本发明属医疗领域加样系统的技术范畴；特指基于速度开环控制和行程定位补偿，借助改进套筒型加样针探测液面，旋转/升降臂协同工作的加样系统和方法。
背景技术：
1957年，technicon推出全球首台生化分析仪autoanalyzer；1972年，北京协和医院率先引进使用，检验患者血液、尿液等体液的生化指标。1959年，berson发表125i标记胰岛素，测定血液胰岛素浓度的论文，开启了化学发光免疫分析(chemiluminescenceimmunoassayanalysis，clia)；化学发光免疫分析仪检测抗体、抗原、激素、药物浓度等生化指标。上述分析仪是现代医疗必备的技术手段，协助疾病诊断。目前，著名的生化分析仪厂商有：美国罗氏，日本奥林巴斯，德国拜耳，以及荷兰威图等；知名的化学发光免疫分析仪有：abbott(i4000sr)、beckman(access2)，siemens(adviacentaurcp)等。2003年，迈瑞生物医疗电子股份有限公司推出首台国产生化分析仪bs-300；国产化学发光免疫分析仪则有：迈瑞cl-2000i、新产业maglumi4000等。
国产分析仪的商品化之路坎坷，与操作系统的国产化有得一比。发达国家不仅凭借先进、可靠、功能完备的先发技术优势，引领分析仪的结构日趋复杂、体积持续增大，技术门槛和仪器成本不断抬升；而且开创分析仪绑定配套试剂的“免费”垂直整合模式，运维绑定试剂“抽点”的“免费”商业模式。用户的年检测样本量达标，分析仪绑定配套的试剂，分析仪“免费”；分析仪和试剂的成本、利润从绑定的试剂中攫取。用户认同试剂“抽点”，分析仪的终生运维亦将“免费”；仪器运转的机械嘀嗒声，厂商耳中的美元叮咚声。因此，国内厂商不仅直面国外同行的技术挑战，还需承受巨大的垫资財务压力。国货当自强！
“免费”模式的“阿喀琉斯之踵”是高企的样本量，县级医院难以企及；国内厂商的机遇。改革开放之初，进口交換机报价＞500美元/线；“巨大中华”从三四线城市逆袭崛起，报价降至20美元/线。借鉴“巨大中华”的成功经验，从服务县级医院的中低端产品切入，积累技术財力、逆袭崛起。伴随产品的量产应用，发现bug、消除bug，技术迭化、技术成熟；应用与“成熟”如影随形！
全自动生化分析仪、化学发光免疫分析仪等具有相似架构，均由加样清洗、光学测试分析系统组成。前者的光学测试分析基于双试剂和双反应原理，通过比色法进行生化分析；后者利用化学反应释放能激发中间体，能量以光子形式释放，光子计数器记录。上述分析仪的加样清洗系统，其功能，机械电气结构类同；本文面向clia的加样清洗系统展开论述，简称分析仪的加样清洗系统。分析仪有旋转/直线式两种机械结构，直线式的定位效率和精度较高，但结构复杂运维量大；本文围绕中低端旋转式(rz)分析仪的加样清洗系统展开论述：旨在提高定位精度、系统效率和易用性，简化机械电气结构，降低tco。
加样清洗系统包括样本、反应和试剂系统；样本系统包含样本针、样本盘、样本搅拌组件，样本管路与泵阀；反应系统包含反应盘、自动清洗组件，清洗管路与泵阀；试剂系统包含试剂针、试剂盘、试剂搅拌组件，试剂管路与泵阀。显然，样本、反应和试剂系统的共性多于个性；不失一般性，本文立足试剂系统展开论述。试剂系统的盘、搅拌组件、管路与泵阀另文讨论，本文聚焦试剂针展开论述。试剂针需要执行四个位置的旋转定位：初始、试剂吸样、反应盘加样和清洗位；试剂针水平方向的旋转和垂直方向的上下运动，均由步进电机以中轴为中心通过同步带实现。试剂针工作流程：1、初始位的试剂针，随旋转臂旋转到试剂吸样位，随升降臂降至试剂液面下1.5mm，吸取预定量试剂，随升降臂升至水平运动平面。2、试剂吸样位的试剂针，随旋转臂旋转到反应盘加样位，试剂针将试剂注入指定反应杯。3、反应盘加样位的试剂针，随旋转臂旋转到清洗位，随升降臂降至清洗指定高度，清洗试剂针内外壁，随升降臂升至水平运动平面。4、清洗位的试剂针，随旋转臂旋转到初始位。四工位的工序构成试剂针一个工作流程周期，周而复始。不难发现，试剂针在初始、试剂吸样、反应盘加样和清洗位之间有序转移时，运动的共性特征显著；因此，本文选取最具代表性的、典型工位的工序，即第1工位的工序展开论述。
试剂系统和样本系统的统称是加样系统；又因试剂针、样本针的运动规律高度相似，专利正文将使用统一术语“加样针”、“加样臂”、“加样吸样位”、“加样系统控制模块”；替代“背景技术”中，出于直观、简洁考量，使用的“试剂针”、“试剂吸样位”术语。提高中低端rz分析仪加样系统的效率和精度，简化结构、易用、低tco，涉及三项关键共性技术；结合试剂针第1工位的工序阐述三项关键共性技术的改进，以及改进的源由。
首先，试剂针旋转到试剂吸样位的定位误差≤0.1mm，即要求试剂针的最终位置偏离试剂吸样位≤0.1mm。现有的速度-位移双闭环方案复杂，推高成本、用户运维部门难以胜任。鉴于试剂针定位对运动轨迹的轮廓精度无严格要求；现有技术条件下，虽步进电机+同步带的开环误差＜1％，但定位精度尚无法满足≤0.1mm；提出基于速度开环控制和行程定位补偿方案：将试剂针旋转行程按0.97、0.03比例分段，段交点处安装光电传感器。根据s速度曲线，速度开环控制完成0.97行程，光电传感器触发中断，步进电机重置0.03行程对应的脉冲数，补偿0.97行程中已产生的偏差；沿用段交点处的速度，走完0.03行程对应的脉冲数。
其次，液面探测(liquidleveldetection，lld)影响试剂系统的精度和效率。lld的服务对象是试剂系统，旨在试剂的精确吸取：既要排除试剂表面气泡的虚假液位，也要消除吸取时空气混入造成的误差。就试剂系统而言，检测液面下1.5mm的液位价值＞液面的液位；提出电容法设计的改进套筒型加样针的液面探测装置。
第三，并行调度试剂针的旋转/升降臂运动，提出两臂协同提高试剂系统的效率。摒弃旋转/升降臂的串行调度策略，在升降臂与安全运动平面的交点处安装光电传感器。旋转臂从初始位旋转到试剂吸样位，升降臂根据s速度曲线从水平运动平面降至安全运动平面；若旋转臂己旋转至试剂吸样位，升降臂继续下降探测液面下1.5mm液位；若旋转臂未旋转至试剂吸样位，等待旋转臂旋转至试剂吸样位，升降臂再下降探测液面下1.5mm液位。
医疗领域加样系统方面较有代表性的知识产权成果综述如下：
·发明专利“旋转加样式全自动凝血测试仪”(zl2011104182503)，提出一种旋转加样式全自动凝血测试仪，包括测试系统、旋转式加样系统、倾斜式试剂冷藏系统、清洗系统、机箱，测试系统集合四个测试通道，同时进行工作。
·发明专利“小型生化分析仪”(zl2014102823465)，提出小型生化分析仪，包括机座、反应盘旋转座、试剂样本盘、加样系统、冲洗系统以及机壳。
·发明专利“加样系统的定位方法及应用该定位方法的体外诊断仪器饶捷”(zl2015106419422)，提出选择加样针位置为原点；控制加样针从原点移动到四个顶点试管的上方，根据加样针在x轴、y轴移动的距离计算四顶点试管坐标。
上述有益探索，是医疗领域加样系统研究成果的综述。遗憾的是，立足旋转式加样系统的特点，量身定制控制和调度方案，提高加样系统定位精度和效率的研究少人问津。因此，有必要在现有成果的基础上，作进一步的创新设计。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于速度开环控制和行程定位补偿，借助改进套筒型加样针探测液面，旋转/升降臂协同的加样系统和方法。
基于速度开环控制和行程定位补偿的加样系统，其特征在于加样系统由加样臂模块、电容-液面信号转换模块、步进电机驱动模块、加样系统控制模块组成；加样臂模块经电容-液面信号转换模块、与加样系统控制模块相连，加样系统控制模块经步进电机驱动模块、与加样臂模块相连；
加样臂模块包括升降臂，末端装有改进套筒型加样针的旋转臂；旋转臂配置旋转步进电机、型号ss1704a20a，升降臂配置升降步进电机、型号ss1704a20a，旋转步进电机、升降步进电机经步进电机驱动模块，与加样系统控制模块相连；升降臂配置升降定位光电传感器、型号pm-l25，升降定位挡片与升降定位光电传感器配套使用；升降定位挡片安装在升降臂上、随升降臂上下运动，升降定位光电传感器正对升降定位挡片、固定在高度为安全运动平面的中轴上，升降定位光电传感器与加样系统控制模块相连；升降臂上下运动涉及水平运动平面和安全运动平面，水平运动平面是旋转臂旋转定位时所处高度平面的称谓；安全运动平面是旋转臂旋转定位时，不与其它部件发生碰撞的、最低高度平面的称谓，安全运动平面位于水平运动平面之下；
加样臂模块采用工型基座的主体结构，底部安装升降步进电机，通过齿轮和皮带驱动升降臂，顶部右侧安装旋转步进电机，通过齿轮和皮带驱动旋转臂；与旋转臂旋转圆周同心的齿轮上装有带缺口的圆盘，旋转臂旋转时圆盘缺口同步转动；工型基座的顶面分别安装第1旋转定位光电传感器、第2旋转定位光电传感器、第3旋转定位光电传感器、型号pm-l25，与加样系统控制模块相连；加样系统的旋转定位行程分成0.97旋转行程和0.03旋转行程两段，旋转定位行程的始点、段分界点、终点与第1旋转定位光电传感器、第2旋转定位光电传感器、第3旋转定位光电传感器一一对应；旋转臂根据s速度曲线，速度开环控制完成0.97旋转行程，第2旋转定位光电传感器输出信号的电平变化，重置旋转步进电机剩余0.03旋转行程对应的脉冲数，即补偿0.97旋转行程累积的误差；采用0.97旋转行程处的速度，继续走完0.03旋转行程对应的脉冲数，第3旋转定位光电传感器输出信号的电平变化，试剂/样本吸样位的定位结束；改进套筒型加样针提供液面下1.5mm的液位，借助升降定位光耦-挡片实施旋转/升降臂的协同工作。
所述的电容-液面信号转换模块由电容-电压信号转换单元，信号调理和处理单元组成；改进套筒型加样针与电容-电压信号转换单元相连，信号调理和处理单元处理电容-电压信号转换单元输出的电压信号，判断改进套筒型加样针深入液面的距离；
改进套筒型加样针采用套筒结构，包括长l1.5＝l-1.5mm的外层套筒，长l的内层套筒，l是改进套筒型加样针的长度；内层套筒和外层套筒采用316l型不锈钢制作；外层套筒和内层套筒的管壁上喷塗teflon绝缘涂层；外层套筒、内层套筒与加样容器金属机壳间形成的电容记为c10、c20，外层套筒与内层套筒形成的电容记为c12，改进套筒型加样针未与加样容器的液面接触时、即外/内层套筒的空气介质电容值记为c120；改进套筒型加样针输出的电容信号与深入液面距离的关系如下：
定义，x为加样针针尖距液面的高度，液平面高度＝0，向下为正
x＜0，加样针针尖位于液面之上、未接触液面
x＝0，加样针针尖刚接触液面
0＜x＜1.5，加样针针尖进入液面，外层套筒未接触液面
x＝1.5，加样针针尖深入液面，外层套筒接触液面
x＞1.5，加样针针尖深入液面，外层套筒进入液面。
↗
加样系统控制模块下发液面检测指令
加样针定位后、正对液面向下移动
x＜0，c10↗、c20↗、c12不变
x＝0，c10↗、c20↑↑、c12不变
0＜x＜1.5，c10↗、c20↑、c12不变
x＝1.5，c10↑↑、c20↑、c12↑↑，加样针抽取作业的准备就绪
x＞1.5，c10↑、c20↑、c12↑，停止加样针插入作业；
c12↑↑表征改进套筒型加样针己达液面下1.5mm液位。
所述的步进电机驱动模块由升降臂步进电机驱动单元、旋转臂步进电机驱动单元组成；升降臂步进电机驱动单元以thb6032芯片为核心；thb6032的脚11、14、15、18接地，脚26、27相连经r311接加样系统控制单元的stm32f103rc脚20；thb6032的脚5、1、6分别接加样系统控制单元的stm32f103rc脚14、15、16；thb6032的脚23经r315接脚28，脚28经c311接地，脚25经r312接vcc，脚3经r313接vcc，脚4经r314接vcc；thb6032的脚9、13接升降臂步进电机a相两根线，脚20、16接升降臂步进电机b相两根线；旋转臂步进电机驱动单元以thb6032芯片为核心，接线方式与升降臂步进电机驱动单元类同。
所述的加样系统控制模块以stm32f103rc芯片为核心；stm32f103rc的脚32、48、64、19、1接vcc，脚31、47、63、18、60、28接地，脚7经c401接地；stm32f103rc的脚20、14、15、16分别与升降臂步进电机驱动单元的thb6032脚27、5、1、6相连，脚21、58、59、61分别与旋转臂步进电机驱动单元的thb6032脚27、5、1、6相连；stm32f103rc的脚8、9分别与电容-液面信号转换模块的输出引脚、输入引脚相连；stm32f103rc的脚10、24、25、37分别与升降定位光电传感器、第1旋转定位光电传感器、第2旋转定位光电传感器、第3旋转定位光电传感器相连。
使用所述系统的加样方法，加样方法从初始位到试剂吸样位的取样流程如下：
(0)初始化
旋转全行程脉冲数impulse_whirl
旋转第1段行程脉冲数n0.97＝0.97×impulse_whirl
旋转第2段行程脉冲数n0.03＝0.03×impulse_whirl
安全升降脉冲数impulse_fluctuation_safe
水平运动平面至安全运动平面对应脉冲+10
最大升降脉冲数impulse_fluctuation_max
安全运动平面至试剂管底对应脉冲－10
①初始位旋转定位试剂吸样位
①-1第1旋转定位光电传感器的输出信号变化
根据s速度曲线，速度开环控制完成0.97旋转行程
①-2第2旋转定位光电传感器的输出信号变化
步进电机重置n0.03
①-3走完n0.03，第3旋转定位光电传感器的输出信号变化
旋转定位结束
②旋转/升降臂协同工作
②-1根据s速度曲线，速度开环执行impulse_fluctuation_safe
升降定位光电传感器的输出信号变化
中止impulse_fluctuation_safe
②-2读第2旋转定位光电传感器信号
case1第2旋转定位光电传感器信号变化，转③
case2第2旋转定位光电传感器信号无变化，等变化，转③
③液面探测和试剂吸取，升降臂继续下行≤impulse_fluctuation_max
③-1检测c12↑↑，加样针针尖到液面下1.5mm液位
③-2升降臂停，吸取预定量试剂，加样针跟踪液面同步下降
③-3升降臂上升至安全运动平面。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
速度开环控制和行程定位补偿，提高了加样定位精度、系统效率和易用性，简化机械电气结构，降低了tco；改进套筒型加样针探测液面下1.5mm液位，有助于试剂/样本的精确吸取，减少吸取操作时加样针对下降液面跟踪的难度；旋转/升降臂协同工作，提高了加样系统的效率。
附图说明
图1(a)是加样系统的结构图；
图1(b)是加样系统的原理框图；
图1(c)是加样臂模块的结构图；
图1(d)是旋转臂旋转定位的结构图；
图1(e)是升降臂运动区间的示意图；
图2是改进套筒型加样针的结构图；
图3是电容-液面信号转换模块的原理框图；
图4是步进电机驱动模块的电路图；
图5是加样系统控制模块的电路图；
图6是加样系统从初始位到试剂吸样位的取样流程图。
具体实施方式
如图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)、图1(e)所示，加样系统由加样臂模块100、电容-液面信号转换模块200、步进电机驱动模块300、加样系统控制模块400组成；加样臂模块100经电容-液面信号转换模块200、与加样系统控制模块400相连，加样系统控制模块400经步进电机驱动模块300、与加样臂模块100相连；
加样臂模块100包括升降臂130，末端装有改进套筒型加样针110的旋转臂120；旋转臂120配置旋转步进电机121、型号ss1704a20a，升降臂130配置升降步进电机131、型号ss1704a20a，旋转步进电机121、升降步进电机131经步进电机驱动模块300，与加样系统控制模块400相连；升降臂130配置升降定位光电传感器133、型号pm-l25，升降定位挡片132与升降定位光电传感器133配套使用；升降定位挡片132安装在升降臂130上、随升降臂130上下运动，升降定位光电传感器133正对升降定位挡片132、固定在高度为安全运动平面的中轴上，升降定位光电传感器133与加样系统控制模块400相连；升降臂130上下运动涉及水平运动平面和安全运动平面，水平运动平面是旋转臂旋转定位时所处高度平面的称谓；安全运动平面是旋转臂旋转定位时，不与其它部件发生碰撞的、最低高度平面的称谓，安全运动平面位于水平运动平面之下；
加样臂模块100采用工型基座101的主体结构，底部安装升降步进电机131，通过齿轮和皮带驱动升降臂130，顶部右侧安装旋转步进电机121，通过齿轮和皮带驱动旋转臂120；与旋转臂120旋转圆周同心的齿轮上装有带缺口122的圆盘102，旋转臂旋转时圆盘缺口同步转动；工型基座101的顶面分别安装第1旋转定位光电传感器123、第2旋转定位光电传感器124、第3旋转定位光电传感器125、型号pm-l25，与加样系统控制模块400相连；加样系统的旋转定位行程分成0.97旋转行程和0.03旋转行程两段，旋转定位行程的始点、段分界点、终点与第1旋转定位光电传感器123、第2旋转定位光电传感器124、第3旋转定位光电传感器125一一对应；旋转臂120根据s速度曲线，速度开环控制完成0.97旋转行程，第2旋转定位光电传感器124输出信号的电平变化，重置旋转步进电机121剩余0.03旋转行程对应的脉冲数，即补偿0.97旋转行程累积的误差；采用0.97旋转行程处的速度，继续走完0.03旋转行程对应的脉冲数，第3旋转定位光电传感器125输出信号的电平变化，试剂/样本吸样位的定位结束；改进套筒型加样针提供液面下1.5mm的液位，借助升降定位光耦-挡片实施旋转/升降臂的协同工作。
说明1：鉴于加样系统的样本、反应和试剂系统，其机械运动的共性多于个性；试剂系统的盘、搅拌组件、管路与泵阀另文讨论；而试剂针需执行四个位置的旋转定位，其最具代表性的、典型工序是初始位至试剂吸样位的定位和试剂吸取；考虑表述的简洁明了、又不失一般性，本文针对该典型工序展开；余类推。
如图2、图3所示，改进套筒型加样针110采用套筒结构，包括长l1.5＝l-1.5mm的外层套筒111，长l的内层套筒112，l是改进套筒型加样针110的长度；内层套筒112和外层套筒111采用316l型不锈钢制作；外层套筒111和内层套筒112的管壁上喷塗teflon绝缘涂层；外层套筒111、内层套筒112与加样容器金属机壳间形成的电容记为c10、c20，外层套筒111与内层套筒112形成的电容记为c12，改进套筒型加样针110未与加样容器的液面接触时、即外/内层套筒的空气介质电容值记为c120；
电容-液面信号转换模块200由电容-电压信号转换单元220，信号调理和处理单元230组成；改进套筒型加样针110与电容-电压信号转换单元220相连，信号调理和处理单元230处理电容-电压信号转换单元220输出的电压信号，判断改进套筒型加样针110深入液面的距离；改进套筒型加样针110输出的电容信号与深入液面距离的关系如下：
定义，x为加样针针尖距液面的高度，液平面高度＝0，向下为正
x＜0，加样针针尖位于液面之上、未接触液面
x＝0，加样针针尖刚接触液面
0＜x＜1.5，加样针针尖进入液面，外层套筒未接触液面
x＝1.5，加样针针尖深入液面，外层套筒接触液面
x＞1.5，加样针针尖深入液面，外层套筒进入液面。
↗
加样系统控制模块400下发液面检测指令
加样针定位后、正对液面向下移动
x＜0，c10↗、c20↗、c12不变
x＝0，c10↗、c20↑↑、c12不变
0＜x＜1.5，c10↗、c20↑、c12不变
x＝1.5，c10↑↑、c20↑、c12↑↑，加样针抽取作业的准备就绪
x＞1.5，c10↑、c20↑、c12↑，停止加样针插入作业；
c12↑↑表征改进套筒型加样针己达液面下1.5mm液位。
说明2：lld的目标是试剂系统精确吸取试剂。吸取试剂时，液面下降，加样针存在需要同步下降的技术难题。目前，分析仪取样微量化水平：国内5-10ul，发达国家1-2ul；以10ul为例，从10mm*75mm试剂管内取试剂，液面下降10/π*5*5＝0.127mm；故检测液面下1.5mm液位，使加样针跟踪液面同步下降的难题得到简化。改进套筒型加样针的详细论述，可参见本课题组的另一专利“改进套筒型加样针的液面探测装置和方法”。
如图4所示，步进电机驱动模块300由升降臂步进电机驱动单元310、旋转臂步进电机驱动单元320组成；升降臂步进电机驱动单元310以thb6032芯片为核心；thb6032的脚11、14、15、18接地，脚26、27相连经r311接加样系统控制单元400的stm32f103rc脚20；thb6032的脚5、1、6分别接加样系统控制单元400的stm32f103rc脚14、15、16；thb6032的脚23经r315接脚28，脚28经c311接地，脚25经r312接vcc，脚3经r313接vcc，脚4经r314接vcc；thb6032的脚9、13接升降步进电机131a相两根线，脚20、16接升降步进电机131b相两根线；旋转臂步进电机驱动单元320以thb6032芯片为核心，接线方式与升降臂步进电机驱动单元310类同。
如图5所示，加样系统控制模块400以stm32f103rc芯片为核心；stm32f103rc的脚32、48、64、19、1接vcc，脚31、47、63、18、60、28接地，脚7经c401接地；stm32f103rc的脚20、14、15、16分别与升降臂步进电机驱动单元310的thb6032脚27、5、1、6相连，脚21、58、59、61分别与旋转臂步进电机驱动单元320的thb6032脚27、5、1、6相连；stm32f103rc的脚8、9分别与电容-液面信号转换模块200的输出引脚、输入引脚相连；stm32f103rc的脚10、24、25、37分别与升降定位光电传感器133、第1旋转定位光电传感器123、第2旋转定位光电传感器124、第3旋转定位光电传感器125相连。
如图6所示，加样系统从初始位到试剂吸样位的取样流程如下：
(0)初始化
旋转全行程脉冲数impulse_whirl
旋转第1段行程脉冲数n0.97＝0.97×impulse_whirl
旋转第2段行程脉冲数n0.03＝0.03×impulse_whirl
安全升降脉冲数impulse_fluctuation_safe
水平运动平面至安全运动平面对应脉冲+10
最大升降脉冲数impulse_fluctuation_max
安全运动平面至试剂管底对应脉冲－10
①初始位旋转定位试剂吸样位
①-1第1旋转定位光电传感器123的输出信号变化
根据s速度曲线，速度开环控制完成0.97旋转行程
①-2第2旋转定位光电传感器124的输出信号变化
步进电机重置n0.03
①-3走完n0.03，第3旋转定位光电传感器125的输出信号变化
旋转定位结束
②旋转/升降臂协同工作
②-1根据s速度曲线，速度开环执行impulse_fluctuation_safe
升降定位光电传感器133的输出信号变化
中止impulse_fluctuation_safe
②-2读第2旋转定位光电传感器124信号
case1第2旋转定位光电传感器124信号变化，转③
case2第2旋转定位光电传感器124信号无变化，等变化，转③
③液面探测和试剂吸取，升降臂继续下行≤impulse_fluctuation_max
③-1检测c12↑↑，加样针针尖到液面下1.5mm液位
③-2升降臂停，吸取预定量试剂，加样针跟踪液面同步下降
③-3升降臂上升至安全运动平面。
说明3：分析仪取样微量化，加样针跟踪液面同步下降技术难度变小，流程中只提及不展开。