一种智能化全自动贴标机系统的研究与设计

莫喜玄，张 娟，高兴宇，蒋文彦，梁小欢，龚 平

（1.桂林星汉科技股份有限公司，广西 桂林 541000；2.桂林医学院附属医院健康体检中心，广西 桂林 541000；3.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

0 引言

随着医疗行业的不断发展，医院采集的样本数量和样本参数在不断的增多，试管在取样过程中，需要标记医疗标签信息、患者信息和取样信息等，需要对试管进行贴标处理，导致医疗卫生系统的工作愈加繁杂，因此急需对医护工作者的工作进行改善，提高其工作效率[1-3]。传统的贴标方法是人工撕下标签贴于试管外壁，该方法不仅工作繁琐、耗时、耗力，并且贴标过程中由于贴标位置不一致，造成标签位置不规范，对后续的标签识别有一定的影响，且贴标过程中容易造成二次污染[4]。

本系统设计了一种智能化全自动贴标机系统，该试管贴标系统能够实现试管的自动上料，将标签信息进行打印后快速、准确、无误地贴在试管外壁指定位置，并且对试管标签信息进行核对准确无误后自动下料。该系统有效地提高了医疗试管贴标的工作效率和贴标质量，避免了人工贴标工作中的各种问题。

1 工作原理

智能化全自动贴标机的工作原理：全自动贴标机，包括放置试管的料仓机构、在试管上贴标的打印贴标机构和将料仓机构上的试管移取至打印贴标的试管移取机构。料仓机构包括并排的多列试管滑槽；试管滑槽一端高而另一端低，各试管滑槽中的竖向试管从高端向底端滑动而顺序排列；试管移取机构对应于多列试管滑槽的低端设置，包括夹取试管的夹取单元；夹取单元设于升降单元上；升降单元设于向旁侧移动的平移单元上；打印贴标机构包括带动试管旋转的贴标驱动单元和在试管上打印标记的打印单元；贴标驱动单元设置在夹取单元的移动路径上，贴标驱动单元上设有在试管上寻找出厂标签边缘的寻边单元和对试管上的打印标记进行核验的复核单元，贴标驱动单元上设置有纵向用于容纳试管的夹槽，打印单元、贴标驱动单元、寻边单元和复核单元均设置在机架上，且打印单元、寻边单元、复核单元工作区域对应于夹槽。

2 系统整体结构设计

系统研究设计的试管贴标系统主要包括自动上料机构、试管移取机构、打印贴标机构和下料机构。整体框架如图1所示。

图1 系统整体结构图

2.1 自动上料机构

自动上料机构包括多列试管滑槽，试管滑槽一端高另一端低，各试管滑槽的宽度大于试管管身的尺寸但小于试管管帽部分尺寸，各试管滑槽中的竖向试管依靠重力从高端向底端滑动而顺序排列。试管滑槽低端呈水平，低端设置的限位块使试管更易夹取。当滑槽不足5只试管时，感应器报警提醒加管。自动上料机构如图2所示。

图2 自动上料机构

2.2 试管移取机构

通过接收控制器贴标夹管指令，步进电机[5]控制十字滑台x、y轴左右、上下移动，当夹持臂移动到所需夹取试管的相应位置时，分拨部件将试管滑槽上的第一根试管与第二根试管分开后，电磁夹抓取对应项目料道上试管，再将试管移动放入贴标打印模块滚筒中，夹爪下位感应器将到位信号传输给主控制器完成试管移取工作。试管移取机构如图3所示。

图3 试管移取机构

2.3 打印贴标机构

当试管放置于容纳试管的夹槽后，夹槽夹持试管，寻边机构寻找出厂标签边缘，以此确定打印机何时开始打印医疗信息标签，从而保证医疗信息标签不会过多而遮蔽试管管身。打印机打印输出的医疗信息标签恰好与夹槽内的试管接触，驱动机构带动试管转动，输出的医疗信息标签也跟着试管进行转动并逐渐被贴在试管表面随后复核机构扫描试管表面的医疗信息标签，得到相应的数据并传输至上位机，供上位机进行数据对比，从而保证打印的医疗信息标签准确无误。打印贴标机构如图4所示。

图4 打印贴标机构

2.4 下料机构

当试管上的医疗信息检验完毕之后，夹槽的水平伸缩部件缩回，试管不再被从动辊顶压夹持，此时试管掉落到出料仓。下料机构如图5所示。

图5 下料机构

3 控制系统设计

全自动贴标机系统的主要功能是将标签信息粘贴于对应的试管，要实现全自动贴标，首先需要分析标签粘贴动作的流程，然后对相应的模块进行设计，采用单片机作为主控实现各个模块的功能，主要是接收上位机工作指令信息，控制贴标打印模块、机械十字滑台及夹手装置等贴标机各步动作实现标签打印、贴标。整个系统的贴标动作主要分为以下几个部分：

（1）升降、平移机构由机械十字滑台和两个步进电机对其进行上下、前后移动。

（2）夹取机构的夹持臂通过推拉电磁铁的通断电控制其动作，同时在夹持臂的上方设置一个楔状的分拨部件。

（3）贴标驱动机构由一个驱动轴、一个驱动辊和两个从动辊组成。

（4）打印机构由一个打印机组成，打印输出口竖直设置，输出信息被打印于标签上。

（5）寻边机构由一个红光发射探头和一个红光接收探头组成，用于寻找出厂标签边缘。

（6）复核机构由一个扫码探头组成，将扫描的标签信息输入至上位机进行对比。若标签信息无误控制出料口出料，否则报警。

（7）出料机构由一个水平伸缩部件组成，其伸缩部件由推拉电磁铁通断电控制。

（8）在各料道设由感应器，当试管不足五支时报警提醒加管。

各机构均与上位机有通信，通过上位机将各个机构联系起来，完成整个系统的控制功能。各机构与上位机的输入输出如图6所示。

图6 上位机输入输出

4 实验验证

为了验证本系统的效果，采用医院常用的、长度规格真空采血试管，能够容纳现有系统标签内容。在上料机构放置100支试管进行实验，其贴标速度能够达到3s/支，贴标准确率和标签规范率达到98%。当上料机构料道不足五只试管时，上位机提醒加管。为了更直观的体现本系统的工作效率和准确率，分别采用100支试管对手工贴标和全自动贴标机进行对比实验，实验结果见表1。

表1 实验结果对比

5 结论

根据实验结果数据表明，本系统的全自动贴标机无论从工作效率、贴标准确率及标签规范率都明显优于手工贴标。本系统的整体结构较小，能够实现快速、准确贴标，并且与上位机相联系，能够实时调整标签信息并实时监控样本信息。其自动化程度高、操作方便、贴标工整、卫生。本系统解决了传统贴标方法的贴标错误、贴标不规范和卫生问题，其适用于医疗系统，有效降低了医疗事故的发生，很大程度上减轻了医护工作者的工作量。