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文|凹脸的外星人
编辑|凹脸的外星人
随着血型分析的需求越来越广泛，医疗机构待检血液样本量不断增加，医务人员的工作量也随之增大。
传统的手动和半自动血型分析仪存在着检测周期长、准确 度低、自动化程度不高等弊端。
目前医疗机构使用的全自动血型分析仪大多数依赖进口，且与之相匹配的血型检测卡价格昂贵。
国内的全自动血型分析仪大多属中低端产品，检测效率和精度较低。经济、可靠、高效的全自动血型分析仪成为我国医疗检测设备亟需解决的研发课题之一。
在医疗卫生事业中，血型是最常规也是最重要的身体观察指标，是医生准确作出病情诊断的基础。
血型检测是选择输血血型的前提，被广泛应用于新生儿溶血病、胎儿ABO血型预测、器官移植、保证输血安全等临床研究。
近些年来，随着社会的进步、经济的发展和国民生活水平的提高，人们越来越注重自身的健康，到医院就医病人数量的增加，使待检血液样本量也随之增加。
目前，国内90%的医院采用手工检测，10%的医院使用自动血型分析仪，但皆为进口，且与之配套的血型检测卡，价格昂贵。
根据每年输血量的统计结果可推知，国内医院对全自动血型分析仪的需求量每年将在500台以上。
所以市场上亟需一种基于自主研发的血型检测卡的全自动血型分析仪来解决上述问题，使血型检测过程标准化、规范化，降低人为误差，提高检测精度和效率，保证检测质量。
微柱凝胶法是当前血型分析技术中最先进的分析方法，具有很多的优点。
随着该方法应用水平的不断提高，采用该方法的血型分析仪也得到了进一步的发展。
血型分析仪是按照一定的操作规范、一定的检测步骤和一定的结果判断标准来完成血型分析过程的设备。
目前，根据血型分析过程自动化水平的程度，国际上出现的采用微柱凝胶法的血型分析仪可以分为全手动、半自动和全自动三种。
全自动血型分析仪的机械机构主要包括转盘式、机械臂式两种。 WADiana Compact 全自动血型分析仪采用转盘式。
两根取样针将试剂盘内的试剂和样品盘内血样分别加入到离心机内的微柱凝胶卡中，进行离心和检测。
每完成一个流程都需要取样针转臂精确定位两个位置，整个流程需 要取样针转臂重复定位，对重复定位精度要求较高。其余的全自动血型分析仪采用机械臂式。
血液样本和反应试剂在确定位置保持不动，取样针和机械手可随机械臂 在水平方向和垂直方向上移动，并且精确定位，使取样针完成取样、加样动作，机械手完成微柱凝胶卡的抓取和运输动作。
国外的全自动血型分析仪虽然实现了全自动操作，但无法兼顾效率和便携性要求，并且均要使用与之匹配的血型检测卡，价格昂贵。
国内设备多数属于小型产品且功能单一，分析速度慢，试剂的消耗量大，仪器的性能及 技术含量都与进口设备存在较大的差距，不能满足医疗机构的需求。
所以，研制和推广全自动血型分析仪是目前此类医疗设备发展的必然趋势。
样本输送机构实现血液样本的抽放与转移，是构成全自动血型分析仪运动统的重要组成部分。在血型检测过程中，样本输送机构需在样本区抽取定量的血液样本，并加样到微流血型检测卡内。
假设实验人员面对全自动血型分析仪，右手方向为 X 轴的正方向，靠近实验人员的方向为Y 轴正方向，竖直向上为Z 轴正方向。
样本输送机构的组成原理，总体由机械臂、推针装置(用于剔除废弃的TIP 头)、皮带滑台、丝杠滑台、血样针头盘台等组成。
机械臂将在在X、Z 轴电机的驱动下，准确定位到血样针头盘台和微流血型检测卡。为了防止血液样本交叉污染，机械臂将TIP 头移至推针装置，剔除废弃的TIP 头，检测下一份血液样本时取新TIP 头，循环取样放样。
机械臂在长时间的工作状 态下会产生运动累积误差，因此每次机械臂取样放样结束后都需回到零点位置，进行零位校准。血型检测要求结果精确，对加样精度要求较高，这是设计的重点。
血样针头盘台包括96孔空吸头盒和96深板孔(8x12), 分别是一次性TIP头和血液样本的承载容器，96孔空吸头盒和96深板孔的位置一一对应。第一排的 TIP 头用完后，血样针头盘台会在电机的驱动下沿Y 轴正方向移动，机械臂继续取第二排的TIP 头，以此类推。
而血液样本的抽放则会采用注射式微量泵。在机械臂的前端安装取样针，取样针先取TIP 头再下降预设的深度抽取血液样本，最后将血液样本注射到微流血型检测卡内。
系统开机初始化后，机械臂的进给机构和血样针头盘台处于零点位置，机械臂带动取样针到96孔空吸头盒取TIP 头，取完TIP 头移动到96深板孔，取样针下降预定的深度抽取血液样本，再将血液样本注射到微流血型检测卡的血液腔体内。
机械臂完成一人份抽放样后到推针装置，剔除废弃的TIP 头，回到零点位置。重复上述动作，直到全部血液样本完成检测。BD半岛
全自动血型分析仪不但要求样本输送机构结构紧密，还应保证较高的加样精度。因此，注射泵步进电机驱动更符合样本输送机构的加样需求。
注射泵腔体的容积越小、步数越高、传动机构越精密，精度就越高。
为实现样本输送机构的运动，要求输送机构应具有三个自由度。
96 孔空吸头盒和96深板孔垂直放在盒架内，在试验过程中取TIP 头和血液样本的机械臂是垂直升降，取样针始终处于垂直状态。
为保证样本输送机构沿 X、Y、Z 轴运动的直线度与稳定性，采用滑动导向。
足够的机械精度和较小的回程误差，才能保障样本输送机构的精确定位要求，因此拟采用皮带滑台和丝杠滑台。
本输送机构的X、Z 方向的进给运动是通过两个相互垂直的滑台实现。皮带滑台在电机的驱动下实现X 轴的左右移动。
Y 轴方向依靠丝杠滑台完成血样针头 盘台的前后伸缩；Z 轴丝杠滑台通过直角连接件安装在 X 轴皮带滑台上，实现取样针沿Z 轴的上下升降，从而实现血液样本的输送。
X、Y 轴的平动不影响Z 轴 的上下升降，可以保证样本输送过程中，取样针始终保持垂直于血样针头盘台的状态，便于抽样。
在平动方向上应安装限位开关，防止机械臂动作超出范围，造成意外。机械臂工作一段时间后应进行零位校准，避免长时间工作产生累积误差而造成定位不准确。
输送机构能够有序地实现 TIP 头的插取、血液样本的抽放和废弃 TIP头的剔除，在预定的指令下，快速有效地完成血液样本的输送。
由于取样针比较细长，要考虑其自身重力引起的位移、应变和应力对取样针定位精度的影响
。
添加约束，将葫芦压、葫芦座和葫芦 针头的面固定，再将葫芦针头和葫芦座进行孔销连接；施加载荷，葫芦针头下端施加压力并设置垂直向下的重力g=9800mm/s²。
划分网格时，取样针低端葫芦头位置 采用局部网格划分，网格元素大小为0.005mm。 经过整体网格划分后，模型的节点为576122,元素为351426。
通过有限元解算，得到葫芦头式取样针的有限元分析结果。由分析结果看出葫芦针头位移的最大变形量仅为1.757×104mm,其值远小于取样针的尺寸，等效应力的最大值为8.86MPa, 即葫芦头式取样针满足样本输送机构的设计需要。
机械臂的结构静力学分析就是模拟其由自身重力所引起的位移、应变和应力对其定位精度的影响，验证其力学性能是否满足要求。
在Inventor 软件中，施加重 力及取样针前端的压力，部分采用局部网格划分，网格元素大小为0.005mm。划分后模型的网格节点为1034407,元素为675291。
由静力分析位移云图可以看出，机械臂位移的最大变形量为1.255×10³mm。
X 位移的最大变形量为6.838×10⁵mm,Y 位移的最大变形量为1.252×10³mm,Z 位移的最大变形量为6.595×105mm。
变形集中在机械臂的前端，主要原因是前端受到取样针的压力，但变形量远小于自身尺寸。最大应力值在弯折处，其值为1.392MPa 远小于许用应力。
通过结果分析，证明机械臂的结构设计满足力学性能。
血样针头盘台通过滑台支座固定在全自动血型分析仪的底座上，移动产生的振动较小，可以忽略。
但机械臂的运动包括水平运动和垂直升降运动，机械臂的快慢是影响全自动血型分析仪整机运动速度的主要因素之一bandao。
机械臂的各阶固有频率较高，位移变化量的最大值为 2.591mm, 其值远小于机械臂的尺寸。固有频率在353.09Hz 之后，对机械臂的影响较大。
但353.09Hz 大于离心机(不大于60Hz) 等实验设备的频率，且实验室样机放置于良好隔振的独立平台上，所以机械臂的稳定性较好，满足设计要求。
根据微流血型检测卡的结构，对机械爪的设计需求和工作范围进行了分析，计算了机械爪的设计参数，建立了两种结构的三维 模型。
根据机械爪爪片结构，结合Inventor静力学分析，得到了爪片应力、应变及位移的变形图，优选316L 不锈钢材料，完成机械爪的整体机构设计。
经过对样本输送机构的运动原理、工作流程、加样方法进行的分析，设计了取样针和机械臂结构，通过静力分析验证了 机械臂的可靠性，结合样本输送机构的运动过程，选择了合理的传动机构，对机械臂进行了模态分析，验证了结构的合理性与稳定性。
试验结果表明，样机各机构均能实现各自有序运动，精准到达预定位置，达到了期望的技术指标，验证了所设计的全自动血型分析仪运动系统的有效性和可行性。
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