论文部分内容阅读
摘 要：为解决现在医院化验室采血试管使用手工贴标签方式效率低、易出错、不美观问题，研究了一种高效、贴标精准、出错率极低的全自动贴标机。利用上位机和ARM联合控制，通过连接医院LIS系统，可以即时同步需要做检查病人的信息，自动选取打印内容和化验的试管种类;通过ARM对旋转机构和打印时间的精准控制，使每一个带有病人信息的标签都可以平整地贴在Φ12mm试管指定位置上。设备从接收到贴标命令到完成动作出料只需4s/支，是手工速度的7倍以上。全自动试管贴标机保证了贴标内容的准确无误，同时大大提高了贴标工作效率。
关键词：ARM;LIS;贴标机;试管;自动化;步进电机;优化算法
引言：
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[1]。现有的几款自动试管分拣与贴标机无法满足大众日益提升的需求。本着实用性、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，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[2]。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。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
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[3]。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。
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15W最大吸合力20N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。
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。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30mm×50mm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壓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
出料机构由推拉式电磁铁和试管托片组成，电磁铁一端与托片相连接，实现托片的伸缩动作。电磁铁采用12V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。
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
（接40页）
（转41页）
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2所示。
图2 系统框图
4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Φ12mm～Φ13mm、长度50～100mm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4s/支。整机外形尺寸为600mm×580mm×580mm（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。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。
表1 对比试验结果
结束语：
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。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。
参考文献：
[1]钟璞，管俊洛，田炳彬，袁伟.全自动扫码贴标一体机设计和实践[J].设备管理与维修，2017（07）：61-62.
[2]程瑞，张秀艳，薄涛，刘海.平面贴标机的设计[J].价值工程，2017，36（17）：110-111.
[3]才华，刘树军，李轲冉.自动上下料试管贴标机的设计与研究[J].科技展望，2016，26（24）：138-139.
关键词：ARM;LIS;贴标机;试管;自动化;步进电机;优化算法
引言：
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[1]。现有的几款自动试管分拣与贴标机无法满足大众日益提升的需求。本着实用性、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，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[2]。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。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
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[3]。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。
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15W最大吸合力20N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。
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。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30mm×50mm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壓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
出料机构由推拉式电磁铁和试管托片组成，电磁铁一端与托片相连接，实现托片的伸缩动作。电磁铁采用12V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。
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
（接40页）
（转41页）
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2所示。
图2 系统框图
4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Φ12mm～Φ13mm、长度50～100mm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4s/支。整机外形尺寸为600mm×580mm×580mm（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。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。
表1 对比试验结果
结束语：
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。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。
参考文献：
[1]钟璞，管俊洛，田炳彬，袁伟.全自动扫码贴标一体机设计和实践[J].设备管理与维修，2017（07）：61-62.
[2]程瑞，张秀艳，薄涛，刘海.平面贴标机的设计[J].价值工程，2017，36（17）：110-111.
[3]才华，刘树军，李轲冉.自动上下料试管贴标机的设计与研究[J].科技展望，2016，26（24）：138-139.