Електронно керована регульована медична піпетка є ключовим інструментом у сучасних наукових та медичних дослідженнях. У цій роботі розглянуто значення використання таких пристроїв у сфері медицини та суміжних галузях. Визначено сучасні методи розробки мікроелектромеханічного актуатора для подібних систем. Для вдосконалення конструкції та алгоритму управління електронної піпетки необхідно створити відповідну математичну модель, для якої критично важливо знати параметри мікродвигуна. Однак значна частина таких характеристик не зазначена у технічній документації виробника. На початковому етапі за допомогою програмного комплексу JMAG Designer, призначеного для моделювання та аналізу електромеханічних систем, була створена модель безосердного двигуна серії 610 (діаметр – 6 мм, довжина – 10 мм), що працює при напрузі 3,0–3,7 В. Проведено його детальне дослідження. З використанням цієї моделі були визначені окремі ключові параметри двигуна, які не надавалися виробником. На наступному етапі було розроблено спеціальний алгоритм та здійснено серію експериментів, спрямованих на отримання повного набору характеристик двигуна 610 серії. Це дозволило сформувати точну математичну модель, необхідну для подальших розрахунків та оптимізації пристрою. На основі отриманих даних була визначена передавальна функція двигуна, а також створена його високоточна модель у середовищі MATLAB. Отримані перехідні процеси струму та швидкості підтвердили правильність цієї моделі. Зокрема, перехідний процес струму у симуляції при живленні 3,7 В виявив розбіжність з реальними даними всього на 8,1%, а швидкість обертання двигуна відповідала експериментальним значенням з похибкою 5,7%. На основі отриманих результатів була розроблена симуляційна модель електроприводу, побудованого на основі безосердного двигуна. Досліджено його ефективність у застосуванні до регульованої медичної піпетки, що підтвердило відповідність запропонованої конструкції високим вимогам точності та надійності.
[1 ] Anne Shumway-Cook, and Marjorie H. Woollacott, Motor Control: Translating Research Into Clinical Practice. Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins, 4th edition, 641 p., 2012.
[2] D. Jennings, A. Flint, B.C.H. Turton, and L.D.M. Nokes, Introduction to Medical Electronics Applications. Elsevier, 232 p., 1995.
[3] Naruki Yoshikawa, Kourosh Darvish, Mohammad Ghazi Vakili, Animesh Garg, and Alán Aspuru-Guzik, “Digital pipette: open hardware for liquid transfer in self-driving laboratories,” Digital Discovery, iss. 6, pp. 1745-1751, 2023. https://doi.org/10.1039/D3DD00115F
[4] Byeongyeon Kim, Dongwon You, Yoon-Jin Kim, Insung Oh, and Sungyoung Choi, “Motorized smart pipette for handheld operation of a microfluidic blood plasma separator,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 267, pp. 581-588, 2018. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.04.075
[5] Daniela Daniel, and Ivano G.R, “Gutz Electronic micropipettor: A versatile fluid propulsion and injection device for micro-flow analysis,” Analytica Chimica Acta, vol. 571, iss. 2, pp. 218-227, 2006. https://doi.org/10.1016/j.aca.2006.04.076
[6] Hamid A. Toliyat, and Gerald B. Kliman, Handbook of Electric Motors. Taylor & Francis, 2nd edition, 832 p., 2004.
[7] Clemence Muron, “Innovative Motors Improve Productivity for Clinical Diagnostic and Fluid Handling Laboratories,” Medical Design Briefs, pp. 19-23, Novem. 2022.
[8] H. Shen, Q. Lei, and W. Chen, “Modeling and simulation for micro DC motor based on Simulink,” IOP Conference Series: Materials Science and Motorering, 242, 2017, pp. 1-7.
[9] L. Szabo, T., Rusu, B. Ovidiu, and C.S. Marţiş, “Script controlled modeling of low noise permanent magnet synchronous machines by using JMAG Designer,” Journal of Computer Science and Control Systems, vol. 6, 2013, pp. 91-94.
[10] Yannis L. Karnavas, and Ioannis D. Chasiotis, “PMDC coreless micro-motor parameters estimation through Grey Wolf Optimizer,” 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM), Lausanne, Switzerland, September ] ] 2016, pp. 865 – 870. https://doi.org/10.1109/ICELMACH.2016.7732627
[11] Chen Xianzhong, Hou Qingwen, and Lu Yifang, “The System Design of Low Power Electronic Pipette,” 2010 International Conference on Electrical and Control Engineering, Wuhan, China, June 2010, pp. 2455- 2458. https://doi.org/10.1109/iCECE.2010.607
[12] Heidi Fleischer, Daniel Baumann, Xianghua Chu, Thomas Roddelkopf, Michael Klos, and Kerstin Thurow, “Integration of Electronic Pipettes into a Dual-arm Robotic System for Automated Analytical Measurement Processes Behaviors,” 2018 IEEE 14th International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Munich, Germany, August 2018, pp. 22 – 27. https://doi.org/10.1109/COASE.2018.8560377
[13] B. Kopchak, M. Kopchak, and A. Kushnir, “Research of Alternating Current Single-Phase Collector Motor Models Developed on the Basis of Project Design Data,” XVth International Conference on Perspective Technologies and Methods in MEMS Design, MEMSTECH 2019, Polyana, Ukraine, May 2019, pp. 135-139. https://doi.org/10.1109/MEMSTECH.2019.8817391
[14] B. Kopchak, and A. Kushnir, "Research of Transition Processes of Single-Phase Collector Motor With AC Voltage Controller Model Created on Project Design Data," 2021 IEEE 3rd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), Lviv, Ukraine, August 2021, pp. 353-357. https://doi.org/10.1109/UKRCON53503.2021.9575950
[15] B. Kopchak, and A. Kushnir, “Analysis of Transition Processes of Single-Phase Collector Motor With Inverter Supply Model,” 2022 IEEE 16th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), Lviv-Slavske, Ukraine, February 2022, рр. 325-330. https://doi.org/10.1109/TCSET55632.2022.9766937.
[16] B. Kopchak, V. Oksentyuk, and A. Kushnir, “Development of Micro Brushless DC Motor Model Based on Project Design Calculation sing Ansys Maxwell RMxprt,” 2023 IEEE XXVIIIth International Seminar/Workshop Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED), Tbilisi, September 11-13, 2023. pp. 215-220. https://doi.org/10.1109/DIPED59408.2023.10269495
[17] Kevin M. Lynch, Nicholas Marchuk, and Matthew L. Elwin, Embedded Computing and Mechatronics with the PIC32 Microcontroller. Chapter 25 - Brushed Permanent Magnet DC Motors. Elsevier, 2016, pp. 399-425. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-420165-1.00025-1