CN115825461A - 一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，具体步骤如下：S1：在上位机控制端的实验库中选择需要进行的实验，设置相应的实验参数；S2：在工作平台上的功能模块容置区放入实验所需的各功能模块、样品和耗材；S3：上位机控制端通过无线信号连接主机控制器，发送实验参数；S4：主机控制器开机，接收来自上位机控制端的实验内容；S5：主机控制器控制开启各功能模块的电源，通过识别模块读取各功能模块放置的位置、型号、限高；S6：各功能模块等待初始化指令；S7：主机控制器检查各功能设置是否满足实验需要；S8：主机控制器将接收到的实验参数分解到功能模块和机械臂，并将结果反馈到上位机控制端上显示给客户。

Description

一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法。

背景技术

目前，多关节机械臂或多自由度的工业机器人已经被广泛应用于电子、物流、化工、检测分析等各个工业领域之中。

大多数机器人是基于一个固定场景或一个固定功能而设计的，换句话说，每个机器人上单独固定有一个机械臂，其采用自身的动力和控制能力实现如加工制造、搬运、流转等固定功能，但是这样会面临着如若要实现一个流程需要配置多个固定功能的机器人的情况，实现起来的限制条件过多、设备的可复制性差、标准性差、实用性差、技术实现难度高、技术维护成本高等问题，而且每个机器人上的非标定制部分较多，也就不能很好地导入到其他的场景上，造成每个机器人的通用性和适用性较差。

尤其是在检测分析领域，一个实验流程通常需要多个实验步骤以及多个实验仪器，每个机器人仅能配合一个实验仪器工作，那么完成全流程就需要配置多个机器人，多个控制器。这样就导致实验流程繁杂、实验成本较高，自动化程度差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，能够快速识别搭载不同的功能模块，单独或协同控制多个功能模块完成工作，实现多种场景的应用。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，包括操作平台，所述操作平台包括工作平台以及设置在工作平台上的主机控制器、机械臂和识别模块，还包括至少一个功能模块，所述功能模块通过可更换结构安装在所述工作平台上，主机控制器分别与机械臂、功能模块以及识别模块之间进行信号传输；

具体步骤如下：

S1：开始，操作人员在上位机控制端的实验库中选择需要进行的实验，设置相应的实验参数；

S2：在工作平台上的功能模块容置区放入实验所需的各功能模块、样品和耗材；

S3：上位机控制端通过无线信号连接主机控制器，并向主机控制器进行信号传输，发送实验参数；

S4：主机控制器开机，并接收来自上位机控制端的实验内容；

S5：主机控制器控制开启各功能模块的电源，通过识别模块读取各功能模块放置的位置、型号、限高；

S6：各功能模块等待初始化指令；

S7：主机控制器检查各功能设置是否满足实验需要，若不满足，则与步骤S1中选择的实验进行比对，并更正功能模块、样品和耗材；若满足，则进入步骤S8开始实验；

S8：主机控制器将接收到的实验参数分解到每个功能模块和机械臂，机械臂根据收到的指令获取相应的夹具，进行抓取、上样操作，配合功能模块进行实验流程，主机控制器实时将结果反馈到上位机控制端上显示给客户。

进一步，所述可更换结构包括功能模块容置区和固定盘，所述功能模块容置区设置在所述工作平台上，所述固定盘设置在功能模块上，所述固定盘放置在功能模块容置区上以将功能模块安装在所述工作平台上，所述功能模块上设有识别信号，所述功能模块容置区上设有所述识别模块，识别模块用于接入每个功能模块上的识别信号。

进一步，所述功能模块包括固相萃取进样模块和固相萃取收集模块，所述固相萃取进样模块用于固相萃取实验的进样，所述固相萃取收集模块用于固相萃取实验的活化、洗脱和收集。

进一步，所述功能模块包括配液模块，所述配液模块用于配置不同浓度的标准溶液。

进一步，所述功能模块还包括样品盘模块、耗材盘模块。

进一步，步骤S2中，每个实验流程需要的功能模块数量为1个或多个，且每个功能模块容置区内仅供一个功能模块放置。

进一步，所述机械臂位于所述工作平台的中部，所述功能模块容置区环绕设置在所述机械臂的周围。

进一步，所述机械臂通过RS485接口实现与主机控制器之间的数据及控制信号之间的传输。

进一步，所述操作平台还包括夹具和备用夹具，所述夹具安装在所述机械臂的端部，所述备用夹具放置在所述工作平台上，所述夹具和备用夹具具备互换性；所述夹具和备用夹具的类型包括开盖器、吸盘、激光和气动手指。

进一步，所述操作平台还包括上位机控制端、无线通讯模块，所述上位机控制端通过所述无线通讯模块与主机控制器进行通讯连接；

还包括视觉模块，所述视觉模块通过USB接头与主机控制器连接；

还包括电源模块，所述电源模块向所述工作平台提供电源输出，通过数字/模拟接口与主机控制器进行通信。

采用上述方案后，本发明的有益效果在于：该方法基于一个机器人操作平台，该操作平台包括若干个可更换、可重复利用的功能模块、工作平台以及设置在工作平台上的主机控制器、机械臂和识别模块，以主机控制器为核心，通过调用机械臂，以配合各功能模块单独或协同完成所需的实验流程，通过功能模块不同的功能特性，匹配出符合用户使用目的的功能，以帮助用户快速搭建合适的全自动化工作平台，实现多功能、多领域的应用。可更换的模块和机器人平台搭配起来，实现各种精度高、重复性高、过程可控的机械人平台，整个平台易于操作、使用灵活、安全且具有较高的标准性、可靠性。

附图说明

图1是本发明一实施例工作平台结构示意图；

图2是本发明一实施例工作平台和检测分析模块结构示意图；

图3是本发明一实施例模块结构框图；

图4是本发明一实施例工作流程图；

图5是本发明一实施例配液模块结构示意图；

图6是本发明一实施例图固相萃取进样模块结构示意图；

图7是本发明一实施例固相萃取收集模块结构示意；

图8是本发明一实施例样品盘模块结构示意图。

标号说明：

1、工作平台；2、机械臂；3、功能模块；4、功能模块容置区；5、识别模块；6、夹具；7、固定盘；8、配液模块；81、进样针；82、清洗槽；83、样品转盘；9、固相萃取进样模块；91、移液针；92、样品架；10、固相萃取收集模块；101、试管架；102、收集管；103、萃取架；104、萃取柱；11、样品盘模块；111、样品瓶。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明。

本发明提供一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，该方法所用到的操作平台包括工作平台1、主机控制器、机械臂2、识别模块5、视觉模块、电源模块、上位机控制端和无线通讯模块，主机控制器分别与机械臂2、识别模块5、视觉模块、上位机控制端信号连接。此外，该操作平台还包括至少一个功能模块3，功能模块3通过可更换结构安装在工作平台1上。

该方法的具体步骤如下：

S1：开始，操作人员在上位机控制端的实验库中选择需要进行的实验，设置相应的实验参数；

S2：在工作平台1上的功能模块容置区4放入实验所需的各功能模块3、样品和耗材；

S3：上位机控制端通过无线信号连接主机控制器，并向主机控制器进行信号传输，发送实验参数；

S4：主机控制器开机，并接收来自上位机控制端的实验内容；

S5：主机控制器控制开启各功能模块3的电源，通过识别模块5读取各功能模块3放置的位置、型号、限高；

S6：各功能模块3等待初始化指令；

S7：主机控制器检查各功能设置是否满足实验需要，若不满足，则与步骤S1中选择的实验进行比对，并更正功能模块3、样品和耗材；若满足，则进入步骤S8开始实验；

S8：主机控制器将接收到的实验参数分解到每个功能模块3和机械臂2，机械臂2根据收到的指令获取相应的夹具6，进行抓取、上样操作，配合功能模块3进行实验流程，主机控制器实时将结果反馈到上位机控制端上显示给客户。

在步骤S2中，每个实验流程需要的功能模块3数量为1个或多个，且每个功能模块容置区4内仅供一个功能模块3放置。

整个平台内部以主机控制器为核心，配合各种不同的功能模块3和机械臂2组合，以完成全自动化的操作平台。可更换的模块和机器人平台搭配起来，能够实现各种精度高、重复性高、过程可控的实验检测平台。该平台不仅适用于实验检测分析领域，还能够应用于电子、物流、化工等多个技术领域，适用于多种场景的应用。

工作平台1：该平台用于搭载并连接各个结构，包括机械臂2、功能模块3、识别模块5、主机控制器等，主机控制器分别与机械臂2和功能模块3信号连接。功能模块3通过可更换结构安装在该工作平台1上，功能模块3上设有识别信号，识别模块5用于接入每个功能模块3上的识别信号。

可更换结构为功能模块容置区4和固定盘7，每个功能模块容置区4设置在工作平台1上，固定盘7设置在功能模块3上，每个功能模块容置区4内设有一上述识别模块5，固定盘7放置在功能模块容置区4上以将功能模块3安装在工作平台1上，同时其上的识别信号与识别模块5连接，识别模块5又与主机控制器连接，所以，使功能模块3与主机控制器之间能够进行信号传输。

以下具体介绍操作平台各结构的功能及应用：

主机控制器：位于工作平台1上，是控制此多功能可更换模块的机械平台，协同各个功能模块3的功能、AI智能分析、机械臂2运动轨迹计算、避障等功能。主机控制器分别连接机械臂2、识别模块5、电源模块和上位机控制端。主控制器在接收到上位机控制端的实验参数后，分解到每个功能模块3和机械臂2的动作配合，并实时将结果反馈到APP上显示给用户。

功能模块3：功能模块3的数量至少为一个，功能模块3通过可更换结构可更换的放置在工作平台1上，且各功能模块3可重复利用。该功能模块3是利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法上的功能体现，结合不同的实验检测应用，可以更换功能模块3来实现。通过功能模块3不同的功能特性，匹配出符合用户使用目的的作用功能，然后由主机控制器控制各功能模块3进行机械运动，完成实验步骤。

功能模块3的类型多样，可根据不同的实验检测应用来进行设置，例如，固相萃取进样模块9、固相萃取收集模块10、配液模块8、样品盘模块11、耗材盘模块。

固相萃取进样模块9：用于固定萃取实验的进样，相关的实验仪器有进样仪；

固相萃取收集模块10：用于固相萃取实验的活化、洗脱和收集，相关的实验仪器有收集仪。

配液模块8：用于配置不同浓度的标准溶液，包括针管的清洗、溶剂的清洗和排空、样品的润洗、溶剂的润洗、分液、稀释等，相关的实验仪器有配液仪。

样品盘模块11：用于收集、储存配好的溶液，相关的实验仪器有样品瓶111。

耗材盘模块：用于放置实验所需的耗材，例如试管、样品、样品瓶111等

更为重要的是，上述功能模块3可更换的安装在工作平台1上，既能单独使用，也能互相配合使用。主机控制器可控制单个功能模块3完成实验步骤，部分实验流程需要多个功能模块3结合来实现，因此，主机控制器也可同时集中控制多个功能模块3，配合机械臂2等完成多流程的实验工作，实现多种场景的应用。

采用可更换的模块式设计，还能够实现6轴机械臂2做不了动作或者耗时长的工作，增加了应用的实用范围、提高整体平台的运行效率。

识别模块5：设置在工作平台1上的功能模块容置区4内，用于接入每个功能模块3上的识别信号。功能模块3上的识别信号可以为识别码或识别芯片等，对应的，功能模块容置区4上的识别模块5可以为扫码器或通讯接头，本实施例中，识别信号采用识别芯片，识别模块5采用通讯接头，当功能模块3放置在工作平台1的功能模块容置区4上时，通讯接头与识别芯片连接，使得主机控制器得以识别功能模块3并进行信号传输。在本实施例中，采用485通信接头来实现主机控制器与功能模块3的连接。

机械臂2：本案中的机械臂2为6轴机械臂2，且位于工作平台1中部，机械臂2通过RS485接口实现与主机控制器之间的数据及控制信号之间的传输。机械臂2受主机控制器调用，实现多维方向上运动,可以提供平台的移动、定位，配合实验流程完成实验步骤。为了节省机械臂2的工作路径，最大限度发挥机械臂2的功能，本案将机械臂2设置在工作平台1的中部，各功能模块容置区4环绕设置在机械臂2的周围，这样在机械臂2进行工作时就能最大限度的简化运动轨迹、缩短工作路径，从而提高机械臂2的工作效率。

夹具6和备用夹具：在本实施例中，夹具6安装在机械臂2的端部，备用夹具放置在工作平台1上，其中，夹具6和备用夹具的类型均包括开盖器、吸盘、激光和气动手指等。其中，开盖器可以实现自动开瓶盖，抓起的功能。夹具6与备用夹具具备互换性，根据实验的需要，机械臂2可自动将其末端的夹具6与工作平台1上的夹具6进行更换，实现搬运、抓取不同的部件的目的，配合不同的功能模块3完成实验流程。本实施例采用电动的动力方式驱动夹具6的运行，减少轨迹干涉、提高整个平台的可靠性。

除了上述的模块之外，该多功能操作平台还包括上位机控制端、无线通讯模块、视觉模块、电源模块。

上位机控制端：该控制端通过无线通讯模块与主机控制器进行通讯连接，无线通讯模块可以为WIFI模块、蓝牙模块等。在上位机控制端选择实验，然后上位机控制端发送参数至主机控制器，主机控制器接收实验内容后进行个功能模块3的调用。

视觉模块：该视觉模块通过USB接头与主机控制器连接，在本实施例中，视觉模块可以是工业摄像头，工业摄像头获取工作平台1内的图像和视频，并将获取的图像和视频传输至主机控制器，根据图像和视频可以实时监控机械臂2、各功能模块3的工作情况，如是否异常、是否发生干涉等，便于操作人员及时更正。

电源模块：该电源模块向工作平台1提供电源输出，通过数字/模拟接口与主机控制器进行通信。

下面以固相萃取和配液流程为例，分别介绍整个平台的工作过程：

1、配液模块8的动作流程：

如图4所示，操作人员在PAD控制端的实验库中选择配液实验，设置相关的实验参数，随后在工作平台1上的功能模块容置区4内放入配液所所需的功能模块3，包括配液模块8、样品盘模块11和耗材盘模块。

如图5所示，配液模块8上的配液仪包括样品转盘83、清洗槽82、进样针81，进样针81可沿Z轴移动，样品转盘83可以Z轴为轴线自转。

进样针81：在PAD控制端设置相关参数(清洗次数和静置时间)，转盘转至清洗槽82，蠕动泵动作，Z轴向下运行到进样针81位置(最低位置)，Z轴向上运行到废液固定排水位置，转盘转至废液槽，静置，结束。

溶剂清洗和排空：在PAD控制端设置相关参数(清洗运行次数和溶液体积)，注射泵吸取清洗液，注射泵排出清洗液，注射泵吸取空气，注射泵排出空气，结束。

样品润洗：在PAD控制端设置相关参数(润洗样品的位置和润洗次数)，转盘转至样品位置，使进样针81对准样品瓶111瓶口，Z轴向下运行到样品吸液位置(距离样品瓶111瓶口1cm的位置)，注射泵吸取溶液，转盘转至废液槽，Z轴运行至废液固定排水位置，注射泵排空液体，结束。

溶剂润洗：在PAD控制端设置相关参数(润洗液通道和润洗次数)，转盘转至废液槽，Z轴运行至废液固定排水位置，注射泵运行到润洗液通道，注射泵吸取润洗液，注射泵运行到进样通道，注射泵排出润洗液，结束。

分液：在PAD控制端设置相关参数(目标液位置、目标液体积、样品液位置)，注射泵运行到进样通道，转盘运行至样品瓶111位置，Z轴运行到样品吸液位置，注射泵吸取溶液，转盘运行至目标液位置，Z轴运行至样品排液位置，注射泵排空液体，静置，结束。

2、固相萃取实验的动作流程：

如图4所示，操作人员在上位机控制端的实验库中选择固相萃取实验，设置相应的实验参数，随后在工作平台1上的功能模块容置区4放入固相萃取实验所需的功能模块3(固相萃取实验需要用到固相萃取进样模块9、固相萃取收集模块10、样品盘模块11和耗材盘模块)。

上位机控制端通过无线信号连接主机控制器，并向主机控制器进行信号传输，发送固相萃取实验参数，主机控制器开机，接收来自上位机控制端的实验内容，同时控制开启各功能模块3的电源，读取识别各功能模块3放置的位置、型号、限高等，各功能模块3等待初始化指令，检查各功能设置是否满足实验需要。若不满足，则在与步骤S1中选择的实验进行比对，更正设置；若满足，则开始实验，主机控制器将接收到的实验参数分解到每个功能模块3和机械臂2的动作配合，进行实验流程，并实时将结果反馈到上位机控制端上显示给客户。

如图6和7所示，固相萃取进样模块9和固相萃取收集模块10分别设有进样仪和收集仪，进样仪设有用于放置样品的样品架92，样品架92上方对应有移液针91；收集仪设有可前后滑动的试管架101，试管架101上方对应设置有可纵向滑动的萃取架103，试管架101上放置收集管102，萃取架103上放置萃取柱104，萃取柱104顶端设置有加液口，底端设置有排液口。

功能模块3在接收到来自主机控制器的指令后，进行实验前的准备工，即主机控制器控制机械臂2抓取各耗材并放置到适当的位置：首先，机械臂2从耗材盘模块抓取萃取柱104，开盖后放到收集仪的萃取架103上，机械臂2从耗材盘模块抓取收集管102，开盖后放到收集仪的试管架101上，机械臂2从样品盘模块11抓取样品，开盖后放到进样仪的进样品架92上。

完成准备工作后，进行萃取实验，按照设定参数进行活化，进样，洗脱。首先，主机控制器控制进样仪的X轴移动到样品的位置，进样仪的Z轴向下移动到取样的位置，收集仪的X轴移动到“收集”指定位置，使收集管102置于萃取柱104排液口的下方，随后，进样仪的注射泵从样品瓶111吸取样液，再将样液排出到萃取柱104内，然后进行洗脱程序，注射泵吸排“洗脱溶剂”(吸排按注射泵子程序)，收集盘X轴移动到“收集”指定位置承接萃取液。

收集完成，机械臂2抓取选取收集完成的收集管102，关盖后放置到指定的样品盘位置；机械臂2抓取选取收集完成的萃取柱104，关盖后放置到指定位置，实验结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，其特征在于：包括操作平台，所述操作平台包括工作平台以及设置在工作平台上的主机控制器、机械臂和识别模块，还包括至少一个功能模块，所述功能模块通过可更换结构安装在所述工作平台上，主机控制器分别与机械臂、功能模块以及识别模块之间进行信号传输；

具体步骤如下：

S1：开始，操作人员在上位机控制端的实验库中选择需要进行的实验，设置相应的实验参数；

S2：在工作平台上的功能模块容置区放入实验所需的各功能模块、样品和耗材；

S3：上位机控制端通过无线信号连接主机控制器，并向主机控制器进行信号传输，发送实验参数；

S4：主机控制器开机，并接收来自上位机控制端的实验内容；

S5：主机控制器控制开启各功能模块的电源，通过识别模块读取各功能模块放置的位置、型号、限高；

S6：各功能模块等待初始化指令；

S7：主机控制器检查各功能设置是否满足实验需要，若不满足，则与步骤S1中选择的实验进行比对，并更正功能模块、样品和耗材；若满足，则进入步骤S8开始实验；

S8：主机控制器将接收到的实验参数分解到每个功能模块和机械臂，机械臂根据收到的指令获取相应的夹具，进行抓取、上样操作，配合功能模块进行实验流程，主机控制器实时将结果反馈到上位机控制端上显示给客户。

2.如权利要求1所述的一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，其特征在于：所述可更换结构包括功能模块容置区和固定盘，所述功能模块容置区设置在所述工作平台上，所述固定盘设置在功能模块上，所述固定盘放置在功能模块容置区上以将功能模块安装在所述工作平台上，所述功能模块上设有识别信号，所述功能模块容置区上设有所述识别模块，识别模块用于接入每个功能模块上的识别信号。

3.如权利要求1所述的一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，其特征在于：所述功能模块包括固相萃取进样模块和固相萃取收集模块，所述固相萃取进样模块用于固相萃取实验的进样，所述固相萃取收集模块用于固相萃取实验的活化、洗脱和收集。

4.如权利要求1所述的一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，其特征在于：所述功能模块包括配液模块，所述配液模块用于配置不同浓度的标准溶液。

5.如权利要求3或4所述的一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，其特征在于：所述功能模块还包括样品盘模块、耗材盘模块。

6.如权利要求1所述的一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，其特征在于：步骤S2中，每个实验流程需要的功能模块数量为1个或多个，且每个功能模块容置区内仅供一个功能模块放置。

7.如权利要求1所述的一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，其特征在于：所述机械臂位于所述工作平台的中部，所述功能模块容置区环绕设置在所述机械臂的周围。

8.如权利要求1所述的一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，其特征在于：所述机械臂通过RS485接口实现与主机控制器之间的数据及控制信号之间的传输。

9.如权利要求1所述的一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，其特征在于：所述操作平台还包括夹具和备用夹具，所述夹具安装在所述机械臂的端部，所述备用夹具放置在所述工作平台上，所述夹具和备用夹具具备互换性；所述夹具和备用夹具的类型包括开盖器、吸盘、激光和气动手指。

10.如权利要求1所述的一种利用全自动机器人实现多功能多领域检测分析的方法，其特征在于：所述操作平台还包括上位机控制端、无线通讯模块，所述上位机控制端通过所述无线通讯模块与主机控制器进行通讯连接；

还包括视觉模块，所述视觉模块通过USB接头与主机控制器连接；

还包括电源模块，所述电源模块向所述工作平台提供电源输出，通过数字/模拟接口与主机控制器进行通信。

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