CN215471184U - 一种可编程化学实验机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可编程化学实验机器人，包括XYZ三个方向的步进电机驱动的丝杠滑台，Y向直线滑台1为水平前后移动，其上安装有比色计、消解器、试管托架和搅拌器，X向直线滑台为水平左右移动，其上安装有试剂加入组件，可以在多支移动到试剂加入组件正下方的各个螺旋口试管中加入各种待分析的水样和液体或粉状试剂，Z向直线滑台为垂直上下移动，其上安装有一次可完成多支试管抓取的卡管器和可以一次旋紧多支螺旋口试管的拧盖头及拧盖电机。在本实用新型实施过程中，结构简单可靠成本低，而且可以同时对多个试管进行操作，实验速度快。

Description

一种可编程化学实验机器人

技术领域

本实用新型属于可编程化学实验机器人技术领域，具体为一种可编程化学实验机器人。

背景技术

一种是采用通用机械手置于实验台前，由专门训练的机器手编程人员，通过复杂的编程操作，使机器手完成进行抓取试管、称量药剂及向试管添加药剂、摇匀试管、滴定或比色等操作。见《分析仪器》1991年第4期10页《分析实验机器人的进展》。第二种是专用实验机器人，如专利技术《实验室COD 自动分析机械人》，专利申请号：201510357039.3和专利《一种改进的实验 COD自动分析机器人》，申请号：CN201820526781.1等，只能进行一种实验操作。

现有技术的缺点，对于第一种类型的实验机器人，采用了通用型机器手，理论上可以进行多种实验。但是，由于机器手的操作技术复杂，化学实验人员无法完成机器人的编程操作，实际上，该机器人也只能用于少量化学实验操作。同时，由于通用机器人并不是专为化学实验操作而设计，因此，该型化学实验机器人的应用场所非常受限制。此外，通用型机器手价格昂贵，再需要安装适用于化学实验的机器手爪和专用夹持装置及传感器，导致其成本巨大。而且，一个机器手一次只能操作一只试管，实验速度低，不适合批量化学分析实验。不适合对成本敏感的企业和研究机构。与其巨大投入和复杂的操作技术，不如采用人工进行化学实验操作。对于第二种专用实验机器人，由于不能编程，该型机器人只能进行固定程序的化学实验操作，比如，只进行COD分析。而且对于需要旋紧或松开螺旋盖的试管，只能人工操作，无法实现全自动实验过程。

实用新型内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本实用新型提供一种可编程化学实验机器人，有效的解决了背景技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种可编程化学实验机器人，包括XYZ三个方向的步进电机驱动的丝杠滑台，Y向直线滑台1为水平前后移动，其上安装有比色计、消解器、试管托架和搅拌器，X向直线滑台为水平左右移动，其上安装有试剂加入组件，可以在多支移动到试剂加入组件正下方的各个螺旋口试管中加入各种待分析的水样和液体或粉状试剂，Z向直线滑台为垂直上下移动，其上安装有一次可完成多支试管抓取的卡管器和可以一次旋紧多支螺旋口试管的拧盖头及拧盖电机。

优选的，所述试剂加入组件包括水样多通阀，所述水样多通阀将来自蒸馏水瓶的蒸馏水和水样瓶的待分析水样经蠕动泵组抽送至液滴计数器内，第一试剂瓶内的试剂经蠕动泵组抽送至液滴计数器内，在液滴计数器上方设置有粉末药剂加入器，所述蠕动泵组通过上连接有管道，管道的一端上设置有试剂嘴。

优选的，所述卡管器包括卡管电机、管器固定梁、丝杆、移动横梁、弹性材料，所述卡管电机能够将管器固定梁沿丝杆方向推动，所述管器固定梁与移动横梁平行的安装在丝杆上，且在管器固定梁与移动横梁相对的侧面上均在有弹性材料。

优选的，所述拧盖头包括拧盖器体、调节螺丝与弹性内衬，所述调节螺丝插入安装在拧盖器体内，所述弹性内衬安装在拧盖器体内。

优选的，所述粉末药剂加入器包括震动电机、粉状药剂、第二试剂瓶与隔离网，所述震动电机安装在第二试剂瓶的一侧，所述第二试剂瓶内装有粉状药剂，所述第二试剂瓶下端安装有加药嘴，所述第二试剂瓶与加药嘴之间安装有隔离网。

优选的，所述搅拌器包括搅拌电机与搅拌管，搅拌电机能够带动搅拌管转动。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

整体结构为化学实验而设计，结构简单可靠成本低，而且可以同时对多个试管进行操作，实验速度快。本申请的卡管器一次可以操作多支试管，进行移动、开盖、紧盖等运动。拧盖头依靠摩擦力进行开盖和紧盖操作，与其他需要气源的气动卡具产品相比，本专利的拧盖头可以完成打开或旋紧试管螺旋盖的操作，实验过程完全不需要人工操作过程。同时，也为一次操作多个试管打下了基础。采用垂直旋转的搅拌器，运动方式多样，不需要大范围摆动，节约空间，在有限空间内，同时进行多个试管的搅拌过震荡，可用于反应速度较快的化学实验过程。本专利中控制系统采用了独有的按实验流程进行编程的设计，不需要进行实验机器人的基本运动控制，如机械手运动轨迹和卡管器等辅助组件的编程控制。极大的简化了实验程序的编制，使普通实验人员自行编制化学实验程序成为可能。由于可以编程，所以本专利的实验机器人可以进行多种化学实验。例如，在环保领域除可以进行COD检测外，还可以进行氨氮、总磷、总氮、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等多种指标检测与分析。有用实验人员可以自行编制实验程序，本专利的实验机器人可以进行不受现有实验流程限制的化学实验过程。在药剂转移方面，本专利中有独特的固态粉末药剂加入器装置，可以定量向试管中加入粉状固态，解决了普通实验机器人不能添加固态药剂的问题。使很多化学分析过程全部由实验机器人自动完成成为可能。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型图1的一侧结构示意图；

图3为本实用新型的试剂加入组件的结构示意图；

图4为本实用新型的控制系统结构示意图；

图5为本实用新型的控制系统结构示意图；

图6为本实用新型的软件功能模块示意图；

图7为本实用新型的编程操作框图；

图8为本实用新型的拧盖头的结构示意图；

图9为本实用新型的粉状药剂加药器的结构示意图；

图10为本实用新型的搅拌器的结构示意图。

图中：1、Y向直线滑台；2、搅拌器；3、X向直线滑台；4、试剂加入组件；5、卡管器；6、拧盖头；7、拧盖电机；8、Z向直线滑台；9、螺旋口试管；10、试管托架；11、消解器；12、比色计；13、第一试剂瓶；14、蒸馏水瓶；15、水样瓶；16、多通阀；17、蠕动泵组；18、试剂嘴；19、粉末药剂加入器；20、液滴计数器；21、卡管电机；22、管器固定梁；23、丝杆； 24、移动横梁；25、弹性材料；26、拧盖器体；27、调节螺丝；28、弹性内衬；29、震动电机；30、粉状药剂；31、第二试剂瓶；32、隔离网；33、加药嘴；34、搅拌电机；35、搅拌管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

由图1-10给出，本实用新型公开了一种可编程化学实验机器人，包括XYZ 三个方向的步进电机驱动的丝杠滑台，Y向直线滑台1为水平前后移动，其上安装有比色计12、消解器11、试管托架10和搅拌器2，X向直线滑台3为水平左右移动，其上安装有试剂加入组件4，可以在多支移动到试剂加入组件4 正下方的各个螺旋口试管9中加入各种待分析的水样和液体或粉状试剂，Z向直线滑台8为垂直上下移动，其上安装有一次可完成多支试管抓取的卡管器5 和可以一次旋紧多支螺旋口试管9的拧盖头6及拧盖电机7。

本技术方案采用为化学实验而设计的专用结构，其中包括XYZ三个方向的步进电机驱动的丝杠滑台。Y向直线滑台1为水平前后移动，其上依次安装有比色计12、消解器11、试管托架10和搅拌器2。X向直线滑台3为水平左右移动，其上安装有试剂加入组件4。可以在多支移动到试剂加入组件4正下方的各个螺旋口试管9中加入各种待分析的水样和液体或粉状试剂。Z向直线滑台8为垂直上下移动，其上安装有一次可完成多支试管抓取的卡管器5和可以一次旋紧多支螺旋口试管9的拧盖头6及拧盖电机7。机械结构可以完成打开和拧紧螺旋口试管9的管盖、在试管托架10和搅拌器2、消解器11、比色计12之间移动试管和在各试管间移动试剂加入组件4的操作。

控制系统框图如图所示：其控制核心为单片机。通过单片机的I/O口，连接显示器和各运动部件。在显示器上可以完成实验程序的编制和启动设备开始进行化学实验的工作。单片机内有多个基础工作功能模块，软件功能模块。

如图所示，可以自动完成打开或拧紧螺旋口试管9的管盖、在各试剂加入组件4之间移动试管、加入各种水样和试剂、摇晃或震荡试管、消解、比色、滴定等基础操作。这使得本申请的机器人工作程序编制工作变得简单到只需要给出化学实验的操作步骤和数量即可，不需要进行机器人基本运动的控制。单片机通过I/O口控制各运动部件的电机、阀门、蠕动泵的运动，完成软件中的各功能模块所需要的运动过程。

固液试剂转移的图见图。水样多通阀16将来自水样瓶15的蒸馏水和水样瓶15的待分析水样经蠕动泵，在单片机基础工作模块程序控制下加入试管中。同样，第一试剂瓶13经过蠕动泵组17，也可以在基础工作模块程序控制下，加入各个试管中。其中粉末药剂加入器19为粉剂加入器，可以将粉状试剂直接加入试管中。液滴计数器可以计量试剂的滴入量，进行滴定操作。

试剂加入组件4包括水样多通阀16，水样多通阀16将来自蒸馏水瓶14 的蒸馏水和水样瓶15的待分析水样经蠕动泵组17抽送至液滴计数器20内，第一试剂瓶13内的试剂经蠕动泵组17抽送至液滴计数器20内，在液滴计数器20上方设置有粉末药剂加入器19，蠕动泵组17通过上连接有管道，管道的一端上设置有试剂嘴18。

卡管器5包括卡管电机21、管器固定梁22、丝杆23、移动横梁24、弹性材料25，卡管电机21能够将管器固定梁22沿丝杆23方向推动，管器固定梁22与移动横梁24平行的安装在丝杆23上，且在管器固定梁22与移动横梁24相对的侧面上均在有弹性材料25。

拧盖头6包括拧盖器体26、调节螺丝27与弹性内衬28，调节螺丝27插入安装在拧盖器体26内，弹性内衬28安装在拧盖器体26内。

粉末药剂加入器19包括震动电机29、粉状药剂30、第二试剂瓶31与隔离网32，震动电机29安装在第二试剂瓶31的一侧，第二试剂瓶31内装有粉状药剂30，第二试剂瓶31下端安装有加药嘴33，第二试剂瓶31与加药嘴33 之间安装有隔离网32。

搅拌器2包括搅拌电机34与搅拌管35，搅拌电机34能够带动搅拌管35 转动。

在拧松试管盖的过程中，拧盖头6靠拧盖电机7的旋转和拧盖头6中的摩擦力，将试管上的螺旋盖拧松，并将盖子保持在拧盖头6中。在拧紧的过程中，靠电机旋转和摩擦力，将盖子拧紧在试管上。结构如图-7所示，包括拧盖器体26，摩擦力调节螺丝27和弹性内衬28。弹性内衬28的外端有倒角，以便拧盖时将盖嵌入拧盖头6中。卡管器5，如图4所示。由两个横梁和卡紧电机组成。其中一个横梁为管器固定梁22，固定横梁上安装有卡管电机21，电机正转或反转通过丝杆23和安装于移动横梁24上的丝母，驱动移动横梁 24做卡紧和放开试管的运动。在两个横梁内侧，安装有弹性材料25，用于补偿试管直径的差异，增加卡管的摩擦力，并使多支被卡紧的管之间的压力相近，保证多支试管被同时卡紧。搅拌器2，如图9所示，有搅拌电机34和搅拌管35组成。其特点是试管呈垂直状态，往复回旋搅拌或震荡。工作时，通过卡管器5将试管置于搅拌管35内，通过施加于搅拌电机34的直流电源波形和极性，快速改变试管的旋转方向，达到搅拌或震荡试管中液体试样的效果。二控制系统部分：按实验步骤功能编程，如图6编程操作框图。由化学实验人员编制实验程序，选择实验中用到的操作步骤，如加入蒸馏水、加入水样、加入号试剂、搅拌、消解、比色等，同时输入相应的量，如水样或试剂的毫升数、消解的温度和时间等。不需要打开盖子、旋紧盖子、移动试管等具体操作。将操作步骤的流程，直接变成实验程序并存储。设备运行时，根据实验人员编制的程序，启动图5中的软件功能模块的对应运动过程，按步骤完成实验全过程。三固液药剂转移部分：粉状试剂加药器，如图8所示。其中震动电机29接受单片机的控制，震动时间可调。第二试剂瓶31中装有粉状药剂30。在加药嘴33和第二试剂瓶31之间，安装有一定目数隔离网32，电机不震动时，受到隔离网32的阻隔，药剂不能通过出药嘴流出。当电机震动时，粉状药剂30受到震动，以一定流量穿过隔离网32，通过出药嘴进入试管中。通过电机震动时间和隔离网32的目数，可以控制加入试管的药剂量。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种可编程化学实验机器人，其特征在于：包括XYZ三个方向的步进电机驱动的丝杠滑台，Y向直线滑台(1)为水平前后移动，其上安装有比色计(12)、消解器(11)、试管托架(10)和搅拌器(2)，X向直线滑台(3)为水平左右移动，其上安装有试剂加入组件(4)，可以在多支移动到试剂加入组件(4)正下方的各个螺旋口试管(9)中加入各种待分析的水样和液体或粉状试剂，Z向直线滑台(8)为垂直上下移动，其上安装有一次可完成多支试管抓取的卡管器(5)和可以一次旋紧多支螺旋口试管(9)的拧盖头(6)及拧盖电机(7)。

2.根据权利要求1所述的一种可编程化学实验机器人，其特征在于：所述试剂加入组件(4)包括水样多通阀(16)，所述水样多通阀(16)将来自蒸馏水瓶(14)的蒸馏水和水样瓶(15)的待分析水样经蠕动泵组(17)抽送至液滴计数器(20)内，第一试剂瓶(13)内的试剂经蠕动泵组(17)抽送至液滴计数器(20)内，在液滴计数器(20)上方设置有粉末药剂加入器(19)，所述蠕动泵组(17)通过上连接有管道，管道的一端上设置有试剂嘴(18)。

3.根据权利要求1所述的一种可编程化学实验机器人，其特征在于：所述卡管器(5)包括卡管电机(21)、管器固定梁(22)、丝杆(23)、移动横梁(24)、弹性材料(25)，所述卡管电机(21)能够将管器固定梁(22)沿丝杆(23)方向推动，所述管器固定梁(22)与移动横梁(24)平行的安装在丝杆(23)上，且在管器固定梁(22)与移动横梁(24)相对的侧面上均在有弹性材料(25)。

4.根据权利要求1所述的一种可编程化学实验机器人，其特征在于：所述拧盖头(6)包括拧盖器体(26)、调节螺丝(27)与弹性内衬(28)，所述调节螺丝(27)插入安装在拧盖器体(26)内，所述弹性内衬(28)安装在拧盖器体(26)内。

5.根据权利要求2所述的一种可编程化学实验机器人，其特征在于：所述粉末药剂加入器(19)包括震动电机(29)、粉状药剂(30)、第二试剂瓶(31)与隔离网(32)，所述震动电机(29)安装在第二试剂瓶(31)的一侧，所述第二试剂瓶(31)内装有粉状药剂(30)，所述第二试剂瓶(31)下端安装有加药嘴(33)，所述第二试剂瓶(31)与加药嘴(33)之间安装有隔离网(32)。

6.根据权利要求1所述的一种可编程化学实验机器人，其特征在于：所述搅拌器(2)包括搅拌电机(34)与搅拌管(35)，搅拌电机(34)能够带动搅拌管(35)转动。

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