含有推力保護PLC控制的恒流量輔助注射裝置研發(fā)*

汪寶亮，汪 諍

(蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

0 引言

在燒傷美容注射手術(shù)的過程中，依靠醫(yī)生手動注射很難精確的控制注射的速度和力量，從而影響美容的質(zhì)量。為解決這一問題，設(shè)計研發(fā)了一種含推力保護的恒流量美容注射輔助裝置，該裝置含有一種對機動助推裝置無菌隔離和便于連接注射器的無菌罩。因此，滿足醫(yī)療衛(wèi)生所需的無菌要求，能夠精確調(diào)節(jié)和控制不同部位所需的注射流量，并做到推力保護。

1 自動注射器的組成和原理

該注射器為一個手持注射器，可以安裝各種型號(1 mL、2.5 mL、5 mL、10 mL、20 mL)的醫(yī)療注射器，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該裝置分為不可拆卸部分和可拆卸部分。

(1)不可拆卸部分由步進電機、絲杠、密封活塞、壓力傳感器、微動開關(guān)(限位開關(guān))這幾個元件構(gòu)成。機動助推裝置采用步進電機，電機正反轉(zhuǎn)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，通過連接在絲杠上的尼龍棒前后運行，從而推動注射針管進行注射;壓力傳感器通過螺釘固定在電機的背部，用來測試實時推力大小;機座的前身螺紋處固定微動開關(guān)，起限位的作用。這些元件將固定在一個機座內(nèi)，可以獨立消毒。

(2)可拆卸部分包括推缸和夾具，推缸是一個空心的兩端帶有螺紋不銹鋼管，用來連接機座和夾具;夾具總共有五個，可以分別裝入不同類型的醫(yī)用注射器，在注射時根據(jù)實際需要選取。由于該部分與針管直接接觸，必須要嚴格滿足臨床上的無菌要求。于是可拆卸這一設(shè)計就顯得非常重要，推缸和夾具可以在使用前進行消毒。

圖1 手持注射器結(jié)構(gòu)圖

注射器以步進電機為動力源，經(jīng)PLC控制推進操作系統(tǒng)作直線運動。工作時，系統(tǒng)發(fā)出控制脈沖使步進電機旋轉(zhuǎn)，步進電機帶動絲桿將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，推動注射器的針?biāo)ㄟM行注射，把注射器中的組織輸入人體內(nèi)，液體的推進速度可以通過觸摸屏自行設(shè)定、調(diào)節(jié)，從而調(diào)整所給的藥物劑量。同時還可通過觸摸屏顯示的實時數(shù)據(jù)來保障在速率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的輸入、注射精度及可靠性。

2 硬件方案及器件選擇

2.1 硬件方案

系統(tǒng)選用西門子S7－224XP，步進驅(qū)動器和直線步進電機等，系統(tǒng)方案圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方案圖

2.2 步進電機選擇及動力參數(shù)計算

自體脂肪移植的存活率在國內(nèi)只能達到40%～50%，而國外可以達到70%［1］，脂肪的存活率除了受脂肪顆粒等生物特性影響外，還受到注射速度，注射壓力等力學(xué)參數(shù)的影響，為了研究力學(xué)性能對脂肪存活率的影響，經(jīng)過理論分析以及仿人工實驗(該實驗由蘭州軍區(qū)陸軍總醫(yī)院完成)，得出注射推力最大為20N的參數(shù)。

直線步進電機的推力為:

式中:T為轉(zhuǎn)矩;t為絲杠導(dǎo)程;i為傳動比;η為系統(tǒng)效率。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)微位移和大推力，以及體積和重量因素，選擇了混合式2相28直線步進電機，絲杠導(dǎo)程選擇為1.27 mm，最大推力可以達到80 N，最高速度為2.285 7 mL/s，其參數(shù)如圖3所示。

圖3 步進電機機械性能參數(shù)

2.3 驅(qū)動器及驅(qū)動參數(shù)計算

驅(qū)動選擇帶有分頻的步進電機驅(qū)動器，選擇8分頻［2］，由于步進電機的步距角為0.9/1.8，因此其最小直線位移為:

式中:α表示一個脈沖步進電機可以轉(zhuǎn)動1.8°，t表示絲杠的導(dǎo)程。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)顯示，電機的轉(zhuǎn)動速度完全可滿足要求，為了防止在低頻時出現(xiàn)步進蠕動現(xiàn)象，選擇最低頻率為100 Hz，因此可計算出最低運行速度為:

最高選擇10 kHz，可計算出其最高運行速度為8 mm/s?？梢愿鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)針筒計算出不同針筒的注射速度范圍，如表1所列。

表1 針筒參數(shù)表

2.4 PLC和步進驅(qū)動器的電平轉(zhuǎn)換

PLC輸出的高電平為24 V，而驅(qū)動器的高電平最高為5 V，驅(qū)動器內(nèi)部使用光耦對信號進行隔離，因此需要加入電平轉(zhuǎn)換電路，也就是選擇降壓電阻的阻值［3］。因為，端子的輸入電流大小是本質(zhì)的，壓差是用來產(chǎn)生這個電流的。且光耦的工作電壓為5 V，工作電流為5～10 mA，而輸入電壓為直流24 V，所以需要分壓限流電阻1.9～3.8 kΩ。

根據(jù)上述計算得知，在方案圖中，PLC的輸出端和驅(qū)動器之間串聯(lián)了一個2.4 kΩ的電阻。

2.5 壓力傳感器及參數(shù)

壓力傳感器裝在步進電機的尾部，利用反推力來實現(xiàn)推力的在線測量，這種方式測定推力有一定的誤差，但是對于保護推力，影響很小，經(jīng)過測定，該參數(shù)誤差為5 N。傳感器采用全橋式應(yīng)變片，經(jīng)過信號調(diào)理電路后，送入PLC的模擬量輸入端子。

3 控制及軟件

3.1 PTO方式下PLC

脈沖輸出采用PTO脈沖輸出方式，脈沖串輸出(Pulse Train Output)內(nèi)置于西門子s7－200可編程控制器或s7－1200可編程控制器中，用于速度和位置控制。使用PTO輸出時，PTO提供一個指定脈沖數(shù)目的方波輸出(50%占空比)每一脈沖的頻率或周期隨著加速和減速時的頻率線形變化，而在移動的常頻率段部分保持不變。

為滿足實際要求，位置向?qū)гO(shè)置過程中設(shè)定電機加速時間為1000ms，電機減速時間為20ms。由于實際操作中需要手動輸入具體速度值，所以調(diào)用PTOx_ MAN子函數(shù)，將PTO輸出置于手動模式［4］。

在接線中采用Q0.0接步進驅(qū)動器的脈沖輸入信號，Q0.1接步進驅(qū)動器的方向控制信號，Q0.2脫機信號。當(dāng)按下前進開關(guān)后，PTO輸出變?yōu)楦唠娖剑凑债?dāng)前設(shè)定好的速度Q0.0開始發(fā)送脈沖，步進電機正轉(zhuǎn);按下后退開關(guān)計時超過2s時，電機自動復(fù)位。需停止系統(tǒng)的時候，松開前進或后退按鈕，PTO輸出變?yōu)榈碗娖?，且直到裝載一個新的指定值時才產(chǎn)生脈沖。系統(tǒng)停止工作時，電機驅(qū)動接收到脫機信號低電平開始工作，以免在未斷電時電機發(fā)熱過高。

3.2 模式12下的高速計數(shù)器實現(xiàn)單相計數(shù)

計數(shù)器共有四種基本類型:帶有內(nèi)部方向控制的單相計數(shù)器，帶有外部方向控制的單相計數(shù)器，帶有兩個時鐘輸入的雙相計數(shù)器和A/B相正交計數(shù)器［5］。在實際操作過程中，我們選用了帶有內(nèi)部方向控制的單相計數(shù)器，使用高速計數(shù)器模式12。使用向?qū)渲肧7－200內(nèi)部PTO/PWM操作時，勾選“使用高速計數(shù)器HSCx(模式12)自動計數(shù)線性PTO生成的脈沖”即可。

使用高速計數(shù)器模式12時不需要任何外部連線，Q0.0(Q0.1)與I0.0(I0.1)通過集成電路內(nèi)部關(guān)聯(lián)，越過了外部信號處理電路，因此HSC0(HSC1)可以計100KHz或者更高頻率的脈沖。在復(fù)位時使用外部復(fù)位，當(dāng)復(fù)位時將當(dāng)前值復(fù)位到0而不是初始值［6］。單相計數(shù)部分程序圖如圖4所示。

圖4 單相計數(shù)梯形圖控制程序

4 人機界面

人機界面采用人性化設(shè)計，在觸摸屏上設(shè)置了保護推力、針筒選擇、剩余容量和推動速度等參數(shù)，并具有歷史參數(shù)和打印功能［7］，界面如圖5所示。

5 測試

在該設(shè)備中，誤差源有兩個:①注射輸出量的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性;②顯示屏顯示的數(shù)據(jù)與實際運行的數(shù)據(jù)之間的誤差。

圖5 運行界面

注射輸出量的穩(wěn)定性取決于絲杠轉(zhuǎn)動推動尼龍棒前進的運動精度，而影響運動精度的因素主要有兩個方面:一方面是動力源。在機械傳動中，電機轉(zhuǎn)軸的角速度不是常量，隨負載變化而變化，與之相連的各種傳動件的運動精度也會隨之改變;另一方面是絲杠的行為誤差對注射器注射精度的影響［8］。

顯示屏實時顯示數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)存在一定的誤差，同時壓力傳感器的安裝精度也影響控制的精度，安裝精度決定了實測值的精度。實測值是在幾種不同脈沖數(shù)值下運行情況下，測得的實際值經(jīng)過處理得出的平均值，如表2所列。理論的容量顯示與實際運行過程中所對應(yīng)的容量誤差分析，如表3所列。

表2 實測數(shù)據(jù)

表3 誤差分析 /mL

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，利用公式(5)計算出注射流量的顯示誤差:

式中:ΔQ為輔助注射裝置顯示的容量值在第i個檢測點的相對誤差;qi為設(shè)備第i個檢測點的理論顯示數(shù)的算術(shù)平均值，單位為mL。經(jīng)過計算得出，所測得的結(jié)果誤差較小，保持在3%以內(nèi)，這個誤差是允許的［8］。

6 結(jié)論

采用了PLC伺服的步進驅(qū)動，實現(xiàn)了高精度的注射，并且在輸入不同參數(shù)下，可以選擇不同的針筒和速度以及最高壓力的方式，為醫(yī)療實驗提供了一種實驗儀器，經(jīng)過各種實驗，該儀器性能參數(shù)穩(wěn)定可靠，精度高。

(1)實現(xiàn)了PTO在模式12下用軟件方式的隨機增減計數(shù)。

(2)可以進行高精度精確注射和抽取，降低配藥的勞動強度，提高了注射水平。

(3)利用應(yīng)變橋?qū)崿F(xiàn)了基本準(zhǔn)確的運動力的動態(tài)測試。容量;單位為mL為第i個檢測點處五次的流量讀

［1］ 于秀麗.影響顆粒脂肪注射移植存活率的相關(guān)因素［C］.中國杭州:中國中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會醫(yī)學(xué)美容專業(yè)委員會、浙江省中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會醫(yī)學(xué)美容專業(yè)委員會，2005.

［2］ 黃長藝，嚴普強.機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.

［3］ 許 翏，王淑英.電器控制與PLC控制技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［4］ 劉 鍇，周 海.深入淺出西門子s7－300PLC［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［5］ 滕青芳，范多旺，董海鷹，等.自動控制原理［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［6］ 汪 諍，彭珍瑞，王俊平.泡沫玻璃切坯PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電氣應(yīng)用，2010，29(12):76－78.

［7］ Wei Wei，Jing Zhang，Hongye，etal.A Novel Control System Design Based On Solid the PLC［J］.Information Technology Journal，2013，12(7):1464－1467.

［8］ 王天鷹，李志明.一次性使用無菌注射器對微量注射泵的誤差分析［J］.中國醫(yī)療設(shè)備，2013，28(2):90－91.