自动换瓶输液机的研制

周鹏程,周芃芃,张振炎,胡晓珍

（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江 舟山 316022）

0 引言

静脉输液是现代医疗手段中较为重要的工作之一，也是使病人康复的主要方式。大部分病人需要输液才可以康复，故看护病人输液是医护人员较为重要的工作。传统的输液过程操作较为复杂，且需要医护人员帮助才可完成换液换瓶工作，由于目前医院人员较为短缺，传统的输液方式不仅会占用仅有的医护人员大量的时间，而且一旦医院繁忙，可能会发生病人换液不及时的情况，使医院发生医疗事故[1-3]。为此，本研究设计一种输液自动换瓶机，使得输液过程中能够自动更换液体，当输液无法正常进行或者液体输完时可以发出警报提醒别人，并通知护士办公室，自动联系医护人员前来拔针或者解决问题。

1 自动换瓶输液机的总体结构

机器主要由输液瓶放置机构、托盘旋转机构、退针换瓶机构组成，如图1所示。

1.1 装置各机构的工作原理

本输液机设计为同时可以容纳4瓶输液瓶，采用盘式的形状，呈90°依次安置输液瓶。

图1 整体结构图

1.1.1 安装方式

仅需对医院现有立式输液架做打孔改造，即可直接安装本装置，如图2所示。

1.1.2 换瓶机构

换瓶动作由一个步进电动机直接执行，为了使得输液瓶安置在托盘上时的摩擦力较小，电动机与托盘之间加载了数枚轴承钢珠，如图3所示。

1.1.3 针头的拔插

图2 输液机安装示意图

图3 托盘示意图

针头的拔插动作由一个丝杠滑台机构与一个简易机械爪共同执行。如图4所示，通过丝杠滑台实现纵向运动，由伺服电动机提供动力，构成了一个闭环系统，从而保证运动的精确性。简易机械爪简图如图4所示，舵机1提供动力，两对连杆2、3实现张合动作，滑块4限定运动轨迹为横向运动，从而实现机械爪的开合。

如今市场上输液针管靠输液瓶一段均为国家标准尺寸，以该尺寸为基准，设计夹具，如图5所示。针头可以直接扣合在夹具上，夹具夹紧时，同时会夹紧针头。此时管内药液无法流通，针头也无法取出。

图4 机械手机构运动简图

1.2 工作流程

本输液机的输液瓶放置是由医护人员完成的，在开始输液至输液完成的这一过程，除非出现意外，否则全部由机器自动完成所有动作。

图5 夹具示意图

1.2.1 机器运行前准备工作

输液瓶安置后，设定瓶数，将针头安置在机械爪夹具上，并将输液管紧靠在夹具下方的液面检测器后，经检查无误后打开电源。

1.2.2 输液过程

整个输液过程是由闭环的控制系统进行控制，当液面检测器检测到输液瓶内液体流完时，信号反馈到控制系统，系统控制机械爪夹紧，之后，电动机驱动滑台，带动机械爪纵向下移直至针头从瓶内拔出。然后，电动机驱动输液瓶托盘旋转90°。最后，机械爪上升，将针头插入瓶内，夹具打开，药液流入输液管，开始第2瓶药液的输入。当液面检测器检测到输液管内液面长时间较低时，会发出警报提示医护人员前来诊断。同时发出蜂鸣提示病人。装置工作流程如图6所示。

1.2.3 输液结束过程

当设定的最后一瓶药液流尽时，输液机自动呼叫医护人员前来，为病人拔出静脉针头，回收输液管以及输液瓶。

2 自动换液机的控制系统设计

图6 工作流程图

图7 控制系统结构框图

2.1 控制系统简介

整个控制系统由Arduino单片机作为控制核心，控制单元由步进电动机驱动、舵机驱动、声光报警电路、无线传输电路、液体在位传感电路和电压调节电路6个部分组成。整个装置直接连入生活电源，不采用外加电池。其流程如图7所示。

2.2 控制系统工作过程

开启电源开关进行开机初始化后，将需要输入的药瓶放入装置中的倚挂处。在1～4按钮按下输液的瓶数，按下确认。一段时间后，装置开始运动，执行模块将针头插入药瓶瓶塞。在检测到针头插入后一段时间后，非接触式电容传感器开始监测输液管中药液并测速，同时将信号反馈给单片机，判断是否进行换液下一步操作。

2.3 液面检测原理

采用非接触式电容传感器检测输液管内液体有无并测速[4]。电容传感器可以灵敏地感知液位高低，在监测到低于指定液位，即液体输尽时，将会向单片机指定pin口发出一个低电平，触发中断，进而进行换液的操纵。电容传感器使用了先进的信号解决方案，避免了容器壁厚的影响，实现了对密闭容器内液位高度的真正非接触检测。

2.4 无线传输电路原理

无线传输电路使用Zigbee网络作为核心[3]。ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通讯技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。基于Zigbee网络在护士站点设置终端[6-12]，可以实时监测到输液点的情况，在遇到特殊情况可以立即得知并前去解决，大大提高输液的安全性。同时为了患者能实时联系到护士，装置也设计有主动报警按钮。

3 结语

本文研发的输液自动换瓶机，其构造简单，功能实用，可实现输液自动换瓶的功能，有较强的实用价值。目前，本装置在设计上还存在一些不足：如放置输液袋后固定无法解决，无法实现输液时药液的实时流速，单次输液瓶数较少等。下一步将研究解决上述问题，设计一种可以实现实时监控与自动换液的智能输液系统，以此改善医院输液现状。

[参 考 文 献]

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