伍兵，賴東珍

福建醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院 a. 中心實驗室；b. 設備與醫(yī)用材料管理處，福建 福州 350005

引言

電分析化學是利用物質的電學和電化學性質進行表征和測量的科學，它是電化學和分析化學學科的重要組成部分。電分析化學實驗在醫(yī)院的醫(yī)學科研實驗中占比很大，該實驗常需要用到工作電極，如玻碳電極、金電極和石墨電極等，而且經常需要用多根工作電極去研究不同的實驗條件[1-2]。在進行實驗前必須對工作電極進行拋光預處理，以除去電極表面雜質，使電極表面更光潔，工作量很大[3]。目前，實驗室大多還是依靠人工打磨工作電極，主要步驟包括：打磨、沖洗、超聲清洗和電極保存，十分費時費力，嚴重依賴人力，影響了實驗進度，而且不能讓人從研磨電極中解脫出來，使研究工作者苦不堪言，并且由于手工操作誤差大，不同工作人員甚至同一個工作人員的手工操作打磨后的電極組間差異大，影響實驗結果[4-5]。

近年來，尋找一種醫(yī)用全自動電極打磨裝置是醫(yī)學科研人員的迫切需求。在現有的技術中，有一些手動或半自動工作電極打磨裝置，但是仍需要付出不少人力，需要在打磨后自行沖洗及超聲清洗，科研人員的負擔仍然存在[6]。在以往的研究實踐中發(fā)現手工打磨電極雖然可以將電極表面修飾過的東西去除，達到再生使用的目的，但是由于手工操作的不穩(wěn)定性，易導致打磨后的電極表面平整度和表面積差異較大，這對部分實驗尤其是使用玻碳電極這種無法進行前后對照的實驗影響極大。而且，這類實驗要求在實驗之前必須保證使用的每根電極的鏡面程度和表面積一致，而目前大多打磨裝置從設計上就無法對每一根電極進行打磨壓力及打磨軌跡均一化控制，使得每一根電極總體打磨過程不一致，導致電極打磨效果不均一，從而嚴重影響這種實驗結果的準確性和可重復性[7-8]。

針對上述技術存在的缺陷，本研究研制出一種醫(yī)用全自動電極打磨裝置，該裝置通過仿手工操作設計，可完全替代手工并克服手工操作的不足，且可精確控制每一根電極的打磨力度、速度、打磨方式和時間，將有效解決打磨效果的均一性問題。該裝置已授權實用新型專利（授權號：201921382433.2）。

1 設計材料與方法

1.1 裝置整體設計

本文研制的醫(yī)用全自動電極打磨裝置，主要由機械臂、夾具、打磨裝置、外殼及控制系統構成。機械臂的一端連接夾具，一端設于外殼上；打磨裝置水平設于外殼上；控制裝置分別連接機械臂、夾具及打磨裝置。醫(yī)用全自動電極打磨裝置設計如圖1所示。

圖1 全自動電極打磨裝置

（1）機械臂包括依次連接的X軸轉軸、Y軸轉軸及Z軸垂軸。主臂長165 mm、副臂長180 mm；Z軸移動范圍0～80 mm；移動速度小于30 mm/s；重復定位精度0.1 mm。X軸轉軸設于外殼上，夾具設于Z軸垂軸上。為方便增加外設設備及減小儀器整體尺寸，優(yōu)選采用平面關節(jié)機械臂，電機、限位傳感器及線材安裝在機械臂內部。這種設計簡單可靠、且可縮減機器整體體積。機械臂設計如圖2所示。

圖2 機械臂

（2）夾具包括第一支架、第一電機、動齒輪組、夾子及彈力調節(jié)器。爪子張開范圍0～40 mm可調，速度50 mm/s，移動精度0.25 mm；支持直徑5～20 mm的電極。第一支架設于機械臂的一端，第一電機設于第一支架內，動齒輪組設于第一支架上，第一電機驅動動齒輪組運動，兩夾子對稱設于動齒輪組上，兩夾子在夾取電極時，不完全抱死，以便彈力調節(jié)器的調節(jié)。彈力調節(jié)器設于電極的上方且設于第一支架上。彈力調節(jié)器包括殼體、減震彈簧及調節(jié)螺絲，殼體設于第一支架上，減震彈簧設于殼體內部，調節(jié)螺絲設于殼體頂部。夾具由安裝在夾具支架內的伺服電機驅動，帶動齒輪組，可控制爪子進行水平開合，開合位置可控，便于夾取不同尺寸的電極；彈力調節(jié)器由可調彈力范圍的減震彈簧及調節(jié)螺絲組成，用于減震、緩沖及配合打磨裝置提供打磨壓力，可解決每根電極長短不一對打磨力度造成的影響。夾具設計如圖3所示。

圖3 夾具

（3）打磨裝置包括磨盤、聯軸器、第二支架、第二電機及測重傳感器。磨盤直徑95 mm，可打磨區(qū)域直徑60 mm；打磨速度1～150 r/min可調節(jié)；打磨壓力0～10 N可調節(jié)；時間0～1800 s可調節(jié)。測重傳感器設于外殼上，第二支架設于測重傳感器的上方，第二電機設于第二支架下方，聯軸器及磨盤設于第二支架的上方，第二電機通過聯軸器與磨盤連接。磨盤與聯軸器通過卡套結構及磁力連接在一起，方便拆卸，方便清洗磨盤。測重傳感器和第二電機連接控制系統，可精確測量電極與磨盤表面的壓力，且可精確控制打磨轉速和時間。打磨時，用麂皮固定在磨盤上，將麂皮清洗后在其上均勻分散所需規(guī)格的拋粉與水的混合物，拋粉選用氧化鋁[9]。打磨裝置設計如圖4所示。

圖4 打磨裝置

此外，打磨裝置還包含以下3個功能性裝置，具體如下：

① 沖洗裝置。該裝置包括沖洗池、管道及水泵。沖洗流速0～550 mL/min可調節(jié)；時間0～600 s可調節(jié)。沖洗池包括進水口及排水口，進水口及排水口通過管道與水泵連接，沖洗池頂部環(huán)設有若干噴水口，噴水口與進水口連接，水泵與控制系統連接。從噴水口噴出的洗液可從各個角度沖洗電極打磨后殘留的打磨液，并從排水口排出，噴水速度和噴水時間可由控制系統精確調控。沖洗裝置設計如圖5所示。

圖5 沖洗裝置

② 超聲清洗裝置。該裝置包括超聲清洗機、清洗杯及固定架。功率0～80 W可調節(jié)，時間0～1000 s可調節(jié);固定架設于超聲清洗機上，清洗杯設于超聲清洗機內且通過固定架固定防止移動，固定架可固定多個清洗杯，用于多種不同清洗液清洗。清洗時，優(yōu)先選用100%乙醇和去離子水兩種洗液[10]。為方便清潔超聲清洗機，將超聲清洗機作為外設設備。超聲清洗機與控制系統連接后，可被精確控制超聲功率、超聲時間。超聲清洗裝置設計如圖6所示。

圖6 超聲清洗裝置

③ 電極安放裝置。該裝置包括電極擺放支架及電極收納支架。電極擺放支架支持擺放直徑為6.5 mm、21根和12 mm、12根的兩種電極；電極收納支架能收納22根電極。電極擺放支架及電極收納支架均設有若干不同孔徑的通孔，用于插放不同尺寸的電極；電極擺放支架底部設有卡扣結構和磁力吸附結構，使其固定在底座上，便于拆卸替換；電極收納支架用于保存打磨好的電極，電極收納支架還包括水槽，水槽設于電極收納支架下方，使電極插入后，電極底部懸于水槽中間的儲存液中，保證電極正中央的核心部位接觸不到任何表面。電極擺放支架、電極收納支架均為可拆卸、可替換、方便插放和儲存不同尺寸的電極。電極擺放支架設計如圖7所示。電極收納支架設計如圖8所示。

圖7 電極擺放支架

圖8 電極收納支架

（4）外殼包括柜體及底座。柜體設于底座頂部一側，呈L型設置；機械臂設于柜體一側，觸控屏設于柜體另一側；打磨裝置、沖洗裝置、電極擺放支架及電極收納支架均設于底座上，便于各工位互不干擾，各工位之間實現有序地運行。

（5）控制系統包括觸控屏、控制器、外設端口及電源。觸控屏及外設端口分別設于外殼上，觸控屏用于人機交互，可設置所有程序參數，如：打磨力度（N）、打磨速度（r/min）、打磨時間（s）、沖洗時間（s）、超聲時間（s）、爪子尺寸（mm）的選擇及其復位等。還可設置控制運行參數，如：機械臂、磨盤、電極坐標、運行通道選擇等;控制器及電源設于外殼內，超聲清洗機與外設端口連接；電源開關均安裝在外殼外部以方便操作；觸控屏、外設端口、電源、第一電機、第二電機、測重傳感器、X軸轉軸、Y軸轉軸、Z軸垂軸和水泵分別與控制器連接，用于控制各工序的有序運行。醫(yī)用全自動電極打磨裝置控制系統整體結構框如圖9所示。

圖9 控制系統整體結構框圖

1.2 裝置材料設計

本裝置的材料設計在遵循安全性、功能性、穩(wěn)定性和簡便性的前提下，各部件優(yōu)先選用成品及標準件[11]，如超聲清洗機、泵、電機、軸承、齒輪、聯軸器、傳感器、螺絲螺母、觸控屏、開關電源和電路板元器件等，其可替代性強，容易購得且成本可控。該裝置已經完成研究設計和獲得專利，且已制成樣機并投入試用，但未批量生產。除了上述優(yōu)先選用的成品及標準件直接市場購買外，其余部件均采用3D打印制作成品，如機械臂外蓋、夾具支架及殼體、打磨裝置的電機支架及磨盤、沖洗裝置的沖洗池及開口、超聲清洗裝置的清洗杯及固定架、電極安放裝置的電極擺放支架及電極收納支架、外殼的柜體及底座等，完成部件設計及繪制計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）工程圖紙，編程后經由3D打印機制作成品。如果需要量產，則可選用工程塑料或不銹鋼材料，由工廠制模完成[12]。

1.3 裝置安裝及使用

本裝置的安裝及使用按如下步驟進行：① 將待打磨的電極插入電極擺放支架，使電極正立于電極擺放支架上；② 接通電源，開機，在觸控屏上設置機械臂坐標系及各個裝置的坐標，設置打磨旋轉速度、旋轉時間，沖洗力度、沖洗時間，超聲功率、超聲時間，電極尺寸類型、電極數量及電極擺放位置的參數；③ 在觸控屏上點擊運行，機械臂執(zhí)行如下程序：自動復位，抓取電極，移動到磨盤上方后，Z軸垂軸緩慢下降至磨盤，一邊測重一邊下降，當壓力升至設定值之后停止下降；④ 打磨裝置根據預設的旋轉速度、旋轉時間打磨電極；打磨結束后，由機械臂移至沖洗裝置，沖洗裝置根據預設的沖洗力度、沖洗時間沖洗電極；沖洗結束后，由機械臂轉移至超聲清洗裝置，超聲清洗裝置根據預設的超聲功率、超聲時間清洗電極；清洗結束后，由機械臂轉移至電極收納支架上；⑤ 機械臂從電極擺放支架上繼續(xù)抓取下一根電極，完成上述循環(huán)，直至電極擺放支架上的所有待打磨電極全部打磨完成。

2 結果

該醫(yī)用全自動電極打磨裝置的研究與設計已完成，并繪制成CAD工程圖紙，除了優(yōu)先選用的成品及標準件直接市場購買外，其余部件均采用3D打印制作成品，醫(yī)用全自動電極打磨裝置實物圖如圖10所示。對本裝置測試，取電化學實驗用過的、需要打磨再生的16根工作電極，隨機分為兩組，每組8根。對照組使用手工打磨方法，即手持電極在磨盤上畫8字3 min，然后沖洗5 s、乙醇和純水中各超聲洗滌約30 s；實驗組采用自動打磨方法，參數設置為：打磨轉速100 r/min、打磨時間60 s、打磨力度2 N、沖洗時間5 s、乙醇和純水中超聲時間各30 s。打磨結束后使用上海辰華儀器有限公司生產的CHI1040C多通道恒電位儀、CHI760E電化學工作站，采用三電極體系（工作電極為AuE、對電極為鉑絲電極、參比電極為Ag/AgCl電極）進行電化學的循環(huán)伏安法酸掃，對上述兩種打磨方法進行比較，從而獲得效果，見圖11～12。

圖10 醫(yī)用全自動電極打磨裝置實物圖

圖11 手動打磨AuE循環(huán)伏安

圖12 自動打磨AuE循環(huán)伏安

如圖11～12所示，所磨電極采用電化學的循環(huán)伏安法酸掃，在電位0～1.6 V之間不斷掃描直至獲得穩(wěn)定的金電極的循環(huán)伏安特征峰，橫坐標表示對電極和參比電極電壓，縱坐標表示工作電極測得電流。結果表明，自動打磨的8根電極Au還原峰數值在0.3～0.35 μA，電流差異小，重現性好，Au三個氧化特征峰穩(wěn)定，均一性好；手動打磨的8根電極Au還原峰數值在0.3～0.7 μA，電流差異大，重現性差，Au三個氧化特征峰不穩(wěn)定，均一性差。由此可見，自動打磨相較于手動打磨其穩(wěn)定性好、重現性好，有效解決了手動打磨無法解決的效果均一性問題。

3 討論

本研究進行了產品設計、繪制CAD工程圖紙及制作成品、安裝及使用、應用效果評價等工作，通過與現有的手動電極打磨或半自動電極打磨裝置比較，發(fā)現使用醫(yī)用全自動電極打磨裝置打磨電極可大幅度節(jié)約實驗人員的勞動力，并克服手工操作的不足，具備更高程度的自動化和更強大的功能，其穩(wěn)定性和重現性更好。電分析化學實驗經常需要用到打磨處理后表面光潔無雜質的電極，電極用量大且要求高，打磨質量嚴重影響著實驗的結果[13-14]。

本裝置的機械臂模塊可方便進行笛卡爾直角坐標系轉換，位置準確，夾具兼容不同型號不同尺寸的電極，它可以配合打磨裝置提供打磨壓力，解決了不同尺寸電極因長短不一對打磨力度造成的影響[15-16]。電極打磨模塊可實現測重傳感器精確測量電極與磨盤表面的壓力，可精確控制打磨力度、轉速和時間，有效解決了打磨效果的均一性問題[17]?？刂蒲b置模塊可實現設置所有參數及控制運行，還可自由選擇打磨電極數量，方便地實現了人機交互；實現了從擺放支架上抓取電極到電極打磨完成放回收納支架，再抓取下一根電極打磨，直到完成全部電極打磨的全過程。本裝置功能齊全、性能穩(wěn)定、操作簡便、小型便攜、安全可靠、實用性強、自動化程度高且成本低廉，值得推廣應用。本裝置的多軸運動結構為開放式機械臂，雖然空間利用率高，但其速度及定位精度均有所限制，本裝置通過增加電極架、收納架、沖洗裝置的孔徑以及超聲裝置的可用區(qū)域，彌補了定位精度所限，后期也可以從方法上加以改進實施。