CN106771297B - 基于无菌检测流程的全自动样品分装机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无菌检测流程的全自动样品分装机构。本发明设计了集菌瓶和集菌瓶所带软管针头的专用夹具来实现软管部分位置的可控性,整个过程机械手就只需要抓培养品和针头夹具，两机械手从集菌瓶托盘中抓取集菌瓶和针头，通过伺服电机的精确的控制机械手，将集菌瓶连同夹具一起移动到曲柄推杆机构的推板上并固定，针头机械手将针头和夹具通过固定的路线到达指定的位置并将软管拉直，再通过位于蠕动泵和限流装置的辅助机构将并排的三根软管放入到蠕动泵槽和限流槽中，然后通过三个同轴的凸轮实现对三根并列软管任意两根限流。本发明解决了软管的位置不易确定的难题，创新的使用凸轮对软管的限流，使整个限流装置得以简化，操作方便。

Description

基于无菌检测流程的全自动样品分装机构

技术领域

本发明属于食品药品检测领域，涉及对装于供试品中的样品进行自动分装于三只集菌瓶中、并自动加入相应培养基的装置。

背景技术

近年来，我国发生的多起食品、药品质量安全事件，使得政府和民众对食药品的质量保证高度重视。无菌检查作为食品药品质量控制的关键项目，在最新的2010版GMP《药品生产质量管理规范》和2015版药典都提出了明确的要求，是企业和监管机构对合格产品检验的重要项目。常规无菌检查在一个受控的环境中安装单向气流的层流台，在层流台上放置一台集菌仪来完成无菌试验。无菌检查仪包含了无菌隔离器、薄膜过滤系统（集菌操作仪和集菌培养器）、微生物培养箱等部件，替代常规无菌检查方法，提供受控无菌环境并实施无菌检验，具有集成度高、投入成本低、环境可控性更好的特点，越来越受到重视，得到广泛的应用。为了实现集菌过程自化，提高效率。

国内的一些企业在膜过滤法检测食品药品中的细菌，现阶段已经取得了长足的进展，但在检测过程，其中就包括样品的分装和培养液的添加等操作，基本都是全手动实现，手动实现集菌瓶安装、软管安装和针头换取。由于该过程涉及的步骤多，而且很多都是重复操作，所以手动容易产生误操作，从而影响实验结果的正确性。该过程对环境的要求也比较苛刻，必须在无菌室内进行，背景洁净度10000级下的局部100级，单向流空气，由于人为因素的限制，通过手动操作很难达到这个要求。为了达到这个环境要求，需要将该过程在无菌实验箱中完成，这就要求使集菌分装操作实现全自动化智能控制，由于实验箱的空间有限，需要将样品分装机构集成到培养箱中。转移过程需要用特制软管来完成，现阶段国内对于柔性软管的精确定位技术的研究成果很稀少，尤其是医药行业直径小于6毫米的软管。并且转移过程软管的位置变形大，采用直接将软管拉直的操作根本无法实现。另外转移过程中需要对三根软管进行限流，限定其中的两根，导通一根的操作。由于软管的之间的间隙只有1到2毫米，现阶段人工操作，主要通过限流夹子逐根限流来实现，并且容易出错，但是自动化的实现和环境的要求下，这样直接人工操作的方法和过程是不允许的。

发明内容

本发明是针对膜过滤集菌瓶、集菌瓶所带软管的安转和软管末端针头插入到供试瓶、培养基瓶和缓冲液瓶并实现换取、再者就是实现三根并列软管的任意一根导通的装置。

本发明包括集菌瓶抓取机械手模块、针头抓取机械手模块、集菌瓶安装模块、软管安装模块、限流装置模块、供试瓶抓取模块等主要几个部分组成。

针头抓取机械手模块主要由第一龙门式机械手完成，第一龙门式机械手实现六自由度运动，第一龙门式机械手的抓取部分是一个电磁阀机构，通电的时候产生磁场，压缩弹簧。第一龙门式机械手开始的位置处于集菌瓶托盘的针头位置正上方，针头固定在一个可以和第一龙门式机械手电磁装置相互吸合的针头夹具中，针头连针头同夹具被机械手抓起后，通过控制系统控制第一龙门式机械手伺服电机按预定的路线将针头移动到指定位置，使软管处于被拉直的状态，并将针头所带软管移动到蠕动头槽和限流槽位置的正上方。

集菌瓶抓取机械手模块主要由第二龙门式机械手完成，第二龙门式机械手六自由度运动，第二龙门式机械手抓取部分是一个能和针头夹具相互吸合的电磁装置，第一龙门式机械手和第二龙门式机械手实现协同动作实现集菌瓶的抓取，集菌瓶固定在集菌瓶夹具上，可以将集菌瓶牢牢的固定在其槽中，第二龙门式机械手抓取集菌瓶夹具后，通过控制系统控制第二龙门式机械手按预定的路线将针头移动到曲柄滑块机构的推盘上，推盘上的槽和集菌瓶夹具配合，并固定集菌瓶后，第二龙门式机械手松开夹具，回到初始位置。

集菌瓶安装模块主要由一个曲柄滑块机构，出液槽构成,集菌瓶在曲柄滑块机构的作用下从水平位置被推到竖直位置，瓶口朝上，而瓶底的出液孔正好位于出液槽的正上方，瓶里的液体可以流入到出液槽中，同时整个曲柄滑块机构在电机带动丝杠转动下可以实现上下小幅度的移动，配合后续机构完成相关操作。

软管安装模块主要由蠕动泵、限位杆、齿轮、齿条、局部软管拉紧机构、伺服电机构成。局部软管拉紧机构安装在蠕动泵蠕动头上，分前后两个，分别由伺服电机驱动。第一龙门式机械手将软管拉到预先设定的位置，在伺服电机的驱动下，限流块带动软管向下移动将软管压到蠕动泵的蠕动槽中和限流板的限流槽中，限流槽上方的软管压紧块将软管压紧，限流杆在电机的驱动下移动到下一个位置，将已经拉紧的软管局部放松，启动蠕动泵，整个软管的安装过程结束。

限流装置模块包括三个凸轮、伺服电机、导轨、限流槽，三个同轴凸轮在电机驱动丝杠转动到达软管的正前方的位置，再通过电机驱动三个同轴凸轮，并控制三个凸轮的旋转角度达到依次控制三根软管的导通。

供试瓶抓取模块包括抓取机械手、换向器和滑块，抓取机械手将电机的旋转运动转换成机械手的抓取力，抓取机械手在电机和丝杠的作用下，可以实现上下移动；供试品、培养液瓶、缓冲液瓶在传送带的作用下，移动到抓取机械手的正下方，抓取机械手可将瓶子抓取后再和第一龙门式机械手配合完成针头的拔插操作，针头插入到供试瓶中，供试品在翻转电机的作用下实现90度翻转，将供试瓶旋转到瓶口朝下的位置，并在蠕动泵和限流装置的配合下将供试液转移到集菌瓶中，然后依次按预先设定的步骤完成培养基的添加、冲洗操作。

本发明的有益效果：

本发明在隔离器中实现软管的自动安转、软管的自动换取、自动限流、针头的自动换取拔插等操作，具体的创新主要体现在以下几个方面；

针对培养品软管针头无法精确控制其位置，难于用机械手直接抓取问题，采用预先对培养品和针头外加夹具的思路，机械手只需抓取在固定位置的夹具，也方便针头的换取操作，这样的设计将大大简化抓针头机械手结构，最大程度降低了系统的成本，并且整体结构简单，操作方便。

针对三根软管难于实现任意一根导通其余限流操作的困难，采用同轴特制的三个凸轮结构，只需控制凸轮的旋转角度就可以实现软管的限流，结构简单、简洁，操作方便最大限度的降低了成本。

针对集菌瓶难于直接固定到托盘出液槽的上方，采用曲柄滑块机构将瓶子和夹具从水平位置推到竖直位置并固定牢，该机构操作简单，可以大大简化抓集菌瓶机械手的结构，并且曲柄滑块机构操作简单、可循环性强、效率高。

本发明在很大程度上减轻了无菌检测过程中，繁复的软管安装、限流和集菌瓶的安装、针头的拔插换取操作及可能由误操作引起的假阳性菌操作，能够有效完善无菌检测的功能，实现整个过程的全自动智能化。

附图说明

图1本发明的总体结构示意图1；

图2本发明的总体结构示意图2；

图3抓供试品模块结构示意图；

图4抓供试瓶机械手结构示意图；

图5限流装置和软管安装模块总体结构示意图1；

图6限流装置和软管安装模块总体结构示意图2；

图7限流模块结构示意图；

图8软管安转模块结构示意图；

图9第一限流凸轮；

图10第二限流凸轮；

图11第三限流凸轮；

图12抓针头机械手模块结构示意图；

图13针头夹具结构图；

图14抓集菌瓶和集菌瓶安装模块整体结构示意图；

图15抓集菌瓶夹具机械手示意图；

图16集菌瓶安装模块结构示意图；

图中的具体部件名称为

1、滑块；2、升降滑块；3、丝杠；4、支座；5、步进电机；6、竖向滑块；7、丝杠；8、线缆支架；9、电机支撑板；10、第一升降滑块；11、步进电机；12、光轴；13、步进电机；14、滑块；15、支架；16、滑块；17、电机；18、伺服电机；19、铝型材支架；20、机械手；21、联轴器；22、丝杠；23、导轨；24、导轨；25、滑块；26、供试瓶；27、丝杠；28、联轴器；29、步进电机；30、导轨；31、蠕动头；32、滑块；33、滑块；34、前后移动滑块；35、线缆支架；36、电机支架；37、电机；38、轴；39、软管；40、底板；41、限管辅助机构；42、限位杆；43、蠕动泵；44、、蠕动泵支架；45、联轴器；46、步进电机；47、电机支撑板；48、支架；49、丝杠；50、导轨；51、滑块；52、步进电机；53、凸轮轴；54、软管限位块一；55、软管限位块二；56、限位块固定架；57、软管限位槽；58、软管限位块三；59、伺服电机；60、限位块；61、限流槽；62、丝杠；63、伺服电机；64、凸轮1；65、凸轮2；66、凸轮3；67、丝杠；68、伺服电机；69、齿条；70、电机；71、支架；72、集菌瓶装卸盒子；73、针头夹具；74、丝杠；75、电机固定板；76、导轨；77、伺服电机；78、丝杠；79、第二升降滑块；80、集菌瓶夹具；81、机械手；82、支架；83、步进电机；84、出液槽板；85、滑块；86、光轴；87、丝杠；88、推杆；89、丝杠；90、步进电机；91、光轴；92、丝杠；93、滑块；94；升降板。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1、图2所示，整体的机械结构主要包括：集菌瓶针头抓取机械手模块、集菌瓶抓取机械手模块、集菌瓶安装模块、软管安装模块、软管限流模块和针头换取模块组成，其中：

集菌瓶针头抓取机械手模块包括：竖向滑块6；丝杠7；线缆支架8；电机支撑板9；步进电机11；支架14；滑块16；电机17；伺服电机18；铝型材支架19；联轴器21；丝杆22；导轨23；导轨24；滑块25；导轨30；滑块32；光轴33；集菌瓶装卸盒子72；针头夹具73；丝杠74，见图12和图13。

具体结构：伺服电机18末端是一个电磁阀可以和针头夹具73配合抓针头，伺服电机18固定在电机支撑板9上，电机支撑板9上端和丝杠74上的滑块25连接，下端和光轴33连接，丝杠74固定在导轨24上，并且由步进电机17通过联轴器驱动丝杠74转动，导轨24固定在竖向滑块6上，竖向滑块6和竖向移动丝杠7相连可以使抓针头机械手实现上下移动，竖向移动丝杠7下端固定在导轨30上的滑块32上，滑块32可以在导轨30上移动，与滑块32对应的另一侧的滑块16可以在导轨23上移动。

线缆支架8的一端固定在滑块16上，导轨23和导轨30固定在铝型材支架19上；工作过程中，机械手位于集菌瓶盒子72中针头夹具的正上方，机械手下移到针头夹具设定位置，然后电磁阀通电，针头夹具73被固定到机械手上；接着滑块6沿着丝杠7使机械手上升到合适的位置；然后步进电机17将扭矩传递给丝杠74，丝杠74上的滑块25带动机械手移动到丝杆74的中部位置，紧接着步进电机11通过联轴器21将扭矩传递给丝杠22从而带动滑块32移动，针头也随之一起前后移动。

集菌瓶抓取机械手模块包括：升降滑块10；光轴12；步进电机13；滑块14；丝杠27；联轴器28；步进电机29；前后移动滑块34；线缆支架35；电机固定板75；导轨76；伺服电机77；丝杠78；升降滑块79；集菌瓶夹具80；机械手81；滑块85；光轴86；丝杠87，见图14、图15和图16。

具体结构：伺服电机77的轴和一个抓取式机械手81相连接，电机77通过输出转动来使机械手81进行抓取动作，伺服电机77固定在电机固定板75上，电机固定板75的上端和滑块85连接，下端和光轴86连接，丝杠78固定在导轨76上，步进电机13通过联轴器将转动扭矩输出给丝杠78，从而可以驱动滑块85在丝杠78上移动带动机械手81左右移动；导轨76一端固定在升降滑块10上，另一端固定在升降滑块79上，升降滑块10可以沿丝杠87做上下移动，同时导轨76另一端的和光轴12配合，光轴12位于滑块14上，丝杠87位于前后移动滑块34上。

滑块工作时，抓集菌瓶机械手位于集菌瓶装卸盒子72中集菌瓶夹具的正上方，当抓针头机械手移动到相关位置时，机械手81在向下移动到达夹具的指定位置，电机77输出转矩转化为机械手的抓取力，将集菌瓶抓取，接着机械手在相同的驱动方式下向上移动到指定位置，步进电机13通过换向器将扭矩输出给丝杠78，驱动丝杠上的滑块向左移动到曲柄滑块机构推板85的槽中，并且固定牢。

集菌瓶安装模块包括：型材支架14；支架82；步进电机83；出液槽板84；推杆88；丝杆89；步进电机90；光轴91；丝杠92；滑块93；升降板94。

具体结构：曲柄滑块机构的推杆88上有可以与集菌瓶夹具80底部相配合的槽，滑块93位于丝杠92上，丝杠92一端通过联轴器与步进电机83连接，整个滑块机构位于升降板94上，并且升降板位于出液槽板84的中间通槽的位置，可以在步进电机90驱动丝杠89转动从而实现曲柄滑块机构的上下移动，步进电机90位于支架82上；工作时，当集菌瓶夹具被安装到推杆88上，电机启动带动丝杠92转动从而驱动滑块93移动，推杆88由水平位置旋转到竖直位置，而集菌瓶底部出液孔刚好位于出液槽板84出液孔的正上方，通过步进电机90驱动丝杠可以使集菌瓶实现上下移动，以方便排液。

软管安转模块包括：蠕动头31；软管39；限管辅助机构41；限位杆42；蠕动泵43；蠕动泵支架44；软管限位块一54；软管限位块二55；限位块固定架56；软管限位槽57；软管限位块三58；伺服电机59；丝杠67；伺服电机68；齿条69；电机70；支架71，见图8。

具体结构：该模块的机构主要放于蠕动泵蠕动头槽的两端，分为三部分；第一部分：软管限位块三58固定在蠕动泵的蠕动头31的前半部分，软管限位槽 57和丝杠67相配合，并且软管限位槽57上有三条与软管大小吻合的槽，丝杠67连接到伺服电机68上，限位块可以在电机68的驱动下实现上下移动；第二部分：软管限位块二55通过限位块固定架固定在蠕动头的后半部分，软管限位块一54上也有和软管大小相吻合的三条槽，其和丝杠配合由伺服电机59驱动，可以实现限位块的上下移动，第三部分：限位杆42底部固定在齿条69上，齿条另一端和电机70上的齿轮配合，电机的转动可以带动齿轮转动而带动齿条运动，使限位杆可以在支架71端面的导轨上旋转。

工作时，该模块是在抓针头模块的机械手将软管拉到蠕动泵槽的位置的时候开始工作的，首先由限位杆转动将软管限位，然后在抓针头机械手的作用下软管向下移动到限位块57的槽中和限位槽54中，接着两者在电机68和59的驱动下软管沿着蠕动槽向下移到蠕动头槽的底部，蠕动泵开启，限位杆同时在电机70的作用下回到初始位置。

软管限流模块包括：底板40；联轴器45；步进电机46；电机支撑板47；支架48；丝杠49；导轨50；滑块51；步进电机52；凸轮轴53；限位块60；限流槽61；丝杠62；伺服电机63；第一凸轮64、；第二凸轮65；第三凸轮66，见图5-图7和图9-图11。

具体机构：底板40上固定着限流槽61，限流槽61上的三条槽的位置和蠕动泵43的蠕动槽在同一水平线上，限流槽40一端和蠕动泵相连后固定在限流装置的支架48上，三条限流槽的前方中间位置有分别对应的第一凸轮64、第二凸轮65、第三凸轮三66，凸轮和传动轴53配合，同时轴53可以通过联轴器和步进电机52连接。步进电机52固定在滑块51上，滑块和丝杠49相连接，丝杠49安装在导轨50上，丝杠49和电机46相连，步进电机46安装在电机支撑板47上，在电机46的驱动下，滑块51和电机52、轴53和凸轮可以一起沿着导轨前后移动。限位块60和丝杠62相连，在电机63的驱动下限位块60可以实现前后移动。

工作时，软管限流模块所实现的操作是在软管安转模块之后进行的，在上一步的操作中，软管已经位于限流槽中了，然后电机63启动限位块将沿着丝杠62向着软管的方向移动，一直移动到将软管压紧，电机停止。然后步进电机46驱动丝杠49转动，滑块51将向着软管限流槽的方向移动到当第二凸轮和第三凸轮接触到软管为止即凸轮轴53进入到底板40的槽中，然后电机52转动带动凸轮转动实现对三根软管有顺序的对其中一根导通其它两根限流的操作。

针头换取模块包括：滑块1；升降滑块2；丝杠3；支座4；步进电机5；机械手20；供试瓶26；电机支架36；电机37；轴38，见图3和图4。

具体结构：机械手20可以在电机37的驱动下实现将旋转的力转化为抓取力，其一起固定在电机支架36上，电机支架36同时又和步进电机5的轴38相连接，步进电机5固定在支座4上，支座4又固定在升降滑块2上可以随着滑块在电机的驱动下沿着丝杠3进行上下移动。丝杠3固定在滑块1上，滑块1可以在导轨30上移动；该机构是配合针头抓取机械手一起完成针头的换取操作的。

工作时，由机械手从其下方的传送带上依次抓取供试瓶、培养基瓶和缓冲液瓶，将供试瓶26抓取到和针头位置一样高的位置时，并矫正使瓶子的橡胶盖和针头对齐，抓针头机械手向着供试瓶口的方向移动，将针头插入到供试瓶中，步进电机5启动，供试瓶在步进电机5旋转力作用下旋转90度，使瓶口的位置朝向下方，方便蠕动泵抽取瓶中的液体。完成液体的抽取之后，机械手又在步进电机5的作用下回到水平位置，接着升降滑块2向下移动将瓶子放回到传送带上，然后机械手按照抓取供试瓶的操作再抓取培养基瓶子，并完成插针、抽取放回的操作。

综上，本发明设计了集菌瓶和集菌瓶所带软管针头的专用夹具来实现软管部分位置的可控性,为接下来机械手分别抓取针头和集菌瓶到指定的位置做好准备，整个过程机械手就只需要抓培养品和针头夹具，抓瓶子机械手和抓针头机械手在同一导轨上移动，两机械手从集菌瓶托盘中抓取集菌瓶和针头，通过伺服电机的精确的控制机械手，将集菌瓶连同夹具一起移动到曲柄推杆机构的推板上并固定，针头机械手将针头和夹具通过固定的路线到达指定的位置并将软管拉直，再通过位于蠕动泵和限流装置的辅助机构将并排的三根软管放入到蠕动泵槽和限流槽中，然后通过三个同轴的凸轮实现对三根并列软管任意两根限流。该设计解决了软管的位置不易确定的难题，创新的使用凸轮对软管的限流，使整个限流装置得以简化，操作方便。

Claims (1)

1.基于无菌检测流程的全自动样品分装机构，包括集菌瓶抓取机械手模块、针头抓取机械手模块、集菌瓶安装模块、软管安装模块、限流装置模块和供试瓶抓取模块，其特征在于：

针头抓取机械手模块主要由第一龙门式机械手实现，第一龙门式机械手实现六自由度运动，第一龙门式机械手的抓取部分是一个电磁阀机构，通电的时候产生磁场，压缩弹簧；第一龙门式机械手开始的位置处于集菌瓶托盘的针头位置正上方，针头固定在一个可以和第一龙门式机械手电磁装置相互吸合的针头夹具中，针头连同针头夹具被机械手抓起后，通过控制系统控制第一龙门式机械手伺服电机按预定的路线将针头移动到指定位置，使软管处于被拉直的状态，并将针头所带软管移动到蠕动头槽和限流槽位置的正上方；

集菌瓶抓取机械手模块主要由第二龙门式机械手实现，第二龙门式机械手实现六自由度运动，第二龙门式机械手抓取部分是一个能和针头夹具相互吸合的电磁装置，第一龙门式机械手和第二龙门式机械手协同动作实现集菌瓶的抓取，集菌瓶固定在集菌瓶夹具上，可以将集菌瓶牢牢的固定在其槽中，第二龙门式机械手抓取集菌瓶夹具后，通过控制系统控制第二龙门式机械手按预定的路线将针头移动到曲柄滑块机构的推板上，推板上的槽和集菌瓶夹具配合，并固定集菌瓶后，第二龙门式机械手松开夹具，回到初始位置；

集菌瓶安装模块主要由一个曲柄滑块机构、出液槽构成,集菌瓶在曲柄滑块机构的作用下从水平位置被推到竖直位置，瓶口朝上，而瓶底的出液孔正好位于出液槽的正上方，瓶里的液体可以流入到出液槽中，同时整个曲柄滑块机构在电机带动丝杠转动下可以实现上下小幅度的移动，配合后续机构完成相关操作；

软管安装模块主要由蠕动泵、限位杆、齿轮、齿条、局部软管拉紧机构、伺服电机构成；局部软管拉紧机构安装在蠕动泵蠕动头上，分前后两个，分别由伺服电机驱动；第一龙门式机械手将软管拉到预先设定的位置，在伺服电机的驱动下，限位块带动软管向下移动将软管压到蠕动泵的蠕动槽中和限流板的限流槽中，限流槽上方的软管压紧块将软管压紧，限位杆在电机的驱动下移动到下一个位置，将已经拉紧的软管局部放松，启动蠕动泵，整个软管的安装过程结束；

限流装置模块包括三个凸轮、伺服电机、导轨、限流槽，三个同轴凸轮在电机驱动丝杠转动到达软管的正前方的位置，再通过电机驱动三个同轴凸轮，并控制三个凸轮的旋转角度达到依次控制三根软管的导通；

供试瓶抓取模块包括抓取机械手、换向器和滑块，抓取机械手将电机的旋转运动转换成机械手的抓取力，抓取机械手在电机和丝杠的作用下，可以实现上下移动；供试品、培养液瓶、缓冲液瓶在传送带的作用下，移动到抓取机械手的正下方，抓取机械手可将瓶子抓取后再和第一龙门式机械手配合完成针头的拔插操作，针头插入到供试瓶中，供试品在翻转电机的作用下实现90度翻转，将供试瓶旋转到瓶口朝下的位置，并在蠕动泵和限流装置的配合下将供试液转移到集菌瓶中，然后依次按预先设定的步骤完成培养基的添加、冲洗操作。