【摘 要】
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在临床医疗诊断中,80%以上的案例都属于体外检测,其具有简洁、快速、无污染等特点。血型分析自动加样仪作为体外检测的重要仪器之一,其涉及的机械臂运动控制、恒温控制、微量移液等关键性技术,目前大部分已被国外企业垄断,国内研发的产品在性能方面与国外进口仪器仍存在较大差距。因此,设计一款成本低、小型化、准确率高的血型分析自动加样系统,并将其运用于国内医疗行业的发展是非常有意义的。本文主要对系统的关键性技术
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在临床医疗诊断中,80%以上的案例都属于体外检测,其具有简洁、快速、无污染等特点。血型分析自动加样仪作为体外检测的重要仪器之一,其涉及的机械臂运动控制、恒温控制、微量移液等关键性技术,目前大部分已被国外企业垄断,国内研发的产品在性能方面与国外进口仪器仍存在较大差距。因此,设计一款成本低、小型化、准确率高的血型分析自动加样系统,并将其运用于国内医疗行业的发展是非常有意义的。本文主要对系统的关键性技术展开了研究,具体内容如下:首先,为满足血型分析自动加样过程中实验平台的功能、结构和安全要求,设计了系统的机械结构和总体方案。对于机械臂运动控制部分,针对复杂的单轴运动和多轴联动,研究了基于梯形加减速算法和余弦加减速算法的新型S型加减速单轴控制算法,并采用交叉耦合控制策略处理多轴协同控制时产生的轮廓误差,提高了电机的控制精度。对于恒温控制部分,针对升温过程模型建立困难、调节过程存在滞后环节等问题,研究了Smith预估控制器结合自适应PI控制算法,根据加热实验建立数学模型,在MATLAB/Simulink中仿真分析,结果表明温度控制的速度和精度都有大幅提高。对于微量移液部分,为保证主控制器采集到干净的压力信号,设计一阶Kalman滤波器对压力信号进行滤波算法处理来实现移液全过程的监测,并通过速度-位置双闭环PID控制策略,完成移液臂电机的高精度控制。然后,搭建下位机主控制器的外围硬件电路。通过下位机软件设计,实现了下位机与上位机的机械臂电机控制、温育仓恒温控制、微量移液全过程压力监测和数据通信等功能。在Visual Studio2019中,基于.NET平台进行Windows form上位机管理界面开发,采用C#语言编写程序功能,通过SQL sever数据库管理数据,实现血型分析实验指令的发送、试验台故障警报、患者个人信息查询和系统管理人员增删减除的功能。最后,对系统功能进行检测。包括机械臂定位实验、恒温控制实验和微量移液实验,测试的结果表明,控制系统各模块可正常工作。所研究的新型S型加减速控制算法,在机械臂的定位精度和重复定位精度实验中达到良好的控制效果。并且对比传统PID控制算法和自适应PI控制算法的恒温控制性能后发现,自适应PI控制算法满足系统稳态误差37±0.2℃,且超调更小,响应更快。通过移液全过程监测实验和微量移液精度的实验结果知,压力信号采集的准确度和微量移液器的精确度都得到了提高。
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