CN113399009B - 一种双梁多通道自由变距的自动移液装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双梁多通道自由变距的自动移液装置，包括：两根沿水平方向平行设置的Y臂支撑梁；多组自动移液枪；用于驱动自动移液枪沿Y臂支撑梁水平移动的水平驱动机构。本发明双梁多通道自由变距的自动移液装置通过各结构元件的合理设计排列，整体结构较为简单，且更为紧凑小巧，通过结构优化设计算法可快速获得每组自动移液枪对应的移液枪头最佳的偏距数据，同时让各移液枪头的间距达到指定要求，不需要将加样器设计得非常薄就能够实现各组自动移液枪中的移液枪头靠近至最小间距。通过控制算法可以实现各移液模块的独立水平运动、等距和非等距定位，以避免各移液模块间运动干涉和碰撞。

Description

一种双梁多通道自由变距的自动移液装置

技术领域

本发明涉及多通道移液设备，特别是涉及一种双梁多通道自由变距的自动移液装置。

背景技术

多通道移液站是用于全自动化样本、试剂的稀释、分配、混匀及相关数据的文档自动化管理等操作的设备，多通道移液是指具有多个移液枪。多通道移液站可以用于医学检验、食品检验、生物学实验等过程中的所有自动移液工作。例如，药物高通量筛选，生物实验室，基因测序前处理，前PCR、后PCR处理、固相萃取、液液萃取，DNA/RNA分离，自动蛋白沉淀操作等。具体主要包括：核酸纯化、PCR设置和纯化、基因、蛋白质测序处理、样品的标准化、生物晶片样品制备、克隆快速筛选、蛋白质结晶、凝胶消化处理、MALDI-TOF样品处理、蛋白质沉淀、蛋白质纯化、ADMET分析、可溶性分析、混合物处理、样品快速筛选、微孔板复制、固相样品提取、液相-液相样品提取、细胞培养、ELISA样品处理、血型分析处理、血样汇集处理等。

双梁四通道自动移液臂是指在两个Y臂支撑梁上设置有四组自动移液枪单元，可以同时对最多四个样本或试剂进行移液工作。为节省空间，台面上盛装样本或试剂的容器通常紧密排列，四组自动移液枪同时工作时就需要移液枪头之间的最小间距不大于台面上容器的间距，然而，每组自动移液枪上设置的零部件的宽度会影响移液枪头所能达到的最小间距。

公开号为CN101596469A的发明专利申请公开了一种多通道加样设备，包括横梁，横梁上设有多个加样器固定杆，横梁的下方设有试样放置台，每个加样器固定杆上分别设有一个加样器，每个加样器包括一个沿垂直方向设置的中空的加样针，每个加样针的下部插装有吸头，每个加样针分别安装在注射泵座上，每个加样针与位于注射泵座内部的注射管路相连，每个注射管路上分别设有一个用于测量注射管路内压力的压力传感器，每个注射泵的上部具有一个沿垂直方向插入溶液腔内的推拉杆，每个推拉杆的顶端分别与一个丝杠螺母相连，每个丝杠螺母分别旋装在一个沿垂直方向设置的丝杠上。该技术方案中采用双梁多通道，每个加样器可以独立的进行吸液、分液动作，但是该现有技术中是通过将每个加样器设计成很薄的片状来减小加样器的宽度，实现相邻吸头(即移液枪头)之间的最小距离为9mm，但是这种追求在宽度方向上的减薄设计限制了结构的设计和零部件的使用。并且，虽然加样器可以设计较薄，但是驱动移液模块的驱动单元不可能有同样小的宽度尺寸，所以其驱动单元只能是上下交错布置，增加了整体结构的复杂程度。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种双梁多通道自由变距的自动移液装置。

一种双梁多通道自由变距的自动移液装置，包括：

两根沿水平方向平行设置的Y臂支撑梁；

多组自动移液枪，每根Y臂支撑梁设有至少两组自动移液枪，所述自动移液枪包括可移动地安装在Y臂支撑梁上的底座，以及设于底座上、可上下升降的一套用于吸取、注射液体的注射组件，所述注射组件包括底部用于在使用时与移液枪头插接配合的移液枪管，各自动移液枪的移液枪管沿直线排列成一排；

用于驱动自动移液枪沿Y臂支撑梁水平移动的水平驱动机构，所述水平驱动机构包括与自动移液枪数量相同的多组，每一组水平驱动机构用于独立驱动一组自动移液枪；

控制机构，用于控制各水平驱动机构驱动自动移液枪移动并防止各运动部件干涉；

所述控制机构控制各水平驱动机构驱动自动移液枪移动的控制算法如下：

(1)设定参数：

1)每组自动移液枪的宽度：W；

2)自动移液枪个数：s；

3)每组自动移液枪的最小间距：d；

4)相邻自动移液枪的移液枪头间距：D；

5)任取两个Y臂支撑梁之一，规定其长度方向为y轴，以一端为y轴原点，另一端为y轴正方向，沿正方向观察两个Y臂支撑梁上自动移液枪的排布情况，以“1”表示自动移液枪出现的位置，并规定另一个Y臂支撑梁上的同位置为“0”，则第n组自动移液枪的位置标记矩阵可记为

有位置矩阵：

6)第n组自动移液枪的移液枪头距该移液枪标线的偏距：x_n，偏距系数矩阵：

偏距矩阵：

Δp＝p×δ

7)自动移液枪在支撑梁上的运动范围：距原点最小值y_min及最大值y_max；

8)任意时刻的距离系数矩阵：

其中y_n为第n组自动移液枪上的标线(此处取移液枪宽度中心线)距原点的距离；

(2)求解移液枪组实时的运动控制矩阵

在任意时刻，自动移液枪与原点的距离都有上下限，其下极限位置的控制矩阵应满足：

式中

为某一组自动移液枪在该时刻可向y轴负方向运动的距离，I为单位矩阵，下同；

每组自动移液枪的上极限位置的控制矩阵应满足：

式中

为某一组自动移液枪在该时刻可向y轴正方向运动的距离。

优选的，对所述偏距矩阵进行优化设计，优化设计后的结果满足下式：

其中x_n+m为与第n组自动移液枪同侧相邻移液枪的偏距，k_n+m为其位置系数矩阵，t为偏距的单位偏移量，λ_n为偏距放大系数，取自然数，每一组λ_n的取值都会得一组偏距矩阵，理论上偏距矩阵的解域将为无限，故将λ_n的值限定于某一区间，即可得偏距矩阵的有限解域，将所有解中的x_nmax进行比较，x_nmax为最小的那组解即为最优解。

上述公式中的“T”运算为矩阵的转置运算。

优选的，两根Y臂支撑梁的一端通过一块第一连接块连接固定，两根Y臂支撑梁的另一端通过一块第二连接块连接固定。

更优选的，所述Y臂支撑梁上设有沿长度方向布置的水平导轨，自动移液枪的底座上设有与所述水平导轨滑动配合的滑轮或滑块，

所述水平驱动机构包括由第一电机驱动的同步带，同步带上设有与自动移液枪的底座固定的皮带连接块。

进一步优选的，每根Y臂支撑梁的顶面和底面各设有一条水平导轨，每组自动移液枪的底座上相应设有上、下两组滑轮。

进一步优选的，所有水平驱动机构的第一电机均设置在两根Y臂支撑梁之间、靠近所述第一连接块的一端；两根Y臂支撑梁的相互背离一侧两端分别设有主动轮和从动轮，其中靠近所述第一连接块一端的为由第一电机驱动的主动轮，主动轮和从动轮之间安装有所述同步带，位于同一根Y臂支撑梁上的各同步带按上下依次排列。

优选的，自动移液枪的底座上设有竖向导轨，所述自动移液枪还包括：

与所述竖向导轨滑动配合的滑座；

设于所述滑座上、用于安装所述注射组件的腔体支撑板；

用于驱动所述滑座沿竖向导轨上下滑动的竖向驱动机构。

更优选的，所述注射组件包括：

设于所述腔体支撑板上、内部具有腔体的腔体件；

柱塞杆，设于所述腔体内并通过在腔体内的往复直线运动来控制移液枪头吸取、注射液体；

设于所述腔体件上方的支撑套筒，所述支撑套筒内部具有避让柱塞杆的避让孔；

设于所述支撑套筒上方的直线步进电机，直线步进电机的电机轴伸入所述避让孔内且端部与所述柱塞杆连接，

所述腔体支撑板具有将腔体件的腔体与移液枪管的内腔连通的通道。

更优选的，所述竖向驱动机构包括：

设于所述底座上的第二电机，所述第二电机为步进电机；

设于所述滑座上的驱动螺母；

与所述驱动螺母螺纹配合、由第二电机驱动转动的丝杠。

优选的，所述自动移液枪共4组，每根Y臂支撑梁设有两组自动移液枪。

本发明双梁多通道自由变距的自动移液装置通过各结构元件的合理设计排列，整体结构较为简单，且更为紧凑小巧，通过结构优化设计算法可快速获得每组自动移液枪对应的移液枪头最佳的偏距数据，同时让各移液枪头的间距达到指定要求，不需要将加样器设计得非常薄就能够实现各组自动移液枪中的移液枪头靠近至最小间距。通过控制算法可以实现各移液模块的独立水平运动、等距和非等距定位，以避免各移液模块间运动干涉和碰撞。

附图说明

图1为本发明自动移液装置的立体结构示意图。

图2为本发明自动移液装置另一视角的立体结构示意图。

图3为自动移液枪的立体结构示意图。

图4为注射组件部分结构的爆炸图。

图5为注射组件的剖示图。

图6为4组自动移液枪排布的仰视图。

具体实施方式

如图1和2所示，一种双梁多通道自由变距的自动移液装置，包括两根沿水平方向平行设置的Y臂支撑梁1，两根Y臂支撑梁1的一端通过一块第一连接块2连接固定，两根Y臂支撑梁1的另一端通过一块第二连接块3连接固定，通过两侧的第一连接块2和第二连接块3再进行整体安装到自动移液装置的外框架结构中，由于外框架结构为现有技术，所以本申请中不再赘述。

本申请自动移液装置包括多组自动移液枪4，每限Y臂支撑梁1设有至少两组自动移液枪4。在图中所示的实施方式中，总共有4组自动移液枪4，每根Y臂支撑梁1上设有2组自动移液枪4。

每组自动移液枪4包括可移动地安装在Y臂支撑梁1上的底座41，Y臂支撑梁1上设有沿长度方向(图1中的y轴方向)布置的水平导轨11，自动移液枪4的底座41上设有与水平导轨11滑动配合的滑轮或滑块，图中所示的实施方式中为滑轮43。在一种较优的实施方式下，每根Y臂支撑梁1的顶面和底面各设有一条水平导轨11，每组自动移液枪4的底座41上相应设有上、下两组滑轮43。

本申请自动移液装置还包括用于驱动自动移液枪4沿Y臂支撑梁1水平移动的水平驱动机构5，水平驱动机构5包括与自动移液枪4数量相同的多组，每一组水平驱动机构5用于独立驱动一组自动移液枪4。图中所示实施方式中总共为4组水平驱动机构5，用于各自独立驱动4组自动移液枪4。

每组水平驱动机构5包括由第一电机51驱动的同步带52，同步带52上设有与自动移液枪4的底座41固定的皮带连接块(图中未画出皮带连接块)，皮带连接块一方面与同步带52固定，另一方面与自动移液枪4的底座41固定，从而在同步带52转动的过程中带动自动移液枪4沿Y臂支撑梁1上的水平导轨11移动。

在一种优选的实施方式中，所有水平驱动机构5的第一电机51均设置在两根Y臂支撑梁1之间、靠近第一连接块2的一端；两根Y臂支撑梁的相互背离一侧两端分别设有主动轮和从动轮，其中靠近所述第一连接块2一端的为由第一电机51驱动的主动轮53，主动轮53和从动轮54之间安装有同步带52，同步带52位于两根Y臂支撑梁1相互背离一侧，位于同一根Y臂支撑梁1上的各同步带52按上下依次排列。

如图3～6所示，每组自动移液枪4的底座41上设有一套可上下升降的注射组件42，注射组件42用于吸取、注射液体。自动移液枪4的底座41上设有竖向导轨411；自动移液枪4包括与竖向导轨411滑动配合的滑座44，滑座44上设有用于安装注射组件42的腔体支撑板45；自动移液枪4还包括用于驱动滑座44沿竖向导轨411上下滑动的竖向驱动机构46。

竖向驱动机构46包括设于底座41上的第二电机461，第二电机461为步进电机。滑座44上设有一个驱动螺母462，第二电机461用于驱动丝杠463，丝杠463与驱动螺母462螺纹配合，在第二电机461驱动丝杠463转动过程中，驱动螺母462被驱动上下移动，从而带动整个滑座44沿着竖向导轨411上下滑动。

如图4和5所示，注射组件42包括底部用于在使用时与移液枪头插接配合的移液枪管421，各自动移液枪4的移液枪管沿直线排列成一排。移液枪头一般使用一次性的塑料耗材，顶部与移液枪管421套接，底部开口用于吸取、注射液体。

注射组件42还包括设于腔体支撑板45上、内部具有腔体的腔体件422，腔体件422的腔体内配合设有一根柱塞杆423，柱塞杆423相当于是注射器的活塞，通过柱塞杆423在腔体内的往复直线运动来控制移液枪头吸取、注射液体。腔体件422的上方设有一个支撑套筒424，支撑套筒424内部具有避让柱塞杆423的避让孔425。支撑套筒424的上方设有一个直线步进电机426，直线步进电机426的电机轴伸入避让孔425内且端部与柱塞杆423连接。直线步进电机426用于驱动柱塞杆423上下运动，而当柱塞杆423向上运动时，支撑套筒424内部的避让孔425可以作为容纳柱塞杆423上端的容纳空间，当然支撑套筒424的这个作用可以通过将腔体件422的腔体延长来替代。

腔体支撑板45具有将腔体件422的腔体与移液枪管421的内腔连通的通道451，也就是说，腔体件422安装在腔体支撑板45的上侧，而移液枪管421安装在腔体支撑板45的下侧，然后通过腔体支撑板45内部的通道451来连通腔体件422的腔体与移液枪管421的内腔，这样可以将腔体件422设计在尽量贴靠Y臂支撑梁1而远离两根Y臂支撑梁1中间的位置，而将移液枪管421设计在两根Y臂支撑梁1中间的位置，从而在空间位阻上尽量减小腔体件422及腔体件422上方支撑套筒424、直线步进电机426这些结构对移液枪管421位置的影响。

本申请自动移液装置还包括控制机构，用于控制各水平驱动机构5驱动自动移液枪4移动并防止各运动部件干涉。控制机构控制各水平驱动机构5驱动自动移液枪4移动的控制算法如下：

(1)设定参数：

1)每组自动移液枪的宽度：W；

2)自动移液枪个数：s；

3)每组自动移液枪的最小间距：d；

4)相邻自动移液枪的移液枪头间距：D；

5)任取两个Y臂支撑梁之一，规定其长度方向为y轴，以一端为y轴原点，另一端为y轴正方向，沿正方向观察两个Y臂支撑梁上自动移液枪的排布情况，以“1”表示自动移液枪出现的位置，并规定另一个Y臂支撑梁上的同位置为“0”，则第n组自动移液枪的位置标记矩阵可记为

有位置矩阵：

6)第n组自动移液枪的移液枪头距该移液枪标线的偏距：x_n，偏距系数矩阵：

偏距矩阵：

Δp＝p×δ

7)自动移液枪在支撑梁上的运动范围：距原点最小值y_min及最大值y_max；

8)任意时刻的距离系数矩阵：

其中y_n为第n组自动移液枪上的标线(此处取移液枪宽度中心线)距原点的距离；

(2)求解移液枪组实时的运动控制矩阵

在任意时刻，自动移液枪与原点的距离都有上下限，其下极限位置的控制矩阵应满足：

式中

为某一组自动移液枪在该时刻可向y轴负方向运动的距离，I为单位矩阵，下同；

每组自动移液枪的上极限位置的控制矩阵应满足：

式中

为某一组自动移液枪在该时刻可向y轴正方向运动的距离。

在一种优选的实施方式中，还可以对偏距矩阵进行优化设计，优化设计后的结果满足下式：

其中x_n+m为与第n组自动移液枪同侧相邻移液枪的偏距，k_n+m为其位置系数矩阵，t为偏距的单位偏移量，λ_n为偏距放大系数，取自然数，每一组λ_n的取值都会得一组偏距矩阵，理论上偏距矩阵的解域将为无限，故将λ_n的值限定于某一区间，即可得偏距矩阵的有限解域，将所有解中的x_nmax进行比较，x_nmax为最小的那组解即为最优解。

Claims (10)

1.一种双梁多通道自由变距的自动移液装置，其特征在于，包括：

两根沿水平方向平行设置的Y臂支撑梁；

多组自动移液枪，每根Y臂支撑梁设有至少两组自动移液枪，所述自动移液枪包括可移动地安装在Y臂支撑梁上的底座，以及设于底座上、可上下升降的一套用于吸取、注射液体的注射组件，所述注射组件包括底部用于在使用时与移液枪头插接配合的移液枪管，各自动移液枪的移液枪管沿直线排列成一排；

用于驱动自动移液枪沿Y臂支撑梁水平移动的水平驱动机构，所述水平驱动机构包括与自动移液枪数量相同的多组，每一组水平驱动机构用于独立驱动一组自动移液枪；

控制机构，用于控制各水平驱动机构驱动自动移液枪移动并防止各运动部件干涉；

所述控制机构控制各水平驱动机构驱动自动移液枪移动的控制算法如下：

(1)设定参数：

1)每组自动移液枪的宽度：W；

2)自动移液枪个数：s；

3)每组自动移液枪的最小间距：d；

4)相邻自动移液枪的移液枪头间距：D；

5)任取两个Y臂支撑梁之一，规定其长度方向为y轴，以一端为y轴原点，另一端为y轴正方向，沿正方向观察两个Y臂支撑梁上自动移液枪的排布情况，以“1”表示自动移液枪出现的位置，并规定另一个Y臂支撑梁上的同位置为“0”，则第n组自动移液枪的位置标记矩阵可记为

有位置矩阵：

6)取每组自动移液枪宽度中心线作为各组自动移液枪的标线，第n组自动移液枪的移液枪头距第n组自动移液枪标线的偏距：x_n，偏距系数矩阵：

偏距矩阵：

Δp＝p×δ

7)自动移液枪在支撑梁上的运动范围：距原点最小值y_min及最大值y_max；

8)任意时刻的距离系数矩阵：

其中y_n为第n组自动移液枪上的标线距原点的距离；

(2)求解移液枪组实时的运动控制矩阵

在任意时刻，自动移液枪与原点的距离都有上下限，其下极限位置的控制矩阵应满足：

式中

为某一组自动移液枪在该时刻可向y轴负方向运动的距离，I为单位矩阵，下同；

每组自动移液枪的上极限位置的控制矩阵应满足：

式中

为某一组自动移液枪在该时刻可向y轴正方向运动的距离。

2.如权利要求1所述的自动移液装置，其特征在于，对所述偏距矩阵进行优化设计，优化设计后的结果满足下式：

其中，第n组自动移液枪同侧相邻自动移液枪的序号为n+m，即第n组自动移液枪与同侧相邻的第n+m组自动移液枪之间还有m-1组自动移液枪，且这m-1组自动移液枪全部布置在另一个Y臂支撑梁上，x_n+m为与第n组自动移液枪同侧相邻自动移液枪的偏距，k_n+m为其位置系数矩阵，t为偏距的单位偏移量，λ_n为偏距放大系数，取自然数，每一组λ_n的取值都会得一组偏距矩阵，理论上偏距矩阵的解域将为无限，故将λ_n的值限定于某一区间，即可得偏距矩阵的有限解域，将所有解中的x_{n max}进行比较，x_{n max}为最小的那组解即为最优解。

3.如权利要求1所述的自动移液装置，其特征在于，两根Y臂支撑梁的一端通过一块第一连接块连接固定；两根Y臂支撑梁的另一端通过一块第二连接块连接固定。

4.如权利要求3所述的自动移液装置，其特征在于，所述Y臂支撑梁上设有沿长度方向布置的水平导轨，自动移液枪的底座上设有与所述水平导轨滑动配合的滑轮或滑块，

所述水平驱动机构包括由第一电机驱动的同步带，同步带上设有与自动移液枪的底座固定的皮带连接块。

5.如权利要求4所述的自动移液装置，其特征在于，每根Y臂支撑梁的顶面和底面各设有一条水平导轨，每组自动移液枪的底座上相应设有上、下两组滑轮。

6.如权利要求4所述的自动移液装置，其特征在于，所有水平驱动机构的第一电机均设置在两根Y臂支撑梁之间、靠近所述第一连接块的一端；两根Y臂支撑梁的相互背离一侧两端分别设有主动轮和从动轮，其中靠近所述第一连接块一端的为由第一电机驱动的主动轮，主动轮和从动轮之间安装有所述同步带，位于同一根Y臂支撑梁上的各同步带按上下依次排列。

7.如权利要求1所述的自动移液装置，其特征在于，自动移液枪的底座上设有竖向导轨，所述自动移液枪还包括：

与所述竖向导轨滑动配合的滑座；

设于所述滑座上、用于安装所述注射组件的腔体支撑板；

用于驱动所述滑座沿竖向导轨上下滑动的竖向驱动机构。

8.如权利要求7所述的自动移液装置，其特征在于，所述注射组件包括：

设于所述腔体支撑板上、内部具有腔体的腔体件；

柱塞杆，设于所述腔体内并通过在腔体内的往复直线运动来控制移液枪头吸取、注射液体；

设于所述腔体件上方的支撑套筒，所述支撑套筒内部具有避让柱塞杆的避让孔；

设于所述支撑套筒上方的直线步进电机，直线步进电机的电机轴伸入所述避让孔内且端部与所述柱塞杆连接，

所述腔体支撑板具有将腔体件的腔体与移液枪管的内腔连通的通道。

9.如权利要求7所述的自动移液装置，其特征在于，所述竖向驱动机构包括：

设于所述底座上的第二电机，所述第二电机为步进电机；

设于所述滑座上的驱动螺母；

与所述驱动螺母螺纹配合、由第二电机驱动转动的丝杠。

10.如权利要求1所述的自动移液装置，其特征在于，所述自动移液枪共4组，每根Y臂支撑梁设有两组自动移液枪。

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