劉鎮(zhèn)武， 尚志武， 黃炎彬

(1.天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2. 天津市一瑞生物工程有限公司，天津 300000)

全自動(dòng)生化進(jìn)樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉鎮(zhèn)武1， 尚志武1， 黃炎彬2

(1.天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2. 天津市一瑞生物工程有限公司，天津 300000)

醫(yī)療檢測(cè)過(guò)程中，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法效率低、主觀誤差大、成本高.針對(duì)人工檢測(cè)的缺陷以及生化分析系統(tǒng)高精度、小型化的需求，自主研發(fā)了一種全自動(dòng)生化進(jìn)樣系統(tǒng).該系統(tǒng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上兼具移液和取退吸頭的功能，在控制方法上優(yōu)化了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制算法.首先，為滿足自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和以STM32控制芯片為核心的控制系統(tǒng)；其次，通過(guò)論證步進(jìn)電機(jī)的控制算法，決定采用S型曲線控制算法，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)，從而提高了系統(tǒng)的控制精度和速度；最后，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，得到了系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償曲線和校正方法.結(jié)果表明改進(jìn)后的系統(tǒng)擁有更高的進(jìn)樣精度，滿足了更廣泛的實(shí)際需求，對(duì)醫(yī)療器械的研發(fā)具有指導(dǎo)意義.

生化分析儀； 進(jìn)樣系統(tǒng)； STM32； S型曲線； 誤差補(bǔ)償

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)健康的重視和疾病的預(yù)防程度也在增加.生化檢驗(yàn)已經(jīng)成為檢測(cè)和預(yù)防人類(lèi)疾病的重要手段，其通過(guò)對(duì)病人的血液或尿液進(jìn)行相關(guān)物質(zhì)含量的檢測(cè)，準(zhǔn)確快速地為醫(yī)師提供相應(yīng)的病理指標(biāo)，用以預(yù)防諸如乙肝、心肌梗死、HIV、SARS等危險(xiǎn)病癥.

全自動(dòng)微量移液系統(tǒng)作為全自動(dòng)酶免分析儀前處理系統(tǒng)的重要功能模塊[1]，在加快反應(yīng)速度、降低成本、增大實(shí)驗(yàn)數(shù)量等方面具有十分重要的作用，一直以來(lái)都是全自動(dòng)酶免分析儀的關(guān)鍵技術(shù)之一[2].而人工手動(dòng)檢測(cè)已在效率、主觀誤差和成本控制上逐見(jiàn)弊端，如何實(shí)現(xiàn)高精度、多功能的自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)已成為新型生化分析儀的發(fā)展方向.并且多數(shù)生化分析儀都需要通過(guò)移液來(lái)完成相關(guān)的生化反應(yīng)，為了避免反應(yīng)液懸掛內(nèi)壁影響下次反應(yīng)，往往通過(guò)更換吸頭來(lái)進(jìn)行不同的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，為此本文在手動(dòng)移液器原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)生化進(jìn)樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)的吸排功能而且兼具取退吸頭的功能；此外，還對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制算法進(jìn)行了論證和優(yōu)化，并使用高速微控制芯片STM32作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心；最后，利用整個(gè)設(shè)備進(jìn)行采樣實(shí)驗(yàn)，分析誤差的來(lái)源并進(jìn)行誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的高效和高精度.

1 進(jìn)樣系統(tǒng)工作流程

全自動(dòng)生化進(jìn)樣系統(tǒng)采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103控制芯片作為系統(tǒng)的控制單元和數(shù)據(jù)處理的核心，并提供多個(gè)接口便于其他輔助器件的接入.為了提高可移植性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法上都采用了模塊化設(shè)計(jì)，以便于完成不同的目標(biāo)任務(wù).整個(gè)進(jìn)樣系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)上圍繞移液器展開(kāi)設(shè)計(jì)，在保證密封性的前提下增加了取退吸頭的功能；控制系統(tǒng)中，通過(guò)檢測(cè)光電傳感器和微動(dòng)開(kāi)關(guān)的信號(hào)判斷所處的工作狀態(tài)，并控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)吸排和取退吸頭功能，其中光電傳感器主要對(duì)目前的工作狀態(tài)進(jìn)行反饋，限位開(kāi)關(guān)則對(duì)系統(tǒng)的安全狀態(tài)和吸頭的存在狀態(tài)進(jìn)行反饋.全自動(dòng)生化進(jìn)樣系統(tǒng)工作流程如圖1所示.

圖1 全自動(dòng)生化進(jìn)樣系統(tǒng)工作流程Fig.1 Working flow of automatic biochemical sampling system

2 進(jìn)樣系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)及其工作原理

進(jìn)樣系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)由進(jìn)樣器、取退吸頭模塊和動(dòng)力模塊組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了樣品的精確提取、移動(dòng)、注入以及吸頭的取退等功能，其中動(dòng)力模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣系統(tǒng)自動(dòng)化功能.由于該系統(tǒng)兼具取退吸頭功能，其在豎直方向上的行程較大，大行程的直線電機(jī)容易造成空間上的浪費(fèi)，所以采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠副的方式實(shí)現(xiàn)豎直方向的移動(dòng).其中基板作為拓展板，可在基板上增加橫向滑軌實(shí)現(xiàn)移液系統(tǒng)的左右移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)多通道檢測(cè).在基板上裝有光電開(kāi)關(guān)，可檢測(cè)從提拉板伸出的觸片，從而檢測(cè)進(jìn)樣針活塞桿的伸出長(zhǎng)度，以此標(biāo)定系統(tǒng)運(yùn)行的工作狀態(tài)和初始化位置.在基板上側(cè)和下側(cè)安裝限位開(kāi)關(guān)防止電機(jī)過(guò)沖或者控制失效等意外的出現(xiàn).

1—進(jìn)樣器腔體；2—V槽壓板；3—柱塞桿；4—提拉固定板；5—限位開(kāi)關(guān)；6—同步輪；7—同步帶；8—步進(jìn)電機(jī)；9—直線軸承；10—光軸；11—基座；12—密封板上；13—密封板下；14—移動(dòng)板；15—吸頭安裝柱；16—退吸頭蓋；17—吸頭.圖2 全自動(dòng)生化進(jìn)樣系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Mechanical structure diagram of automatic biochimical sampling system

進(jìn)樣系統(tǒng)的核心是進(jìn)樣器，進(jìn)樣器代替手持移液器的吸排腔體，其密封性能的好壞直接影響取樣精度.傳統(tǒng)進(jìn)樣設(shè)備往往是自己加工一個(gè)柱塞泵，然后使用密封圈對(duì)腔體和柱塞進(jìn)行密封，但是這種方案在實(shí)際應(yīng)用中受到加工精度和可移植性的影響，往往不容易實(shí)現(xiàn)，所以本文進(jìn)樣系統(tǒng)在進(jìn)樣器結(jié)構(gòu)上采用國(guó)內(nèi)精密進(jìn)樣器配合定制夾具的方案，實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣系統(tǒng)的吸排功能，這樣既保證了加工泵體的密封精度，也降低了生產(chǎn)成本.本次實(shí)驗(yàn)采用的是上海高鴿工貿(mào)500 μL進(jìn)樣器.

大部分國(guó)內(nèi)的生化分析儀在檢測(cè)過(guò)程中需進(jìn)行多次混合反應(yīng)，為了避免殘留腔體內(nèi)壁的余液影響反應(yīng)，往往用移液吸頭吸排移液，并在反應(yīng)結(jié)束后更換移液吸頭保證下次反應(yīng)的可靠性，為此需在進(jìn)樣器頭部安裝取吸頭和退吸頭的結(jié)構(gòu)，并用O形密封圈密封，具體結(jié)構(gòu)如圖3.

1—吸頭；2—安裝柱；3—退吸頭蓋；4—退吸頭內(nèi)蓋；5—限位開(kāi)關(guān)；6—O形密封圈；7—進(jìn)樣器連接座；8—密封圈.圖3 進(jìn)樣器頭部機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of injector head mechanism

該進(jìn)樣系統(tǒng)兼具自動(dòng)取、退吸頭的功能，真正意義上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化.吸頭安裝柱與吸頭通過(guò)靜摩擦安裝，退吸頭頂蓋在吸頭被插上時(shí)會(huì)觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)并反饋開(kāi)關(guān)量給MCU，表明吸頭已經(jīng)取好.退吸頭時(shí)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)升降移動(dòng)板，從而下壓退吸頭頂蓋將吸頭退去.在退吸頭頂蓋與移動(dòng)板之間安放有壓縮彈簧，防止退吸頭頂蓋與移動(dòng)板內(nèi)壁接觸卡死.

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)分為對(duì)吸排過(guò)程的控制和對(duì)取退吸頭過(guò)程的控制.其控制原理如下：工作開(kāi)始時(shí)，進(jìn)樣系統(tǒng)在豎直方向上移動(dòng)，當(dāng)吸頭限位開(kāi)關(guān)有信號(hào)傳來(lái)時(shí)完成取吸頭動(dòng)作；柱塞桿在步進(jìn)電機(jī)的控制下尋找初始位置，然后通過(guò)設(shè)定的吸排量向上提拉柱塞桿完成吸液動(dòng)作；柱塞桿向下推動(dòng)越過(guò)光電開(kāi)關(guān)1完成排液動(dòng)作；回到初始化位置等待退吸頭命令，退吸頭板向下推動(dòng)至吸頭限位開(kāi)關(guān)無(wú)信號(hào)產(chǎn)生，完成退吸頭動(dòng)作；回到初始化位置.進(jìn)樣器的活塞拉桿行程作用示意圖如圖4所示，其中光電開(kāi)關(guān)1處為初始化位置，也是吸排動(dòng)作的原點(diǎn)，光電開(kāi)關(guān)1至光電開(kāi)關(guān)2的區(qū)間為吸排區(qū)間，光電開(kāi)關(guān)1至下極限位區(qū)間是取退吸頭區(qū)間，所以在進(jìn)樣器的1個(gè)提拉行程中就實(shí)現(xiàn)了全部功能.

圖4 控制系統(tǒng)的全行程功能示意圖Fig.4 Schematic diagram of full stroke function of the control system

控制系統(tǒng)采用STM32F103控制芯片[3]，其工作頻率為72 MHz，有豐富的增強(qiáng)I/O端口和8個(gè)16位定時(shí)器，其適用于很多場(chǎng)合：醫(yī)療生化檢測(cè)設(shè)備、工業(yè)精密儀器、可編程控制器、3D打印機(jī)和掃描儀等.為此將STM32應(yīng)用在進(jìn)樣系統(tǒng)中，不僅提高了控制精度和處理速度，也為整個(gè)生化分析系統(tǒng)的其他部件提供了更為方便高效的控制接口.

3.1 步進(jìn)電機(jī)的控制

經(jīng)測(cè)量，進(jìn)樣器柱塞桿的提拉力也就是最大靜摩擦力為6～7 N，退吸頭的最大靜摩擦力為2～3 N，為減小安裝空間，選取絲杠直徑為10 mm、導(dǎo)程為2 mm的T型絲杠，柱塞桿的可用行程為60 mm，所以絲杠的長(zhǎng)度選取75 mm.同步輪的減速比為2∶1，經(jīng)計(jì)算啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0.028 N·m，選取17HS3001雙極性混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，額定電流為1.67 A，其最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到0.370 N·m，其矩頻特性曲線如圖5.

圖5 步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線Fig.5 Frequency torque characteristic curve of stepping motor

步進(jìn)電機(jī)是整個(gè)進(jìn)樣系統(tǒng)的動(dòng)力核心，其控制精度直接關(guān)系著整個(gè)進(jìn)樣系統(tǒng)的吸排精度，所以整個(gè)控制系統(tǒng)是圍繞步進(jìn)電機(jī)的控制和傳感器反饋信號(hào)的處理展開(kāi)的.由于STM32控制器I/O端口輸出的高電壓為3.3 V，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，所以需要通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，其兼具細(xì)分功能，增強(qiáng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命[4-5].

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用的DRV8825芯片可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)兩相四線的步進(jìn)電機(jī)，輸入電壓為8～45 V，最大電流為1.7 A，通過(guò)PWM輸入來(lái)驅(qū)動(dòng).通過(guò)引腳的MODE0/MODE1/MODE2來(lái)配置從1到32的細(xì)分模式[6].其中STM32的PWM輸出連接STEP，ENBL連接使能端口，低電平有效，DIR連接方向端口，RESET為復(fù)位端口，低電平有效.DRV8825的電路連接圖如圖6所示.

圖6 DRV8825接線示意圖Fig.6 DRV8825 wiring diagram

3.2 加減速算法

由于進(jìn)樣系統(tǒng)的吸排量和取退吸頭都是由步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制，所以步進(jìn)電機(jī)起停轉(zhuǎn)速的算法十分重要，其關(guān)系著吸排精度和取退吸頭時(shí)的沖擊強(qiáng)度，對(duì)整個(gè)進(jìn)樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的.

失步和過(guò)沖現(xiàn)象分別出現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停止的時(shí)候，其中：失步是由于同步力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度；在控制脈沖結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過(guò)程中獲得過(guò)多的能量，其平均速度會(huì)高于定子磁場(chǎng)的平均轉(zhuǎn)速，使得步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩偏大，產(chǎn)生了過(guò)沖現(xiàn)象.

為了消除失步和過(guò)沖現(xiàn)象，應(yīng)在電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)實(shí)現(xiàn)加減速控制[7]，其實(shí)質(zhì)是在速度變化過(guò)程中控制脈沖的發(fā)送頻率實(shí)現(xiàn)加減速.通常，加減速算法主要有梯形曲線、指數(shù)曲線和S型曲線[8].

1)梯形運(yùn)行曲線.

對(duì)于梯形曲線來(lái)說(shuō)，電機(jī)經(jīng)歷勻加速、勻速、勻減速和停止四個(gè)過(guò)程.其特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)便、占用時(shí)少、響應(yīng)快、效率高、實(shí)現(xiàn)方便[9].但在變速和勻速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)不能平滑過(guò)渡，這將影響電機(jī)的運(yùn)行效率和使用壽命，實(shí)際應(yīng)用較少.

2)指數(shù)運(yùn)行曲線.

作為數(shù)控系統(tǒng)中較常見(jiàn)的加減速模型，指數(shù)運(yùn)行曲線是按指數(shù)規(guī)律變化，加速度變化規(guī)律函數(shù)與速度變化規(guī)律函數(shù)互為反函數(shù).其克服了梯形運(yùn)行曲線中速度不平穩(wěn)的問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)精度得到了提高，但初始加速度大，容易引起機(jī)械部件的沖擊，在加減速的起點(diǎn)仍然存在加減速突變，限制了加速度的提高.

3)S型曲線.

S型曲線常用來(lái)控制加速度的突變現(xiàn)象.S型曲線并不是一種固定的算法，其可分為7個(gè)階段，加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段和減減速段[10]，其速度和加速度曲線如圖7所示.通過(guò)調(diào)整不同階段的參數(shù)得到不同性能的加減速特性，常見(jiàn)的S型曲線有拋物線型和三角函數(shù)型兩種，因此應(yīng)用靈活.S型曲線的核心思想是讓加速度不發(fā)生突變[11]，其加減速平穩(wěn)，柔性快速，是一種綜合性能比較好的加減速模型.因此本進(jìn)樣系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制采用S型曲線控制.

圖7 S型曲線的速度和加速度曲線圖Fig.7 Velocity and acceleration curve of S type curve

其速度公式為

(1)

式(1)描述了步進(jìn)電機(jī)整個(gè)的速度變化過(guò)程.

3.3 S型加減速曲線的優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)

為了提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性，此次使用標(biāo)準(zhǔn)的7個(gè)階段的S型曲線.由于曲線的算法中相關(guān)參數(shù)較多，直接實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，所以選取插補(bǔ)法來(lái)實(shí)現(xiàn)加減速曲線，這樣不僅縮短了算法的代碼執(zhí)行周期，也更容易通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)的值實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用場(chǎng)合.為此需設(shè)定多個(gè)初始化參數(shù)：最高轉(zhuǎn)速vm、起跳速度v0、加加速和減加速過(guò)程中的插補(bǔ)周期ta、加速階段總時(shí)間t3和最大加速度am.根據(jù)上述算法流程可得到控制流程，如圖8所示.

圖8 S型曲線算法控制流程Fig.8 Control flow of S type curve algorithm

圖8僅為加速階段的控制流程，減速階段算法的基本框架和加速階段的相同，只是每次循環(huán)時(shí)速度v的賦值是v-a.為了保證勻加速階段的存在,所以應(yīng)有ty>0，當(dāng)ty<0時(shí)則說(shuō)明很快加速到了最高速度vm，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小t3或am.考慮電機(jī)控制的穩(wěn)定性和高效性，整個(gè)加速時(shí)間范圍設(shè)定為t3<0.1 s，由于S型曲線的對(duì)稱(chēng)性，加速和減速時(shí)間相同.

上述只是理論層面的算法轉(zhuǎn)化，實(shí)際在STM32的控制中是通過(guò)改變輸出PWM波的脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)速度變化，所以時(shí)間t代表步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)，v代表的是脈沖頻率，a代表的是頻率的增加量.通常選取較大轉(zhuǎn)矩的時(shí)速作為S型曲線的最高轉(zhuǎn)速vm，由圖5可知步進(jìn)電機(jī)在200 r/min時(shí)轉(zhuǎn)矩較高，所以vm=200 r/min，此時(shí)輸出脈沖為700 Hz，選取起跳速度v0=50 r/min，此時(shí)輸出脈沖為100 Hz，最大每步加速頻率am=40 Hz，總加速所需步數(shù)t3=25步，每步一插補(bǔ)，所以ta=1步.

每步的實(shí)際輸出脈沖頻率設(shè)為Vn，則整個(gè)加速過(guò)程的實(shí)際時(shí)間應(yīng)為

(2)

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)上述S型曲線算法的分析和優(yōu)化，可將算法轉(zhuǎn)化為STM32控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)函數(shù)，其輸入量為算法的初始化參數(shù)，輸出量為脈沖周期變化的PWM波，以此控制轉(zhuǎn)速.其中入口參數(shù)還是算法的入口參數(shù)，只不過(guò)實(shí)際的操作是對(duì)定時(shí)器的自動(dòng)重裝載寄存器ARR、預(yù)分頻寄存器PSC以及捕獲比較寄存器CCR進(jìn)行控制，其中ARR和PSC控制PWM波的脈沖周期，CCR控制PWM波的占空比.

參照?qǐng)D4，系統(tǒng)的吸排過(guò)程分為吸液和排液，為了防止排液時(shí)液體在吸嘴口被空氣阻礙無(wú)法完全排出，在排液過(guò)程中往往比吸液過(guò)程多設(shè)定一些進(jìn)給量.其中吸液過(guò)程是通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制，排液則是將光電開(kāi)關(guān)中斷作為停止信號(hào).吸液階段在獲得進(jìn)樣體積后經(jīng)過(guò)函數(shù)處理得到步進(jìn)電機(jī)所需轉(zhuǎn)數(shù)，然后進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制函數(shù)，當(dāng)走完指定轉(zhuǎn)數(shù)后停止，其中包括了加速、勻速和減速階段.在排液過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)然后進(jìn)入加速、勻速函數(shù)直至接收到光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的中斷信號(hào)后進(jìn)入減速函數(shù)，也即排液階段比吸液階段多了1個(gè)電機(jī)減速過(guò)程的角度，即45°，反映在排液量上是1.05 μL，對(duì)于高進(jìn)度設(shè)備來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠完全排盡吸頭內(nèi)液體.具體流程圖如圖9(a)所示.

圖9 吸液和取退吸頭控制流程圖Fig.9 Control flow chart of taking the liquid and taking or withdrawing suction head

取退吸頭的過(guò)程因?yàn)椴恍枰炕目刂?，所以只需控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并不斷地檢測(cè)限位開(kāi)關(guān)的信號(hào)，判斷是否有吸頭的存在，當(dāng)無(wú)吸頭時(shí)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)回到初始化位置.具體流程圖如圖9(b)所示.

5 誤差分析與補(bǔ)償

在過(guò)去幾十年中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多方法用于吸液過(guò)程問(wèn)題判定[12].參照Michael Kaplit[13]對(duì)吸液過(guò)程壓力曲線的線性回歸分析以及Masaaki Takeda等人[14]對(duì)堵針問(wèn)題的分類(lèi)和分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行了重新排查和解決.為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的吸排精度、控制精度以及誤差存在的原因，通過(guò)編碼器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)數(shù)反饋.其中編碼器選取歐姆龍編碼器E6B2-CWZ6C，由于編碼器輸出的是脈沖量，經(jīng)過(guò)STM32的輸入捕獲后計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)接收的脈沖數(shù)，經(jīng)過(guò)換算得到實(shí)際轉(zhuǎn)角大小，將換算后的結(jié)果通過(guò)串口傳輸給上位機(jī)，便可得到實(shí)際的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù).而這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)計(jì)算梯形絲杠之前的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)誤差和步進(jìn)電機(jī)控制誤差.這些數(shù)據(jù)將在圖10中用絲杠實(shí)際吸液量來(lái)表示.

圖10 補(bǔ)償前理論吸液量與實(shí)際吸液量的比較Fig.10 Comparison of the theoretical imbibition value and the actual imbibition value before compensation

對(duì)于實(shí)際進(jìn)樣器吸液量的實(shí)驗(yàn)，以20 μL容量作為最大吸排量進(jìn)行滴定實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)數(shù)字可調(diào)移液器的校準(zhǔn)方法[15]，參照國(guó)外的 ISO 8655-6[16]，允許誤差如表1所示.

表1 檢定規(guī)程誤差允許表

其中規(guī)定的檢定點(diǎn)為5,10,20 μL，容量允許誤差為檢驗(yàn)合格的標(biāo)準(zhǔn)，并且數(shù)據(jù)的重復(fù)率也須在規(guī)定范圍內(nèi)，故此整個(gè)實(shí)驗(yàn)方法取樣數(shù)據(jù)需按照ISO 8655-6的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，這樣也為實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性提供了保證.具體實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)如下：

電機(jī)控制：為更好控制實(shí)驗(yàn)精度和可靠性，步進(jìn)電機(jī)的控制過(guò)程采用1/8微步模式，使用上文介紹的S型曲線步進(jìn)電機(jī)控制算法.

檢定點(diǎn)所需理論脈沖數(shù)：5 μL處為960；10 μL處為1 920；20 μL處為3 840.

測(cè)量介質(zhì)：去離子水.

測(cè)量設(shè)備：0.01 mg的電子天平，用于質(zhì)量測(cè)定.

測(cè)量范圍：對(duì)包括檢定點(diǎn)在內(nèi)的10個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行符合規(guī)程的測(cè)量，每個(gè)脈沖值根據(jù)ISO 8655-6的操作規(guī)程測(cè)定10組有效數(shù)據(jù)，然后取平均值作為該脈沖值的最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)圖10表示，該圖主要反映了整個(gè)系統(tǒng)的吸液誤差和絲杠之前的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)誤差之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)比這2種誤差大小關(guān)系分析主要誤差來(lái)源，并提出解決辦法.

通過(guò)圖10我們可發(fā)現(xiàn)：1)總誤差遠(yuǎn)大于步進(jìn)電機(jī)控制誤差和進(jìn)樣器的制造誤差;2)誤差隨吸排量的增大而減小，說(shuō)明是靜態(tài)誤差;3)從電機(jī)到絲桿副的過(guò)程存在一定的機(jī)械誤差;4)進(jìn)樣器存在一定累積誤差，并且誤差值存在跳動(dòng)現(xiàn)象;5)機(jī)械誤差和控制誤差在總誤差中的比重較大.

通過(guò)對(duì)上述結(jié)論的分析，可以得出：整個(gè)系統(tǒng)存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，并且系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)大于隨機(jī)誤差.其中：傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差主要為結(jié)構(gòu)件的制造精度誤差和安裝誤差，諸如同步帶多邊形效應(yīng)和偏心引起的傳動(dòng)誤差，滾珠絲杠副的制造誤差；進(jìn)樣器的誤差主要來(lái)自本身的制造誤差(允許范圍內(nèi))和空氣壓縮性的影響，在吸頭內(nèi)的空氣具有拉伸性[17]，在氣液置換時(shí)同樣的氣體并不能置換相同體積的液體.

通過(guò)對(duì)誤差的分析可知，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上可更換精度更高的傳動(dòng)部件來(lái)減小傳動(dòng)誤差，在控制端可以轉(zhuǎn)換步進(jìn)電機(jī)細(xì)分模式來(lái)控制最小吸排單位，同時(shí)可繼續(xù)優(yōu)化控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)的控制，還可以采用線性補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)吸排環(huán)節(jié)進(jìn)行誤差補(bǔ)償[18].對(duì)實(shí)驗(yàn)中實(shí)際吸液量與脈沖數(shù)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，可得到擬合直線方程y=0.005x-0.097 9.對(duì)擬合函數(shù)求反函數(shù)即可得到實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)償函數(shù)y=200x+19.58.

在補(bǔ)償后的新實(shí)驗(yàn)中，將補(bǔ)償函數(shù)轉(zhuǎn)化為代碼錄入STM32控制程序中，新函數(shù)的輸入量應(yīng)為所需吸取的液體體積，輸出量應(yīng)為補(bǔ)償后的總脈沖數(shù).在控制函數(shù)之前加補(bǔ)償函數(shù)，補(bǔ)償后的值作為步進(jìn)電機(jī)控制的輸入量執(zhí)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制，結(jié)合之前的控制算法后再次進(jìn)行吸排實(shí)驗(yàn).

具體實(shí)驗(yàn)方法和步驟與之前相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，在這里略去了絲杠實(shí)際吸液量，因?yàn)榻z桿實(shí)際吸液量在數(shù)據(jù)上的顯示和之前的數(shù)據(jù)無(wú)異，而補(bǔ)償曲線實(shí)際上是將此部分誤差進(jìn)行了算法上的補(bǔ)償，實(shí)際結(jié)果表明補(bǔ)償函數(shù)明顯降低了系統(tǒng)誤差.

圖11 補(bǔ)償后理論吸液量與實(shí)際吸液量的比較Fig.11 Comparison of the theoretical imbibition value and the actual imbibition value after compensation

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)自動(dòng)生化進(jìn)樣系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)了新型機(jī)械結(jié)構(gòu)并論述了實(shí)現(xiàn)方法.在控制系統(tǒng)上，為提高整個(gè)進(jìn)樣系統(tǒng)的取樣精度，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制算法進(jìn)行了分析和優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后的S型曲線控制算法給出了實(shí)現(xiàn)方法；對(duì)整個(gè)進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)行誤差實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出誤差來(lái)源和解決辦法，經(jīng)計(jì)算得到誤差補(bǔ)償函數(shù)，以此來(lái)進(jìn)行控制端的輸入補(bǔ)償；最后對(duì)補(bǔ)償后的控制系統(tǒng)進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償后的精度得到了很大提高.在接下來(lái)的工作中，將會(huì)結(jié)合此進(jìn)樣系統(tǒng)對(duì)全自動(dòng)生化分析儀進(jìn)行更為深入的研究，將核心算法進(jìn)行拓展，設(shè)計(jì)更為便捷高效的生化控制系統(tǒng).

[1] 張文昌. 全自動(dòng)酶免分析系統(tǒng)加樣過(guò)程監(jiān)控技術(shù)研究[D].北京：北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,2012:1-2. ZHANG Wen-chang. Research on the monitoring and control technology of the whole automatic enzyme immunoassay system[D]. Beijing: Beijing Information Science and Technology University, School of Instrument Science and Opto Electronic Engineering, 2010:1-2.

[2] 朱圣領(lǐng). 全自動(dòng)酶免分析儀的工作機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 蘇州：蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2005: 11-12． ZHU Sheng-ling. Research on the working mechanism and key technology of automatic enzyme immunoassay analyzer [D]. Zuzhou:Soochow University， School of Mechanical and Electric Engineering, 2005: 11-12.

[3] 姚玉峰，路士州，劉亞欣，等.微量液體自動(dòng)分配技術(shù)研究綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49 (14):140-153． YAO Yu-feng， LU Shi-zhou， LIU Ya-xin， et al. Research on the automatic distribution of micro liquid [J]. Journal of Mechanical Engineering， 2013， 49 (14): 140-153．

[4] 李小麗，王芳，趙美寧.模切機(jī)間歇輸紙系統(tǒng)位置精度分析[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2006，13(5)：329-331． LI Xiao-li， WANG Fang， ZHAO Mei-ning. Position precision analysis of intermittent paper feeding system on mould-cutting machine [J]. Chinese Journal of Engineering Design，2006，13(5): 329-331．

[5] 李騰. 基于AVR鋼軌打磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)信息與通訊工程學(xué)院，2014： 22-23． LI Teng. Design and realization of the automatic control system of the rail grinding machine based on AVR [D]. Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications， School of Information and Communication Engineering, 2014: 22-23.

[6] 郭宗和，余順年，馬履中，等.新型3-RRC并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)精度分析[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2006，13(2)：91-94． GUO Zong-he， YU Shun-nian， MA Lü-zhong， et al. Accuracy analysis of novel 3-RRC parallel robot mechanism [J]. Chinese Journal of Engineering Design， 2006，13 (2): 91-94．

[7] 劉艷霞，桑兆輝. 基于ARM芯片S3C4510的步進(jìn)電機(jī)加減速控制[J]. 機(jī)床與液壓，2007， 35(7):180-181． LIU Yan-xia， SANG Zhao-hui. Step motor acceleration and deceleration control based on ARM chip [J]. Machine Tool and Hydraulic， 2007， 35(7):180-181.

[8] 侯艷艷，王洪君，王麗麗. 三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)加減速控制算法的研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2006(7):49-51． HOU Yan-yan， WANG Hong-jun， WANG Li-li. Research on acceleration and deceleration control algorithm of three axis linkage CNC engraving machine [J]. Modular Machine Tool and Automatic Manufacturing Technique， 2006(7):49-51．

[9] 張占立，康春花，郭士軍，等.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38(3):28-31,50． ZHANG Zhan-li， KANG Chun-hua， GUO Shi-Jun， et al. Based on single-chip stepper motor control system [J]. Electric Machines and Control Application, 2011，38(3):28-31,50．

[10] 黃兆斌，黃云龍，余世明. 幾種步進(jìn)電機(jī)加減速方法的對(duì)比研究及其應(yīng)用[J]. 機(jī)電工程，2011，28(8):951-953, 974． HUANG Zhao-bin， HUANG Yun-long， YU Shi-ming. Comparative study between several acceleration and deceleration methods on stepper motor and the application[J]. Journal of Mechanical and Electrical Engineering， 2011， 28(8):951-953,974．

[11] 楊超，張冬泉. 基于S曲線的步進(jìn)電機(jī)加減速的控制[J]. 機(jī)電工程，2011，28(7):813-817． YANG Chao， ZHANG Dong-quan. Control of acceleration and deceleration of stepping motor based on S curve [J]. Journal of Mechanical and Electrical Engineering， 2011， 28(7):813-817．

[12] 常海濤，祝連慶，婁小平，等. 一種全自動(dòng)酶免分析儀移液過(guò)程評(píng)估新方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2014， 38(7):1622-1629． CHANG Hai-tao， ZHU Lian-qing， LOU Xiao-ping， et al. A fully automatic enzyme immunoassay analyzer shift liquid process to evaluate the new method instrument [J]. Chinese Journal of Scinetific Instrument， 2014， 38(7):1622-1629．

[13] KAPLIT M.Detection of insufficient sample during aspiration with a pipette: US7634378 B2[P].2009-10-15．

[14] TAKEDA M，KATAGI H，KATO Y，et al.Pipetting apparatus with clot detection: US5540081[P]. 1996-06-30．

[15] 汪朝紅，胡良勇，傅憶賓，等. 數(shù)字可調(diào)移液器校準(zhǔn)方法研究[J].中國(guó)測(cè)試，2011，37(3):23-25． WANG Zhao-hong， HU Liang-yong， FU Yi-bin， et al. Research on calibration method of digital adjustable shift liquid [J]. China Measurement & Test， 2011，37(3):23-25．

[16] ISO Technical Committees. Piston-operated volumetric apparatus Part 6: gravimetric methods for the determination of measurement error: ISO8655-6:2002[S]. German: German Institute for Standardization, 2002:12-13.

[17] 劉志剛，萬(wàn)良晨. 自動(dòng)進(jìn)樣器的誤差分析[J]. 廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014(3):38-42． LIU Zhi-gang， WAN Liang-chen. Error analysis of automatic sampling device [J]. Journal of Guangdong Polytechnic Normal University， 2014(3):38-42．

[18] 耿耀鋒，吳一輝，宣明，等. 小型生化分析儀自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2008， 15(1):29-32． GENG Yao-feng， WU Yi-hui， XUAN Ming, et al. Design of automatic sampling system for small biochemical analyzer [J]. Chinese Journal of Engineering Design， 2008， 15(1):29-32．

Design of full automatic biochemical sampling system

LIU Zhen-wu1， SHANG Zhi-wu1， HUANG Yan-bin2

(1.Tianjin Modern Electromechanical Equipment Technology Key Laboratory， Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387， China； 2.Tianjin Era Biology Engineering Co., Ltd.， Tianjin 300000, China)

In the process of medical examination, the traditional manual detection method has the characteristics of low efficiency, high subjective error and high cost. According to the defects of artificial detection and the requirements of biochemical analysis system with high precision and miniaturization, a full automatic biochemical sampling system was developed. In the mechanical structure, the system had the functions of moving the liquid and taking and withdrawing the suction head. In the control method, the actuator control algorithm was optimized. Firstly, the whole system structure was designed and the control system based on the STM32 control chip was completed to meet the actual needs of the automatic sampling system. Secondly, by demonstrating the stepper motor control algorithm, the S type curve control algorithm was used, and the algorithm was optimized and implemented, thus, the control accuracy and speed was improved. Finally, in order to further improve the robustness of the system, we collated and analyzed the experimental data, and got the system error compensation curve and the method of correction. The results show that the improved system has higher accuracy of sampling, meets the actual needs more extensively, and has guiding significance for the development of medical devices.

biochemical analyzer; sampling system; STM32; S type curve; error compensation

2016-04-14.

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.zjujournals.com/gcsjxb

天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(16YFZCSY00860)．

劉鎮(zhèn)武(1990—)，男，河南洛陽(yáng)人，碩士生，從事機(jī)械機(jī)構(gòu)研究，E-mail:jikouji@126.com. http://orcid.org//0000-0002-0145-0690 通信聯(lián)系人：尚志武(1977—)，男，天津人，正高級(jí)工程師，從事智能診斷與動(dòng)態(tài)測(cè)控、機(jī)電一體化技術(shù)、先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)等研究，E-mail:shangzhiwu@126.com.http://orcid.org//0000-0002-7310-0921

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.06.014

TP 29

A

1006-754X(2016)06-0612-08