CN107377034B - 生物实验工作站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医药试验设备技术领域，特别是涉及一种生物实验工作站。包括舱体和安装在舱体内的机械臂，所述舱体内安装有将舱体内部空间上下隔开的工作台面板，所述舱体的上部围设有能够拆卸的上侧板组件，上侧板组件与工作台面板上方的空间形成工作腔，所述舱体的下部围设有下侧板组件，下侧板组件与工作台面板下方的空间形成存储腔。本发明的有益效果是：结构布局紧凑，提高了空间利用率，通过机械臂在各个方向上运动，有利于灵活应用各种试验操作，操作更方便，省时省力，降低了劳动强度，提高了工作效率。

Description

生物实验工作站

技术领域

本发明涉及生物医药试验设备技术领域，特别是涉及一种生物实验工作站。

背景技术

生物实验工作站是一种将自动化操作与液体处理结合在一起的生物医药实验室自动化操作平台，可实现样品的自动加样、试剂分配等与液体处理相关的操作。

在现有技术中，生物实验工作站的舱体结构大多呈方形且基座较大，使得整个工作站体积较大，工作站的机械臂一般安装在工作台面上，占据了工作站的有效使用面积，使得台面布置比较局限，没有充分使用工作站的其他空间，使得空间利用率较低，使得其他仪器耗材的可用空间减少。而目前几乎所有的生物实验工作站的机械臂选择X，Y，Z三轴的运动方式来操作，在自动化设计过程中，需要对三轴的长度和安装方向进行调试和组合来实现定制组装达到实验需求的配置，有一定的空间限制，需要调整三轴的尺寸和配置来实现对多种液体处理的功能，兼容性差。而且传统生物实验工作站液体处理的相关仪器和耗材一般只能安装在舱体内的工作站台面上，工作站的空间利用率低，造成工作站切换功能不够灵活。又因为其基座固定且体积较大，工作站外部扩展不便，需要人力的支持，因此传统生物实验工作站难以与其他实验仪器整合使用，无法完成生物实验工作站自动化操作的完整流程。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种生物实验工作站，用于解决现有技术中生物实验工作站空间利用率低，试验操作不方便，灵活性差，试验操作耗时费力等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种生物实验工作站，包括舱体和安装在舱体内的机械臂，所述舱体内安装有将舱体内部空间上下隔开的工作台面板，所述舱体的上部围设有能够拆卸的上侧板组件，上侧板组件与工作台面板上方的空间形成工作腔，所述舱体的下部围设有下侧板组件，下侧板组件与工作台面板下方的空间形成存储腔。

本发明的有益效果是：结构布局紧凑，提高了空间利用率，通过机械臂在各个方向上运动，有利于灵活应用各种试验操作，操作更方便，省时省力，降低了劳动强度，提高了工作效率。

进一步，所述上侧板组件为透视面板、工具头挂架面板、或用于放置试验耗材的板塔面板中的任意一种面板或多种面板的组合，所述工具头挂架面板上挂放有工具仪器，所述工具仪器上设有母头。

进一步，所述工具头挂架面板包括主面板，所述主面板上设有多组用于挂放工具仪器的卡接孔组，同组相邻的两个卡接孔之间设有避让孔。

采用上述进一步方案的有益效果是：充分利用上侧板组件，在上侧板组件上挂放工具仪器和试验耗材，减少空间浪费，提高空间利用率，并且挂放工具仪器，便于快速取放，切换工具仪器方便。

进一步，所述板塔面板上设有多个层板，所述层板上设有用于试验耗材限位的凸起，通过层板来存放试验耗材，提高空间利用率，通过凸起限制试验耗材，使得试验耗材在取放时更加稳定，有利于准确取放试验耗材。

进一步，所述机械臂的取物端上安装有与工具仪器的母头配合的公头，所述公头包括公头主体，公头主体上安装有电磁铁，所述母头包括母头主体，母头主体上安装有与电磁铁吸附连接的金属块以及用于与工具头挂架面板卡接的挂钩，所述电磁铁通断电实现公头与母头吸附锁紧和松开分离的状态切换，通过母头和公头快速吸附或脱离，操作简单方便，取放工具仪器准确快速，提高试验切换效率。

进一步，所述工作台面板上安装有板支架，所述板支架包括底板，所述底板上设有卡入部和凹槽，所述凹槽内安装有弹簧片，实验耗材沿着卡入部落入底板，并通过弹簧片推动实验耗材顶紧卡入部使实验耗材定位固定。

进一步，所述弹簧片包括外侧安装部和内侧顶紧部，所述外侧安装部为弯折结构，并与卡入部连接，所述内侧顶紧部由外侧安装部的顶部沿内侧向下翻折设置，且内侧顶紧部的顶部为导向斜面结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过板支架实现如吸头盒、多孔板等耗材类型的实验耗材的定位固定，取放方便，而且通过板支架准确定位安放，有利于机械臂准确定位进行精准的试验操作。

进一步，所述舱体的顶部罩设有层流罩，通过层流罩使得空气以一定风速通过高效过滤器后，形成均流层，洁净的空气呈垂直单向流进入舱体，保证了工作腔内环境的洁净度。

进一步，所述存储腔内安装废品收集盒和电控设备，所述工作台面板上设有与废品收集盒连通的废品通道，所述电控设备与机械臂电连接，并控制机械臂运行，所述机械臂为六轴机械臂，并倒立安装在舱体的顶梁上。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过电控设备控制机械臂，自动化程度高，运行准确，采用六轴机械臂便于实现各个方向的灵活移动取放工具，操作更加灵活准确。

进一步，其为用于生物实验中的移液、或磁棒吸附操作的工作站；或为用于核酸提取及纯化、或ELISA自动化检测、或基因合成、或细胞培养、或细胞染色、或流式细胞检测、或生物芯片样品制备的工作站，该生物实验工作站可以适应多种试验操作中的一步工序或者几步工序，应用灵活、范围广，通用性高。

附图说明

图1显示为本发明实施例的生物实验工作站的结构示意图；

图2显示为本发明图1中局部A的放大示意图；

图3显示为本发明实施例的板塔面板的结构示意图；

图4显示为本发明实施例的层流罩的结构示意图；

图5显示为本发明实施例的工具头挂架面板挂设有工具仪器时的结构示意图；

图6显示为本发明实施例的工具头挂架面板卸下工具仪器时的结构示意图；

图7显示为本发明实施例的工作台面板的结构示意图；

图8显示为本发明实施例的板支架的结构示意图；

图9显示为本发明实施例的板支架的结构的爆炸示意图；

图10显示为本发明实施例的公头和母头的结构示意图；

图11显示为本发明实施例的公头和母头的结构的爆炸示意图。

零件标号说明

1 舱体；

11 下侧板组件；

2 工具头挂架面板；

21 母头；

211 母头主体；

212 金属块；

213 连接器母头；

214 挂钩；

22 工具仪器；

23 主面板；

231 卡接孔；

232 避让孔；

3 板塔面板；

31 层板；

311 凸起；

4 机械臂；

41 公头；

411 公头主体；

412 电磁铁；

413 连接器公头；

414 定位销；

415 散热片；

5 工作台面板；

51 板支架；

511 底板；

512 卡入部；

513 凹槽；

514 内侧顶紧部；

515 外侧安装部；

516 第一卡入部；

517 第二卡入部；

52 废液口；

53 废物盒开口；

6 层流罩；

61 罩盖。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

在对本发明实施例进行详细叙述之前，先对本发明的应用环境进行描述。本发明的技术主要是应用于生物医药实验室的自动化操作平台，特别是应用于一些生物实验中的移液、或磁棒吸附等操作，比如核酸提取及纯化、或ELISA自动化检测、或基因合成、或细胞培养、或细胞染色、或流式细胞检测、或生物芯片样品制备等试验操作中的样品自动加样、试剂分配等与液体处理相关的操作或其它一些生物实验操作。本发明是解决传统生物实验工作站空间利用率低、自动化程度低、劳动强度大，功能单一、难以适应不同试验操作的需求、适用范围窄的技术问题。

如图1、图4和图7所示，本发明实施例的生物实验工作站，包括舱体1，舱体1为柱状结构，其内部为空心，其横截面为六边形，采用六边形结构通用性高，组装使用操作简单方便。舱体1的顶部罩设有层流罩6，层流罩上设有罩盖61，通过层流罩6形成均流层，保证了舱体1内部工作环境的整洁。该生物实验工作站还包括机械臂4，机械臂为六轴机械臂，机械臂4能够实现各个方向的转换和移动，有利于通过机械臂取放各个位置上的工具或耗材。舱体1内安装有工作台面板5，工作台面板5将舱体1的内部空间上下隔开，舱体1的上部围设有能够拆卸的上侧板组件，上侧板组件与工作台面板5上方的空间形成工作腔；舱体1的下部围设有下侧板组件11，下侧板组件11与工作台面板5下方的空间形成存储腔。存储腔内安装废品收集盒和电控设备，工作台面板5上设有与废品收集盒连通的废品通道，废品通道包括用于废液排出的废液开口52以及用于固体物排出的废物盒开口53，实现不同废品的分类收集。电控设备与机械臂4电连接，电控设备控制机械臂4根据预设的程序运行，以适应不同的试验操作。机械臂4倒立安装在舱体1的顶梁上，减少对工作台面板5的空间占用，提高工作台面板5的空间利用率。

如图1和图2所示，上侧板组件为透视面板、工具头挂架面板2、或用于放置实验耗材的板塔面板3中的任意一种面板或多种面板的组合，即透视面板、工具头挂架面板2、板塔面板3都采用可拆卸的方式安装在舱体的上部，可以根据需求选择安装的相应面板的数量和侧面的安装位置。通过透视面板观察工作腔内试验情况，板塔面板3和工具头挂架面板2的数量可根据需求设置，板塔面板3和工具头挂架面板2可以交替设置，在本实施例中，采用的是三种面板的组合，其中，工具头挂架面板2位于两个板塔面板3之间，便于机械臂4取放各种工具。工具头挂架面板2上挂放有工具仪器，工具仪器为抓手、或磁珠分选器、或多种规格(如单道、8道、16道等)的移液器等工具中的任意一种或多种工具的组合，以适应如核酸提取及纯化、基因蛋白质检测、ELISA自动检测、细胞培养、生物芯片样品制备等不同试验操作中的液体处理操作。

如图1、图2、图10和图11所示，工具仪器22上设有母头21，机械臂4的取物端上安装有与工具仪器的母头21配合的公头41，公头41和母头21吸附连接便实现工具仪器的取放。如图10和图11所示，公头41包括安装在机械臂4上的公头主体411，公头主体411上安装有电磁铁412。公头主体411的正面设有与母头主体211正面配合定位的定位销414，通过设置定位销414有利于公头主体411和母头主体211在吸附合上时准确对位。公头主体411上设有散热片415，通过散热片415实现其使用过程中的热量散发，提高散热性能，延长使用寿命。母头21包括母头主体211，母头主体211上安装有与电磁铁412吸附连接的金属块212，金属块212可以采用铁块，电磁铁412通断电实现公头41与母头21吸附锁紧和松开分离的状态切换。母头主体211的背面设有用于与工具头挂架面板2卡接的挂钩214，挂钩214可以采用圆柱状结构，并且挂钩的中间环设有与生物实验工作站配合的卡槽。母头主体211的背面与工具仪器连接安装，使得不同的工具仪器上均设有母头21，以适应不同实验操作中工具仪器的快速取放切换。公头主体411上装有与电控设备电连接的控制线，控制线与电磁铁412连接，当电磁铁412通电时，电磁铁便带有磁性，通过磁性吸附金属块212，使得公头主体411和母头主体211吸附在一起实现锁紧连接；当电磁铁412断电时，电磁铁便失去磁性，电磁体412和金属块212松开脱离，机械臂便带动公头主体411和母头主体211分开。采用通电控制磁性吸附力，操作简单方便、吸附和松开操作更加快速灵活稳定，精确度更高。

如图10和图11所示，公头主体411和母头主体211之间设有用于数据和信号传输的连接器，其中，连接器包括连接器公头413和连接器母头213，连接器公头413安装在公头主体411上，连接器母头213安装在母头主体211上。公头主体411上装有与电控设备电连接的通讯线，通讯线与连接器公头413连接，通过通讯线使得连接器实现电、信号、数据等传输。在本实施例中，连接器为Pogopin(Pogopin为一种由针轴、弹簧、针管三个基本部件通过精密仪器铆压预压之后形成的弹簧式探针，其内部有一个精密的弹簧结构)，连接器公头413上设有铜针，铜针具有弹性，当连接器公头413和连接器母头213闭合时通过铜针紧密接触，保证了良好的接触，提高数据、信号、电等传输的稳定性。

如图1、图2、图5和图6所示，工具头挂架面板2包括主面板23，主面板23可作为生物实验工作站六面柱的一个外表面，还可以挂放工具仪器22，无需占用另外的空间，降低空间占用率。主面板23上设有多组用于挂放工具仪器22的卡接孔组，其中，卡接孔组的卡接孔231为上大下小的倒水滴形结构，采用该结构有利于挂钩214的卡入和卡紧，并且卡接孔的顶角处为圆弧过渡，避免损伤挂钩。当机械臂4带动母头21自动移动到卡接孔231处时，放下工具仪器22，挂钩214卡入卡接孔231中，在工具仪器22自身重力作用下，挂钩214卡紧在卡接孔231的下部，避免工具仪器22晃动或脱离卡接孔231。其中，主面板23上设有至少一组卡接孔组，每组卡接孔的数量与一个母头21上的挂钩数量匹配。在本实施例中，一个主面板23上的卡接孔组的组数为六组，分两排均匀设置。每组卡接孔组的卡接孔231的数量为两个，同一卡接孔组相邻的两个卡接孔之间设有避让孔232，避让孔的形状根据需求设置，设置避让孔可以减轻工具头挂架面板2的重量，同时工具仪器挂置时，避免工具仪器22的精细部位与主面板23摩擦、磕碰受损。为了灵活取用工具仪器22，主面板23上设有四个定位孔，每个定位孔中安装有用于机械臂定位的定位销，通过定位销使得机械臂能识别正确位置和正确的工作部件，有利于公头和母头可以准确连接。通过定位销来进行辅助定位，防止安装错误，避免出现工具仪器22安放位置或方向出错，提高连接的精密性。便于放置多种工具仪器，实现工具仪器的自动化切换，有利于生物实验工作站的功能扩展，扩大使用范围。

如图1至图3所示，板塔面板3上设有多个层板31，层板31上设有用于实验耗材限位的凸起311，多个层板31可以横向排布或纵向排布，层板31的长度和数量根据需求设置。在本实施例中，层板采用L型结构，一边固定在板塔面板3上，另一边上设有L型结构的凸起311，通过L型结构的凸起使得试验耗材的顶角处得到限位，便于机械臂准确稳定的取放试验耗材，凸起311之间的间距可以根据试验耗材的大小进行设置。

如图1、图2、图7至图9所示，工作台面板5上安装有板支架51，板支架51包括底板511，底板511上设有用于实验耗材定位安装的卡入部512，卡入部512设置在底板511的顶角处，底板511上安装有可拆卸的弹簧片，实验耗材沿着卡入部512落入底板511上，并通过弹簧片与卡入部配合顶紧实验耗材并限制实验耗材在X向和Y向上移动，使得实验耗材定位放置在底板511上。其中，底板511为长方体板状结构，底板511通过螺栓或螺钉安装在工作台面板5上。卡入部512设置在底板511的四个顶角处，卡入部512为L型结构，卡入部512顶部的内侧面为具有导向作用的斜面结构，卡入部512的两端分别位于底板2相邻的两侧上，卡入部512设置在四个顶角处，不仅能实现实验耗材的定位和限位，便于实验耗材沿着斜面结构顺利地落到底板511上，同时还能减轻底板511的重量。两个弹簧片安装在底板511相邻的两侧上，并推动实验耗材完全顶住与两个弹性片之间的第一卡入部516正对的第二卡入部517，从而实现实验耗材的定位和固定，即通过一个弹性片推动实验耗材沿宽度方向移动顶住卡入部，通过另一个弹性片推动实验耗材沿长度方向移动顶住卡入部，通过两个弹性片与卡入部配合便实现了实验耗材的定位与固定。

如图8和图9所示，底板511上设有凹槽513，弹性片安装在凹槽513内，并通过凹槽513限制弹性片的活动范围。其中，弹簧片包括外侧安装部515和内侧顶紧部514，外侧安装部515可拆卸地与卡入部连接，外侧安装部515为弯折结构，外侧安装部515的弯折结构上设有第一安装孔，卡入部上设有与第一安装孔对应的第二安装孔，通过锁紧件穿过第一安装孔和第二安装孔使弹簧片和卡入部连接，锁紧件可以采用螺栓或螺钉等部件。外侧安装部515一端的顶部沿其内侧向下翻折设置形成内侧顶紧部514，且内侧顶紧部514的顶部为具有导向作用的斜面结构，通过设置斜面结构便于实验耗材的轻松进入，具有一定的容错能力，内侧顶紧部514采用向内侧翻折而成，翻折处圆弧过渡，避免实验耗材卡在顶部，有利于实验耗材顺利落入底板，同时也使得内侧顶紧部514有一定的弹性调节幅度。弹性片的弯折结构和斜面结构均可进行弹性调节，弹性片通过设置弯折结构和斜面结构增大了弹性件弹性调节的范围。在本实施例中，实验耗材为吸头盒、多孔板、培养板等耗材，实验耗材通过板支架使其在指定的位置进行固定放置，使得机械臂可以准确的进行取放或者移液等试验操作。工作台面板5上的另外闲置空间可以用来安装或放置振荡器、孵育器等仪器，以适应不同试验操作，提高工作台面板5的利用率。实验耗材还可以存放在层板上，当需要使用时，通过机械臂取下放入板支架中即可，便于快速切换不同的试验操作，取材方便。

其工作过程为：以移液操作举例说明，将需要用到的实验耗材放置在层板上，需要用到的工具仪器放置在工具头挂架面板上，机械臂先与工具仪器中的抓手吸附连接，通过抓手将需要用的耗材取放到板支架上，然后将抓手放回工具头挂架面板上换取移液器，机械臂带动移液器进行移液操作，操作完成后再将移液器放回工具头挂架面板上。以此进行不同的试验操作，当需要进行其它试验操作时，只要对应更换工具仪器和实验耗材即可，在此不再具体赘述。

本发明通过简单紧凑的结构设计，既能满足液体在实验操作中的自动识别、加样、试剂分配、移液等基础的实验处理，还能根据具体的实验需要进行实验耗材的自动切换和搭配，可方便灵活的扩展实验平台和整合其他仪器设备，完成复杂实验的处理，功能多样，工具仪器切换便捷，样品处理量大，省时省力，可以替代人工操作，实现自动化操作，提高了工作效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种生物实验工作站，包括舱体，其特征在于：还包括安装在舱体内的机械臂，所述舱体内安装有将舱体内部空间上下隔开的工作台面板，所述舱体的上部围设有能够拆卸的上侧板组件，上侧板组件与工作台面板上方的空间形成工作腔，所述舱体的下部围设有下侧板组件，下侧板组件与工作台面板下方的空间形成存储腔，所述舱体的顶部罩设有层流罩，通过所述层流罩使空气通过高效过滤器后形成均流层，空气呈垂直单向流进入舱体；

所述工作台面板上安装有板支架，所述板支架包括底板，所述底板上设有卡入部和凹槽，所述凹槽内安装有弹簧片，实验耗材沿着卡入部落入底板，并通过安装在底板相邻两侧的两个弹簧片推动实验耗材顶紧卡入部使实验耗材定位固定；

所述弹簧片包括外侧安装部和内侧顶紧部，所述外侧安装部为弯折结构，并与卡入部连接，所述内侧顶紧部由外侧安装部的顶部沿内侧向下翻折设置，且内侧顶紧部的顶部为导向斜面结构；

所述上侧板组件包括工具头挂架面板，所述工具头挂架面板上挂放有工具仪器，所述工具仪器上设有母头，所述工具头挂架面板包括主面板，所述主面板上设有多组用于挂放工具仪器的卡接孔组，同组相邻的两个卡接孔之间设有避让孔，所述机械臂的取物端上安装有与工具仪器的母头配合的公头，所述公头包括公头主体，所述公头主体上设有散热片。

2.根据权利要求1所述的生物实验工作站，其特征在于：所述上侧板组件还包括透视面板或用于放置实验耗材的板塔面板中的任意一种面板或两种面板的组合。

3.根据权利要求2所述的生物实验工作站，其特征在于：所述板塔面板上设有多个层板，所述层板上设有用于实验耗材限位的凸起。

4.根据权利要求2所述的生物实验工作站，其特征在于：公头主体上安装有电磁铁，所述母头包括母头主体，母头主体上安装有与电磁铁吸附连接的金属块以及用于与工具头挂架面板卡接的挂钩，所述电磁铁通断电实现公头与母头吸附锁紧和松开分离的状态切换。

5.根据权利要求1所述的生物实验工作站，其特征在于：所述存储腔内安装废品收集盒和电控设备，所述工作台面板上设有与废品收集盒连通的废品通道，所述电控设备与机械臂电连接，并控制机械臂运行，所述机械臂为六轴机械臂，并倒立安装在舱体的顶梁上。

6.根据权利要求1所述的生物实验工作站，其特征在于：其为用于生物实验中的移液、或磁棒吸附操作的工作站；或为用于核酸提取及纯化、或ELISA自动化检测、或基因合成、或细胞培养、或细胞染色、或流式细胞检测、或生物芯片样品制备的工作站。

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