标准样品盘精密定位算法和自动进样系统研究

Research on standard sample plate precise positioning algorithmand automatic sampling systemYAN Xin-tao，PEI Zhi-guo，WU Yun-liang，LIU Jian，WU Xiao-dong(Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology，Chinese Academy of Sciences，Suzhou 215163，China)Abstract：Demanding of the clinical laboratory instruments tending to be miniaturization and intel-lectualization.a new 3D automatic sampling system which occupied the instrumentssmall spaceand could directly sample on the standard sample plate was designed.A precise positioning algo-rithm which was suitable for the automatic sampling system was built according to the relevantprinciples of geometry and kinematics.For further reducing the positioning error of the system ，the number of drive pulses was calculated by the accumulator iterative algorithm.Based on theVS 2010 platform ，the systemS operating software was developed by using the multi-threadingtechnology.The results show that the system can quickly and accurately complete the samplingof the standard sample plate，and meet the need for miniaturization of the clinical testing equip-ments.The automatic sampling system may have a great market prospects。

Key words：sample plate；automatic sampling；precise positioning；clinical laboratory临床生化检验在现代医学研究中是-个重要的环节.常用流式细胞仪、生化分析仪等常规l临床检验仪器对大批量样本作单通道检测 ，人工上样将十分费时费力，自动进样系统可以大大提高其工作效率，因此得到广泛应用 ].由于在体 积、重量 、试剂、样品用量以及制造成本方面的优势 ，小型临床检验仪器越来越受到人们的重视.如何设计出快速精密定位且 占用仪器空间小的 自动进样系统成为小型临床检验仪器样品批量化检测的关键问题。

目前，市场上的自动进样系统主要基于 2种定位方式 ：绕 Z轴旋转和沿 Z轴直线驱动式l3 ； yZ三轴直线驱动式 ].绕 z轴旋转和沿Z轴直线驱动式的进样系统只能采用自行设计的旋转式样品管定位装置 ，在实验前需将样 品从标准样品盘中人工转移到各个待测试管中，十分耗时耗力；且待测试管只能放置在样品转盘的外周，空间利用率很低.而收稿 日期 ：2012-11-24。

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项 目(2011AA02A106)。

作者简介：严心涛(1987-)，男，湖北仙桃人，研究实习员，硕士，从事机电-体化研究，E-mail：yanxt###sibet.ac.cn。

通信联系人：武晓东(1968-)，男，研究员，E-mail：wuxiaodong2OOO###hotmail.corn。

g S 报g 学-誊 em计 Ef设眦程e 工；垒r-J工 程 设 计 学 报 第 20卷XyZ三轴直线驱动式的进样系统可直接对标准样品盘进样；但其定位速度较慢，运动不够灵活，且该系统需占用仪器较大空间(水平投影至少为样品盘面积的 4倍)。

针对这 2种定位方式的不足，本文研究了-种新型的自动进样系统，在采用相同精度的驱动电机和检测传感器下 ，可直接对标准样品盘进样 ，且保证占用仪器空间较小(水平投影仅与标准样品盘面积相当)和定位运动灵活.该系统将有效地提高小型临床检验仪器的样品单通道批量化检测速度，促进小型化仪器的发展。

1 标准样品盘精密定位算法平面上实现精密定位，再在 Z轴方向上作直线运动，故可将该三自由度进样系统的定位问题简化为- 个二自由度的旋转定位问题.根据运动学和几何学的相关原理 ，标准样品盘的二维旋转定位原理如图 2所示。

圈 2 标准样品盘二维旋转定位原理图1.1 标准样品盘自动进样系统结构设计 Fig· schema ic of 2D a i。na1 positioning of thestandard sample plate本进样 系统的结构简图如图 1所示，通过步进电机驱动带轮、齿轮和直线导轨来实现标准样品盘各个进样孔的精确定位.其中，在 xy平面上含 2个旋转运动(由带轮传动和齿轮传动来实现)和沿 Z轴的直线运动(由直线导轨的传动来实现).该系统通过平台支架安装到小型临床检验仪器上 ，系统大部分结构不占用检验仪器的空间，其整个进样过程中所 占用检验仪器的空间在水平面上的投影约为样品盘盘架 1倍面积大小。

1，20-滚动轴承；2，21-同步带带轮；3-样品盘盘架；4-盘夹；5-标准样品盘；6-同步带；7，18-齿轮；8-外壳；9-直线导轨组件；lO-平台支架；11-联轴器；12，17，19～步进电机；13，15，16-光电编码器；14-进样针管；22-底盘。

图 1 标准样品盘自动进样系统结构简图Fig.1 Schematic of automatic sampling system for thestandard sample plate1.2 标准样品盘的定位模型简化在样品进样过程中，首先对待测样品孔在 Xy其中：o。为取样针管在水平面上的投影点，是样品盘各个进样孔在进样时移动的对齐点，在水平面上是不动点；Oz是底盘旋转中心在水平面上的投影点，在水平面上是不动点；03为下-个待运动到0J位置的点，其中，J 0 3 J为样品盘上相邻两进样孔中心之间的距离 ；Oo是进样盘的中心点位置在水平面上的投影点，是-个动点；0 点与 02点之间的距离 a为定值；02点与 Q 点之间的距离b也为定值，而在运行过程中Q 点将绕着0 点旋转 ，是样品盘上第i行第J列的进样孑L中心点与样品盘中心点的距离 ；卅是标准样品盘的行数 ； 是标准样 品盘的列数。

1.3 精密定位算法(]l 即为处在 O3的孔旋 转到 0 位置时 ，样品盘中心点的移动位置 ，即l 03 l：1 010 I。

则底 盘在 第 i行第 1列 的旋 转 角度△ 州1)为/'，02 (升1)- 01020 - 01020f( 1)(i- 1， ，m ； - 1， ，n- 1)， arcCOS - a s 。

底盘在第 1行第 1列的旋转角度 △ 为x02(斗1)1- 0l020(汁 - 0l02 0l(i1， ，lq't- 1)。

在底盘旋转的同时，样品盘在第 i行第 1列绕其中心点旋转的角度 △ 为/XO1 (什1)- 01 Oi(什1)02- 03002-010 ( 1)02- ( 0l0 02- 01Oo03)第 3期 严心涛，等：标准样品盘精密定位算法和 自动进样系统研究(i- 1， ，m； - 1， ，，z- 1)，其中， 0 O 1)0 和 0 0 i0 可以由正余弦定理求得.又 O 0。由余弦定理求得，为Q -c - 斟(i- 1， ，m ； 1， ，n- 1)， f0，i- 1， ，m/2， k- /I 1，i- m/21，，m。

则样品盘在第 i1行第 1列绕其中心点的旋转角度 A0川l 为 ：A01(件 - O1(]l斗02- OlQ102- O1(I103-(- 1)arccos(i- 1， ，m - 1)，。

对于确 定 的样 品盘 而 言 ，J O，Q I、1 0。0 I、l10。l都是已知的值，所以 0 0 0。不难求得.对于样品盘第 1行第 1列进样孔的定位，底盘和样品盘的旋转角度由自动进样系统的初始状态来决定。

所计算出的旋转角度为正数表示逆时针旋转，负数表示顺时针旋转.利用上述的定位算法，可以计算 出实现标准样 品盘各个 进样孔定位的 2组旋 转角度(###， )，其中，###和 分别表示底盘和样品盘绕其旋转 中心的旋转角度。

2 自动进样系统硬件设计2.1 系统设计原理根据小型化临床检验仪器的设计要求，本文研究的三自由度自动进样系统的总体设计框图如图3所电I塑塑些垫 机1 步 电 壁塑 机2 I 。

步 电 机3 I 步进 电机驱动器样品托盘及其支架RS232串口 ! 光电编码器1光电编码器2光电编码器3控制器、 图3 标准样品盘自动进样系统总体设计框图Fig.3 Block diagram of the overal design of the automaticsampling system for the standard sample plate示.该系统主要 由 台体 (样品支撑架及各传动部 件等)、步进电机驱动组件、位置监测组件、单片机控制器以及其它信号通讯组件等部分组成，其中：3个光电编码器分别反馈系统上的 3个步进电机的驱动角度，并由单片机作反镭制，以此避免步进电机丢步问题 ，提高定位精度 ；单片机与上位机可通过 RS232串口进行实时通讯。

2.2 驱动进样 系统的累加迭代算法由上-节中的定位算法，可以计算出从初始位置移动到任意进样孔水平方向上的 2个旋转角度，Z轴方向的旋转角度可以由竖直方向需移动的高度和丝杠的螺距两个参数来确定.单片机发送给步进电机的脉冲数的等效转换关系为：s( ， )- ! .I， (1)t(i， )：： .j， (2)其中：O(i， )， ( ，J)分别表示标准样品盘第 i行第列进样孑L定位时底盘和样品盘绕其中心旋转的角度 ，o)；I表示结构的传动 比； 表示选用的步进电机的步距角；s(i，J)和 (i，J)指控制器给驱动器的脉冲数。

由式(1)和式(2)计算出的 s(i，J)和 t( ，J)均带有小数，为了提高定位精度，现采用累加迭代算法进- 步优化步进电机驱动的脉冲数，使得实际驱动脉冲数与理想驱动脉冲数之差低于 0。5.以O(i，J)的优化为例 ：若I s(i，歹)-e(k)-0.5I≤[s( ， )-e(k)]，则s(i， )- [s( ， )-(志)]，若s(i，J)-e(k)-0.5l>[s( ，J)-e(k)]，则：s(i， )- [ ( ，J)-(志)]1。

其 中，e(k 1)；( ，J)- s(i，J) ( )，e(1)-0，忌-(i-1)× J(i-1，2，，m；J-1，2，， -1)，[s(i，J)-(忌)]表示对 S( ，J)-s(k)取整运算.由于步进电机的工作原理和结构特性所限I5]，在驱动它时首先应考虑其工作 的稳定性 ，抑制冲击形成 ，以实现平稳启动和停止.目前 ，实现平稳运行的主要途径是对步进电机的加减速驱动 。]，并且该驱动方式还可以减少低速共振区的驱动时问，减小驱动噪声和颤动.本 自动进样系统 引进 了这-方法，在对各个步进电机驱动中采用了升降频加减速控制算法[8]。

3 自动进样系统软件设计自动进样系统软件是基于 VS 2010平台采用工 程 设 计 学 报 第 2O卷多线程技术开发的，包括用户初始化输入拈 、操作控制拈及图像显示等功能拈，其软件的 UI界面如图4所示.其中：在初始化输入拈中，用户可设置进样分析时间、所采用的标准样品盘类型以及需进样分析的孔数等参数；在图像显示拈中可以实时反馈正在进样分析的样 品孔以及已完成进样的样品孑L；在操作控制拈中，用户可随时操控 自动进样系统.标准样品盘 自动进样 系统程序设计流程 图如图 5所示。

图像显示拈f 1 I- i -.· I。。--hH·HH 。· e § # [函 # o # # # c二玉 ] § #女 [-1.- hr f.1馘 - l l∞ OE困 l ～ t ， l t；- - li [口 hoi - f t - Ii蒿蔡- j- - 塑堕 图 4 标准样 品盘 自动进样系统软件设计界面Fig.4 Software design interface of the automatic sam-pling system for the standard sample plate4 结 论1)创新设计了-种三维自动进样系统，其能够满足临床检验仪器小型化的需求，尤其针对流式细胞仪、生化分析仪这类需大批量对样品作单通量进样检测的仪器，可方便操作人员直接对标准样品盘作进样分析。

2)相对于其它 自动进样系统而言，该系统 占用检验仪器的空间更小 、运动更灵活，并可直接对标准样品盘进样。

3)根据建立的精密定位算法和累加迭代算法，该系统能快速实现对标准样品盘的精确定位。