CN112295625A - 精细化移液机械臂及其操作系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供精细化移液机械臂及其操作系统，所述机械臂包括实验平台，试剂瓶，支架，并联运动平台，移液泵，移液器，液位传感器，PLC，工控机，所述机械臂采用PC+PLC的伺服控制系统，所述并联运动平台、移液泵，移液器，液位传感器均受控于PLC控制器，PLC通过R232串口与工控机进行通讯，本发明在PLC智能控制系统的调控下，各个环节相互配合，自动化程度高，操作简单，微量移液效率高，降低了人员的劳动强度。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及精细化移液机械臂及其操作系统。
背景技术
微量移液器，俗称移液枪，是一种用于定量转移液体的器具，在生命科学基础研究、药物研发、公共卫生领域的细胞及动物水平毒理评价、疾病与预防中心的高通量检测、药物分析学、药物代谢组学等领域被广泛运用。微量移液器发展到今天，不但加样更为精确，而且品种也多种多样，如微量分配器、多通道微量加样器等。
微量移液器作为实验室常用仪器之一，在许多精密测定实验中具有不可缺少的作用，但现有移液枪存在如下不足之处，例如，目前实验室常用的移液枪，采用手工操作方式，而相关实验的重复性一般都较高，因此操作过程相对繁琐，给实验操作带来诸多不便。
现在实验室大部分枪均采用空气垫(活塞冲程)加样，这在加样时，由于枪头出口处细小，使得液体被打出时，会有很大的冲击力，这在一些细胞和分子实验中进行加样时，对试管或者培养皿中的细胞或者分子有很大损伤，所以在一些需要轻柔加样的实验中，实验操作人员的手部力度需要很好地控制，一旦出现失误，对后续实验也会造成很大影响，不利于实验进行，因此需要一种能够柔和稳定加样的移液枪。在某些实验中，有时需要多个连续等量液滴，常规移液枪由于手部力度的不可控性，所以在点滴加样中就不能保证连续加样量的均匀一致。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供精细化移液机械臂及其操作系统，本平台位置控制分辨率高，具有很好的自动协调性能。
本发明是以如下技术方案实现的：
精细化移液机械臂及其操作系统，所述全自动微量移液平台包括：实验平台，试剂瓶，支架，并联运动平台，移液泵，移液器，液位传感器， PLC，工控机。
进一步地，所述实验平台上设置A区和B区，均设置有定位卡槽若干，其中A区用于放置包含待操作液体的试剂瓶，B区用于放置空试剂瓶或包含待混合液体的试剂瓶，所述支架固定在实验平台上，位于定位卡槽的正上方，所述并联运动平台固定在支架上，所述移液器固定在并联运动平台的动平台上，所述移液泵固定在支架上，与移液器管路连接，用于驱动移液器工作，所述液位传感器位于移液器的前端，用于对试剂瓶内的液体试剂的液面进行精确测量，所述PLC，工控机位于实验平台上。
进一步地，所述并联运动包括静平台，动平台、三条单开链Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和三个伺服电机，所述并联运动平台还包括特定拓扑结构。
进一步地，所述并联运动平台的拓扑结构为3-RRC，单开链I (R11‖R12‖C13)的结构等价于(R11‖R12‖R131|P132)；单开链Ⅱ的结构布置与Ⅰ相同，其运动链结构(R21‖R22‖C23)等价于(R21‖R22‖R231|P232)；单开链Ⅲ的结构布置与Ⅰ相同，其运动链结构(R31‖R32‖C33)等价于 (R31‖R32‖R331|P332)。
进一步地，转动副R11，R21，R31轴线共面，均位于静平台上，且R11 和R21副的两条轴线相互平行，R31副的轴线与它们垂直相交。
进一步地，还包括圆柱副C12，C22，C32轴线共面，均位于动平台上，所述并联运动平台具有三平移的三自由度，分别为沿X轴，Y轴和Z轴的平动，所述并联运动平台的驱动副为转动副R11，R21，R31，分别由对应的伺服电机M1、M2、M3进行驱动。
本发明的有益效果是：
本发明提供精细化移液机械臂及其操作系统，采用PLC+工控机控制的交流伺服系统位置控制较好的解决了位置移动的准确性与一致性；采用并联运动平台将转动副作为驱动副，代替以往三轴运动平台，解决了滑块长期移动过程中由磨损带来的位置一致性问题和开机原点复位问题，提高了移液平台的工作效率，位置控制分辨率高，具有很好的自动协调性能。所述移液平台将位置定位不固定在某一数值上，而是随目标液体位置实时变化，控制系统性能总是处在最优的状态，用闭环PID控制系统方案保持了系统移液的平顺性，增强抗干扰的能力，克服各部件的摩擦、液体质量对并联运动平台的影响，延长仪器使用寿命，排除可能出现的故障。本发明在PLC智能控制系统的调控下，各个环节相互配合，自动化程度高，操作简单，微量移液效率高，降低了人员的劳动强度。
附图说明
图1是本实施例提供的精细化移液机械臂及其操作系统的结构示意图；
图2是本实施例提供的并联运动平台示意图；
图3是本实施例提供的全自动微量移液平台PLC总体框架的示意图；
图4是本实施例提供的全自动微量移液平台PLC工作流程的示意图。
其中：1-实验平台，2-试剂瓶，3-支架，4-并联运动平台，5-移液泵， 6-移液器，7-液位传感器，8-PLC，9-工控机，401-静平台，402-动平台，Ⅰ-单开链Ⅰ，Ⅱ-单开链Ⅱ，Ⅲ-单开链Ⅲ。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1：
精细化移液机械臂及其操作系统，如图1所示，所述全自动微量移液平台包括：实验平台1，试剂瓶2，支架3，并联运动平台4，移液泵5，移液器6，液位传感器7，PLC 8，工控机9。所述实验平台上设置A区和B 区，均设置有定位卡槽若干，其中A区用于放置包含待操作液体的试剂瓶， B区用于放置空试剂瓶或包含待混合液体的试剂瓶，所述支架固定在实验平台上，位于定位卡槽的正上方，所述并联运动平台固定在支架上，所述移液器固定在并联运动平台的动平台上，所述移液泵固定在支架上，与移液器管路连接，用于驱动移液器工作，所述液位传感器位于移液器的前端，用于对试剂瓶内的液体试剂的液面进行精确测量，所述PLC，工控机位于实验平台上，共同完成对全自动微量移液平台的智能控制。
进一步地，所述并联运动平台如图2所示，包括静平台401，动平台 402、三条单开链Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和三个伺服电机，所述并联运动平台还包括特定拓扑结构，所述并联运动平台的拓扑结构为3-RRC，单开链I (R11‖R12‖C13)的结构等价于(R11‖R12‖R131|P132)；单开链Ⅱ的结构布置与Ⅰ相同，其运动链结构(R21‖R22‖C23)等价于(R21‖R22‖R231|P232)；单开链Ⅲ的结构布置与Ⅰ相同，其运动链结构(R31‖R32‖C33)等价于 (R31‖R32‖R331|P332)，其中，转动副R11，R21，R31轴线共面，均位于静平台上，且R11和R21副的两条轴线相互平行，R31副的轴线与它们垂直相交；圆柱副C12，C22，C32轴线共面，均位于动平台上，所述并联运动平台具有三平移的三自由度，分别为沿X轴，Y轴和Z轴的平动，所述并联运动平台的驱动副为转动副R11，R21，R31，分别由对应的伺服电机 M1、M2、M3进行驱动。
实施例2：
精细化移液机械臂及其操作系统，其总体架构如图3所示，所述PLC 分别与工控机，伺服电机M1，伺服电机M2，伺服电机M3，移液泵，移液器，液位传感器电连接。所述PLC电连接工控机用于设定单次抽取的液量，抽取次数，待操作试剂瓶的数量等参数；所述PLC与移液泵和移液器电连接，用于抽取或吐出试剂；所述PLC与伺服电机M1，伺服电机M2，伺服电机M3电连接，用于驱动对应的转动副R11，R21，R31并联运作，根据PLC发送脉冲的频率、方向和个数，控制三个伺服电机运作的速度、方向与位移，从而控制并联运动平台的位移和速度；所述PLC与液位传感器电连接，用于反馈移液器距离液面的实际位置，构成并联运动平台的闭环控制。
实施例3：
精细化移液机械臂及其操作系统，采用PC+PLC的伺服控制系统，所述并联运动平台、移液泵，移液器，液位传感器均受控于PLC控制器，PLC 通过R232串口与工控机进行通讯。平台的工作流程如图4所示：
1)设备上电后，控制系统进行初始化，并联运动平台、移液器、移液泵及液位传感器进行置位；
2)将待操作的液体试剂放入平台专用的试剂瓶后，放到实验平台的定位卡槽内，试剂瓶的位置按照平台的功能区分类放置，放置的数量按实际要求确定；
3)在工控机上选择需要完成的操作类型、数量、单次抽取量等参数，软件将自动计算伺服电机、移液泵、移液器的动作参数；
4)在工控机上点击启动按钮，启动并联运动平台，快速地将移液器平移到指定的A区第一试剂瓶的正上方，液位传感器采集与试剂瓶内待操作液体的液面距离L后，反馈给工控机，移液器每次抽取的液体设定数值为a，则并联运动平台带动移液器竖直向下运动至L+a+0.1mm处停止；
5)工控机启动移液泵和移液器，开始抽取设定数值的液体，抽取完成后，并联平台带动移液器竖直向上运动离开试剂瓶后，再快速平移至B区第一试剂瓶的正上方，保证移液器的针头与试剂瓶顶面处于同一高度；
6)工控机再次启动移液泵和移液器，将移液器内的微量液体吐出到该试剂瓶内，完成移液或者混合的操作；
7)移液平台按照程序设定，重复步骤4～6，完成所有指定操作后，复位。
实施例4：
如图2所示，该并联运动平台的并联机构共有运动副数m＝9，构件数 n＝9，根据自由度(DOF)公式
确定机构的自由度(DOF)为F＝3，且三个自由度分别为沿X轴，Y轴和 Z轴的平动；对于自由度为F的机构，预选F个运动副为驱动副，并将其刚化.若得到的新机构自由度F’＝0，则预选的F个运动副可同时为驱动副。由于机构的自由度为3，预选3条支路的转动副R11，R21，R31为驱动副，将它们刚化，得到刚化后机构自由度F’＝0，满足驱动副存在准则。
实施例5
精细化移液机械臂及其操作系统，其可满足单次5-50微升的移液量，移液平台性能测试方法为：将位于A区内的10个包含待操作液体的试剂瓶内指定液量的液体依次转移到位于B区内对应位置的10个空试剂瓶内，每个试剂瓶抽取10次，测试液体为双蒸水，密度为1g/cm3，单次的移液量为 10微升。待所述全自动微量移液平台完成所有操作后，将B区内所有试剂瓶放到精密电子天平上进行称重，刨除空试剂瓶的质量后，得到的实验结果如表1所示。
表1.全自动微量移液平台移液性能测试结果
采用本发明提供的全自动微量移液平台完成本次测试方法的总时长为 5min。通过实验结果可知，本发明所述的全自动微量移液平台移液量精准，最大移液误差1％，总移液误差为5‰，技术性能指标均达到预定要求，自动化程度高，速度快，操作方便，效率高，人机交互环境友好，适用于医疗、研发领域等多种工业研究场景。
所述全自动微量移液平台，采用PLC+工控机控制的交流伺服系统位置控制较好的解决了位置移动的准确性与一致性；采用并联运动平台将转动副作为驱动副，代替以往三轴运动平台，解决了滑块长期移动过程中由磨损带来的位置一致性问题和开机原点复位问题，提高了移液平台的工作效率，位置控制分辨率高，具有很好的自动协调性能；所述移液平台将位置定位不固定在某一数值上，而是随目标液体位置实时变化，控制系统性能总是处在最优的状态，用闭环PID控制系统方案保持了系统移液的平顺性，增强抗干扰的能力，克服各部件的摩擦、液体质量对并联运动平台的影响，延长仪器使用寿命，排除可能出现的故障。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (5)
1.精细化移液机械臂，其特征在于，所述机械臂包括实验平台，试剂瓶，支架，并联运动平台，移液泵，移液器，液位传感器，PLC，工控机，所述PLC分别与工控机，伺服电机M1，伺服电机M2，伺服电机M3，移液泵，移液器，液位传感器电连接，所述机械臂采用PC+PLC的伺服控制系统，所述并联运动平台、移液泵，移液器，液位传感器均受控于PLC控制器，PLC通过R232串口与工控机进行通讯。
2.根据权利要求1所述机械臂，其特征在于，所述PLC电连接工控机用于设定单次抽取的液量，抽取次数，待操作试剂瓶的数量等参数；所述PLC与移液泵和移液器电连接，用于抽取或吐出试剂。
3.根据权利要求1所述机械臂，其特征在于，所述PLC与伺服电机M1，伺服电机M2，伺服电机M3电连接，用于驱动对应的转动副R11，R21，R31并联运作，根据PLC发送脉冲的频率、方向和个数，控制三个伺服电机运作的速度、方向与位移，从而控制并联运动平台的位移和速度。
4.根据权利要求1所述机械臂，其特征在于，所述PLC与液位传感器电连接，用于反馈移液器距离液面的实际位置，构成并联运动平台的闭环控制。
5.根据权利要求1所述机械臂，其特征在于，所述机械臂操作系统包括：
步骤一、设备上电后，控制系统进行初始化，并联运动平台、移液器、移液泵及液位传感器进行置位；步骤二将待操作的液体试剂放入平台专用的试剂瓶后，放到实验平台的定位卡槽内，试剂瓶的位置按照平台的功能区分类放置，放置的数量按实际要求确定；步骤三、在工控机上选择需要完成的操作类型、数量、单次抽取量等参数，软件将自动计算伺服电机、移液泵、移液器的动作参数；步骤四、在工控机上点击启动按钮，启动并联运动平台，快速地将移液器平移到指定的A区第一试剂瓶的正上方，液位传感器采集与试剂瓶内待操作液体的液面距离L后，反馈给工控机，移液器每次抽取的液体设定数值为a，则并联运动平台带动移液器竖直向下运动至L+a+0.1mm处停止；步骤五、工控机启动移液泵和移液器，开始抽取设定数值的液体，抽取完成后，并联平台带动移液器竖直向上运动离开试剂瓶后，再快速平移至B区第一试剂瓶的正上方，保证移液器的针头与试剂瓶顶面处于同一高度；步骤六、工控机再次启动移液泵和移液器，将移液器内的微量液体吐出到该试剂瓶内，完成移液或者混合的操作；步骤七、移液平台按照程序设定，重复步骤4～6，完成所有指定操作后，复位。
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