醫用輸液器卷繞包裝關鍵功能研制

羅 堅，徐 峰，鄭 龍，劉木林，王學元，趙輝軍，陳 松

（邁得醫療工業設備股份有限公司，浙江 臺州317600）

1 引言

醫療行業里，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、導管、穿刺器、藥液過濾器、流量調節器、頭皮針等組成。這些管狀醫療用品在出廠前都需要將其纏繞包裝起來，使用時不需要再次消毒，只需拆開包裝就可以使用了。

目前國內還沒有能實現輸液器纏繞和包裝的自動化設備，其卷繞包裝都由人工手工完成。手工操作容易附上病菌，往往要對工人進行嚴格的消毒，同時還要在無菌凈化車間內進行操作，需要消耗巨大的能源和生產空間[2]。另外由于輸液器的長度較長，手工纏繞包裝的效率較低，因此急需研發全自動輸液器卷繞包裝設備。

2 輸液器結構組成及工作原理

輸液器的幾個組件中，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，流量調節器用于調節藥液在輸液管中流通的快慢，過濾器用于過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 輸液器實物圖

醫用耗材產品所使用的軟導管黏粘，導管壁薄，存在配件位置隨機、折管率高等問題，要將其以一定的位置和形狀進行包裝難度大。項目通過柔性定位、多級定向、恒線速度隨動、恒張力控制等技術，解決了軟管在全自動包裝時所需的形態固定、統一要求，降低了耗材質量不穩定可能導致的藥物輸送不暢等風險。

2.1 輸液器結構組成

此醫用軟導管定型裝置包括機架、水平導軌，第一機械爪和第二機械爪，如圖2所示。第一機械爪和第二機械爪分別能夠夾取目標軟導管的兩端部并將軟導管拉直成與導軌相平行的直線狀，導軌上滑動連接滑動架，機架和滑動架之間設有用于驅動該滑動架沿導軌往復滑動的第一驅動機構，滑動架聯接有卷繞機械手，卷繞機械手的下端能夠夾取軟導管的一端，并能夠通過旋轉驅動機構轉動將軟導管卷繞在該卷繞機械手下端的外側面上。本醫用軟導管定型裝置使得卷繞機械手能夠邊卷繞邊移動，從而使得軟導管的張緊度處于適當狀態，能夠整齊地卷繞軟導管，獲得很整齊的卷繞后的線圈。

圖2 成品輸液器自動卷繞定型裝置

2.2 實施路徑

2.2.1 抓取部分

先用第一機械爪和第二機械爪夾取軟導管的兩端，將軟導管拉直，拉直后的軟導管一般和導軌相平行，卷繞機械手的下端先夾住軟導管的一端，然后卷繞機械手的下端通過旋轉驅動機構轉動進行卷繞。在卷繞的過程中，第一驅動機構帶動滑動架沿導軌滑動，從而間接帶動卷繞機械手沿導軌滑動，使得卷繞機械手邊卷繞邊移動，從而使得軟導管的張緊度處于適當狀態，能夠整齊地卷繞軟導管，獲得很整齊的卷繞后的線圈[3]。

在醫用軟導管定型裝置中，卷繞機械手位于第一機械爪和第二機械爪的上方，滑動架和卷繞機械手之間設有升降架，升降架沿豎直方向滑動連接在滑動架上，滑動架和升降架之間設有用于驅動升降架沿豎直方向相對滑動架移動的升降動力源，卷繞機械手固定在升降架上。升降架的作用是在升降動力源的驅動下能夠上下移動，從而在卷繞機械手卷繞的過程中帶動卷繞機械手向上移動，使得卷繞后的線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 旋轉卷繞部分

在醫用軟導管定型裝置中，卷繞機械手包括固定套、轉軸、第三機械爪和夾緊氣缸，固定套沿豎直方向設置且其側部固定在升降架上，轉軸沿豎直方向插接在固定套內且兩者沿轉軸的軸向定位，該轉軸能夠繞軸線相對固定套轉動且該轉軸的兩端分別伸出固定套的兩端面，夾緊氣缸固定在轉軸的下端部，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置的卷繞柱，卷繞柱相互平行且處于相同水平高度，轉軸的上端部和升降架之間設有用于驅動轉軸繞軸線轉動的第二驅動機構，第三機械爪聯接在夾緊氣缸上且位于卷繞柱的一側。固定套的作用是對轉軸進行軸向定位，轉軸在第二驅動機構的驅動下轉動，從而帶動卷繞柱轉動，多根卷繞柱可以呈環形分布，一般卷繞柱的數量是4～8根，也可以選擇更多，軟導管在卷繞柱上卷繞能夠達到更好的整齊效果，第三機械爪能夠夾取軟導管的端部起到定位作用。

3 整臺設備的結構及工作原理

3.1 控制系統整體設計

整臺設備的控制系統主要任務是輸液器包裝的運動控制、機械爪控制、定位控制。通過PLC控制導向伺服機構實現導管定位實時控制[4]。同時利用觸摸屏監控工作過程及進行各種模式的切換和操作。

整機控制方案如圖3所示。

圖3 控制系統方案圖

3.2 PLC控制系統

本設備整體控制系統以PLC為核心，完成氣缸、伺服電機的檢測控制、運動控制、封口和指示燈的控制，同時裝配Proface觸摸屏實現人接界面交互，硬件模塊布局如圖4所示。核心的多級定向、柔性定位工藝通過多個磁性開關獲得導管的階段位移，同時配合點膠模塊實現同步有序的導管接口裝配。

整體控制系統以PLC為核心，選用了歐姆龍伺服驅動器以及歐姆龍電機、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，能夠實現初始化運行、軟管自動夾持和位置控制、高頻加熱熔頭磨具溫度控制、故障處理等各項任務，PLC的輸出控制主要通過輔助繼電器實現。

3.3 人機界面設計

本設備使用了Proface人機界面，通過與PLC的組態，運行設備的監控及操作。根據設計的實用性原則，觸摸屏畫面以自動伸出畫面為主界面。有設定運行參數、位置參數和手動操作的按鈕窗口，能實現參數的設定及手動操作等。

根據設計的實用性原則，觸摸屏畫面以生產畫面為主界面，下設運動參數、工藝設定、模式控制等子窗口，通過按鈕切換進入。

主畫面主要顯示設備實時工況，如圖5所示。

圖5 人接界面主畫面

4 結論

本設備通過采用多級定向、柔性定位控制傳感器技術、卷繞恒線速度及恒張力同步控制系統技術，將產品卷繞成要求的外形，確定軟管在全自動包裝時所需的形態，降低了耗材質量不穩定可能導致的藥物輸送不暢等風險。相比人工卷繞，解決了效率低下、卷繞形態不統一、折管率高等問題。