CN107351076A - 一种用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，包括旋转定位控制组件、固定板、抓手开合控制组件和机械手指压力采集控制组件；旋转定位控制组件、固定板和抓手开合控制组件，从上至下顺次相接。机械手指压力采集控制组件设在抓手开合控制组件上。本发明通过旋转定位控制组件实现对机械抓手360°旋转的灵活控制，抓手开合控制组件配合压力反馈模块能够根据移液耗材的材质、形状和大小，自适应设置机械手指对实验耗材的抓取压力，从而避免移液抓取过程中实验耗材形变及滑落等问题；能对自动化核酸移液工作站任意位置、方向上的不同实验耗材实现快速、灵活、稳定的抓取转移操作，便于实验扩展。

Description

一种用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手

技术领域

本发明涉及医疗器械高通量核酸检测移液工作站自动化技术领域，具体涉及一种用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手。

背景技术

在全球化进程不断加强的背景下各种已知或未知的疾病大规模爆发，为了更加快速、准确、安全地检测病情，高通量核酸检测系统研究具有很大意义。自动化移液工作站实验平台可以大大地优化实验效率，进行一轮完整的实验需要配套多种盛放样本试剂的耗材，为方便扩展实验方案，需要将实验耗材在不同工位间进行转移。在此移液过程中，对实验耗材实施快速、准确的抓取对于确保自动化移液操作的稳定性和结果可靠性都至关重要。

随着各个行业自动化程度不断提高，机械抓手作为一种高科技自动化装置在各个行业各种仪器上都有灵活运用，它能模仿人类的手完成相关操作。由于高通量核酸检测系统的抓取和转移不需要很高的空间自由度，一般采用两指抓手简单完成旋转和转移操作。但是实验耗材大小、形状和材质的刚性不同，给机械抓手对其进行快速稳定的抓取和转移带来一定困难，往往会出现抓力过大、耗材形变、耗材转移过程中滑落等问题，进而导致实验终止或病毒污染等不良结果。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种可以集成于自动化移液工作站实验平台上，实现不同实验耗材的快速稳定准确抓取，并可以稳定地转移和旋转到不同模块和不同工位，保证实验安全可靠快速进行，还可以扩展实验方法的自适应高通量核酸检测系统移液工作站中多种实验耗材的自锁型智能机械抓手。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，包括旋转定位控制组件、固定板、抓手开合控制组件和机械手指压力采集控制组件；所述旋转定位控制组件、固定板和抓手开合控制组件从上至下顺次相接，机械手指压力采集控制组件设在抓手开合控制组件上。

工作原理：本发明用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，使用时通过固定板将整个机械抓手安装在高通量核酸检测系统移液工作站三维机械臂上，依靠机械臂三维运动将机械抓手移动到相应工位；通过旋转定位控制组件保证旋转角度的精确性；机械手指压力采集控制组件在保证不增加装置负载的前提下，能够对耗材与机械手指的接触压力准确获取并实时提供给MCU，从而根据实验要求自适应地抓取不同耗材，避免了抓取过程中使用单一抓力造成耗材变形或抓取太松耗材滑落现象，保证实验稳定高效进行。

所述抓手开合控制组件包括抓手遮罩、28步进电机、第一旋转连接轴、齿轮组、正反牙转轴自锁梯形丝杠、转轴丝杠螺母、滑块、导轨和两个抓手组件；所述28步进电机一端与抓手遮罩内壁固定连接，另一端与第一旋转连接轴、齿轮组顺次相接，齿轮组包括相互外啮合的小齿轮和设在小齿轮下方的大齿轮，小齿轮中心套合在第一旋转连接轴端头，大齿轮中心套合正反牙转轴自锁梯形丝杠；正反牙转轴自锁梯形丝杠设在28步进电机下方，两端中心套合梯形丝杠固定装置，并固定在抓手遮罩内壁；正反牙转轴自锁梯形丝杠自中间位置开始向两端为反向螺旋螺纹，并套合两个转轴丝杠螺母同步反向运动；每个转轴丝杠螺母上均设有滑块，正反牙转轴自锁梯形丝杠长度方向两侧的抓手遮罩底板上分别设有带有导槽的导轨，两个导轨分别与抓手遮罩前后侧板固连，两个滑块分别与两个导轨相接，每个滑块下方的抓手遮罩底板上均设有长方形通孔，两个滑块均穿过长方形通孔各与一个抓手组件相接；28步进电机传动杆带动第一旋转连接轴转动，第一旋转连接轴带动齿轮组旋转，齿轮组带动正反牙转轴自锁梯形丝杠旋转，套合的转轴丝杠螺母随着反向螺纹相对同步移动从而带动抓手组件的开合运动，正反牙转轴自锁梯形丝杠具有自锁功能，保证在抓手开合操作停止以后整个手指的锁定，从而避免了抓取转移过程中由于负载过大，耗材滑落的现象，能保证实验的安全稳定进行。

上述28步进电机为28混合式步进电机。

优选，所述正反牙转轴自锁梯形丝杠选型满足自锁条件，螺纹升角小于静摩擦角。

其中一个滑块上设有限位划片，与限位划片位置对应的抓手遮罩一侧内壁设有限位传感器，限位划片设有能触发限位传感器的长条形凸块；能在抓手开合控制组件开合运动中当限位划片的长条形凸块成功触发限位传感器时，28步进电机停止转动从而确定手指开合运动的最大行程。

每个抓手组件上均设有机械手指压力采集控制组件，机械手指压力采集控制组件包含FSR压力传感器、模拟电路、AD采集模块和安装固定板；安装固定板固定连接在抓手组件上，模拟电路与AD采集模块相接并固定嵌入安装固定板中，FSR压力传感器设在抓手组件内侧的安装固定板上，FSR压力传感器信号端与模拟电路信号口连接；AD采集模块上设有与外部MCU连接的信号线；能实时向MCU提供接触压力，便于智能控制。

上述抓手组件内侧为两个抓手组件相对面。

上述FSR传感器是一款重量轻、体积小的感测精度极高的超薄型电阻式压力传感器，且FSR的力敏特性专门为通过人类触觉对电子装置进行控制而进行优化，FSR压力传感器在保证不增加装置负载的前提下，能够对耗材与手指的接触压力准确获取并实时提供给MCU，从而根据实验要求自适应地抓取不同耗材，避免了抓取过程中使用单一抓力造成耗材变形或抓取太松耗材滑落现象，保证实验稳定高效进行。

所述抓手组件包括连接杆、抓手臂和抓手手指，连接杆一端与滑块底部相接，另一端与抓手臂后部相接，抓手手指与抓手臂前部底面垂直相接；FSR压力传感器设在与抓手手指位置对应的安装固定板上；FSR传感器薄膜压力感应区域安放在抓手手指与耗材之间，由于FSR传感器本身超薄，能准确测量抓手手指与耗材接触的触点之间的压力，确保压力采集控制组件压力数据的真实可靠。

优选，每个抓手臂前部均设有两个抓手手指，每个抓手手指位置对应的安装固定板上均设有FSR压力传感器，每个FSR压力传感器背面的安装固定板上均设有模拟电路。

两个抓手手指相对面的抓手手指与抓手臂连接部均为圆弧过渡，能模仿人类手指抓取形状来配合FSR压力传感器似人类触觉的力敏特性曲线，进一步保证压力采集的准确性。

所述旋转定位控制组件包括64圈绝对位置编码器、编码器固定器、第二旋转连接轴、57步进电机、行星减速器、电机底座、滚珠轴承座和滚珠轴承；编码器固定器与57步进电机顶端固连，64圈绝对位置编码器设在编码器固定器上，第二旋转连接轴穿过编码器固定器一端与64圈绝对位置编码器相接，另一端与57步进电机传动杆相接；57步进电机、行星减速器、电机底座从上至下顺次相接；滚珠轴承座设在固定板下方的抓手遮罩顶面，滚珠轴承设在滚珠轴承座内并与行星减速器传动杆套合；行星减速器和高精度的64圈绝对位置编码器能够保证旋转角度的精确性；灵活的滚珠轴承能实现抓手360°自由旋转，滚珠轴承可以减小旋转部分的摩擦力，保证旋转的高精度和高效率，同时也保证了抓手左右不间断多次反向旋转的可逆性。

上述滚珠轴承通过上滚珠轴承垫片与滚珠轴承座固定连接，通过下滚珠垫片与抓手遮罩顶面固定连接从而带动整个抓手开合控制组件和机械手指压力采集控制组件旋转相应角度。

上述57步进电机为57混合式步进电机，行星减速器为配套57步进电机行星减速器。

本发明未提及的技术均为现有技术。

有益效果：本发明通过旋转定位控制组件实现抓手的360°精确快速自由旋转，抓手开合控制组件配合机械手指压力采集控制组件能够根据实验耗材的大小、形状和材质，实时采集机械手指和实验耗材的接触压力，从而便于MCU根据压力大小自适应控制抓取力度，能解决抓取过程中耗材变形，滑落等问题，从而实现智能抓取；能灵活运用在自动化工作站中，实现任意位置，任意方向，任意耗材快速，灵活，稳定抓取转移操作，便于实验扩展。

附图说明

图1为本发明用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手结构示意图；

图2为本发明抓手开合控制组件外部结构示意图；

图3为本发明抓手开合控制组件内部结构示意图一；

图4为本发明抓手开合控制组件内部结构示意图二；

图5为本发明抓手开合控制组件旋转状态示意图；

图6为本发明抓手遮罩底部的抓手组件结构示意图；

图中，1为固定板、2为抓手遮罩、3为抓手组件、4为安装固定板、5为模拟电路、6为AD采集模块、7为FSR压力传感器、8为机械臂、9为64圈绝对位置编码器、10为编码器固定器、11为57步进电机、12为行星减速器、13为电机底座、14为滚珠轴承座、15为滚珠轴承、16为28步进电机、17为第一旋转连接轴、18为齿轮组、19为滑块、20为导轨、21为限位划片、22为限位传感器、23为正反牙转轴自锁梯形丝杠、24为转轴丝杠螺母、25为抓手手指、26为抓手臂、27为连接杆。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1-6所示，一种用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，包括旋转定位控制组件、固定板1、抓手开合控制组件和机械手指压力采集控制组件；所述旋转定位控制组件、固定板1和抓手开合控制组件从上至下顺次相接，机械手指压力采集控制组件设在抓手开合控制组件上；抓手开合控制组件包括抓手遮罩2、28步进电机16、第一旋转连接轴17、齿轮组18、正反牙转轴自锁梯形丝杠23、转轴丝杠螺母24、滑块19、导轨20和两个抓手组件3；所述28步进电机16一端与抓手遮罩2内壁固定连接，另一端与第一旋转连接轴17、齿轮组18顺次相接，齿轮组18包括相互外啮合的小齿轮和设在小齿轮下方的大齿轮，小齿轮中心套合在第一旋转连接轴17端头，大齿轮中心套合正反牙转轴自锁梯形丝杠23；正反牙转轴自锁梯形丝杠23设在28步进电机16下方，两端中心套合梯形丝杠固定装置，并固定在抓手遮罩2内壁；正反牙转轴自锁梯形丝杠23自中间位置开始向两端为反向螺旋螺纹，并套合两个转轴丝杠螺母24同步反向运动；每个转轴丝杠螺母24上均设有滑块19，正反牙转轴自锁梯形丝杠23长度方向两侧的抓手遮罩2底板上分别设有带有导槽的导轨20，两个导轨20分别与抓手遮罩2前后侧板固连，两个滑块19分别与两个导轨20相接，每个滑块19下方的抓手遮罩2底板上均设有长方形通孔，两个滑块19均穿过长方形通孔各与一个抓手组件3相接；正反牙转轴自锁梯形丝杠23选型满足自锁条件，螺纹升角小于静摩擦角；其中一个滑块19上设有限位划片21，与限位划片21位置对应的抓手遮罩2一侧内壁设有限位传感器22，限位划片21设有能触发限位传感器22的长条形凸块；每个抓手组件3上均设有机械手指压力采集控制组件，机械手指压力采集控制组件包含FSR压力传感器7、模拟电路5、AD采集模块6和安装固定板4；安装固定板4固定连接在抓手组件3上，模拟电路5与AD采集模块6相接并固定嵌入安装固定板4中，FSR压力传感器7设在抓手组件3内侧的安装固定板4上，FSR压力传感器7信号端与模拟电路5信号口连接；AD采集模块6上设有与外部MCU连接的信号线；抓手组件3包括连接杆27、抓手臂26和抓手手指25，连接杆27一端与滑块19底部相接，另一端与抓手臂26后部相接，抓手手指25与抓手臂26前部底面垂直相接；FSR压力传感器7设在与抓手手指25位置对应的安装固定板4上；旋转定位控制组件包括64圈绝对位置编码器9、编码器固定器10、第二旋转连接轴、57步进电机11、行星减速器12、电机底座13、滚珠轴承座14和滚珠轴承15；编码器固定器10与57步进电机11顶端固连，64圈绝对位置编码器9设在编码器固定器10上，第二旋转连接轴穿过编码器固定器10一端与64圈绝对位置编码器9相接，另一端与57步进电机11传动杆相接；57步进电机11、行星减速器12、电机底座13从上至下顺次相接；滚珠轴承座14设在固定板1下方的抓手遮罩2顶面，滚珠轴承15设在滚珠轴承座14内并与行星减速器12传动杆套合。

本发明用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，使用时通过固定板将整个机械抓手安装在高通量核酸检测系统移液工作站三维机械臂8上，依靠机械臂8三维运动将机械抓手移动到相应工位；通过旋转定位控制组件中的行星减速器12和高精度64圈绝对位置编码器9能够保证旋转角度的精确性；灵活的滚珠轴承15实现了抓手360°自由旋转，滚珠轴承15可以减小旋转部分的摩擦力，保证旋转的高精度和高效率，同时也保证了抓手左右不间断多次反向旋转的可逆性；控制抓手开合的正反牙转轴自锁梯形丝杠23具有自锁功能，保证在抓手开合操作停止以后整个手指的锁定，从而避免了抓取转移过程中由于负载过大，耗材滑落的现象，保证实验安全稳定进行；FSR压力传感器7是一款重量轻、体积小的感测精度极高的超薄型电阻式压力传感器，且FSR的力敏特性专门为通过人类触觉对电子装置进行控制而进行优化，FSR压力传感器7在保证不增加装置负载的前提下，能够对耗材与手指的接触压力准确获取并实时提供给MCU，从而根据实验要求自适应地抓取不同耗材，避免了抓取过程中使用单一抓力造成耗材变形或抓取太松耗材滑落的现象，保证实验稳定高效进行。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：每个抓手臂26前部均设有两个抓手手指25，每个抓手手指25位置对应的安装固定板4上均设有FSR压力传感器7，每个FSR压力传感器7背面的安装固定板4上均设有模拟电路5，两个抓手手指25相对面的抓手手指25与抓手臂26连接部均为圆弧过渡，能模仿人类手指抓取形状来配合FSR压力传感器7似人类触觉的力敏特性曲线，保证压力采集的准确性。

以上仅是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来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，其特征在于：包括旋转定位控制组件、固定板、抓手开合控制组件和机械手指压力采集控制组件；所述旋转定位控制组件、固定板和抓手开合控制组件从上至下顺次相接，机械手指压力采集控制组件设在抓手开合控制组件上。

2.如权利要求1所述的用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，其特征在于：所述抓手开合控制组件包括抓手遮罩、28步进电机、第一旋转连接轴、齿轮组、正反牙转轴自锁梯形丝杠、转轴丝杠螺母、滑块、导轨和两个抓手组件；所述28步进电机一端与抓手遮罩内壁固定连接，另一端与第一旋转连接轴、齿轮组顺次相接，齿轮组包括相互外啮合的小齿轮和设在小齿轮下方的大齿轮，小齿轮中心套合在第一旋转连接轴端头，大齿轮中心套合正反牙转轴自锁梯形丝杠；正反牙转轴自锁梯形丝杠设在28步进电机下方，两端中心套合梯形丝杠固定装置，并固定在抓手遮罩内壁；正反牙转轴自锁梯形丝杠自中间位置开始向两端为反向螺旋螺纹，并套合两个转轴丝杠螺母同步反向运动；每个转轴丝杠螺母上均设有滑块，正反牙转轴自锁梯形丝杠长度方向两侧的抓手遮罩底板上分别设有带有导槽的导轨，两个导轨分别与抓手遮罩前后侧板固连，两个滑块分别与两个导轨相接，每个滑块下方的抓手遮罩底板上均设有长方形通孔，两个滑块均穿过长方形通孔各与一个抓手组件相接。

3.如权利要求2所述的用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，其特征在于：所述正反牙转轴自锁梯形丝杠选型满足自锁条件，螺纹升角小于静摩擦角。

4.如权利要求2所述的用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，其特征在于：其中一个滑块上设有限位划片，与限位划片位置对应的抓手遮罩一侧内壁设有限位传感器，限位划片设有能触发限位传感器的长条形凸块。

5.如权利要求2-4任意一项所述的用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，其特征在于：每个抓手组件上均设有机械手指压力采集控制组件，机械手指压力采集控制组件包含FSR压力传感器、模拟电路、AD采集模块和安装固定板；安装固定板固定连接在抓手组件上，模拟电路与AD采集模块相接并固定嵌入抓手组件中，FSR压力传感器设在抓手组件内侧的安装固定板上，FSR压力传感器信号端与模拟电路信号口连接；AD采集模块上设有与外部MCU连接的信号线。

6.如权利要求5所述的用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，其特征在于：所述抓手组件包括连接杆、抓手臂和抓手手指，连接杆一端与滑块底部相接，另一端与抓手臂后部相接，抓手手指与抓手臂前部底面垂直相接；FSR压力传感器设在与抓手手指位置对应的安装固定板上。

7.如权利要求6所述的用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，其特征在于：每个抓手臂前部均设有两个抓手手指，每个抓手手指位置对应的安装固定板上均设有FSR压力传感器，每个FSR压力传感器背面的安装固定板上均设有模拟电路。

8.如权利要求7所述的用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，其特征在于：两个抓手手指相对面的抓手手指与抓手臂连接部均为圆弧过渡。

9.如权利要求6所述的用于高通量核酸样本移液工作站的自锁智能机械抓手，其特征在于：所述旋转定位控制组件包括64圈绝对位置编码器、编码器固定器、第二旋转连接轴、57步进电机、行星减速器、电机底座、滚珠轴承座和滚珠轴承；编码器固定器与57步进电机顶端固连，64圈绝对位置编码器设在编码器固定器上，第二旋转连接轴穿过编码器固定器一端与64圈绝对位置编码器相接，另一端与57步进电机传动杆相接；57步进电机、行星减速器、电机底座从上至下顺次相接；滚珠轴承座设在固定板下方的抓手遮罩顶面，滚珠轴承设在滚珠轴承座内并与行星减速器传动杆套合。