CN104528213B - 自动存取液氮冻存罐 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动存取液氮冻存罐，包括罐体、上盖、控制器、第一电机～第七电机、机械手、机械手臂、第一转臂、第二转臂、承重柱和安装座，罐体内设有托盘，托盘上安装有用于放置冻存盒的冻存架，上盖的非中心位置设有内外相通的盖口，盖口上安装有盖板；第一电机～第七电机分别由控制器控制，第一电机控制盖板的启闭，第七电机控制冻存架旋转，第二电机～第六电机控制机械手的移动和启闭。本发明通过采用多个电机实现对机械手各种运行需求的控制，以及对盖板和冻存架的精确定位控制以使其配合机械手协调作业，从而能够实现存取冻存盒的精确操作，能精确、快速、高效、安全地完成冻存盒的自动存取作业，利于液氮冻存灌的样本安全及开发应用。

Description

自动存取液氮冻存罐

技术领域

本发明涉及一种液氮冻存罐，尤其涉及一种能够通过机械手实现自动存取冻存盒的自动存取液氮冻存罐。

背景技术

液氮生物容器是基于液氮冷藏的一种容器，主要用于保存血液、干细胞等生物组织，包括容器本体（如罐体）和置于容器本体内的托盘，容器本体内装有液氮，液氮的深度根据实际所需温度进行调节，置于托盘上的包装好的生物组织置于零下一百多摄氏度的环境中，能够达到长期保鲜的目的。

液氮冻存罐是液氮生物容器的主要产品类型，其包括一个罐体，罐体内设有托盘，托盘上设有冻存架，冻存架上放置冻存盒，冻存盒内放置生物组织等需要被冻存的对象，罐体内的液氮为被冻存的对象提供低温环境。为了便于存取冻存盒，液氮冻存罐的上端设有上盖，上盖上的非中心位置设有盖板，根据需要开启上盖或盖板，以实现补充氮液或存取冻存盒的目的。

随着冷藏需求的增加，所需的液氮冻存罐也越做越大，冻存盒的存取成为费时费力的事，如果开盖、旋转托盘、伸入夹持工具等环节之间配合不好，也会导致罐体内大量冷量流失的问题；另外，氮液的极度低温可能会导致对操作人员的身体伤害。所以，在冻存盒较多、存取频繁的情况下，传统的手工操作已经越来越难以适应快速和安全存取冻存盒的需求，对其进行自动化改造的需求已经越来越迫切，本发明正是基于这种现状而进行的技术研发。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能够通过机械手实现自动存取冻存盒的自动存取液氮冻存罐。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种自动存取液氮冻存罐，包括罐体和安装于所述罐体上的上盖，所述罐体内设有托盘，所述托盘上安装有用于放置冻存盒的冻存架，所述上盖的非中心位置设有内外相通的盖口，所述盖口上安装有盖板；所述自动存取液氮冻存罐还包括控制器、第一电机～第七电机、机械手、机械手臂、第一转臂、第二转臂、承重柱和安装座，所述第一电机～第七电机分别由所述控制器控制，所述第一电机安装于所述上盖上并控制所述盖板的启闭，竖向的所述承重柱安装于所述上盖上，所述安装座安装于所述承重柱上并通过安装于所述上盖上的所述第二电机控制上下移动，横向的所述第一转臂的第一端安装于所述安装座上并通过安装于所述安装座上的所述第三电机控制横向旋转，横向的所述第二转臂的第一端安装于所述第一转臂的第二端并通过安装于所述第一转臂的第二端的所述第四电机控制横向旋转，所述第五电机安装于所述第二转臂的第二端，所述第六电机安装于竖向的所述机械手臂的上端，所述机械手臂的上端安装于所述第二转臂的第二端并通过所述第五电机控制绕其自身中心轴线旋转，所述机械手安装于所述机械手臂的下端，所述机械手臂上设有一条机械手传动轴，所述第六电机控制所述机械手传动轴上下移动以实现机械手的启闭，所述第七电机安装于所述上盖上并通过安装于所述罐体中心的竖向的中心轴控制所述托盘横向旋转；所述冻存架上设有多个与所述盖口位置对应且用于机械手伸入的操作孔，所述操作孔周围的所述冻存架上设有多个用于放置所述冻存盒的放置区，每个所述放置区靠近所述操作孔的位置设有缺口。

上述结构中，控制器采用现有的常规控制器，用于对各电机的启停、旋转方向和旋转速度进行控制；第一电机～第七电机分别对盖板、安装座、第一转臂、第二转臂、机械手臂、机械手传动轴、中心轴进行一对一的控制，从而分别实现下述各种功能：盖板的启闭、安装座升降、第一转臂的横向旋转、第二转臂的横向旋转、机械手臂的自旋转、机械手的启闭、托盘的旋转，从而最终实现机械手的升降、横向旋转移位、自旋转、启闭，以及盖板的启闭、托盘带动冻存盒的横向旋转移位，满足通过机械手存取冻存盒的全部需求；机械手用于抓取或松开冻存盒，从而实现冻存盒的存取控制；机械手臂用于作为机械手的传动部件和安装基础，实现机械手的移动和定位；第一转臂和第二转臂相互配合，实现机械手臂的横向旋转、移位、定位需求，可实现全方位的横向位置变化需求；承重柱作为安装座、整个机械手臂及其控制装置的承重和安装基础，并为安装座及其上的其它所有装置提供升降轨道；安装座作为整个机械手臂及其控制装置的承重和安装基础；冻存架用于放置冻存盒并带动冻存盒进行位置移动和定位，冻存架中的操作孔用于为机械手存取冻存盒提供操作空间，冻存架上的放置区上的缺口同样也是为机械手存取冻存盒提供操作空间。

根据电机传动原理，各电机的传动均采用精确传动的齿轮传动，下面对各电机的优选传动结构进行具体说明，其中的重点是其传动结构，具体传动部件如齿轮的安装结构根据需要按常规方式安装即可：

所述第一电机的转轴与第一齿轮的中心孔连接，所述第一齿轮与第二齿轮啮合连接，所述第二齿轮的中心孔与第一传动轴的一端连接，所述第一传动轴与传动板固定连接，所述传动板与所述盖板的上表面固定连接。

所述承重柱内设有竖向的螺杆，所述螺杆由所述第二电机控制绕其自身中心轴线旋转；所述承重柱上设有竖向的升降槽，所述螺杆置于所述升降槽内，所述安装座上设有外凸的升降块，所述升降块的中心设有竖向的螺孔，所述升降块通过所述螺孔套装于所述螺杆上；所述承重柱上还设有竖向的内宽外窄的限位槽，所述安装座上还设有外凸的内窄外宽的限位块，所述限位块置于所述限位槽内。

所述第三电机的转轴与第三齿轮的中心孔连接，所述第三齿轮与第四齿轮啮合连接，所述第四齿轮的中心孔与第二传动轴的一端连接，所述第二传动轴的另一端与所述第一转臂固定连接。

所述第四电机的转轴与第五齿轮的中心孔连接，所述第五齿轮与第六齿轮啮合连接，所述第六齿轮的中心孔与第三传动轴的一端连接，所述第三传动轴的另一端与所述第二转臂固定连接。

所述第五电机的转轴与第七齿轮的中心孔连接，所述第七齿轮与第八齿轮啮合连接，所述第八齿轮的中心孔与所述机械手臂固定连接。

所述第六电机的转轴与第九齿轮的中心孔连接，所述第九齿轮与第十齿轮啮合连接，所述第十齿轮的中心孔内壁上设有螺纹，所述机械手传动轴的外圆周上设有螺纹，所述第十齿轮的中心孔套装于所述机械手传动轴外。

根据权利要求1所述的自动存取液氮冻存罐，其特征在于：所述第七电机的转轴与第十一齿轮的中心孔连接，所述第十一齿轮与第十二齿轮啮合连接，所述第十二齿轮的中心孔与所述中心轴的上端固定连接。

为了实现冻存盒的稳固抓取与释放，所述机械手包括一个与所述机械手臂固定连接的下固定板和一个与所述机械手臂可旋转连接的上活动板，所述上活动板的大致中部位置与所述机械手臂可旋转连接，所述上活动板的后部与所述机械手传动轴的下端可旋转连接，所述上活动板的前部与所述下固定板形成夹持装置。

为了提高罐体放置冻存盒的容量并便于扩容和精确操作，所述冻存架为多层结构，每层所述冻存架包括在以所述中心轴为中心的圆周方向设置的多个冻存区域，每个所述冻存区域中的所述冻存架上分别设有所述操作孔。

本发明的有益效果在于：

本发明通过采用多个电机实现对机械手各种运行需求的控制，以及对盖板和冻存架的精确定位控制以使其配合机械手协调作业，从而能够实现存取冻存盒的精确操作，并能实现盖板开启与关闭、冻存盒旋转至盖口下方、机械手伸入抓取或释放等各环节之间的最佳配合，尽可能减少罐体内冷量的流失，并能精确、快速、高效、安全地完成冻存盒的自动存取作业，而且可以根据应用需求快速实现冻存盒数量的增减，达到基本不增加成本或增加较少成本即可完成扩容或减容的目的，极大地满足了液氮冻存行业的实时需求，为液氮冻存灌的样本安全及开发应用打下坚实的基础。

附图说明

图1是本发明所述自动存取液氮冻存罐的主视图；

图2是本发明所述自动存取液氮冻存罐的俯视图；

图3是本发明所述自动存取液氮冻存罐的左视图；

图4是本发明所述第二电机、承重柱、安装座及安装于所述安装座上的其它部件的局剖结构示意图之一，图中视角接近于图3但不完全相同；

图5是本发明所述第二电机、承重柱、安装座及安装于所述安装座上的其它部件的局剖结构示意图之二，图中视角相对于图4为俯视，但其尺寸比例小于图4；

图6是图4中“A”的放大图；

图7是本发明所述第二转臂、第五电机、第六电机和机械手臂的局剖结构示意图，图中视角与图4相同，但尺寸比例大于图4；

图8是图7中“B”的放大图；

图9是本发明所述自动存取液氮冻存罐去除承重柱及安装于承重柱上的其它部件后的局剖主视图，视角与图1相同，主要体现罐体的内部结构；

图10是本发明所述自动存取液氮冻存罐去除承重柱及安装于承重柱上的其它部件后的局剖俯视图，视角与图2相同，主要体现罐体的内部结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2、图3、图9和图10所示，本发明所述自动存取液氮冻存罐包括罐体14、安装于罐体14上的上盖13、控制器（因其采用常规控制器即可，所以图中未示出控制器）、第一电机30、第二电机23、第三电机7、第四电机4、第五电机2、第六电机1、第七电机21、机械手16、机械手臂15、第一转臂5、第二转臂3、承重柱9和安装座8，上盖13的非中心位置设有内外相通的盖口11（因为中心位置要安装中心轴42），盖口11上安装有盖板10；第一电机30、第二电机23、第三电机7、第四电机4、第五电机2、第六电机1和第七电机21分别由控制器控制，第一电机30安装于上盖13上并控制盖板10的启闭，竖向的承重柱9安装于上盖13上，安装座8安装于承重柱9上并通过安装于上盖13上的第二电机23控制上下移动，横向的第一转臂5的第一端安装于安装座8上并通过安装于安装座8上的第三电机7控制横向旋转，横向的第二转臂3的第一端安装于第一转臂5的第二端并通过安装于第一转臂5的第二端的第四电机4控制横向旋转，第五电机2安装于第二转臂3的第二端，第六电机1安装于竖向的机械手臂15的上端，机械手臂15的上端安装于第二转臂3的第二端并通过第五电机2控制绕其自身中心轴线旋转，机械手16安装于机械手臂15的下端，机械手16包括一个与机械手臂15固定连接的下固定板18和一个与机械手臂15可旋转连接的上活动板17，上活动板17的大致中部位置与机械手臂15可旋转连接，机械手臂15上设有一条机械手传动轴37，上活动板17的后部与机械手传动轴37的下端可旋转连接，上活动板17的前部与下固定板18形成夹持装置，第六电机1控制机械手传动轴37上下移动以实现机械手16的启闭，第七电机21安装于上盖13上并通过安装于罐体14中心的竖向的中心轴42控制托盘44横向旋转，中心轴42通过安装支架45与托盘44连接；罐体14内设有托盘44，托盘44上安装有用于放置冻存盒50的冻存架43，冻存架43为多层结构，每层冻存架43包括在以中心轴42为中心的圆周方向设置的多个冻存区域46，每个冻存区域46中的冻存架43上分别设有多个与盖口11位置对应且用于机械手16伸入的操作孔47，操作孔47周围的冻存架43上设有多个用于放置冻存盒50的放置区（该位置被冻存盒50占据，故未在图中标记），每个放置区靠近操作孔47的位置设有缺口48。

根据电机传动原理，各电机的传动均采用精确传动的齿轮传动，下面对各电机的优选传动结构进行具体说明，其中的重点是其传动结构，具体传动部件如齿轮的安装结构根据需要按常规方式安装即可：

如图2、图9和图10所示，第一电机30的转轴与第一齿轮41的中心孔连接，第一齿轮41与第二齿轮40啮合连接，第二齿轮42的中心孔与第一传动轴29的一端连接，第一传动轴29与传动板19固定连接，传动板19通过连接板28与盖板10的上表面固定连接。

如图1-图6所示，承重柱9内设有竖向的螺杆24，螺杆24由第二电机23控制绕其自身中心轴线旋转（此结构采用简单的常规结构即可实现，在此不作细述）；承重柱9上设有竖向的升降槽（图中未标记），螺杆24置于升降槽内，安装座8上设有外凸的升降块25，升降块25的中心设有竖向的螺孔（图中未标记），升降块25通过螺孔套装于螺杆24上；承重柱9上还设有竖向的内宽外窄的限位槽（图中未标记，其内安装有限位块），安装座8上还设有外凸的内窄外宽的限位块26，限位块26置于限位槽内。

如图1、图3和图4所示，第三电机7的转轴与第三齿轮（图中未示，但易于理解）的中心孔连接，第三齿轮与第四齿轮32啮合连接，第四齿轮32的中心孔与第二传动轴27的一端连接，第二传动轴27的另一端与第一转臂5固定连接。

如图1、图3、图4和图5所示，第四电机4的转轴与第五齿轮33的中心孔连接，第五齿轮33与第六齿轮34啮合连接，第六齿轮34的中心孔与第三传动轴35的一端连接，第三传动轴35的另一端与第二转臂3固定连接。

如图1、图3、图4和图7所示，第五电机2的转轴与第七齿轮（图中未示）的中心孔连接，第七齿轮与第八齿轮（图中未示）啮合连接，第八齿轮的中心孔与机械手臂15固定连接，本传动结构与第三电机7和第四电机4的传动结构类似，图中未示第七齿轮和第八齿轮。

如图1、图3、图4、图5和图8所示，第六电机1的转轴与第九齿轮36的中心孔连接，第九齿轮36与第十齿轮38啮合连接，第十齿轮38的中心孔内壁上设有螺纹，机械手传动轴37的外圆周上设有螺纹，第十齿轮38的中心孔套装于机械手传动轴37外。

如图2和图10所示，第七电机21的转轴与第十一齿轮52的中心孔连接，第十一齿轮52与第十二齿轮51啮合连接，第十二齿轮51的中心孔与中心轴42的上端固定连接。

图1、图3和图4中还示出了安装于第二传动轴27外的壳体6，图1中还示出了设于上盖13上并用于吊装的吊耳12，图1、图3和图9中还示出了安装于罐体14底部的滚轮20，图2还示出了设于上盖13中心位置的盖壳22，图8中还示出了用于对第十齿轮38进行限位的齿轮限位板39。

结合图1-图10，需要取出冻存盒50时，根据机械手16所处的位置（为了便于控制，在每一次操作完成后，将机械手16移动到一个固定的初始位置，是比较理想的选择），控制第二电机23、第三电机7和第四电机4，使机械手16移动到盖口11的正上方（下称控制操作1）；控制第一电机30开启盖板10（下称控制操作2）；控制第七电机21使需要操作的冻存盒50随冻存架43旋转到盖口11的下方（下称控制操作3）；再控制第二电机23使机械手16从盖口11伸入到罐体14的内部并置于对应的操作孔47所在的位置（下称控制操作4）；再控制第五电机2和第六电机1使机械手16夹持冻存架43上的冻存盒50，然后回到操作孔47所在的位置并准备向上移动（下称控制操作5）；然后控制第二电机23使机械手16从罐体14的内部经盖口11移动到盖口11的上方（下称控制操作6）；再控制第一电机30关闭盖板10（下称控制操作7）；再控制第三电机7、第四电机4和第六电机1，使机械手移动至预定位置并释放冻存盒50（下称控制操作8）；最后控制第二电机23、第三电机7和第四电机4，使机械手16移动到初始位置（下称控制操作9）。

上述过程中，控制操作1、2、3之间的顺序可以根据实际运行的时间进行调整，以尽量减少盖板10开启的时间为原则；控制操作4-9基本是按顺序进行比较理想，但也可根据实际需要进行调整。

需要将外面的冻存盒50存放到罐体14内的冻存架43上时，其过程与上比较类似，只是要使机械手16先夹持冻存盒50，再移动进入罐体14内，并将冻存盒50放置于冻存架43上，最后将机械手16移出罐体14并使其回到初始位置即可。

上述控制操作过程是在本发明所述自动存取液氮冻存罐的结构基础上易于想到的常规的控制流程，也是本自动存取液氮冻存罐的常规使用方法，不是本发明的创新方案，也不属于本发明的保护范畴。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种自动存取液氮冻存罐，包括罐体和安装于所述罐体上的上盖，所述罐体内设有托盘，所述托盘上安装有用于放置冻存盒的冻存架，所述上盖的非中心位置设有内外相通的盖口，所述盖口上安装有盖板；其特征在于：所述自动存取液氮冻存罐还包括控制器、第一电机～第七电机、机械手、机械手臂、第一转臂、第二转臂、承重柱和安装座，所述第一电机～第七电机分别由所述控制器控制，所述第一电机安装于所述上盖上并控制所述盖板的启闭，竖向的所述承重柱安装于所述上盖上，所述安装座安装于所述承重柱上并通过安装于所述上盖上的所述第二电机控制上下移动，横向的所述第一转臂的第一端安装于所述安装座上并通过安装于所述安装座上的所述第三电机控制横向旋转，横向的所述第二转臂的第一端安装于所述第一转臂的第二端并通过安装于所述第一转臂的第二端的所述第四电机控制横向旋转，所述第五电机安装于所述第二转臂的第二端，所述第六电机安装于竖向的所述机械手臂的上端，所述机械手臂的上端安装于所述第二转臂的第二端并通过所述第五电机控制绕其自身中心轴线旋转，所述机械手安装于所述机械手臂的下端，所述机械手臂上设有一条机械手传动轴，所述第六电机控制所述机械手传动轴上下移动以实现机械手的启闭，所述第七电机安装于所述上盖上并通过安装于所述罐体中心的竖向的中心轴控制所述托盘横向旋转；所述冻存架上设有多个与所述盖口位置对应且用于机械手伸入的操作孔，所述操作孔周围的所述冻存架上设有多个用于放置所述冻存盒的放置区，每个所述放置区靠近所述操作孔的位置设有缺口。

2.根据权利要求1所述的自动存取液氮冻存罐，其特征在于：所述第一电机的转轴与第一齿轮的中心孔连接，所述第一齿轮与第二齿轮啮合连接，所述第二齿轮的中心孔与第一传动轴的一端连接，所述第一传动轴与传动板固定连接，所述传动板与所述盖板的上表面固定连接。

3.根据权利要求1所述的自动存取液氮冻存罐，其特征在于：所述承重柱内设有竖向的螺杆，所述螺杆由所述第二电机控制绕其自身中心轴线旋转；所述承重柱上设有竖向的升降槽，所述螺杆置于所述升降槽内，所述安装座上设有外凸的升降块，所述升降块的中心设有竖向的螺孔，所述升降块通过所述螺孔套装于所述螺杆上；所述承重柱上还设有竖向的内宽外窄的限位槽，所述安装座上还设有外凸的内窄外宽的限位块，所述限位块置于所述限位槽内。

4.根据权利要求1所述的自动存取液氮冻存罐，其特征在于：所述第三电机的转轴与第三齿轮的中心孔连接，所述第三齿轮与第四齿轮啮合连接，所述第四齿轮的中心孔与第二传动轴的一端连接，所述第二传动轴的另一端与所述第一转臂固定连接。

5.根据权利要求1所述的自动存取液氮冻存罐，其特征在于：所述第四电机的转轴与第五齿轮的中心孔连接，所述第五齿轮与第六齿轮啮合连接，所述第六齿轮的中心孔与第三传动轴的一端连接，所述第三传动轴的另一端与所述第二转臂固定连接。

6.根据权利要求1所述的自动存取液氮冻存罐，其特征在于：所述第五电机的转轴与第七齿轮的中心孔连接，所述第七齿轮与第八齿轮啮合连接，所述第八齿轮的中心孔与所述机械手臂固定连接。

7.根据权利要求1所述的自动存取液氮冻存罐，其特征在于：所述第六电机的转轴与第九齿轮的中心孔连接，所述第九齿轮与第十齿轮啮合连接，所述第十齿轮的中心孔内壁上设有螺纹，所述机械手传动轴的外圆周上设有螺纹，所述第十齿轮的中心孔套装于所述机械手传动轴外。

8.根据权利要求7所述的自动存取液氮冻存罐，其特征在于：所述机械手包括一个与所述机械手臂固定连接的下固定板和一个与所述机械手臂可旋转连接的上活动板，所述上活动板的大致中部位置与所述机械手臂可旋转连接，所述上活动板的后部与所述机械手传动轴的下端可旋转连接，所述上活动板的前部与所述下固定板形成夹持装置。

9.根据权利要求1所述的自动存取液氮冻存罐，其特征在于：所述第七电机的转轴与第十一齿轮的中心孔连接，所述第十一齿轮与第十二齿轮啮合连接，所述第十二齿轮的中心孔与所述中心轴的上端固定连接。

10.根据权利要求1-9任何一项所述的自动存取液氮冻存罐，其特征在于：所述冻存架为多层结构，每层所述冻存架包括在以所述中心轴为中心的圆周方向设置的多个冻存区域，每个所述冻存区域中的所述冻存架上分别设有所述操作孔。