自动化控制结合传感器反馈及检测技术在医疗器械研发及生产中的应用

摘要：随着全球科学技术的不断发展和进步，自动化技术及智能制造技术正在不断发展完善，逐渐得到人们的认可也在实践中不断应用，自动化生产在制造业中各个领域也开始崭露头角。各行各业都要逐步适应时代的要求，进入智能制造的时代。具体表现在自动化控制领域中，较大规模集成电路水平得到了显著提升。之所以集成电路运行质量水平大幅度提升，很大程度上是因为PLC技术在其中得到了广泛应用。PLC技术及单片机技术是一项新技术类型，它的研究应用将会为自动化控制带来积极的推动作用。所以，展开文中主题分析非常具有必要性。本文分析了医疗器械产品研发及制造中自动化控制及传感器技术应用的意义，并提出了具体的应用措施，阐述了自动化控制和传感器反馈及检测技术在未来生物医疗行业发展趋势，希望对促进我国生物医疗发展做出积极贡献。

关键词：自动化控制;传感器反馈技术;传感器检测技术;医疗器械研发;医疗产品生产;应用

随着我国自动化技术的迅速发展，各行各业对生产的现代化要求也与日俱增，生产的效率也逐步提升。电气工程及自动化控制的地位和作用越来越重要，工业自动化控制利用可编程控制器即PLC作为控制系统的中枢系统，通过上位机的组态编程和参数画面，来与PLC通信，通过程序控制中间继电器的线圈触点或各类弱电的电气元件，而中间继电器的常开常闭点则可接接触器的线圈，起到间接控制接触器、电机、各类加热元件和变频器的功能。而传感器的应用如同是给自动控制增加了，感官和触觉的功能。各种各样的传感器得到广泛的应用，如温度传感器，当温度达到设定值时系统会将触发信号反馈给控制系统，控制系统通过反馈信号来驱动接下来的逻辑控制;如压力传感器，当压力值到设定范围时，产生压力信号，反馈给PLC，PLC内部程序会进行下一步动作判断;如光电传感器，检查产品是否到达指定位置，通过传感器信号的有无来给控制系统信号，从而触发系统下一步程序动作。可以说传感器反馈的技术真正实现了从半自动化控制到自动化控制的转变，而传感器除了提供反馈信号，更升华一步来说就是传感器的检测技术，通过信号的放大，实现数字量与模拟量的转换，从我们生活中的各种模拟信号转变为电压电流信号，或者图像信号，实现高精度判断，高精度位置控制，高精度检测的功能。传感器技术与自动控制相结合，再加上检测判断最终实现了真正的无人化，自动化。在各类领域的大量应用及发展，自动生产线、自动分检线、物流自动化、AGV机器人领域、无人停车厂等等。在医疗器械领域也在逐步发展。各类自动控制器如PLC、单片机，各类仪表等。通过特定的逻辑程序，外加传感技术，实现医疗器械操作的简单高效，医护人员工作的快捷便利，患者治疗的便捷与舒适。国内医疗器械的研发也在不断的加快脚步，因为自动化控制技术及传感器技术的日趋成熟，实现了本来很难实现的各类医学试剂检测，血液成分的检测，细胞成像技术等。但是科技的进步要需要人才技術的不断提高，因为自动化控技术在研发和生产时直接关系到整个产品生产的稳定性、高效性、工艺的安全性。电气工程、自动化工程师应对所负责的工程项目的质量有高度的责任心，充分应用自己的专业水平深入、细致的搞

好自动化控制的技术、质量、进度、安全等管理工作。

1.医疗器械研发中自动化控制及传感器反馈技术应用的意义

如何在医疗器械研发中高效的应用自动化控制及传感技术，成为研发创新的关键问题。医疗器械产品在研发时的关键要素主要有四点：（1）操作便捷;（2）使用过程高效精准;（4）产品具有高稳定性高精度（3）安全可靠性。操作便捷是指在医疗器械产品在研发过程中，需要充分考虑到该产品在用户使用时的可操作性及操作便捷度，最好实现一键启动，过程中通过自动控制，传感器的检测反馈信号，最后自动停止。便捷的操作可大大提高操作人员的舒适度，操作人员在操作器械的同时也可以完成一些简单的其他工作，工作效率也逐步提高，也可不断降低操作过程中的失误。因为简单的单按钮或者单程序控制，无需做太多复杂的动作，减少操作繁琐度，设计更为人性化。使用过程的高效精准是指在医疗产品研发时要考虑到产品操作过程中的高效性与精准度，精准的了解客户的需求，及高效的完成工作，PLC是ms级的反应速度，能快速接收信号并反馈给控制机构执行下部动作，反应迅速。在研发过程中产品元器件的选型也是尤为重要，产品的控制要求，控制精度，及准确的判断更是研发过程中考虑的重要环节。产品具有高稳定性高精度是指一个新产品的研发必须要考虑到产品的稳定性，产品在使用过程中可能出现的意外情况及合理的应对措施，如在产品自动控制加热和降温过程中，由于温度变化由高温到低温会出现冷凝水所以在控制元件、传感器选型时要考虑外观的防水性，或者在控制中增加排风机构来增加产品的稳定性。高精度是指在产品研发过程中通过精密的控制程序或者精度高的传感器来实现高精度控制，减少控制误差，从而减少产品在研发后使用时出现误判断或者误动作的情况，给使用者造成损失，这也是产品研发过程中考虑的重要环节。安全可靠性是产品研发过程中的重中之重，自动控制及传感器都是需要电力驱动，都是电气元件，所有元件的安全性由为重要，在产品研发初期要进行多次老化试验，多次不断重复的操作找出自动控制程序中的漏洞或者误判程序，传感器的极限值及误差值，金属外壳及器械的漏电检查，要完全杜绝产品的安全隐患。安全性是生物医疗产品研发中的重点关注点。

2.自动化控制及传感器技术在医疗器械产品生产制造中的应用

2.1自动化传输线体在医疗器械产品制造中的应用

工业自动化发展的时间比较长，而且出现的时间比较早，工业产品的生产对其他因素考虑较少，只要实现控制要求即可，所以起步比较早。最具代表性的就是自动化传输线体，实现点对点的自动化运输控制，楼层间的产品运输，恶劣环境下的材料输送，在运输过程中，能够根据物品的种类以及自身特性进行分类运输，不仅能够对一些机械零部件进行运输，也可以对体积较大的重量型物品进行运输，采取现代化控制方式，能有效的对多级传送带进行科学控制，避免因出现控制失误而引起的不便。在医疗产品的生产中，有严格的生产环境要求，大部分是在无尘车间生产，对车间内的环境要求很高，换气次数和尘埃粒子数的管控也是相当严格，所以减少人员在生产过程中与产品的接触，可以很有效的减少产品受污染的风险。使用自动化控制原理，对上位机触摸屏机构进行编程，再对可编程控制器进行编程操作，让二者进行通讯连接，结合传输皮带、滚轮机构、变频器、电机，气动控制元件、光电传感器，及一些机械装置的配合最终实现单工序内部的传输机构，减少人员的来回走动，和频繁的领料操作，只需要在下料处安排人员对产品进行收集，再顺利进入下道工序即可。光电传感器的信号用来判断产品到达的有无，传感器的反馈信号让控制中枢知晓产品已到达，采取收料操作或者进入产品缓冲区，等待收料的操作。高精度的传输控制就会运用到步进电机、伺服电机，这样可以通过编程来准确控制电机启停位置，对一些位置精度要求高的产品或元件生产时会运用到。极大程度上减少人员消耗，提高操作便捷度。实现单工序的自动化传输后，要进一步提升自动化效果，则可对多道工序进行逻辑控制并传输，通过传感器技术与自动控制的结合，多次判断与信号转换，控制执行元器件如电机、升降系统，滑台系统等实现多道工序乃至整个产品线的自动化传输线体，让医疗器械产品的生产从多人工的劳动密集型到产线化的一个转变，减少人员频繁走动造成环境变化的风险;减少人员长时间接触产品而导致的产品污染的风险;大大提高了生产的效率，减少人工成本。

2.2机械手自动控制在医疗器械产品制造中的应用

自动传输线体的的实现，让医疗产品的生产有了大的发展，但是仅仅实现传输的功能，在减少人员方面的作用是有限的，于是在传输线之后的组装工序也逐步实现了自动化控制，应用较广泛的是机械手技术，各类机械手在产品生产中的得到广泛应用。上下料机移栽械手，通过夹爪机构、或吸盘机构对传输后的产品进行自动上下料操作，将产品放入下道工序传送带，或者直接放入下料托盘，真正意义上实现了无需人工操作，通过机械手控制系统与PLC的通讯协议，实现了PLC对机械手的控制。机械手抓取物品点位的控制，可以精准抓取和放料。完成工序间的相互转换，更大程度上提高了自动化控制的等级，向无人化的方向更近一步。除了上下料移载机械手，功能性机械手的运用也是相当广泛，机械手一般由多轴控制，如同人的关节可以多方向移动，X轴，Y轴，Z轴。在实现机械手上下左右移动的同时，对机械手的末端增加旋转或者裁切装置，即可实现机械手的开孔功能，裁切功能，拧瓶盖功能等，但这些功能的实现都需要配合传感器反馈技术，如定点切割，需要传感器精准确定切割位置，旋转开孔或者拧瓶盖需要传感器反馈上部旋转机构旋转的圈数。各类机械手的点位确定都是需要产生点位信号，光电传感器作为产生原点信号反馈给机械手。有些功能性机械手甚至可以直接用于医疗器械上，如康复机器人，通过各机械结构的前后逻辑控制，帮助患者实现术后康复，手臂功能的回复等，可

以说机械手的运用是自动控制的重要升级。

2.3传感器检测反馈技术在医疗器械产品制造中的应用

在医疗器械产品制造过程中，有些产品的生产和装配需要区分零部件的正反面，通过自动传输线体输送至指定位置，然后通过气动元件将产品推送到机械手抓取位置，但是机械手无法判断产品的正反面，所以裝配时就会出现误操作。为了解决这个问题，需要将自动化控制技术提升到新的高度，对传感器检测技术进行再升华，出现了视觉检测技术，通视觉定位，在视觉系统中建模编程，使用高精度相机抓拍产品到达位置时的照片，将照片与相机模型进行比对，判断出正反面及产品的具体位置，将信号传输给可编程控制器，相互结合实现对产品正反面及具体位置的判断。传感器及视觉检测技术如同是自动化控制技术的感官，通过视觉看到机械手需要抓取的位置，将自动控制引向一个新的高度，医疗器械生产时除了零件的装配用到视觉定位以外，成品的良否判断依然可以使用视觉检测，判断产品外观是否有异物或者缺失。将良品通过自动传输线体输送到下一道工序，对不良品进行记录并分拣处理进入不良品区。减少人为的判断，因为人工长时间工作，会产生疲劳度。人工检测容易受到的主观因素的影响，而视觉检测就杜绝了这种状况，做好自动化生产设备的维护及易耗品的更换，定期的检测测试就可以保证产品的稳定性。传感器检测技术视觉检测技术下的自动化生产，避免了人工高强度的工作情况，体现出了高效，及无人化的趋势。

3.自动控制及传感器技术在医疗器械核心部件研发中的发展趋势3.1.医疗器械的核心技术逐渐向高精度传感器技术方向偏移

医疗器械产品中很多创新产品的研发都在逐渐寻找突破口，自动化控制技术已经日趋成熟，但是有些医疗仪器还是以国外进口为主。探索其中原因，更大程度上是因为国外的传感器技术水平较高，医疗器械的主要核心部件已不是自动控制模块或者程序代码，已经对高精尖的传感器提出要求，检测范围，对颜色的感光度，对容差的区分范围，这些都是之前产品研发中没有注意的细节。通过对传感器技术的不断深入，配合自动控制已逐渐在血液成分制备领域取得一定成果，中国制造已经逐步进入全球化的大家庭。

3.2加强技术开发

传感器技术的飞速发展，各国争相开发高新技术目前以科学技术与信息理论的的限制，在我国传感器技术较发达国家相比仍处于相对落后的趋势，这就要求传感器技术开发人员加强对现有传感器技术的研究，以满足产品原有的性能扩大行业技术研究的深度和有效的技术，以市场需求为导向，满足我国经济发展的同时，促进传感器技术的发展。

4结论

在自动化控制领域中，其能够运用各式各样的自动控制装置以监控、反馈系统，对电气系统进行控制管理.电气工程自动化技术在医疗器械研发及生产领域的运用将越来越多，越来越广，未来电气自动化技术运用将会更加完善及智能。

参考文献：

[1]黄红玉通信电源技术2020年第8期129-131页

[2]王化祥，张淑英传感器原理及应用[M]2004年

[3]仇亚红电子测试2020年第19期114-115页

作者简介：王健，男，江苏镇江，汉族，1989年12月1日，大学本科，自动化控制方向，助理工程师。