CN102321530A - 自动化菌落拣选装置的一种拾取头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及科学仪器技术领域，是一种自动化菌落拣选装置的一种拾取头，含有骨架、三轴联动结构、夹爪、高分辨率相机、针板，所述骨架为一个框架结构，其一侧通过连接板与自动化菌落拣选装置的三轴动力臂连接，在骨架的中间设置三轴联动结构，在骨架外侧的一面设置高分辨率相机，另一面设置夹爪，在骨架的下面设置针板；本发明利用外部的三轴动力臂和本身的三轴联动结构再配上夹爪、高分辨率相机和针板能完成拣选流程中的平皿揭盖、盖盖、搬运、拍照、孔板揭盖、盖盖、搬运、克隆拾取、脱针板、装针板、开关清洗舱门等动作，完成成像、拣选和搬运等动作；挑取速度快、定位精度高、无交叉污染，能满足大型实验室和工作站的工作需要。

Description

自动化菌落拣选装置的一种拾取头

技术领域

本发明涉及科学仪器技术领域，是一种把目标微生物菌落从培养皿拣选到微距阵孔板的高通量拣选机械装置——自动化菌落拣选装置的一种拾取头，可与自动化菌落拣选装置配套使用，广泛应用于与生命科学和生物技术有关的生物、医药、食品、农业、能源、化工、纺织、采矿、炼油以及环境保护、土壤修复等诸多领域中涉及微生物分离、筛选、保藏、转移的工作。

背景技术

挑选和保藏微生物菌落是微生物科研、教学和生产中非常基础而且必需的工作，长期以来它一直是通过手工进行的。手工拣选菌落，一次挑选的菌落数量有限，而且受人为因素的影响较多，缺乏统一而客观的挑选标准，劳动强度大但工作效率低。自从基因组科学诞生以来，因为一次性要挑选的菌落成千上万株，单靠传统的手工方式很难完成，因此，相应的仪器和设备相继出现。这些仪器和设备可完成菌落的自动识别、完成菌落的自动挑取和挑取针头的自动清洗等动作。

现有转盘式拾取机构的结构要点是（见附图1）：在拾取头的旋转盘上安装若干个针头，拾取头能够通过机器动作在竖直方向上下运动并配合旋转盘的转动再结合培养皿在平面上的X、Y方向的运动，使针头完成拾取目标菌落的动作。现有的阵列式拾取针头通常采用气动方式驱动针头运动(见美国专利 US 2004/0096984 A1；US 2006/0164644 A1；US 2003/002962 A1) 。

但是，现有拾取方式和拾取技术存在明显的不足：①传统的人工拣选明显不符合高通量实验工作的需要，如基因组科学研究的需要；②现有转盘式拾取机构虽然实现了自动化，但挑取效率不高，同样难以满足高通量科学研究的需要；③现有阵列式拾取针头采用的是气动方式驱动针头运动，需要另外配备气源和气体净化装置，因此增加了维护成本；再由于气动方式下针头伸出和收回运动惯性大，易造成交叉污染。

发明内容

本发明的目的在于完善现有自动化菌落挑取设备，提供一种可与自动化菌落拣选装置（另行申请了专利）配套安装的自动化菌落拣选装置的一种拾取头，以实现高通量单克隆挑选。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种自动化菌落拣选装置的一种拾取头，含有骨架、三轴联动结构、夹爪、高分辨率相机、针板，所述骨架为一个框架结构，其一侧可通过连接板与设置在自动化菌落拣选装置工作平台上的三轴动力臂的Z轴机械臂连接，其特征是，在骨架的中间设置三轴联动结构，在骨架外侧的一面（与Z轴机械臂连接的相向面）设置高分辨率相机，另一面设置夹爪，在骨架的下面设置针板；

所述三轴联动结构由x轴、y轴和下压杆（z 轴）构成，在x轴上设有第一步进电机，第一步进电机通过第一联轴器与丝杠连接，丝杠与螺母组成螺母副，第一连接件与螺母连接的同时与导轨滑块连接；第一连接件的下方通过固定板与y轴连接，在y轴上设有第二步进电机，第二步进电机通过第二联轴器和第二连接件与第二丝杠连接，第二丝杠通过螺母与连接杆连接；在第二连接件的下方设有（作为第3轴z 轴的）小电机安装套，在小电机安装套上装有小电机，在小电机安装套的下方通过导套设有下压杆； 

所述夹爪包括电动夹爪、一对前臂、与前臂相连的夹紧臂和连接板，夹爪通过第一连接板设置在骨架的外端，第一连接板通过滑块连接前臂，前臂上设有导向杆，导向杆的顶端安装步进电机，步进电机通过联轴器连接滚珠丝杠，滚珠丝杠通过第二连接板和螺母与电动夹爪连接，在前臂的前端设有夹紧臂；所述第二连接板在与螺母固接的同时又与直线导轨相连，使步进电机的正反转能带动整个夹爪上下运动；

所述夹爪包括电动夹爪、一对前臂、与前臂相连的夹紧臂和连接板。夹爪通过第一连接板设置在骨架的外端，第一连接板通过滑块连接第二连接板，第二连接板与电动夹爪相连，前臂与电动夹爪相连，一对夹紧臂与一对前臂连接，第二连接板又与螺母固定并驱动螺母运动，步进电机驱动联轴器，联轴器传递扭矩给滚珠丝杠，滚珠丝杠与螺母组成螺母副，第二连接板与螺母固定，因此，步进电机的正反转能带动整个夹爪上下运动；

所述针板包括上针板、下针板和拾取针，所述上针板的两侧设有连接槽，上针板和下针板将拾取针嵌置在针板的中间，在上针板上每个拾取针的正上方开了个小孔，针板通过连接槽安装在拾取头的骨架1下面。

在所述下针板上的针孔内配有导向套，在所述上针板上的针孔内配有弹簧。

在所述下针板和上针板之间设有矩阵形的96根或24、或48、或384根拾取针。

在所述上针板的两侧设有4个“L”型连接槽。

本发明自动化菌落拣选装置的一种拾取头的积极效果是：

（1）具有成像模块、拾取模块、电动夹爪模块，能集成像、拾取、搬运功能于一体；

（2）固定在三轴联动机构的 Z 轴上，能进行平皿揭盖、盖盖、搬运、拍照、孔板揭盖、盖盖、搬运、克隆拾取、脱针板、装针板、开关清洗舱门等动作；

（3）采用矩阵式针头排布方式（如96针即12x8矩阵高速全部拾取目标菌落转移至微孔板），挑取速度快、定位精度高；采用电机驱动针运动，控制简单，不需要气源、且针头运动速度连续可调，并可根据挑取克隆的菌落表面特性，选择适当的针头运动速度，减少拾取过程交叉污染的几率；

（4）采用一个电机驱动成矩阵列排列的所有针头的弹出和回收动作，制造成本低；

（5）与自动化菌落拣选装置配套安装的效果非常好，可实现高通量单克隆菌落挑选的自动化菌落拣选，能满足大型实验室和工作站一天之内要处理上万个到数十万个克隆样品的工作需要。

附图说明

图1是现有转盘式拾取机构的结构示意图；

图2为本发明自动化菌落拣选装置的一种拾取头的结构示意图；

图3为本发明自动化菌落拣选装置的一种拾取头设置在三轴动力臂上的位置示意图；

图4为三轴联动结构的结构示意图；

图5为夹爪的结构示意图；

图6为针板的结构示意图；

图7为图6的剖视图。

图中的标号分别为：

1、骨架；      2、三轴联动结构； 201、第一步进电机；202、第一联轴器；

203、丝杠；    204、导轨滑块；   205、螺母；        206、连接杆；

207、第一连接件； 208、第二连接件；209、第二联轴器； 210、第二步进电机；

211、小电机安装套；212、导套；     213、小电机；    214、下压杆；

3、夹爪；          301、夹紧臂；   302、滚珠丝杠；  303、直线导轨；

304、第二连接板；  305、丝杆螺母； 306、联轴器；    307、步进电机；

308、滑块；        309、第一连接板；310、电动夹爪；  311、前臂；

4、高分辨率相机；  5、针板；        501、拾取针；    502、下针板；

503、上针板；      504、第一“L”型槽；       505、第二“L”型槽；

506、第三“L”型槽；507、第四“L”型槽；508、弹簧； 509、导向套；

6、X轴机械臂；     7、Y轴机械臂；   8、Z轴机械臂； 9、拾取头。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明自动化菌落拣选装置的一种拾取头的具体实施方式，但是应该指出，本发明的实施不限于以下的实施方式。

参见附图2。一种自动化菌落拣选装置的一种拾取头，含有骨架1、三轴联动结构2、夹爪3、高分辨率相机4、针板5，所述骨架1为一个框架结构，在骨架的中间设置三轴联动结构2，在骨架1外侧的一面（与Z轴机械臂8连接的相向面）设置高分辨率相机4，在骨架1外侧的另一面设置夹爪3，在骨架1的下面设置针板5。本发明的拾取头通过骨架1一侧的连接板设置在自动化菌落拣选装置工作平台上的三轴动力臂上，具体地说，是连接在三轴动力臂的Z轴机械臂8上（参见图3“本发明自动化菌落拣选装置的一种拾取头设置在三轴动力臂上的位置示意图”）。所述的设置在自动化菌落拣选装置工作平台上的三轴动力臂含有 X轴机械臂6、Y轴机械臂7、Z轴机械臂8，通过X轴机械臂6两端的支撑座设置在工作平台的后面；Y轴机械臂7的一端通过连接件连接在X轴机械臂6上方的一端，Y轴机械臂7的另一端通过连接件连接竖向设置的Z轴机械臂8，拾取头9设置在Z轴机械臂8的下端。

参见附图4。本发明的拾取头的三轴联动结构2由x轴、y轴和下压杆214（z 轴）构成，在x轴上设有第一步进电机201，第一步进电机201通过第一联轴器202与丝杠203连接，丝杠203与螺母205组成螺母副，第一连接件207与螺母205连接的同时与导轨滑块204连接；第一连接件207的下方通过固定板与y轴连接，在y轴上设有第二步进电机210，第二步进电机210通过第二联轴器209和第二连接件208与第二丝杠连接，第二丝杠通过螺母与连接杆206连接；在第二连接件208的下方设有（作为第3轴z 轴的）小电机安装套211，小电机安装套211的下方通过导套212设有下压杆214，在小电机安装套211上装有小电机213。

三轴联动结构2的动力关系为：由x轴上第一步进电机201提供动力，第一联轴器202传递扭矩给丝杠203，丝杠203和螺母205组成螺母副，第一连接件207与螺母205相固定，又由于第一连接件207是固定在导轨滑块204上的，使得第一连接件207能在x轴方向做直线运动；第一连接件207与y轴的固定板相连，这样，使得y轴能在x轴方向整体移动；同样道理，y轴由第二步进电机210提供扭矩，第二联轴器209将扭力传递给第二丝杠，y轴方向的丝杠上装有第二连接板208，且第二连接板208上安装有z轴方向的小电机安装套211，这样就使得z轴能在直交轴x轴和y轴方向运动，且z轴方向中小电机安装套211中固定有小电机213，小电机213能驱动下压杆214上下运动，导套212有限制下压杆214旋转自由度的作用。

参见附图5“夹爪的结构示意图”。所述的夹爪3包括电动夹爪310、一对前臂311、与前臂311相连的夹紧臂和连接板。夹爪3通过第一连接板309设置在骨架1的外端，第一连接板309通过滑块308连接前臂311，前臂311上设有导向杆，导向杆的顶端安装步进电机307，步进电机307通过联轴器306连接滚珠丝杠305，滚珠丝杠305通过第二连接板304和螺母与电动夹爪310连接，在前臂311的前端设有夹紧臂301；所述第二连接板304在与螺母固接的同时又与直线导轨303相连，使步进电机307的正反转能带动整个夹爪3上下运动。

参见附图5“夹爪的结构示意图”。所述的夹爪3包括电动夹爪310、一对前臂311、与前臂311相连的夹紧臂301和连接板，夹爪3通过第一连接板309设置在骨架1的外端，第一连接板309通过滑块308连接第二连接板304，第二连接板304与电动夹爪310相连，前臂311与电动夹爪310相连，一对夹紧臂301与一对前臂311连接，第二连接板304又与螺母固定并驱动螺母运动；步进电机307驱动联轴器306，联轴器306传递扭矩给滚珠丝杠305，滚珠丝杠305与螺母组成螺母副，第二连接板304与螺母固定，因此，步进电机307的正反转能带动整个夹爪3上下运动。夹爪3的动力关系为：夹紧臂301、电动夹爪310固定在第二连接板304上，第二连接板304安装在一对平行的直线导轨303和滑块308上，第二连接板304由滚珠丝杠302驱动，滚珠丝杠302由联轴器306传递来自步进电机307的扭矩，配合直线导轨303和滑块308使电动夹爪310及一对前臂311和一对夹紧臂301能上下运动；又由于电动夹爪310本身具有张开和闭合的功能，这样就使得夹爪3具有张开、闭合和上下运动的功能。

参见附图6和7。所述的针板5包括包括上针板503、下针板502和拾取针501。在下针板502上的针孔内配置导向套509，在上针板503上的针孔内配置弹簧508；在导向套509内插置拾取针501，在每个拾取针501与下针板502之间安装弹簧508，这样，在上针板503和下针板502之间就能安装矩阵形的96根拾取针501，也可根据需要安装矩阵形的24、或48、或384根拾取针501。由于弹簧508和上针板503的作用，每个拾取针501针头排列平齐，在上针板503上每个拾取针501的正上方开了个小孔。在上针板403的两侧设置4个“L”型连接槽：一侧为第一“L”型槽504和第二“L”型槽505，另一侧为第三“L”型槽506和第四“L”型槽507，这样，针板5就能通过“L”型连接槽安装在拾取头9的骨架1的下面。

本发明的拾取头固定在三轴动力臂上就能在X轴Y轴Z轴三轴机械臂的空间做对应的运动，拾取头本身的由x轴y轴z轴构成的三轴联动结构2再配上拾取头上的夹爪3就能完成拣选流程中需要实现的平皿揭盖、盖盖、搬运、拍照、孔板揭盖、盖盖、搬运、克隆拾取、脱针板、装针板、开关清洗舱门等一系列动作；拾取头上的高分辨率相机4、针板5也能进行诸如成像、拣选、搬运等动作。夹爪3、高分辨率相机4和针板5在机械结构上是独立的，它们互不干涉，但在软件的控制下，它们能相互联动，将成像、拣选、搬运等动作联为一体。

本发明的拾取头实现拍照成像、菌落拣选的过程：

本装置的高分辨率相机4通过外部动力的三轴动力臂运动到待拣选的培养皿的正上方位置对菌落进行成像，然后通过软件系统对待拣选的菌落进行位置计算，使本发明的拾取头的各个拾取针501得到相应的位置，将三轴动力臂结合本发明的拾取头的三轴联动结构2，使得本发明的下压杆214向下运动，这样就能对应针板5上方的96针孔之一的上针板孔位压出弹簧，使得针板5中的一个拾取针头高于其他95个针头，依靠粘力将培养皿中的一个目标菌落粘取，这时下压杆214通过z轴动力向上运动到上位，由于弹簧208的作用，使得被下压的拾取针501恢复到原来的状态。与此相同，其他95个拾取针501逐一进行这样的动作，将培养皿中无序的目标菌落有序地转移在96个拾取针501上，由于96个针的矩阵分布与微孔板（96孔）上的孔是一一对应的，因此，针板5对准96孔板，加上针板5的震动程序，使得拾取针501上拣选的目标菌落较完全地转移到微孔板中。

本发明的拾取头能同时满足但不限于6×4、6×8、12×8、24×16矩阵孔板的菌落拾取和转移。利用两组96（或24、或48、或384）针板5就可以形成一组进行挑选，另一组进行清洗消毒的工作模式，既提高了工作效率，也不会形成交叉感染。

本发明的拾取头装针板5和拆针板5的过程：

在本发明的拾取头的上针板503上有2组“L”形槽，同时本发明的骨架1中设有对应的四个销，其位置正好在四个槽的上方。当要拆针板5时，拾取头9运动到搁针板5位置的上方，利用外部动力（三轴动力臂）将针板5搁在搁针板位置，然后根据“L”形槽的方向反方向运动，使针板5与骨架1分开。装针板5的过程与此相似，但反向动作：根据“L”形槽的方向正方向运动，使针板5与骨架1合成一体。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种自动化菌落拣选装置的一种拾取头，含有骨架（1）、三轴联动结构（2）、夹爪（3）、高分辨率相机（4）、针板（5），所述骨架（1）为一个框架结构，其一侧可通过连接板与设置在自动化菌落拣选装置工作平台上的三轴动力臂的Z轴机械臂（8）连接，其特征在于，在骨架的中间设置三轴联动结构（2），在骨架（1）外侧的一面设置高分辨率相机（4），另一面设置夹爪（3），在骨架（1）的下面设置针板（5）；

所述三轴联动结构（2）由x轴、y轴和下压杆（214）构成，在x轴上设有第一步进电机（201），第一步进电机（201）通过第一联轴器（202）与丝杠（203）连接，丝杠（203）与螺母（205）组成螺母副，第一连接件（207）与螺母（205）连接的同时与导轨滑块（204）连接；第一连接件（207）的下方通过固定板与y轴连接，在y轴上设有第二步进电机（210），第二步进电机（210）通过第二联轴器（209）和第二连接件（208）与第二丝杠连接，第二丝杠通过螺母与连接杆（206）连接；在第二连接件（208）的下方设有小电机安装套（211），在小电机安装套（211）上装有小电机（213），在小电机安装套（211）的下方通过导套（212）设有下压杆（214）； 

所述夹爪（3）包括电动夹爪（310）、一对前臂（311）、与前臂（311）相连的夹紧臂（301）和连接板，夹爪（3）通过第一连接板（309）设置在骨架（1）的外端，第一连接板（309）通过滑块（308）连接第二连接板（304），第二连接板（304）与电动夹爪（310）相连，前臂（311）与电动夹爪（310）相连，一对夹紧臂（301）与一对前臂（311）连接，第二连接板（304）又与螺母固定并驱动螺母运动，步进电机（307）驱动联轴器（306），联轴器（306）传递扭矩给滚珠丝杠（305），滚珠丝杠（305）与螺母组成螺母副，第二连接板（304）与螺母固定，因此，步进电机（307）的正反转能带动整个夹爪（3）上下运动；

所述针板5包括上针板（503）、下针板（502）和拾取针（501），所述上针板（403）的两侧设有连接槽，上针板（503）和下针板（502）将拾取针（501）嵌置在针板（5）的中间，在上针板（503）上每个拾取针（501）的正上方开了个小孔，针板（5）通过连接槽安装在拾取头（9）的骨架（1）下面。

2.根据权利要求1所述的自动化菌落拣选装置的一种拾取头，其特征在于，在所述下针板（502）上的针孔内配有导向套（509），在所述上针板（503）上的针孔内配有弹簧（508）。

3.根据权利要求1或2所述的自动化菌落拣选装置的一种拾取头，其特征在于，在所述下针板（502）和上针板（503）之间设有矩阵形的96根拾取针（501）。

4.根据权利要求1或2所述的自动化菌落拣选装置的一种拾取头，其特征在于，在所述下针板（502）和上针板（503）之间设有矩阵形的或24、或48、或96、或384根拾取针（501）。

5.根据权利要求1所述的自动化菌落拣选装置的一种拾取头，其特征在于，在所述上针板（503）的两侧设有4个“L”型连接槽。

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