一種高兼容樣本管轉(zhuǎn)移裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

牛文明，姜宗品，牛杰，趙鵬，王超

安圖實(shí)驗(yàn)儀器（鄭州）有限公司 （河南鄭州 450016）

隨著全自動(dòng)體外診斷設(shè)備的普及[1]，樣本的自動(dòng)化分析低溫存儲(chǔ)需求不斷增加。為適用多規(guī)格多場(chǎng)景的樣本管低溫存儲(chǔ)，對(duì)配套的樣本管轉(zhuǎn)移裝置提出了新的需求。自動(dòng)化分析低溫存儲(chǔ)通常使用在生化分析儀、血液分析儀、尿液分析儀等精密儀器及實(shí)驗(yàn)室流水線(xiàn)分析系統(tǒng)的末端。樣本管進(jìn)入低溫存儲(chǔ)過(guò)程中，需依靠樣本管轉(zhuǎn)移裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)移。樣本管轉(zhuǎn)移裝置先通過(guò)夾爪夾取樣本管，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)夾爪轉(zhuǎn)動(dòng)，最后通過(guò)升降機(jī)構(gòu)控制夾爪的升降實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本管的轉(zhuǎn)移?，F(xiàn)有的樣本管轉(zhuǎn)移裝置僅可抓取固定規(guī)格的樣本管，通用性、兼容性較差。高通用性和兼容性的樣本管轉(zhuǎn)移裝置應(yīng)可兼容不同直徑、長(zhǎng)度、管帽及封膜的樣本管，且能夠?qū)崿F(xiàn)升降（含防跌落）、抓取和換向轉(zhuǎn)移的功能[2]。基于此，本研究設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)轉(zhuǎn)移的樣本管轉(zhuǎn)移裝置，可實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格樣本管在不同空間轉(zhuǎn)移位置地對(duì)接，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 總體設(shè)計(jì)

該裝置主要組成部分包括抓取機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[3-5]，可實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格樣本管在運(yùn)行空間內(nèi)任意位置的轉(zhuǎn)移，并同時(shí)兼容多種方向和多種位置的軌道對(duì)接。

抓取機(jī)構(gòu)利用步進(jìn)減速電機(jī)、凸輪和壓縮彈簧完成樣本管的抓取與放開(kāi)。其中，計(jì)數(shù)到位傳感器實(shí)現(xiàn)到位情況的確認(rèn)和對(duì)轉(zhuǎn)移樣本管進(jìn)行計(jì)數(shù)的功能。

升降機(jī)構(gòu)（含防跌落）利用步進(jìn)電機(jī)、同步帶和直線(xiàn)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)樣本管的上下運(yùn)動(dòng)。其中，防跌落組件通過(guò)電磁鐵、連桿機(jī)構(gòu)和棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置的斷電保護(hù)。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)直連實(shí)現(xiàn)樣本管不同位置的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移。其中，旋轉(zhuǎn)繞線(xiàn)對(duì)裝置中的電機(jī)及傳感器的走線(xiàn)進(jìn)行固定，在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行取放旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，旋轉(zhuǎn)繞線(xiàn)可跟隨機(jī)構(gòu)進(jìn)行正反向的同步運(yùn)動(dòng)，正反向均可運(yùn)行90°，其固定彈簧為特殊定制彈簧，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)束重力影響下控制垂直方向變形量在10%以?xún)?nèi)，電機(jī)及傳感器線(xiàn)束固定整齊，運(yùn)動(dòng)跟隨性好。通過(guò)旋轉(zhuǎn)繞線(xiàn)與拖鏈，保證線(xiàn)束在裝置進(jìn)行升降及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中良好的同步性且不會(huì)發(fā)生纏繞和磨損，提高裝置的運(yùn)行壽命[6-8]。

該裝置的總體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 樣本管轉(zhuǎn)移裝置總體設(shè)計(jì)

2 硬件材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置配套的固定螺釘和銷(xiāo)釘?shù)染o固件選用SUS304 不銹鋼。主要結(jié)構(gòu)的硬件材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。

2.1 抓取機(jī)構(gòu)

抓取機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件包括抓取電機(jī)、到位傳感器、壓縮彈簧、軸承和直線(xiàn)軸承。其中，壓縮彈簧、軸承和直線(xiàn)軸承的材料為不銹鋼。機(jī)加件包括安裝板、抓手指和凸輪。其中，安裝板、抓手指的材料為A6061 鋁合金，凸輪的材料為SUS304 不銹鋼。

抓取機(jī)構(gòu)的抓取電機(jī)固定在安裝板上并與凸輪連接，凸輪與軸承滑動(dòng)配合。推動(dòng)抓手指沿導(dǎo)向軸方向在直線(xiàn)軸承與導(dǎo)向軸的配合下做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)壓縮彈簧被壓縮，抓取機(jī)構(gòu)張開(kāi)，觸發(fā)到位傳感器，之后移動(dòng)到待抓取位。抓取電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，抓手指在壓縮彈簧的復(fù)位力作用下沿導(dǎo)向軸方向在直線(xiàn)軸承與導(dǎo)向軸的配合下完成抓取機(jī)構(gòu)閉合動(dòng)作，完成抓取作業(yè)。此種滑動(dòng)配合阻力小、運(yùn)行穩(wěn)定、無(wú)噪聲且壽命長(zhǎng)。壓縮彈簧的復(fù)位力可根據(jù)抓取物類(lèi)型進(jìn)行調(diào)節(jié)，通用性強(qiáng)，且力度適宜，不易損傷被抓取物。抓取機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 抓取機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件包括升降電機(jī)、到位傳感器、防跌落組件、直線(xiàn)導(dǎo)軌、壓縮彈簧、直線(xiàn)軸承、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、同步齒形帶和導(dǎo)向軸。其中，直線(xiàn)導(dǎo)軌、壓縮彈簧、直線(xiàn)軸承和導(dǎo)向軸的材料為不銹鋼，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的材料為鋁合金。機(jī)加件包括升降滑塊和軸承座，材料均為A6061 鋁合金。鈑金件即電機(jī)安裝板，材料為SUS304 不銹鋼。

升降機(jī)構(gòu)的升降電機(jī)固定在電機(jī)安裝板上，升降電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)主動(dòng)輪，將動(dòng)力通過(guò)同步齒形帶及從動(dòng)輪傳遞給升降滑塊。升降滑塊沿直線(xiàn)導(dǎo)軌做升降往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成升降動(dòng)作。其中，同步齒形帶由固定在軸承座上的直線(xiàn)軸承，在壓縮彈簧的作用下沿導(dǎo)向軸進(jìn)行自張緊，可自適應(yīng)皮帶張力，防跌落組件可實(shí)現(xiàn)急停斷電防跌落功能。升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)傳感器和拖鏈。機(jī)加件包括電機(jī)固定座、轉(zhuǎn)動(dòng)連接軸。其中，電機(jī)固定座的材料為A6061 鋁合金，轉(zhuǎn)動(dòng)連接軸的材料為SUS304 不銹鋼。型材包括支撐柱和旋轉(zhuǎn)繞線(xiàn)件，材料均為SUS304 不銹鋼。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)固定在電機(jī)固定座上，電機(jī)與轉(zhuǎn)動(dòng)連接軸直連，電機(jī)固定座中安裝有2 個(gè)軸承，起到支撐和傳動(dòng)輔助作用。旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸繞轉(zhuǎn)動(dòng)連接軸做圓周往復(fù)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)繞線(xiàn)件用于支撐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的線(xiàn)束。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的繞線(xiàn)方式簡(jiǎn)單化，但能夠保證線(xiàn)束的運(yùn)轉(zhuǎn)同步性并避免線(xiàn)束磨損。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 軟件邏輯設(shè)計(jì)

該裝置的軟件工作邏輯流程見(jiàn)圖5。

圖5 樣本管轉(zhuǎn)移裝置的軟件工作邏輯流程

裝置完成初始化運(yùn)行后，當(dāng)線(xiàn)體上有樣本管傳送至待抓管位置時(shí)，軌道處首先進(jìn)行射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）與條碼掃描器識(shí)別，辨別樣本管的規(guī)格及帶帽狀態(tài)。識(shí)別后根據(jù)樣本管規(guī)格及狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)302 啟動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)連接軸及支撐柱帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，抓取機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)至樣本管抓取位上方。到達(dá)位置后升降電機(jī)202 啟動(dòng)，通過(guò)主動(dòng)輪、從動(dòng)輪及同步齒形帶傳動(dòng)，帶動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)下降至適合各規(guī)格樣本管的抓取高度。到位后抓取電機(jī)101 啟動(dòng)，帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪與軸承滾動(dòng)傳動(dòng)，抓手指在壓縮彈簧的復(fù)位力作用下通過(guò)導(dǎo)向軸與直線(xiàn)軸承導(dǎo)向向內(nèi)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，完成抓管動(dòng)作。抓管完成后，升降電機(jī)202 啟動(dòng)，通過(guò)主動(dòng)輪、從動(dòng)輪及同步齒形帶傳動(dòng)，帶動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)上升。上升到位后，旋轉(zhuǎn)電機(jī)302 啟動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)連接軸及支撐柱帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，抓取機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)至樣本管放置位上方。然后升降電機(jī)202 啟動(dòng)，通過(guò)主動(dòng)輪、從動(dòng)輪及同步齒形帶傳動(dòng)，帶動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)下降至放置位。抓取電機(jī)101 啟動(dòng)，帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪與軸承滾動(dòng)傳動(dòng)，抓手指在凸輪的推動(dòng)下通過(guò)導(dǎo)向軸與直線(xiàn)軸承的導(dǎo)向向外直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，完成放管動(dòng)作后升降機(jī)構(gòu)復(fù)位，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)復(fù)位，樣本管的轉(zhuǎn)移動(dòng)作完成。

該裝置的升降機(jī)構(gòu)由于空間受限無(wú)法使用剎車(chē)電機(jī)。為避免意外斷電發(fā)生砸管現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了防跌落組件，通過(guò)電磁鐵及棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)防跌落功能。

4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析

該裝置的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行次數(shù)較多，速度最快，負(fù)載最大，發(fā)生故障的概率最高?，F(xiàn)以旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為例，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析，并確定旋轉(zhuǎn)電機(jī)302 的參數(shù)。

4.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是反應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)能力的重要參數(shù)，代表電機(jī)的載荷能力。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如下：

式中，JL為總負(fù)載慣量（kg·m2），Ja為機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2），ig為減速比，m為負(fù)載質(zhì)量（kg），A為負(fù)載縱向距離（mm），B為負(fù)載橫向距離（mm），e為負(fù)載離中心軸的距離（mm），Jg為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2），mg1為一次側(cè)質(zhì)量（kg），Dg1為一次側(cè)直徑（mm），mg2為二次側(cè)質(zhì)量（kg），Dg2為二次側(cè)直徑（mm），mg為皮帶質(zhì)量（kg）。

已知m=2 kg，A=122 mm，B=30 mm，e=61 mm，可計(jì)算負(fù)載總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL=100.727×10-4kg·m2。

4.2 旋轉(zhuǎn)電機(jī)302 的參數(shù)選擇及校核

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及設(shè)計(jì)需求，確定旋轉(zhuǎn)電機(jī)302 的參數(shù)（表1）并校核慣性比及安全系數(shù)[9]。

表1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)302 的參數(shù)

慣性比的計(jì)算公式為：

式中，J0為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由負(fù)載總慣量JL及電機(jī)參數(shù)可求出β=8.88，滿(mǎn)足要求。

安全系數(shù)的計(jì)算公式為：

以上公式中，S為運(yùn)行安全系數(shù)，Tm為運(yùn)行時(shí)必要轉(zhuǎn)矩（N·m），T為所需轉(zhuǎn)矩，Te為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m），Ta為運(yùn)行時(shí)加速轉(zhuǎn)矩（N·m），θs為基本步距角，f為運(yùn)行脈沖頻率（Hz），t1為加減速時(shí)間（s），f2為運(yùn)行脈沖頻率，A為移動(dòng)脈沖數(shù)（pulse），t0為移動(dòng)時(shí)間（s），λ為移動(dòng)量（°）。

已知λ=180°，t0=0.5 s，t1=0.2 s，可得出運(yùn)行安全系數(shù)S=4.26，滿(mǎn)足機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)安全系數(shù)的常規(guī)需求（＞2）。

5 實(shí)際應(yīng)用

該裝置用于實(shí)驗(yàn)室低溫存儲(chǔ)模塊樣本的交互。當(dāng)將直徑為13、16 mm，高度為75、100 mm 的樣本管送入低溫存儲(chǔ)模塊中，或?qū)⒌蜏卮鎯?chǔ)模塊中的樣本管需要復(fù)測(cè)時(shí)，可完成樣本管從對(duì)接軌道和低溫存儲(chǔ)的交互，以及將已完成檢測(cè)需廢棄的樣本管進(jìn)行廢棄載出和轉(zhuǎn)移。實(shí)際應(yīng)用中，該裝置實(shí)現(xiàn)了624 萬(wàn)次（等效10 年疲勞）的疲勞測(cè)試，故障率為0，實(shí)物圖見(jiàn)圖6。

圖6 樣本管轉(zhuǎn)移裝置實(shí)物圖

該裝置通過(guò)樣機(jī)應(yīng)用驗(yàn)證，可有效解決已有設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間較大和兼容性差等問(wèn)題，其兼容性表現(xiàn)較好，能夠運(yùn)送不同管徑、高度和封管方式的樣本管。本研究設(shè)計(jì)裝置與已有設(shè)備的比較見(jiàn)表2。

6 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)工作原理、硬件材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件邏輯設(shè)計(jì)分析，構(gòu)建出一種高兼容性樣本管轉(zhuǎn)移裝置的整體結(jié)構(gòu)和布局，并通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析，確認(rèn)電機(jī)的選型，為該裝置提供了理論基礎(chǔ)。經(jīng)低溫儲(chǔ)存模塊對(duì)接應(yīng)用及疲勞測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證了該裝置的可靠性。結(jié)果表明，該裝置可在運(yùn)動(dòng)能達(dá)到范圍內(nèi)的任意空間位置進(jìn)行抓管和放管，同時(shí)兼容各種規(guī)格和帶帽封膜狀態(tài)的樣本管。該裝置為實(shí)驗(yàn)室低溫存儲(chǔ)模塊樣本的轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間較小和通用性強(qiáng)的特點(diǎn)轉(zhuǎn)移。