基于tip头的三维加样臂的设计.docx

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基于tip头的三维加样臂的设计

基于Tip头的三维加样臂的设计

摘要

随着医疗技术的发展，医疗机构需要处理的临床实验样本量的增加，使得实验人员的工作量也随之增加。

传统的手工和半自动实验方法不仅操作繁琐，效率较低，精密度较差，而且也较容易出现人为差错，无法满足医疗机构检验需求，实现临床样本的自动化检测越来越受到重视。

自动加样系统是临床免疫分析的重要组成部分，也是整个临床检验科自动化流水检测平台的关键部件之一，研究和开发具有高精度定位、高精度抽放样功能的三维加样臂具有十分重要的意义。

本论文主要的研究内容涉及如下方面：

①通过调研和分析，根据加样系统的功能要求，制定了自动加样系统的总体设计方案，详细分析了自动加样系统的组成原理及其工作流程②完成了包括加样机械臂、Tip的安装于卸载机构，应用Pro/E4.0建立了加样系统的三维实体模型。

③为了提高加样机械臂性能，使用ADAMS对其进行了运动仿真，仿真结果达到了理想的效果。

④根据自动加样系统机械运动部分相似定位控制需求，详细设计了运动控制方案，完成了基于单片机AT89c51和驱动芯片L298的直流电机伺服控制系统的软、硬件设计。

⑤为了验证所设计的控制电路是正确的，用Proteus软件对控制电路进行了仿真，结果显示电路设计合理，能够达到要求。

关键词：

自动加样系统，加样机械臂，直流电机Proteus仿真

DESIGNOF3-DOFMechanIcalarm

basedonTip

Abstract

Withthedevelopmentofmedicaltechnology,medicalinstitutionsneedtodealwithmoresampleofbloodtypetest.AndthatalsoincreasedtheLabWorkers'workload.Thetraditionalmanualandsemi-automaticmethodsofbloodtypeexperimentnotonlyarecomplicated,lessefficientandlessaccurate,butalsoaremorepronetohumanerrors,sounabletomeetthemedicaltestneedsofmedicalinstitutions;andpeoplehavebeenpayingmoreandmoreattentiontothemedicaltestofbloodtype.Auto-samplingsystemisanimportantpartoftheautomaticbloodgroupexperimentsplatformbasedonbioelectricalimpedancetechnic;thestudyonauto-samplingsystemwithhigh-precisionpositioningandhigh-precisionsamplinghasgreatsignificance.

Detailedcontentsofthispaperisasfollows:

①AccordingtothesamplingsystemFunctionalrequirements,developedthedesignschemeoftheauto-samplingsystembasedonresearchandanalysis,analyzedtheauto-samplingsystem'scompositionprincipleandworkingprincipledetailedly.②Completedthemechanicalstructureoftheautomaticsamplingsystem,includingtheroboticarm,theinstallationoftheTipandtheunloadingmechanism③InordertoimprovetheperformanceofMechanicalarm,usedADAMSsimulatethemotion,thesimulationresultstoachievetheidealeffect.④accordingtotheautomaticsamplesimilarpositioningcontrolrequirements,completedthecontrolsystemhardwareandsoftwaredesignbasingonsinglechipmicrocomputerAT89c51anddrivechipL298servo⑤inordertoverifythatthedesignofthecontrolcircuitiscorrect,thecontrolsystemaresimulatedwithProteussoftware,theresultsshowthatthesystemdesignisreasonable,canmeettherequirements.

KeyWords:

auto-samplingsystem,theroboticarm,

simulationofdcmotorbasingonProteus

1．绪论

1．1课题背景

随着高新科技技术的不断进步以及技术结合产业的实践,促进了医疗器械产业的快速发展。

近年来,国内医疗机械市场规模每年以15%的速度递增。

为了促进和指导医疗机械行业健康快速发展,在2011年,国家医药工业十二五发展规划及医疗器械科技产业“十二五”专项规划陆续出台,为我国医疗器械产业发展提供了前所未有的机遇和广阔发展的空间[1]。

2012年2月,在北京举行召开了2011年中国医疗机械行业协会年会,会上针对行业发展的难点问题进行了深入的探讨,共同商议了行业发展大计。

自动加样机就是用于微生物鉴定和药敏分析过程中的一个医疗设备。

目前国外的自动加样设备价格昂贵,国内的的产品普遍加样效率偏低。

国内主要的医疗机构中的加样环节主要通过人工操作移液器逐孔加样,耗费大量检验人员的时间,而且加样效率受到限制,同时精度得不到保证。

以64孔的加样板为例,假设一天需要加50个加样板,共有3200个孔需要加样;完成一次加样假定为5秒,完成加样总共需要16000秒,也就是16000/3600-4.4个小时,这样对于检验人员来说是繁重的重复劳动,同时也耗费了大量的工作时间。

所以实现加样过程的自动化,显得十分的重要[2]。

全自动生化分析仪，自动生化分析仪属于临床生化与病理检验设备,用于医疗机构进行肝功、肾功、心功能、血糖、血脂、胆固醇、矿物质、蛋白等临床生化指标的检验,是医疗机构必备的常规检验仪器,在临床生物化学检验中具有重要的作用。

目前,国内使用的全自动生化分析仪基本依赖国外进口,国外产品占据着我国市场,每年国家都要花费巨资来进口全自动生化分析仪。

随着我国医疗水平的逐步提高,国内医疗机构要求诊断指标的增多,测试工作量也越来越大,对全自动生化分析仪器的需求也日益增大。

虽然部分大型医疗机构依靠进口配备了全自动生化分析仪,但这远远不能满足需求。

随着医学的发展,中小型医疗机构对全自动生化分析仪的需求也越来越迫切。

为了发展我国自己的全自动生化分析仪产业以及加快全自动生化分析仪产品的国产化速度,国家科技部把全自动生化分析仪连续作为“九五”、“十五”国家科技攻关重大项目进行研制开发及产业化[3]。

实现全自动生化分析仪器的国产化,不仅可以打破国外的技术封锁和垄断,发展我国自己的全自动生化分析技术和产业,满足国内需求、节省外汇,而且因为全自动生化分析仪的研制开发涉及光学、精密机械、自动控制、应用软件等多学科,因此发展全自动生化分析仪器产业可以带动相关产业的发展,也是推动我国国民经济发展的重要动力。

因此研究和开发具有高精度定位、高精度抽放样功能的三维加样臂具有十分重要的意义。

本课题的来源是根据某医疗器械公司的需求,立项进行研究设计。

主要针对目前国内加样设备普遍加样效率较低的现状,采用一种三维机构,保证加样精度的同时提高了加样效率,达到了产品设计要求。

1.2国内外在该方向的研究现状及分析

1.2.1国外现状

国外临床生化分析仪发展从50年代开始,至今已经有了长足的进步,各公司推出了种类繁多、性能优良的生化分析仪。

世界上首台实用的自动生化分析仪是美国泰克尼康（Techaicon）公司在1957年设计生产的,仪器命名为AutoAnalyzer,是一台单通道、连续流动式自动生化分析仪。

最初只用于血葡萄糖、尿素氮的测定,报告结果是光密度值。

美国在60年代生产了流动式SMA系统自动生化分析仪,由于连续流动式的自动生化分析仪造价高,结构复杂样品产生交叉污染比较大等原因,70年代发展了离心式及分立式的分析仪,并且分立式的自动生化分析仪目前已成为主流。

此后世界上许多家公司都纷纷推出自己的产品,如美国贝克曼、日本日立、岛津、德国拜尔等都相继研制成功全自动生化分析仪,并且已发展了几代,在分析精度、检验速度方面不断提高,如今已经相当完善。

这些大公司生产的全自动生化分析仪各有特色和优势,但它们都具有一些共同特点:

使临床生化检验中主要操作实现了机械化、自动化。

其中包括:

标本的定量吸取、转移到反应杯或反应管道系统;通过沉淀或过滤、离心、层析、透析等分离去掉反应中的干扰物;试剂的定量吸取,同标本混合,自动控制在一定温度下反应一定时间;通过可见光、紫外光、火焰光度计、荧光、散射光或氧电极、离子选择电极、酶电极、同位素计数等检测技术,对反应终点、初速度或反应过程进行监测;借助计算机将仪器的各项功能程序化,控制仪器的运转和反应过程,处理或判断实验数据,并将结果以数字、描一记曲线显示或打印报告;标本测定后,反应容器、管道系统的清洗和准备下一次使用等。

全自动生化分析仪的应用使临床生化检验大大提高了准确性、精密度和工作效率,适应了临床医学的发展对实验诊断的质和量的需求。

纵观世界全自动生化分析仪的发展现状,主要有以下几个公司的代表性全自动生化分析仪:

美国的贝克曼库尔特公司、日本的奥林巴斯公司、日立公司、瑞士帝肯公司。

下面分别介绍各个公司全自动生化分析仪。

（一）美国贝克曼库尔特公司的系列全自动生化分析仪

贝克曼库尔特公司系1997年10月由原贝克曼（Beckman）与库尔特（Coulter）公司合并组成。

贝克曼公司创立于1935年,具有60多年悠久历史,总部设在美国加州,一向以生产和销售临床化学分析仪器驰名于国际。

其技术支持和售后服务网络遍布全球。

营销达120多个国家。

库尔特公司则是以生产和销售血液学检验仪器为主的另一家国际驰名公司。

20世纪90年代以来,贝克曼推出了SynchronCX系列全自动生化分析仪,包括CX3、CX4、CXS、CX7、CXg等。

每个型号仪器都具有独特的性能供用户使用。

Synchron系列全自动生化分析系统则按模块组合式设计。

根据需要可将各种型号的全自动生化分析仪巧妙的组合起来,通过InterLink微处理机连接,再配以先进的软件设计,可进一步扩展仪器对数据的储存、记忆和处理功能。

InterLink微处理机可同时连接3台仪器,包括Synchron系列及其它仪器。

由微处理机作为控制中心。

CX3可同时任意选择测定钾、钠、氯、二氧化碳、钙、肌醉、葡萄糖及尿素氮8个项目。

样品只需122川,测定时间小于lmin,每小时可提供600个测定结果。

CX4可同时任意选择24个项目,包括酶、代谢物、特定蛋白及药物。

样品量3一2印l,试剂量200一30伽l,每小时可提供225个测定结果。

CXS可同时任意选择测定25个项目,包括酶、代谢物、特定蛋白、药物及电解质（钾、钠、氯、二氧化碳）。

样品量光度法测定3一2如l,电解质测定69川。

试剂量200一30伽l,每小时可提供522个测定结果。

CX7可同时任意选择测定33个项目,包括普通生化、电解质、急诊项目、特定蛋白、药物和毒品检测。

样品量3一69川,试剂量200一327川,每小时提供900个测定结果。

SynchronLxZO能够进行光度分析和离子（ISE）分析,最多可以同时测量41个项目,其中包括30个标准项目、5个ISE项目、6个模块检验项目,可以同时进行10个波长的测量,最大测试速度1440次/小时。

CXgALX分析的项目包括普通生化、电解质、急诊项目、特定蛋白等,可同时最多分析33个项目,最快测试速度为900次/小时。

图1.1美国BeckmanCXg型全自动生化分析仪[3]

（二）日本奥林巴斯公司的AU系列全自动生化分析仪

奥林巴斯光学工业株式会社（OlympusOpticalCo.Ltd）创立于1919年,1920年首次在日本成功地将显微镜商品化,从而作为精密光学技术的代表企业开始起步。

该公司以先进的光学技术及精密工艺为起点,经过多年的研制与开发,于1968年初成功地生出日本第一台自动生化分析仪,从而首次涉足自动生化分析仪器领域。

1974年生产出日本第一台使用速率法的自动生化分析仪AcA4（12通道）。

从20世纪70年代初开始至90年代,Olympus公司生产了十几种型号的大型及超大型全自动生化分析仪,并于1994年开始进入中国市场。

19%年以后更先后推出Aul000、Au4OO、Au640等大中型仪器,使在中国市场的占有量迅速上升为500台左右。

在新世纪到来之时,Olympus公司推出了全新设计的Au2700及Au5400。

Olympus新仪器的主要设计思想是使大型实验室的成本消耗降低的同时仪器保养工作量也减少,而工作效率大为提高。

Au400全自动生化分析仪是一台中型全数码化分立式任选型仪器。

AU400全自动生化分析仪能同时分析48项,加上离

子可同时分析51项,最快分析速度为400次/小时,采用光栅后分光方式,具有13个固定波长。

它具有AU系列所共有的采用全数字光路系统后分光、支持网络诊断、2种

加样系统、智能防堵防撞等功能。

其试剂仓采用了单仓双圈方式,单个试剂仓内外2圈共计76个试剂位,可混合编排单、双试剂,用户可按需要灵活设置。

AU64O全自动生化分析仪（AU640Automatedehemist仃analyzer）是由Olympus公司1999年出品的大型全数码化分立式任选型仪器。

它是广受好评的Au600的升级换代产品。

AU64O全自动生化分析仪能同时测试48项,加上ISE可同时分析51项,恒

定测试速度800次/小时。

采用光栅后分光,具有13个固定波长。

具有大容量的样品库,一次加满可达150个样品,采用了各有48位的双试剂仓,同时应用双试剂可测48个不同项目,2套试剂针分别吸取Rl和R2试剂,保证了每小时恒定进行800项目测试。

它有2套搅拌系统,分别采用了3头双清洗系统,保证搅拌充分、冲洗干净、交叉污染减至最低。

另外它还具有AU系列所共有的数字化光路、智能防撞、网络远程控制等全部先进功能。

AU2700全自动生化分析是Olympus公司2000年推出的一台超大型全数码化分立式任选型仪器。

能够同时测试48项,加上ISE可同时测试51项。

恒定测试速度1600次/小时。

采用光栅后分光,具有13个固定波长。

它集中了在其他AU型号生化分析仪上已经采用的成熟技术。

AU5400系列全自动生化分析仪含AU5421和AU5431,该系列仪器是Olympus公司第3代模块组合式超大型全自动生化分析仪,采用了分别吸取试剂和样品的分配方式,使样品和试剂的使用量大幅度减少（比传统分注方式节约50%）,该系列特别适用于大规模检验中心和大型医院等具有大量样品的单位。

其能够同时分析95项,分析速度最大3200次/小时。

（三）日本日立系列全自动生化分析仪

日立（Hitachi）系列全自动生化分析仪由日立产业株式会社生产和经营。

由于微电脑控制与多波长分光光度计相结合的广泛应用,使日立全自动生化分析仪有了很大发展,技术上不断完善。

光学系统采用了无像差凹面蚀刻光栅后分光技术和全反应过程吸光度监测。

可选择不同的反应监测时间,最长可达20min,并能满足最多达4种试剂的添加分析。

各种类型的日立系列全自动生化分析仪分别适用于不同医院。

它们均具有功能全、

分析精度高、操作简便、分析快速、节省试剂、经久耐用、故障率低等特点。

7060全自动生化分析仪（Hitachi7060automaticanalyzer）是一台在日立小型生化分析仪中处理能力最大的随机任选式全自动生化分析仪。

它具有可同时测定最多32个项目（使用ISE时35个项目）和最高每小时360个测试（使用ISE,时最多720个测试）的分析能力。

分析方法类型齐全,校准模式多样,可任意选用,满足各种检测要求。

试剂全开放能满足1一4种试剂的添加分析。

采用全反应过程吸光度监测,反应时间3min、4min、smin、2smin任选,最长可设置长达150min,能满足各种试验要求和新项目开发的要求。

采用静电液面感应式检测探针,适合微量样品采集。

样品针和试剂针均具有横向、纵向防撞保护功能。

吸量注射器由数字脉冲步进电机驱动,工作精度高,控制准确,故障率低。

同时具有样品预稀释和标准液分级稀释以及改变样品量（增或减）自动再测试功能,并能自动检测空白反应杯吸光度,异常时加强清洗或自动超越或自动停机。

与外设中文数据处理系统连接,可实现数据中中文管理、打印中文检验结果报告。

（四）瑞士帝肯公司

图1-2FreedomEVO液体处理平台

瑞士帝肯公司在在医疗机械上做得比较好，其现有产品FreedomEVO液体处理平台具有特点如下：

1）高通量：

单机最多可同时处理192张切片；根据不同仪器配置单机

分别处理48、96、144、192张切片，适应不同规模实验室需求

2）高效：

8通道同时加样&清洗，极大缩短实验周期

3）高灵活性：

真正意义的“全开放式”仪器，GenePaint允许用户自

定义实验所需试剂

4）强大的软件管理系统：

灵活的程序设定系统，可针对不同实验室需求，设定最优化检测程序；独特的实验前3D模拟功能，极大程度避免仪器运行错误的发生

5）Te-Flow样本处理模块Flow-through技术:

侧面加样&冲洗，最大

度降低对样本的损伤；通过重力及毛细作用，使液面薄层均匀覆盖于样本表面，形成封闭式孵育环境，保证检测结果的准确性与稳定性；样本表面始终保持湿润，允许仪器隔夜运行，方便用户操作。

6）独特的Chamber设计:

8联架结构，每个Chamber均形成独立的封闭

体系；既简化操作，又极大程度避免交叉污染，保证实验结果的稳定性

7）高精度温控系统:

不同切片间孵育典型温差介于±0.5℃

1.2.2全自动生化分析仪国内现状

全自动生化分析仪国内产品与国外差距很大。

从报道情况和全国医疗仪器展览情况看,目前国内只有两家单位推出了完全自主研制的全自动生化分析仪产品,但都是中小型全自动生化分析仪,在功能和速度上和国外产品相差很多。

这两家分别是长春光机所和深圳迈瑞医疗器械公司。

迈瑞公司是在2003年下半年推出了一款全自动生化分析仪产品,其最大测试速度为240次/小时,在线测试项目24项,后期又逐步推出300次/,J“时和400次/小时两款产品,在线测试项目40项。

长春光机所目前推出了一款全自动生化分析仪,其最大测试速度为400次/小时,在线测试项目与迈瑞公司的产品相同。

近来随着医学的发展,我国医疗机构对自动生化分析仪的要求越来越迫切。

随着国内医院要求诊断指标的增多,测试工作量不断增大,半自动生化分析仪已远远不能满足需求,对全自动生化分析仪的要求日益增大,而国内生化分析仪生产的型号种类很少,又均为一般性的仪器,专门化和大而全的通用仪器几乎没有,仪器自动化程度和微机化水平低,因此全自动生化分析仪的研制和开发将有着重大的经济效益和社会效益。

1．3本论文的主要内容

本论文的研究旨在设计一套高精度的自动加样装置，完成自动加样系统的机械结构设计、机械运动部分的控制设计，并对加样系统关键机构进行相关的力学分析和仿真研究，验证其设计方案的性能。

论文具体任务如下：

①调研国内外血型分析系统的发展现状，并对其进行性能分析，在明确现有加样系统的结构特点和设计缺陷的基础上，提出本论文研究的自动加样系统的总体设计方案。

②完成包括加样机械臂、Tip的安装于卸载机构，应用Pro/E4.0建立了加样系统的三维实体模型。

③为了提高加样机械臂性能，使用ADAMS对其进行了运动仿真，仿真结果达到了理想的效果。

④根据自动加样系统机械运动部分相似定位控制需求，详细设计了运动控制方案，完成了基于单片机AT89c51和驱动芯片L298的直流电机伺服控制系统的软、硬件设计。

⑤为了验证所设计的控制电路是正确的，用Proteus软件对控制电路进行了仿真。

2．三维加样臂机械结构设计

2.1总体方案设计

机械臂是自动控制领域中出现的一项融合多学科的重要技术，也是目前在机器人技术领域中得到最广泛应用的自动化机械装置，并已成为工业制造、医学治疗、娱乐服务以及军事等现代自动化系统中的一个极其重要的组成部分。

随着临床检验仪器的自动化发展，自动加样机械臂已经成为了自动化的医疗分析仪器不可或缺的组成部分。

尽管自动机械臂的结构形态各有不同，但是它们都能够根据控制指令，精确地定位到作业平台空间上的预定点进行作业，机械臂按其结构形式，可分为以下四类：

①笛卡尔坐标式机械臂：

机械臂可以沿笛卡尔坐标系X、Y、Z三轴的方向往复移动，亦即臂部可以左右移动（定为沿X方向的平动）、前后伸缩（定为沿Y方向的平动）和上下升降（定为沿Z方向的平动）；

②圆柱坐标式机械臂：

机械臂可以沿X坐标轴和Z坐标轴方向平动，又可绕Z坐标轴转动，亦即机械臂可以左右伸缩、上下升降和左右转动；

③球坐标式机械臂：

机械臂可以沿X坐标轴方向平动，又可以绕Y坐标轴和Z坐标轴转动，亦即机械臂可以左右伸缩（沿X方向平动）、上下摆动（定为绕Y轴转动）和左右转动（定为绕Z轴转动）；

④多关节式机械臂：

这种机械臂通常由小臂和大臂组成，其小臂和大臂之间以及大臂和机座之间均以铰链连接，亦即小臂可绕大臂上下摆动，大臂又可绕机座摆动，机械臂还可以绕机座转动。

加样机械臂应具有三个自由度，能够实现对血型实验平台内任意反应区的定位。

上述四种形式的机械臂在功能上，都能够满足定位需求。

但是，球坐标式机械臂和多关节式机械臂结构都较为复杂，加工和防碰撞等技术条件要求比较高，通常多用于高温、高压、高辐射或工作空间狭小等不适合人工直接操作的危险场合代替人工安全地完成作业，而且其控制难度也较大，可靠性和稳定性不如前两种形式的机械臂。

此外，由于血型实验过程中盛装样本和试剂的试管都是竖直放置在试管架上的装载孔内，故在加样机械臂在作业过程中应使加样针保持竖直的姿势，才更方便取样，而球坐标式机械臂和多关节式机械臂还需要对加样状态进行调整，因此并不适合用于本课题研究的全自动血型分析系统检测平台的自动加样系统。

由加样机械臂的功能要求可知，本文所研究的加样机械臂需要能够定位检测平台上的所有工作区，前两种坐标形式的机械臂都具有三个自由度，且结构组成比较简单、控制难度也较小，且都能够实现检测平台内所有反应区的定位。

但是我们经调研发现，在自