自動換瓶輸液機(jī)的研制

周鵬程,周芃芃,張振炎,胡曉珍

（浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022）

0 引言

靜脈輸液是現(xiàn)代醫(yī)療手段中較為重要的工作之一，也是使病人康復(fù)的主要方式。大部分病人需要輸液才可以康復(fù)，故看護(hù)病人輸液是醫(yī)護(hù)人員較為重要的工作。傳統(tǒng)的輸液過程操作較為復(fù)雜，且需要醫(yī)護(hù)人員幫助才可完成換液換瓶工作，由于目前醫(yī)院人員較為短缺，傳統(tǒng)的輸液方式不僅會占用僅有的醫(yī)護(hù)人員大量的時(shí)間，而且一旦醫(yī)院繁忙，可能會發(fā)生病人換液不及時(shí)的情況，使醫(yī)院發(fā)生醫(yī)療事故[1-3]。為此，本研究設(shè)計(jì)一種輸液自動換瓶機(jī)，使得輸液過程中能夠自動更換液體，當(dāng)輸液無法正常進(jìn)行或者液體輸完時(shí)可以發(fā)出警報(bào)提醒別人，并通知護(hù)士辦公室，自動聯(lián)系醫(yī)護(hù)人員前來拔針或者解決問題。

1 自動換瓶輸液機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

機(jī)器主要由輸液瓶放置機(jī)構(gòu)、托盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、退針換瓶機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

1.1 裝置各機(jī)構(gòu)的工作原理

本輸液機(jī)設(shè)計(jì)為同時(shí)可以容納4瓶輸液瓶，采用盤式的形狀，呈90°依次安置輸液瓶。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 安裝方式

僅需對醫(yī)院現(xiàn)有立式輸液架做打孔改造，即可直接安裝本裝置，如圖2所示。

1.1.2 換瓶機(jī)構(gòu)

換瓶動作由一個(gè)步進(jìn)電動機(jī)直接執(zhí)行，為了使得輸液瓶安置在托盤上時(shí)的摩擦力較小，電動機(jī)與托盤之間加載了數(shù)枚軸承鋼珠，如圖3所示。

1.1.3 針頭的拔插

圖2 輸液機(jī)安裝示意圖

圖3 托盤示意圖

針頭的拔插動作由一個(gè)絲杠滑臺機(jī)構(gòu)與一個(gè)簡易機(jī)械爪共同執(zhí)行。如圖4所示，通過絲杠滑臺實(shí)現(xiàn)縱向運(yùn)動，由伺服電動機(jī)提供動力，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，從而保證運(yùn)動的精確性。簡易機(jī)械爪簡圖如圖4所示，舵機(jī)1提供動力，兩對連桿2、3實(shí)現(xiàn)張合動作，滑塊4限定運(yùn)動軌跡為橫向運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的開合。

如今市場上輸液針管靠輸液瓶一段均為國家標(biāo)準(zhǔn)尺寸，以該尺寸為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)夾具，如圖5所示。針頭可以直接扣合在夾具上，夾具夾緊時(shí)，同時(shí)會夾緊針頭。此時(shí)管內(nèi)藥液無法流通，針頭也無法取出。

圖4 機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

1.2 工作流程

本輸液機(jī)的輸液瓶放置是由醫(yī)護(hù)人員完成的，在開始輸液至輸液完成的這一過程，除非出現(xiàn)意外，否則全部由機(jī)器自動完成所有動作。

圖5 夾具示意圖

1.2.1 機(jī)器運(yùn)行前準(zhǔn)備工作

輸液瓶安置后，設(shè)定瓶數(shù)，將針頭安置在機(jī)械爪夾具上，并將輸液管緊靠在夾具下方的液面檢測器后，經(jīng)檢查無誤后打開電源。

1.2.2 輸液過程

整個(gè)輸液過程是由閉環(huán)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，當(dāng)液面檢測器檢測到輸液瓶內(nèi)液體流完時(shí)，信號反饋到控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制機(jī)械爪夾緊，之后，電動機(jī)驅(qū)動滑臺，帶動機(jī)械爪縱向下移直至針頭從瓶內(nèi)拔出。然后，電動機(jī)驅(qū)動輸液瓶托盤旋轉(zhuǎn)90°。最后，機(jī)械爪上升，將針頭插入瓶內(nèi)，夾具打開，藥液流入輸液管，開始第2瓶藥液的輸入。當(dāng)液面檢測器檢測到輸液管內(nèi)液面長時(shí)間較低時(shí)，會發(fā)出警報(bào)提示醫(yī)護(hù)人員前來診斷。同時(shí)發(fā)出蜂鳴提示病人。裝置工作流程如圖6所示。

1.2.3 輸液結(jié)束過程

當(dāng)設(shè)定的最后一瓶藥液流盡時(shí)，輸液機(jī)自動呼叫醫(yī)護(hù)人員前來，為病人拔出靜脈針頭，回收輸液管以及輸液瓶。

2 自動換液機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6 工作流程圖

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 控制系統(tǒng)簡介

整個(gè)控制系統(tǒng)由Arduino單片機(jī)作為控制核心，控制單元由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動、舵機(jī)驅(qū)動、聲光報(bào)警電路、無線傳輸電路、液體在位傳感電路和電壓調(diào)節(jié)電路6個(gè)部分組成。整個(gè)裝置直接連入生活電源，不采用外加電池。其流程如圖7所示。

2.2 控制系統(tǒng)工作過程

開啟電源開關(guān)進(jìn)行開機(jī)初始化后，將需要輸入的藥瓶放入裝置中的倚掛處。在1～4按鈕按下輸液的瓶數(shù)，按下確認(rèn)。一段時(shí)間后，裝置開始運(yùn)動，執(zhí)行模塊將針頭插入藥瓶瓶塞。在檢測到針頭插入后一段時(shí)間后，非接觸式電容傳感器開始監(jiān)測輸液管中藥液并測速，同時(shí)將信號反饋給單片機(jī)，判斷是否進(jìn)行換液下一步操作。

2.3 液面檢測原理

采用非接觸式電容傳感器檢測輸液管內(nèi)液體有無并測速[4]。電容傳感器可以靈敏地感知液位高低，在監(jiān)測到低于指定液位，即液體輸盡時(shí)，將會向單片機(jī)指定pin口發(fā)出一個(gè)低電平，觸發(fā)中斷，進(jìn)而進(jìn)行換液的操縱。電容傳感器使用了先進(jìn)的信號解決方案，避免了容器壁厚的影響，實(shí)現(xiàn)了對密閉容器內(nèi)液位高度的真正非接觸檢測。

2.4 無線傳輸電路原理

無線傳輸電路使用Zigbee網(wǎng)絡(luò)作為核心[3]。ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通訊技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)在護(hù)士站點(diǎn)設(shè)置終端[6-12]，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到輸液點(diǎn)的情況，在遇到特殊情況可以立即得知并前去解決，大大提高輸液的安全性。同時(shí)為了患者能實(shí)時(shí)聯(lián)系到護(hù)士，裝置也設(shè)計(jì)有主動報(bào)警按鈕。

3 結(jié)語

本文研發(fā)的輸液自動換瓶機(jī)，其構(gòu)造簡單，功能實(shí)用，可實(shí)現(xiàn)輸液自動換瓶的功能，有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。目前，本裝置在設(shè)計(jì)上還存在一些不足：如放置輸液袋后固定無法解決，無法實(shí)現(xiàn)輸液時(shí)藥液的實(shí)時(shí)流速，單次輸液瓶數(shù)較少等。下一步將研究解決上述問題，設(shè)計(jì)一種可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與自動換液的智能輸液系統(tǒng)，以此改善醫(yī)院輸液現(xiàn)狀。

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