第36卷第1期Vol.36 No.l 2021年02月Feb.2021
汕头大学学报(自然科学版)
Journal of Shantou University (Natural Science)文章编号：1001 - 4217(2021 )01 - 0021 - 12
李少敏I ，?，张兴伟1，卢新建护，赵永杰1，庞文裕1
(1.汕头大学工学院，广东汕头515063； 2.汕头大学第二附属医院，广东汕头515041；
3.广东省智行机器人科技有限公司，广东 佛山528226)
摘要高速高精全自动生化分析仪的研制随着精准医疗临床生化检测需求的提高越发深新方法
入，用户和市场对生化检测加样环节的重复性、稳定性、准确性等要求逐步提高，因而需
要对现有生化分析仪的结构进行改进和完善.本文设计了一款快速且精准稳定的生化分析仪 加样系统，通过对光电编码器的改进以及结合电容式传感原理设计了加样针运动模块，使
该加样系统能够满足最小精确加样量的需求，并将其应用于高、低速全自动生化分析仪中
进行测试.首先采用Pro/E5.0对加样系统的机械结构进行设计建模，随后对设计方案进行优
化改进并加工研制样机，最后利用仪器设备实物样机进行试验调试和验证.通过精准稳定的
机械传动设计和对加样针的精确定位，本文设计的加样系统使加样过程中的微量加样控制
更为准确和便利，有利于保障全自动生化检测的性能.
关键词全自动生化分析仪；加样系统；光电编码器；传动机构；微量加样控制；定位
中图分类号R197.39 文献标识码A
0引言
在临床医学诊断时，常常对血常规、胆固醇、葡萄糖、尿酸、转氨酶、尿素氮、白 蛋白、免疫球蛋白等人体生化指标进行检测叫通过观测这一系列人体体液指标特征， 从而确定肌体组织是否发生病变，进而对病人的病情做出判断、以及治愈后健康状 态的跟踪调査•由于传统的检测需要医生手动完成加样、加试剂、混合、去干扰物、保 温、检测、计算等一系列既繁琐又缓慢的流程，并且在操作中 会引入较大的误差，而自 动生化仪诞生以来既在一定程度上减少了手工操作产生的误差，提高了检测的准确性, 又为医务人员提供了更精确、更全面的信息PT，因此广受各种医疗、科研机构青睐.随 着现代电子技术、计算机技术、光学和各种生化技术的进步，全自动生化仪应运而生. 全自动生化分析仪(Automatic Biochemical Analyzer)作为用于临床检验的体夕卜诊断定量收稿日期：2020 - 09 - 04
腰挂包作者简介：李少敏(1984—)，女，医学检验师，研究方向：医学检验及医疗器械研发.E-mail ： antong991********** 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51405279)；广东省自然科学基金资助项目(2019A151501U47)；广东省科
技专项资金资助项目；佛山市创新创业科技团队项目(2018IT100052)；广东省普通高校省级重大科研
乙酰氨基阿维菌素资助项目(2017KZDXM036)文字处理系统
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分析仪，它能快速进行肝功能、肾功能、血糖、血脂等常规生化指标的检测，对疾病的诊断、和预后及健康状态提供信息依据，为临床疾病诊断提供准确的判断冋•从检测试剂被放在试剂盘上开始，经过加样、分析、取样、再加样等一系列操作宜到最后打印结果为止，均由仪器自动加载完成，极大地便利了医学检测流程•加样精度与速度是影响高速高精度全自动生化检测的关键因素•生化检测项目
较多，且对检测结果的精度要求较高，加样数据的采集、输入、分析与输出是决定全自动生化仪检测精度的关键环节问•当加样速度较低时，全自动生化仪容易得到准确的生化检测结果；而当加样速度提升时，加样针将产生晃动，从而导致加样运动不平稳.同时加样速度加快将影响加样精度的准确性，会减少样品加样量和试剂吸取量，使加样精度的准确性降低，由于目前全自动生化分析仪样本试剂反应量都在微升量级，加样精度的降低将造成测量结果的偏差，甚至出现假阳性叫此外，全自动生化仪使用了较长一段时间之后，本机浓缩洗液较初始阶段洗液用量会明显减少，这将导致试剂针、样本针清洗不干净而产生交叉污染，并进一步致使反应杯清洗不干净引起检测结果不准确叫因此，开展生化分析仪加样系统的设计，针对样品吸取、试剂吸附、清洗以及加样针精准的微量加样控制进行深入研究，以确保加样数据的稳定输入与输出和提高生化仪检测结果的准确性，在学术研究和工程应用两方面都具有重要的价值.
降低生化仪的最小加样精度是目前提高生化检测加样速度与精度的重要方法•为了节约试剂、降低医疗成本，同时加快仪器的分析测试速度，生化仪的加样量也在不断降低.国外相关研究领域对生化仪微量加样控制进行了深度研发，使其最小加样量被不断刷新从1mL到100応、10応再到如今的1p,L，对微量加样的最小值要求越来越高叫如Beckman公司在CX系列和Olympus公司在AU系列的全自动生化分析仪上的注射泵在其控制系统的驱动下加样最小精度可达1fl L.当标本、试剂加入量较少并且试剂加样注射器使用时间较长时，其测定结果的变异系数随着时间的延长逐渐变大闻，使生化检测结果产生误
差•而法国的Pulssa科技公司生产的微量注射泵在行程测量下，理论加样精度可突破1ML，实现1ijl L到1mL范围的加样，在其完善的控制系统的驱动下，实际加样最小值变异系数小于1%，允许误差已小于2%问，大幅度降低了变异系数带来的影响•国内相关研究发展较晚，近年来长春光机所、深圳迈锐、上海科华等企业，都相继研制出功能完善、工作效率高、具有自主知识产权的全自动生化分析仪，在一定程度上打破了国际上日本、德国和美国等生化分析仪公司在中国市场的垄断局面卩坷，但目前国内生化分析仪最小加样量还在5“L左右，试剂消耗量较大，且控制精度不够高，稳定性和可靠性还较差问，相较国际先进水平尚存在一定的差距.为进一步研发具有高精度微量控制的全自动生化仪，需要攻克影响其性能提升的诸多技术问题，其中就包括与生化仪微量加样模块相协同配合的加样系统的设计问题•
本文设计了一款快速、精准、稳定的生化分析仪加样系统，加样系统包含机械传动、光电编码盘定位、液面检测与防撞警报、微量加样以及加样针清洗五个模块•本文设计的加样系统可精确控制加样针插入试剂或样本的深度，在满足高精度微量加样控制的基础上，保证了加样系统的稳定传动和精确定位，有效增强了加样针运动的准确性和样本试剂量的正确性，以及对一次性加样针的彻底清洗，极大地降低了交叉感染的
第1期李少敏等：全自动生化分析仪的快速精准稳定加样机械系统设计23
概率.本文的工作致力于改善国产医疗器械的性能提升其在国际市场上的竞争力.
1全自动生化分析仪加样系统设计
1.1全自动生化仪的工作原理
生化分析仪是将患者的末梢全血直接加在特定载体（生化试剂板）上，以标本中的水为溶剂，使血液中的预测成分与生化试剂板反应面上固化试剂进行化学反应，仪器再根据不同浓度的被测成分所产生有产物的差异，通过反射光度法进行生化检测与分析.生化分析仪通过模仿手工操作的仪器来完成生化分析中的取样、加试剂、去干扰物、混合、保温、比、结果计算、书写报告和清理等部分或全部步骤•它可进行定时法、连续监测法等各种反应类型的分析测定，具有快速、简便、灵敏、准确、标准化、微量等特点叫
1.2全自动生化分析仪加样系统设计分析
生化分析仪的加样机构主要由加样针、吸液臂、连接管路、负压泵，去离子水循环泵，酸碱清洗池，清洗池，反应杯等装配而成，其中加样针安装在吸液臂上•通过这一系列的器件组装而成的加样系统在控制系统的调节下完成吸液、注射及清洗操作的同时，还具有液面检测和防撞警报作用匹呵，其主要用途是从样本盘和试剂盘中吸取样本和试剂，输送至反应杯使两者进行生化反应，然后通过光电编码盘对反应物进行光学比，进而分析测试结果址叫
为了实现更快速、更精准的微量加样控制，本文设计了一款主要由机械传动模块、光电编码盘定位模块、液面检测与防撞警报模块、微量加样模块以及加样针清洗模块五个部分组成的加样系统，以保证全自动生化仪的生化检测性能•各模块功能如下：（1）机械传动模块为整个加样机械系统提供运动基础和动力；
（2）光电编码盘定位模块对加样针的水平运动进行定位，保证加样针运动的准确性;
（3）液面检测与防撞警报模块精确控制加样针插入试剂或样本的深度，防止出现“空吸”和“撞针”等现象，并对意外撞针事故进行急停和警报处理；
（4）微量加样模块精密控制试剂与样本的吸液和加液量，确保反应的试剂样本量正确；
（5）加样针清洗模块为完成一次加液操作的加样针进行彻底清洗，防止出现交叉感染，影响检测精度.
2加样系统五大模块设计
2.1机械传动模块分析与设计
2.1.1吸液臂结构的设计
在机械传动模块中，吸液臂作为主要传动部件，需要吸取、转移和注射样品或试剂.其运动精度对加样针的吸样、加样和清洗可造成宜接的影响•为使吸液臂完美契合
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机械传动模块，吸液臂结构应满足以下四个设计要求：首先，为了保证吸液臂能够满足于机械传动模块的设计分析，应在满足设计要求、实现功能的基础上，尽量减少机构的自由度数；其次，传动的形式要合理，在满足运动功能的基础上，合理选择运动副的类别、力矩传递方式和路径，避免结构运动出现干涉、死点等问题咯叫再次，在确保零部件装配合理的基础上，需要简化结构，有利于节约空间，提高利用率，同时也能进一步加强结构的稳定性；最后，要具备较高的稳定性和安全性•全自动生化分析仪是完全代替手工全自动工作的，必须严格确保系统具有较高的稳定性和安全性，避免出现撞针、运动干涉卡死等现象，另外还需要配备检测液体液量的传感器、报警装置和急停装置等，如发生上述情况应及时发出警报并停止工作.
基于吸液臂结构的设计要求，设计吸液臂空间机
构运动方案如图］所示.在该机构中，吸液臂主要实现
两个功能：一是在水平面上驱动加样针运动到工作位
置；二是驱动加样针在竖直平面内，下降到液面以下
位置进行吸液，然后上移，再进行下一步工作.图1吸液臂空间机构运动方案简图水平面上采用同步带传动驱动加样针进行旋转运动，由步进电机驱动主动轮，通过同步带带动固定在竖直轴的从动轮，从而可带动摆杆和加样针转动，实现电机轴的旋转运动转化为加样针的圆周运动.
而竖直面选择电机一同步带轮一同步带一皮带轮传动方式为设计方案，其升降往复运动由电机的旋转
运动，经由导轨进行导向后，转变为直线运动来实现，以满足经济性、平稳性、效率及精度等方面的要求•
本设计采用花键轴作为吸液臂竖直面的传动
导向机构，相较宜线导轨，花键轴具有高度
的灵敏性，能大幅度提升负载能力，适用于
振动冲击负荷作用过大、定位精度要求高、以
及需要高速运动性能的环境⑷.花键轴的外形
如图2.
在吸液臂组件中，机架为其他元件(如步进电机、光电开关等)提供安装结构基础，并且保护内部运动组件.为了确保其精密的尺寸精度要求和稳定的结构特性，对其进行三维设计建模如图3(a)，并加工实物如图3(b)所示.
机架采用锌合金压铸件，一体成型，具有高强度、高刚度特性•其主要平面的拔模斜度为0.5。，便于脱模巩特别地，将电机安装孔设计成可调椭圆孔，如图4所示，可以调整装配间隙，调节带轮的圆心距以减小装配误差•可调整的水平同步带轮之间的中心距范围为61.5-65.5mm，竖直同步带轮之间的中心距范围为157〜166mm.
主回路电阻2.1.2步进电机选择与带轮设计
为了满足高精度检测需求与良好稳定的分析性能，选择通过输入脉冲信号实现精确定位运行的步进电动机作为驱动电机㈣.对水平转动的同步电机，选用步进电机型号为: FL42STH47-1684A，其特点是：1.8。步距角，运行频率很高，价格较低.对竖直驱动的同步电机，选用步进电机型号为：FL57STH56-2004A，特点为1.8。步距角，质量稳定,
第1期李少敏等：全自动生化分析仪的快速精准稳定加样机械系统设计25
噪音小•
钢丝绳卷筒
图3吸液臂机架三维建模和实物对照图图4机架椭圆孔特征已知水平传动机构的主动轮ATP16MXL025-K-P3的齿数z】=16，初设机构的传动比为i=6，则从动大齿轮的齿数：
迓二Zi x〃二96(1)节径：
PD2=PD、x i=62.1mm（2）竖直运动的从动轮选用皮带轮，直径与ATP16MXL025-K-P3的外圆宜径（0D）9.84mm相等，因此传动比为1: 1.
根据水平、垂直传动机构的主从动轮中心距范围，拟定水平和垂直同步带轮机构的中心距为63.5mm和161.5mm，主动轮节径与从动带轮宜径是10.35mm，从动大齿轮节径61.59mm，根据带轮周长公式：
L=2a++^2）+（^2-di）2（3）式⑶中a为中心距，么、矗是节径，解得水平同步带机构的同步带周长厶仟250.34mm,
7^2^355.52mm.
查表知ATP16MXL025-K-P3的公称宽度A为7.5mm，选择同步带的公称宽度为6.4mm.
根据以上分析，选择TBN123MXL025型号的同步带用于水平同步带机构，选择TBN175MXL025型号的同步带用于竖直同步带机构.
2.2光电编码盘定位模块设计及计算
光电编码器是目前应用最多的测转角、转速的传感器，是一种通过光电转换将其转轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器•光电编码器由圆形码盘（即光栅）和光电检测装置组成•通过在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔国形成光栅盘，即码盘，码盘盘上刻有环形透光和不透光的等间距狭缝，叫作码道.检测装置由发光二极管等电子元件组成，旋转轴与码盘同轴同速旋转，透过狭缝的脉冲信号经检测装置进行
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