CN113624985B - 基于多关节或scara机器人的高通量加样处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置，包括：箱体，所述箱体内底部设置有废弃移液吸头仓、移液吸头架、试剂库、试管架和若干培养板；关节式机器人，所述关节式机器人采用吊装、挂壁安装、底部固定安装的一种或多种方式固定于箱体上，并且关节式机器人连接有电磁换爪器，电磁换爪器通过磁吸或夹持形式与处理工具连接；工具库，所述工具器库位于箱体内，并且工具器库内设置有若干的处理工具，供电磁换爪器更换不同的处理工具；视觉检测模组，所述视觉检测模组位于箱体顶部，用于采集并传输视觉信息；本发明提供了基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置处理，效率更高，速度更快，结构简单，并且占据空间小。

Description

基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置
技术领域
本发明涉及医疗实验设备和诊断设备技术领域，更具体的说涉及基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置。
背景技术
目前市面上公开的全自动高通量样本处理装置大多是欧美公司生产的全自动高通量样本处理工作站，现有技术领域内，医疗样本处理工作站在核心运动单元上采用XYZ式运动单元，并配合其多通道液体转移单元、孵育震荡单元、搬运单元运作；通过多通道液体转移单元将反应试剂加注到多孔微孔板中，加样后的多孔微孔板由系统自带的孵育震荡单元进行孵育，其中现有多通道液体转移单元以8通道、12通道为主，由于采用了XYZ三轴式运动模式，在试剂加注时，整个液体处理周期较长，效率低下；同时在装置内需要对待测样本进行规范化摆放，按照特定的动线进行待测样本的逐级传递，系统自带的搬运单元消耗了大量的外部耗材转移工作，并且机械结构复杂，不易维护，设备预留空间大，运行速度较慢，制造成本较高，且多为台式工作站，移动、安装也存在不便。
因此，需要研究设计一种高效、结构简单、具有强扩展性的高通量加样处理装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置，区别于现有的高通量加样处理装置，利用多关节圆柱坐标机器人，解决医疗领域试剂加样、医疗样本处理的效率问题，处理效率更高，速度快，结构简单，占据空间小，同时基于视觉识别方案，能够做到非标准化放置医疗样本，降低操作人员的执行复杂度，扩展了设备自动化操作的扩展性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置，包括：
箱体、安装在箱体上的关节式机器人、安装在箱体底部的工作平台、安装在箱体上的视觉检测模组和工具库；
所述工具库上设置有处理工具，所述处理工具包括若干移液器和若干夹持器以及其他种类的处理工具；
所述关节式机器人为三轴或以上的圆柱坐标型控制式机器人，关节式机器人操作臂端连接有电磁换爪器，电磁换爪器通过磁吸或夹持形式与处理工具连接，关节式机器人固定于箱体上；
所述工作平台上设置有废弃移液吸头仓、移液吸头架、试剂库、试管架和若干培养板；
所述视觉检测模组包括一个或一组相机，以及和相机连接的视觉处理及过程控制计算机，所述视觉处理及过程控制计算机和关节式机器人通过接口连接；所述相机安装在箱体顶部，使得相机检测的视觉照射范围覆盖整个箱体内部；
所述视觉处理及过程控制计算机和医疗机构或研究机构系统内的交换机连接，并和医疗机构或研究机构其本地化部署的信息系统或云端部署的信息系统通过数据接口进行数据上传或下发。
所述工作平台划分若干区域，包括但工作区、震动混匀区、加热孵育区、试剂区、耗材区和废弃物存放区；
所述加热孵育区底部设置有加热模块，所述废弃移液吸头仓放置在废弃物存放区、移液吸头架、试剂库和试管架均放置于耗材区，若干培养板放置于加热孵育区；
所述工作区内用于放置待测样本；所述震动混匀区底部设置有震动模块。
所述装置通过如下方法进行控制：
S1：设备初始化；
S2：相机检测工作区内放入的待测样本；
S3：将待测样本的坐标值反馈给关节式机器人；
S4：关节式机器人将操作臂移动至工具库，加装夹持器后，将待测样本进行坐标纠正后有序放置；
S5：待测样本按序排列后，关节式机器人进入工具库，将处理工具更换成移液器，后进入耗材区，从移液吸头架上为移液器加装移液吸头；
S6：移液器加装移液吸头后，关节式机器人将操作臂移动进入试剂区，吸取加样试剂；
S7：将加样试剂通过相机检测定位后，精准加入工作区内的待测样本里；
S8：将加样后的移液吸头丢弃入废弃移液吸头仓内；
S9：重复执行S2-S8的动作，直至工作区内的待测样本全部加样完成；
S10：对工作区内所有加样后的待测样本，通过录入的样本信息判断是否对待测样本进行震动混匀操作，如需进行震动混匀操作，系统转跳步骤S11，如需进行加热孵育操作，转跳步骤S12；
S11：关节式机器人进入工具库换取夹持器，分批次按序将待测样本分别夹取至震动混匀区进行混匀操作；
S12：关节式机器人进入工具库换取夹持器，分批次按序将待测样本分别夹取至加热孵育区，进行孵育操作；
S13：全部操作完成后，处理装置本身的系统提示加样完成，之后处理装置本身的系统进入待机状态。
进一步的，所述工具库包括载器板，所述载器板固定于箱体上，并且载器板上设置有若干用于悬挂处理工具的开口槽，若干开口槽在载器板上平行并排分布。
进一步的，所述工具库内的若干移液器为若干不同通道数量及种类的移液器。
进一步的，所述关节式机器人采用吊装、挂壁安装、底部固定安装的一种或多种方式固定于箱体上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用关节式机器人，相比传统的采用XYZ式运动单元进行移液加样，加样处理速度更快，在相同时间内能够进行更多的样本处理，并且结构更简单和紧凑，使整体结构更加简单，占用的空间更小；
(2)本发明的关节式机器人通过连接电磁换爪器，并且在箱体内设置工具库，使关节式机器人能够从工具库内切换磁吸不同的处理工具，从而使用户能够根据需求自由选择所需要的处理工具，从而完成不同的操作；
(3)本发明通过装配有视觉检测模组，可根据用户的程序设定，自动监测放入的样品种类和位置，同时可以进行全程监控并实时反馈，从而控制关节式机器人运行，并且通过后期程序升级实现更多的无人化和自动化操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置的结构示意图一；
图2为基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置的结构示意图二。
图3为基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置的工作平台结构示意图。
图4为基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置的视觉检测模组结构示意图。
图5为基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置的控制方法流程图。
图中标记为：1、箱体；2、关节式机器人；3、视觉检测模组；4、工具库；5、移液器；6、废弃移液吸头仓；7、移液吸头架；8、试剂库；9、试管架；10、培养板；11、观察窗口；12、工作平台；13、工作区；14、震动混匀区；15、加热孵育区；16、试剂区；17、耗材区；18、废弃物存放区；301、相机；302、视觉处理及过程控制计算机；303、交换机；304、本地化部署的信息系统；305、云端部署的信息系统；401、开口槽。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置，如图1-4所示，包括：
箱体1、安装在箱体1上的关节式机器人2、安装在箱体1底部的工作平台12、安装在箱体1上的视觉检测模组3和工具库4；
所述工具库4上设置有处理工具，所述处理工具包括若干移液器5和若干夹持器以及其他种类的处理工具；
所述关节式机器人2为三轴或以上的圆柱坐标型控制式机器人，关节式机器人2操作臂端连接有电磁换爪器，电磁换爪器通过磁吸或夹持形式与处理工具连接，关节式机器人2采用吊装、挂壁安装、底部固定安装的一种或多种方式固定于箱体1上；
所述工作平台12上设置有废弃移液吸头仓6、移液吸头架7、试剂库8、试管架9和若干培养板10；
优选的，所述废弃移液吸头仓6包括废弃箱，所述废弃箱顶部铰接有盖板，并且盖板上设置有丢弃通槽，通过丢弃通槽拆卸使用过的移液吸头并丢弃到废弃箱内，所述移液吸头架7上放置有若干移液吸头，供移液器5装配，所述试剂库8上设置有三个容器槽，三个容器槽的容量分别为30ml、60ml和120ml；
所述视觉检测模组3包括一个或一组相机301，以及和相机301连接的视觉处理及过程控制计算机302，所述视觉处理及过程控制计算机302和关节式机器人2通过接口连接；所述相机301安装在箱体1顶部，使得相机301检测的视觉照射范围覆盖整个箱体1内部；
视觉处理及过程控制计算机302通过交换机303和医疗机构或研究机构现有的本地化部署的信息系统304打通，通过数据接口进行数据传输，对待测样本的检测数据进行下发或上传，使装置更好的识别待测样本，进行操作；
对于系统数据上云的医疗机构或研究机构，将视觉处理及过程控制计算机302进行配置后，通过互联网接入云端部署的信息系统305实现数据的上传或下发；
基于数据接口传输的数据，对所有的数据进行了加密处理，加密方式包括RSA、AES及自定协议的一种或多种；
所述工作平台12划分若干区域，包括但不限于工作区13、震动混匀区14、加热孵育区15、试剂区16、耗材区17、废弃物存放区18中的多种区域；
所述加热孵育区15底部设置有加热模块，所述废弃移液吸头仓6放置在废弃物存放区18、移液吸头架7、试剂库8和试管架9均放置于耗材区17，若干培养板10放置于加热孵育区15；
所述工作区13内用于放置待测样本；所述震动混匀区14底部设置有震动模块；
所述废弃移液吸头仓6用于存放由关节式机器人2通过移液器5抓取的废弃移液吸头架7，以保证待测样本的纯粹性，防止样本交叉感染；
所述视觉检测模组3通过相机301视口识别工作平台12，将操作人员摆放的待测样本进行视觉识别后，通过坐标数据将每份待测样本坐标反馈给关节式机器人2，关节式机器人2通过电磁换爪器磁吸夹持器，在由夹持器夹持试管架9，将待测样本试管架9进行位置纠正，确保多个试管架9之间排列的有序性；
所述关节式机器人2根据视觉处理及过程控制计算机302的指令，使用相应处理工具，定时定点地将需要处理的待测样本、培养板10或其他试剂，在工作区13、震动混匀区14、加热孵育区15、试剂区16、耗材区17及废弃物存放区18之间移动并放置；
所述震动模块通过线性电机控制，当待测样本通过移液器5加样后，震动模块产生轻微震动，将放置在震动混匀区14上的试管架9内的待测样本和加样的试剂进行混合。
如图5所示，所述装置通过如下方法进行控制：
S1：设备初始化；
S2：相机301检测工作区13内放入的待测样本；
S3：将待测样本的坐标值反馈给关节式机器人2；
S4：关节式机器人2将操作臂移动至工具库4，加装夹持器后，将待测样本进行坐标纠正后有序放置；
S5：待测样本按序排列后，关节式机器人2进入工具库4，将处理工具更换成移液器5，然后进入耗材区17，从移液吸头架7上为移液器5加装移液吸头；
S6：移液器5加装移液吸头后，关节式机器人2将操作臂移动进入试剂区16，吸取加样试剂；
S7：将加样试剂通过相机301检测定位后，精准加入工作区13内的待测样本里；
S8：将加样后的移液吸头丢弃入废弃移液吸头仓6内；
S9：重复执行S2-S8的动作，直至工作区13内的待测样本全部加样完成；
S10：对工作区13内所有加样后的待测样本，通过录入的样本信息判断是否对待测样本进行震动操作判断，如需进行震动混匀操作，转跳步骤S11，如需进行加热孵育操作，转跳步骤S12；
S11：关节式机器人2进入工具库4换取夹持器，分批次按序将待测样本分别夹取至震动混匀区14进行混匀操作；
S12：关节式机器人2进入工具库4换取夹持器，分批次按序将待测样本分别夹取至加热孵育区15，进行孵育操作；
S13：全部操作完成后，处理装置本身的系统提示加样完成，之后处理装置本身的系统进入待机状态。
本实施例中优选的，如图1和图2所示，所述工具库4包括载器板，所述载器板固定于箱体1内的后侧，并且载器板上设置有若干用于悬挂处理工具的开口槽401，若干开口槽401在载器板上平行并排分布，并且开口槽401内设置有用于卡住防止处理工具轻易脱落的卡紧结构；通过把工具库4设置成载器板，并在载器板上设置若干开口槽401，使工具库4结构简单实用，并且制造成本降低，利于生产制造。
本实施例中优选的，所述工具库内的若干移液器5为若干不同数量通道的移液器，优选的放置有单通道和8通道等多种通道的移液器5。
本实施例中优选的，如图1所示，所述箱体1的两侧、前侧和顶部均设置有观察窗口11，并且箱体1两侧、前侧和顶部的观察窗口11处均设置有透明罩，从而可在箱体1的多个侧面均能够看到箱体1内的运行情况，掌握进度和在意外情况发生时能够及时进行处理。
本实施例中优选的，所述箱体1前侧的透明罩与箱体1铰接，方便打开箱体1前侧的透明罩把试管放入到试管架9上或把试管架9放入箱体1内。
本发明工作原理：
设备操作人员，将待测样本放置到试管架9内，将待测样本试管架9随意摆放至箱体1内的工作平台12的工作区13内，摆放后关闭透明罩，使得待测样本在封闭空间内。
启动设备后，视觉检测模组3检测工作区13范围内的试管架9，通过相机301记录每一个试管架9的矩形坐标，将试管架9坐标反馈至关节式机器人2，关节式机器人2利用电磁换爪器连接夹持器，再通过夹持器对所有试管架9进行旋转和位置纠正，保证每一个试管架9的位置都是阵列式有序摆放于工作区13内。
关节式机器人2接收来自视觉检测模组3反馈的纠正过的试管架9坐标系，通过设定的程序控制关节式机器人2移动至工具库，装配好所需要的移液器5，然后，关节式机器人2移动至耗材区17，使移液器5装配好移液吸头，移液器5移动至试剂区16，吸取试剂库内的液体；通过控制曲线精确定位移液器5至试管架9，完成待测样本加样工作。
待测样本加样后，将移液器5上装配的移液吸头丢弃入废弃移液吸头仓6内；加样完成后，通过系统录入信息或由信息系统下发的信息，判断待测样本是否需要进行震动混匀操作；对于需要进行震动混匀操作的待测样本，关节式机器人2至工具库4换取夹持器，将加样后的待测样本先后次序放入震动混匀区14、加热孵育区15进行混匀和加热操作；对无需进行震动混匀操作的待测样本，关节式机器人2换取夹持器后直接将待测样本送入加热孵育区15进行加热操作；直至所有的待测样本操作结束。
针对进行加样过的移液吸头，每次吸取试剂区16内的试剂后，移液吸头将被丢入废弃物存放区18，移液吸头为一次性使用物品，防止待测样本产生交叉感染。
耗材区17存放的耗材，包括但不限于试管、移液吸头或其他医用检测消耗品。
全程通过关节式机器人2在箱体1内进行操作，实现无菌、快速的自动化操作。
基于视觉检测模组3，进一步对设备进行扩展，通过边缘检测、物体检测算法，可以对置放于除废弃移液吸头仓6、移液吸头架7、试剂库8、试管架9和培养板10以外的设备进行坐标检测和摆放纠正，通过后期程序升级实现更多的无人化、自动化操作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置，其特征在于，包括：箱体(1)、安装在箱体(1)上的关节式机器人(2)、安装在箱体(1)内底部的工作平台(12)、安装在箱体(1)上的视觉检测模组(3)和工具库(4)；
所述工具库(4)上设置有处理工具，所述处理工具包括若干移液器(5)和若干夹持器；
所述关节式机器人(2)为三轴或以上的圆柱坐标型控制式机器人，关节式机器人(2)操作臂端连接有电磁换爪器，电磁换爪器通过磁吸或夹持形式与处理工具连接，关节式机器人(2)固定于箱体(1)上；
所述工作平台(12)上设置有废弃移液吸头仓(6)、移液吸头架(7)、试剂库(8)、试管架(9)和若干培养板(10)；
所述视觉检测模组(3)包括一个或一组相机(301)，以及和相机(301)连接的视觉处理及过程控制计算机(302)，所述视觉处理及过程控制计算机(302)和关节式机器人(2)通过接口连接；所述相机(301)安装在箱体(1)顶部，使得相机(301)检测的视觉照射范围覆盖整个箱体(1)内部；
所述视觉处理及过程控制计算机(302)和医疗机构或研究机构系统内的交换机(303)连接，并和医疗机构或研究机构其本地化部署的信息系统(304)或云端部署的信息系统(305)通过数据接口进行数据上传或下发；
所述工作平台(12)划分若干区域，包括工作区(13)、震动混匀区(14)、加热孵育区(15)、试剂区(16)、耗材区(17)和废弃物存放区(18)；
所述加热孵育区(15)底部设置有加热模块，所述废弃移液吸头仓(6)放置在废弃物存放区(18)、移液吸头架(7)、试剂库(8)和试管架(9)均放置于耗材区(17)，若干培养板(10)放置于加热孵育区(15)；
所述工作区(13)内用于放置待测样本；所述震动混匀区(14)底部设置有震动模块；
所述处理装置通过如下方法进行控制：
S1：设备初始化；
S2：相机(301)检测工作区(13)内放入的待测样本；
S3：将待测样本的坐标值反馈给关节式机器人(2)；
S4：关节式机器人(2)将操作臂移动至工具库(4)，加装夹持器后，将待测样本进行坐标纠正后有序放置；
S5：待测样本按序排列后，关节式机器人(2)进入工具库(4)，将处理工具更换成移液器(5)，然后进入耗材区(17)，从移液吸头架(7)上为移液器(5)加装移液吸头；
S6：移液器(5)加装移液吸头后，关节式机器人(2)将操作臂移动进入试剂区(16)，吸取加样试剂；
S7：将加样试剂通过相机(301)检测定位后，精准加入工作区(13)内的待测样本里；
S8：将加样后的移液吸头丢弃入废弃移液吸头仓(6)内；
S9：重复执行S2-S8的动作，直至工作区(13)内的待测样本全部加样完成；
S10：对工作区(13)内所有加样后的待测样本，通过录入的样本信息判断是否对待测样本进行震动操作判断，如需进行震动混匀操作，转跳步骤S11，如需进行加热孵育操作，转跳步骤S12；
S11：关节式机器人(2)进入工具库(4)换取夹持器，分批次按序将待测样本分别夹取至震动混匀区(14)进行混匀操作；
S12：关节式机器人(2)进入工具库(4)换取夹持器，分批次按序将待测样本分别夹取至加热孵育区(15)，进行孵育操作；
S13：全部操作完成后，系统提示加样完成，之后系统进入待机状态。
2.根据权利要求1所述的基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置，其特征在于：所述工具库(4)包括载器板，所述载器板固定于箱体(1)上，并且载器板上设置有若干用于悬挂处理工具的开口槽(401)，若干开口槽(401)在载器板上平行并排分布。
3.根据权利要求1所述的基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置，其特征在于：所述工具库(4)内的若干移液器(5)为若干不同通道数量及种类的移液器(5)。
4.根据权利要求1所述的基于多关节或SCARA机器人的高通量加样处理装置，其特征在于：所述关节式机器人(2)采用吊装、挂壁安装、底部固定安装的一种或多种方式固定于箱体(1)上。
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