全自动智能取料试管贴标机研制

(石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043)

随着大众健康意识的不断提升与人口老龄化的冲击，医疗卫生系统的工作负荷愈发沉重，提高医护工作者的工作效率势在必行。传统的医疗机构采用人工方式对真空采血管进行贴标，该方式易造成采血管的二次污染，且人工方式效率低下。受操作者主观因素的影响，贴标过程无法实现标准化操作，不利于之后机器对标签内容的识别，造成漏读或误读的医疗事故。现有的几款自动试管分拣与贴标机体积较大、结构复杂，不利于安装和使用，而且不能联网，缺乏与现代化LIS的信息交互，同时不具备试管分类分拣功能，只是半自动贴标机[1-8]。本着实用性、高精度、高效性、低成本、可扩充等原则进行设计，采用单片机和上位机的共同控制，并结合对机械手和步进电机智能运动轨迹的优化算法和医院先进的LIS系统，设计了一种可以快速将病人的个人信息准确无误地贴到试管上，而且可以提高贴签的效率和准确性的全自动贴签机。贴签机的应用可使化验室医务人员便捷地进行试管贴标工作，且方便医院进行病人档案管理。

1 工作原理

全自动试管贴标机的主要功能，是先通过扫码仪采集需做检查的病人的代码，上位机再利用代码向医院LIS系统发出该病人信息的请求，获得所需患者的相关信息及检验项目，提取需要打印出来的信息并生成条码，再把这些信息传送到ARM与设定好的标签打印模板生成标签，然后控制条码打印机打印标签，配合机械结构实现将标签平整贴到试管上的工作。同时在机械单元上的若干个光感、限位及接近开关能够实时给ARM反馈贴签的动作状态，从而更精确地实现控制，也使整个设备具有自我检测、报障及自我故障处理的功能，真正实现智能化。ARM将通过报文将工作状态反馈给上位机，完成后上位机给LIS系统中标本进行标记，整个自动试管贴标机系统的控制命令传递、工作实现、状态信息反馈完成。原理如图1所示。

图1 原理图

2 机械结构设计

以ARM为控制核心的机械结构如图2、图3所示。

图2 试验机

图3 整体结构分布图

2.1 多功能试管仓结构设计

多功能料仓由8个排料仓组成，可以放置8种常用的化验试管，各个仓宽度为国标试管管体直径Φ12，而试管帽直径大于Φ12，则能够架在仓体上，仓体采用45°倾斜角放置，保证试管可以利用自身重力滑落到仓体下端，配合机械手进行夹取。同时可以在同样的空间中放置更多的试管，下方空间还可以安置控制电路。在每个料仓下端安装光感，实现实时监测仓内试管数量和取料判断功能。

2.2 十字滑台结构设计

十字滑台主要配合机械手实现在X、Y两个轴向的移动，每个轴向上由一个步进电机控制，使机械手能够精准到达所需试管的料仓位置进行抓取及运送到贴标机构处。机械手位置准确与否直接影响取料、送料的可靠性，步进电机生产成本低，方便维修，结构少，排除累计误差，可有效带动负载惯量。如果为非超载状态，可以在该表脉冲数、信号频率之后实现停止位置、转速的控制。例如，如果脉冲信号数量为1，则步距角也将为1。

2.3 机械手结构设计

机械手负责对试管的抓取和释放两个动作，主要由一片电磁铁构成。电磁铁采用功率15 W最大吸合力20 N的较大型号，考虑到试管仓试管间的挤压力保证能够可靠取料。电磁铁1通电吸合两侧铁片，机械手抓紧，断电则松开。

图4 旋转贴标结构图

2.4 旋转贴标结构设计

三辊旋转贴标机构主要由1个步进电机带动的2个主辊和另一个电机带动只具有压紧功能的从动压辊组成，见图4。主辊电机是齿轮轴，方便用皮带带动2个主辊旋转，而压辊电机使用丝杠轴，让压辊固定件可以带动压辊横向运动，实现压紧动作。金属辊外包裹一层尼龙，尼龙本身硬度适中且具有一定弹性，可保证辊与试管贴合紧密。当试管移动到旋转机构中心时，压辊横向运动，使三辊压紧试管，从而通过主辊旋转带动试管和压辊旋转。为了保证压辊压在试管上的受力均衡，使用两个同型号的电机安装在压辊固定件的上半段和下半段，也使压辊前后运动更可靠。

2.5 打印机结构设计

打印机采用热敏标签打印机，打印清晰,速度快，热敏头寿命长，更换便签纸也很方便。这种打印机可编程，自带指令集支持ARM直接发送报文控制动作和打印内容。打印机有自剥离托附纸及回收的功能，利用30 mm×50 mm便签纸自带的挺度，可以使其自然平整地送到压辊和试管之间缝隙，旋转机构旋转时尼龙材质有弹性的压辊可以轻松将标签纸卷到试管壁上，完成贴标工作。

2.6 出料结构设计

出料机构由1推拉式电磁铁和试管托片2组成，电磁铁一端与托片相连接，实现托片的伸缩动作，见图5、图6。电磁铁采用12 V最大吸合力42N型号，保证动作的快速性。但较大的电磁铁在动作的瞬间将产生电磁干扰，扰乱其它并行动作，所以需要对电路板和线路进行必要的电磁隔离。电磁铁不通电时托片处于伸出状态，此时试管帽可以架在托片上，试管可以处在选装机构中间进行操作。当电磁铁通电托片收缩，同时压辊拉开，试管可以凭自身重力下落到正下方的出料口。

图5 出料机构试验机

图6 出料结构俯视图

3 控制系统设计

试管自动贴标系统的主要功能，是将从LIS获得的患者相关信息及检验项目打印到试管标签上并通过相应的机械动作结构自动将标签粘贴到管壁上。除与LIS进行交互的上位机控制软件外，整个贴标系统还包括以ARM为主控制芯片的打印贴标控制系统以及以步进电动机为主要执行机构的机械动作单元，系统结构如图7所示。

图7 系统框图

要实现试管标签的自动打印粘贴，首先需要分析标签粘贴动作控制流程。整个系统的控制动作可分解为：(1)上位机通过扫码器获取需要化验病人的个人档案条形码，向医院LIS系统请求病人的化验项目；(2)LIS数据库系统将患者相关信息及检验项目回传给上位机，由上位机提取需要打印出来的信息并生成条码；(3)把上位机的信息传送到下位机通过ARM生成设定好的标签打印模板；(4)接收到报文的ARM选择试管种类，对十字滑台进行控制，调整安装在其上面的机械手位置，保证在对应试管仓的正上方；(5)夹取试管仓最下端试管的试管帽位置；(6)控制滑台提起试管并移动到托片处松开，使试管悬挂在旋转贴标机构中心位置；(7)待试管放入后夹紧试管，使其紧贴转动轴轮，让试管能在电动机的带动下旋转；(8)热敏打印机将相关信息打印至标签上，标签在试管的转动牵引下自动粘贴到试管上；(9)拉开托片电磁铁，让试管可以自动跌落至出料抽屉中，贴标动作完成。

在机械单元上的若干个光感、限位及接近开关能够实时给ARM反馈贴签的每一个动作状态，保证每个环节准确到位、安全可靠，从而更精确地实现控制，同时使整个设备具有自我检测、报障及自我故障处理的功能，真正实现智能化[9-15]。ARM将通过报文将工作状态反馈给上位机，上位机根据贴标的完成情况给LIS系统中标本进行标记，整个自动试管贴标机系统的控制命令传递、工作实现、状态信息反馈完成。

图8 主电路拓扑图

3.1 主控制电路

主控芯片采用STM32F407ZGT6。较之STM32F1/F2等Cortex-M3产品及51产品，STM32F4最大的优势，就是STM32F4的主频提高了很多，达到168 MHz，在控制电机时最多需要对4路电机控制电路发送脉冲信号，为了保证不丢失脉冲和电机的速度，这就需要高主频控制器。同时试管贴标机需要的I/O口较多，其具有多达140个具有中断功能的I/O端口，高达136个快速I/O，最高84 MHz高达138个可耐5 V的I/O。考虑到需要与上位机通讯及后期通讯模块拓展，F4具有多达15个通信接口(3个I2C、4个USART/4个UART、3 个 SPI、2 个 CAN)。图8为贴标机主电路拓扑图。

作为开环控件的步进电机，限制了单片机对动作结构位置的获取。要实现可视化、安全的打印贴标操作，应当保证以闭环控制法进行动作。设计ARM系统时，要注意反馈电路设计[16-21]。本课题选择EE-SH3系光电传感器安装在十字滑台位置方案，以实现检测反馈。透过型光电传感器则为EE-SH3系，可以感应金属，能够起到十字滑台X、Y向电机限位及定位作用。当发光二极管与光敏三极管之间处于开放状态时，将导通光敏三极管。光敏三极管、发光二级管在机械结构位置处于特定情况时将出现停止工作的情况，而这主要是由于档片遮挡的缘故[22-23]。在机械动作元件位置数据获取上，主要由反馈电路发送位置信息，为打印过程提供闭环控制。

3.2 步进电机驱动电路

控制电路中最重要的一部分就是通过脉冲控制步进电机的速度，搭配方向信号端和使能信号端，就能实现试管贴标机的机械动作。试管贴标机是精密的理疗设备，对动作的精度很高，需要多个动作协调配合完成。在机械自动贴标方面，由步进电机完成控制，实现定位的精准化。此次选择东芝企业的TB6560芯片作为ARM系统驱动核心，具有高集成、低耗能的特点。其基本特性为：可提供整步、1/2、1/8、1/16等操控形式；可过流保护；设置温度保护装置，在超过150 ℃温度时，输出断开；40 V的最高耐压，3.5 V的最大单相输出电流；双全桥MOSFET驱动内置。图9展示了此次设计的TB6560步进电机电路结构，共有3个主要电路结构，即自动半流、信号隔离、主电路。

图9 步进电机控制电路图

在控制时，会发出CLK、CW、EN信号，各信号代表不同的动作命令。例如，若要实现使能控制，则对EN端信号使能；若要对电机转向进行控制，则对CW信号端置0或1；若要进行速度、转角控制，则对CLK信号端发脉冲数。信号控制端均须用光耦隔离后再与芯片连接。利用光耦的意义有：第一，整形控制信号；第二，保护接口板电路，降低电机干扰度。不同速度光耦隔离信号类型有差异。如中高速光耦对应CLK、CW信号，这样不仅能够信号耦合，也可阻止畸变、滞后现象的发生，使脉冲频率、驱动板间更加融合。在本课题，CLK、CW的隔离由6N137高速光耦完成(1片)，并得到10 MHz的信号传速；CW、EN信号的隔离由4N35、817C普通光耦完成(1片)。

VMA、VMB为步进电机驱动电源引脚接24 V，电压范围为4.5～40 V，较高的电压可增大电机在高频范围转矩的输出。电机2相输出接口包括OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM，接两相四线制步进电机的A+、A-、B+、B-。电机A、B相电流极大值可按照IOUT(A)=0.5(V)/RNF(Ω)式计算，定义引脚有NFA、NFB，接三组电阻调节驱动电流，为了使电机能够在不同的工作要求下发挥最大输出能力，同时保证电机在正常的温升范围内工作。

在设计VDD为5 V的逻辑控制电路时，应接入旁路电容、去耦电容，以实现噪声减少。过流保护、工作状态显示灯分别是PROTECT、MO；芯片复位脚是RESET，低电平有效；斩波器频率与RESET电容值密切相关，以100～1 000 pF、且取400 Hz～44 kHz频率为佳。利用M1、M2，能够实现1/2、1/8、1/16、整部等细分类型，是“细分设置”引脚。在低频状态下，步进电机剧烈振动，制造高分贝噪音，应当通过细分调节避免。在贴标情况下，电机基本都工作在快速、高频的模式下，整步可以满足控制精度要求，故设定M1、M2为0、0的整步状态。

在细分之后，步进电机内部动作将会出现微小的变化。首先，直接调节励磁绕组电流；其次，影响合成磁场，得到圆形旋转的均匀磁场；第三，步距角实现细分。若条件正常，那么旋转力矩幅值直接同合成磁场矢量大小有关；步距角值同相邻合成磁场矢量夹角有关。在电流衰减幅值操控上，由DCY1、DCY2的值组合完成，如0、25%、50%、100%等模式。步进电机的高频噪声同脉冲频率、供电稳定性、自身工况等要素息息相关。而直接通过DCY1、DCY2的设置是能够对噪声分贝进行调控的。在总结42电机试验数据之后，模式选定为0%不衰减。

长时间的电机运行会产生热量，如果通过TQ1和TQ2引脚确定最大电流输出的工作状态，且在停止运行期间确定为0电流状态，这对电机降温有帮助。根据前文得知，输出电流的最大值由NFA、NFB设置，输出电流的比例设置由TQ1和TQ2完成。在00、01、10、11状态下，同电流最大值相比，电流输出值占比是100%、75%、50%、25%。在直接对驱动电流值进行调节后，输出扭矩会随之而变。以74CH123芯片实现自动半流电路的设计，使电流保持单稳态，并能够重复触发。触发单稳态电路时，由CLK实现。TQ2引脚同该类型电路反向传输相连之后，TQ2将在驱动脉冲消失时电平为高，保持时电路为低。单稳态电路在反向输出时接TQ2引脚，TQ2保持低电平对应电机驱动持续发脉冲，高电平对应无驱动脉冲。

4 系统程序设计

4.1 主控程序设计

ARM的程序采用分层化结构，最底层为各个动作元件的独立动作，中层是初始化、取料、移料、放料、旋转贴标、出料的机械结构单元动作，上层是正向和反向的整体流程。这样就实现了分层可控原则，再加入MODBUS通讯程序，根据设定好的报文结构和内容，可与上位机进行控制命令和故障的信息交互，方便上位机对ARM控制的各个机械结构进行调试和实时监控，如图10所示。同时，上位机从LIS系统获得的病人化验信息传递给ARM，生成对应的检验项目标签，实现试管贴标机的联网功能。

图10 ARM程序拓扑图

下位机程序刚开始需要光感、限位配合各个机械部分进行复位初始化，定位后根据上位机发送的病人检验信息选择对应的试管进行贴标。每次在抓取试管前，ARM通过光感检测对应试管仓是否有料，无料则向上位机发送带有故障号的报文并等待加料。十字滑台将试管送到旋转贴标机构后，是否需要复位到初始的位置取决于同一病人是否还有其它血样检查。如果有则以旋转贴标上方位置为基准，进行反向初始化和反向取料；没有则返回初始位置等待下一个病人，如图11所示。这样避免了每次都回到初始位置而浪费时间，实现了贴标机智能化抓取过程，提高了整体工作效率。

检测试管贴标机的故障，采用在程序内部加入动作定时，即每个步骤完成的时间与正常工作完成的时间进行比较，超过加入裕度的正常时间时，试管贴标机停止工作并上报对应动作故障的报文，使每个动作环节在程序上进行监测，避免机械结构的损坏。

由于十字滑台动作件速度较快，有可能与安装在两端的光感碰撞，造成光感损坏。为了方便更换光感组件，在程序中加入反向定位程序，即让电机从故障光感反向的正常光感位置，工作设定的最长运动距离脉冲数，达到需要更换光感的准确位置。大大提高了后期的维修效率。

图11 主控制程序流程图

4.2 步进电机程序设计

由于采用了TB6560芯片作为步进电动机驱动芯片，ARM程序只需要对脉冲CLK、方向CW、使能EN控制和多个步进电机协调动作，就能让机械结构按照程序流程动作，简化了编程环节。I/O口的高低电平切换配合延时，就能产生脉冲输出。由于TB6560内部的脉冲分配电路，在改变电机工作方向时，只要改变CW引脚的值，就能使励磁绕组上的脉冲信号改变换相顺序逻辑。步进脉冲是通过软件延时实现的，根据所需的速度和移动距离设定各个电机的脉冲数，步进脉冲频率、速度的计算公式为

(1)

(2)

5 样机试验

在自动试管贴标机重复性实验过程中，采用医院常用的直径Φ12 mm～Φ13 mm、长度50～100 mm规格真空采血试管，能够兼容现有检验系统标签内容，兼容条码格式有Code39、Code128、EAN128、EAN8/13、Codabar、Int2/5、UPCA/E，试管仓存放8种试管，每仓30支，整机容量240支。整体流程速度可以达到小于4 s/支。整机外形尺寸为600 mm×580 mm×580 mm(长×宽×高)，体积较小，便于放置在化验室。贴标位置错误率和整体系统运行错误率均低于1‰。

为了更直观地看到自动试管贴标机的工作效率，采用100个试管手工和机器对比，从扫描器扫描病人信息开始计时，手工过程包括点击打印机工作按钮和贴标签2个步骤，而试管贴标机根据接收到的报文组织标签内容并控制相关结构工作。结果如表1所示。

表1 对比试验结果

试验结果表明，自动试管贴标机整体结构合理，能实现高效、准确贴标，且自动化程度高，可流水线模式工作，操作方便，所贴标签工整、美观、卫生。

6 结论

全自动试管贴标机拥有独创的5部一体机械结构，配合合理可靠的排布，既保证了组合动作路径的高效性，又减小了整体的体积。简单易操作的上位机管理软件，能够准确采集LIS系统的患者信息，取代了手动查询的时间，也避免了因选择化验信息错误导致的医疗事故。以ARM为控制核心配合稳定的步进电机控制电路和传感器的硬件策略，实现了对整体动作单元的闭环控制和并行控制，保证每一个动作的可靠高效。运行路径优化算法及自检程序，能够快速可靠地实现试管贴标动作，再通过MODBUS通讯协议，实时反馈运行状况及故障情况，达到快速排除故障、减少病人等待时间的要求。可靠的机械结构搭配优化的控制逻辑，使标签工整、牢靠、快速地贴在试管的指定位置上，避免了传统方法产生的错误问题和卫生问题。联网实现的信息实时共享也必将是今后现代化系统发展的趋势，而医院的各个设备通过LIS系统间接实现了一体化连接，也给自动试管贴标机更多的发展前景。