低了耗材質(zhì)量不穩(wěn)定可能導(dǎo)致的藥物輸送不暢等風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 輸液器結(jié)構(gòu)組成

此醫(yī)用軟導(dǎo)管定型裝置包括機(jī)架、水平導(dǎo)軌，第一機(jī)械爪和第二機(jī)械爪，如圖2所示。第一機(jī)械爪和第二機(jī)械爪分別能夠夾取目標(biāo)軟導(dǎo)管的兩端部并將軟導(dǎo)管拉直成與導(dǎo)軌相平行的直線(xiàn)狀，導(dǎo)軌上滑動(dòng)連接滑動(dòng)架，機(jī)架和滑動(dòng)架之間設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)該滑動(dòng)架沿導(dǎo)軌往復(fù)滑動(dòng)的第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，滑動(dòng)架聯(lián)接有卷繞機(jī)械手，卷繞機(jī)械手的下端能夠夾取軟導(dǎo)管的一端，并能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)將軟導(dǎo)管卷繞在該卷繞機(jī)械手下端的外側(cè)面上。本醫(yī)用軟導(dǎo)管定型裝置使得卷繞機(jī)械手能夠邊卷繞邊移動(dòng)，從而使得軟導(dǎo)管的張緊度處于適當(dāng)狀態(tài)，能夠整齊地卷繞軟導(dǎo)管，獲得很整齊的卷繞后的線(xiàn)圈。

圖2 成品輸液器自動(dòng)卷繞定型裝置

2.2 實(shí)施路徑

2.2.1 抓取部分

先用第一機(jī)械爪和第二機(jī)械爪夾取軟導(dǎo)管的兩端，將軟導(dǎo)管拉直，拉直后的軟導(dǎo)管一般和導(dǎo)軌相平行，卷繞機(jī)械手的下端先夾住軟導(dǎo)管的一端，然后卷繞機(jī)械手的下端通過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行卷繞。在卷繞的過(guò)程中，第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑動(dòng)架沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，從而間接帶動(dòng)卷繞機(jī)械手沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，使得卷繞機(jī)械手邊卷繞邊移動(dòng)，從而使得軟導(dǎo)管的張緊度處于適當(dāng)狀態(tài)，能夠整齊地卷繞軟導(dǎo)管，獲得很整齊的卷繞后的線(xiàn)圈[3]。

在醫(yī)用軟導(dǎo)管定型裝置中，卷繞機(jī)械手位于第一機(jī)械爪和第二機(jī)械爪的上方，滑動(dòng)架和卷繞機(jī)械手之間設(shè)有升降架，升降架沿豎直方向滑動(dòng)連接在滑動(dòng)架上，滑動(dòng)架和升降架之間設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)升降架沿豎直方向相對(duì)滑動(dòng)架移動(dòng)的升降動(dòng)力源，卷繞機(jī)械手固定在升降架上。升降架的作用是在升降動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)下能夠上下移動(dòng)，從而在卷繞機(jī)械手卷繞的過(guò)程中帶動(dòng)卷繞機(jī)械手向上移動(dòng)，使得卷繞后的線(xiàn)圈沿豎直方向依次排列，大大地提高卷繞后的整齊度。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)卷繞部分

在醫(yī)用軟導(dǎo)管定型裝置中，卷繞機(jī)械手包括固定套、轉(zhuǎn)軸、第三機(jī)械爪和夾緊氣缸，固定套沿豎直方向設(shè)置且其側(cè)部固定在升降架上，轉(zhuǎn)軸沿豎直方向插接在固定套內(nèi)且兩者沿轉(zhuǎn)軸的軸向定位，該轉(zhuǎn)軸能夠繞軸線(xiàn)相對(duì)固定套轉(zhuǎn)動(dòng)且該轉(zhuǎn)軸的兩端分別伸出固定套的兩端面，夾緊氣缸固定在轉(zhuǎn)軸的下端部，夾緊氣缸上連接有兩塊固定板，固定板的下端面固定有若干根沿豎直方向設(shè)置的卷繞柱，卷繞柱相互平行且處于相同水平高度，轉(zhuǎn)軸的上端部和升降架之間設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸繞軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，第三機(jī)械爪聯(lián)接在夾緊氣缸上且位于卷繞柱的一側(cè)。固定套的作用是對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行軸向定位，轉(zhuǎn)軸在第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)卷繞柱轉(zhuǎn)動(dòng)，多根卷繞柱可以呈環(huán)形分布，一般卷繞柱的數(shù)量是4～8根，也可以選擇更多，軟導(dǎo)管在卷繞柱上卷繞能夠達(dá)到更好的整齊效果，第三機(jī)械爪能夠夾取軟導(dǎo)管的端部起到定位作用。

3 整臺(tái)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整臺(tái)設(shè)備的控制系統(tǒng)主要任務(wù)是輸液器包裝的運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)械爪控制、定位控制。通過(guò)PLC控制導(dǎo)向伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管定位實(shí)時(shí)控制[4]。同時(shí)利用觸摸屏監(jiān)控工作過(guò)程及進(jìn)行各種模式的切換和操作。

整機(jī)控制方案如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)方案圖

3.2 PLC控制系統(tǒng)

本設(shè)備整體控制系統(tǒng)以PLC為核心，完成氣缸、伺服電機(jī)的檢測(cè)控制、運(yùn)動(dòng)控制、封口和指示燈的控制，同時(shí)裝配Proface觸摸屏實(shí)現(xiàn)人接界面交互，硬件模塊布局如圖4所示。核心的多級(jí)定向、柔性定位工藝通過(guò)多個(gè)磁性開(kāi)關(guān)獲得導(dǎo)管的階段位移，同時(shí)配合點(diǎn)膠模塊實(shí)現(xiàn)同步有序的導(dǎo)管接口裝配。

整體控制系統(tǒng)以PLC為核心，選用了歐姆龍伺服驅(qū)動(dòng)器以及歐姆龍電機(jī)、Proface觸摸屏、正泰電器等硬件，電氣柜布局如圖4所示。

圖4 卷繞模塊電氣布局圖

整機(jī)控制程序較龐大，主要分為公共程序、卷繞伺服程序和包裝伺服程序等，能夠?qū)崿F(xiàn)初始化運(yùn)行、軟管自動(dòng)夾持和位置控制、高頻加熱熔頭磨具溫度控制、故障處理等各項(xiàng)任務(wù)，PLC的輸出控制主要通過(guò)輔助繼電器實(shí)現(xiàn)。

3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本設(shè)備使用了Proface人機(jī)界面，通過(guò)與PLC的組態(tài)，運(yùn)行設(shè)備的監(jiān)控及操作。根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)用性原則，觸摸屏畫(huà)面以自動(dòng)伸出畫(huà)面為主界面。有設(shè)定運(yùn)行參數(shù)、位置參數(shù)和手動(dòng)操作的按鈕窗口，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定及手動(dòng)操作等。

根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)用性原則，觸摸屏畫(huà)面以生產(chǎn)畫(huà)面為主界面，下設(shè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、工藝設(shè)定、模式控制等子窗口，通過(guò)按鈕切換進(jìn)入。

主畫(huà)面主要顯示設(shè)備實(shí)時(shí)工況，如圖5所示。

圖5 人接界面主畫(huà)面

4 結(jié)論

本設(shè)備通過(guò)采用多級(jí)定向、柔性定位控制傳感器技術(shù)、卷繞恒線(xiàn)速度及恒張力同步控制系統(tǒng)技術(shù)，將產(chǎn)品卷繞成要求的外形，確定軟管在全自動(dòng)包裝時(shí)所需的形態(tài)，降低了耗材質(zhì)量不穩(wěn)定可能導(dǎo)致的藥物輸送不暢等風(fēng)險(xiǎn)。相比人工卷繞，解決了效率低下、卷繞形態(tài)不統(tǒng)一、折管率高等問(wèn)題。