真空手套箱過(guò)渡室自動(dòng)化設(shè)計(jì)

施 展，譚曉東，類延磊

（1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028；2.中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧大連 116028）

0 引言

科研試驗(yàn)中，某些材料在大氣環(huán)境下容易發(fā)生氧化、潮解，這給試驗(yàn)材料的化學(xué)反應(yīng)和預(yù)處理帶來(lái)了很大的難度，從而影響試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)效果[1]。利用真空手套箱（又稱真空惰性氣體維護(hù)箱），通過(guò)向容器中注入高純度的惰性氣體，再對(duì)其中的水、氧和有機(jī)氣體進(jìn)行再循環(huán)過(guò)濾，能夠解決上述問(wèn)題。過(guò)渡室是主箱體與本體外側(cè)的過(guò)渡空間，它包含2 個(gè)密封門、2 個(gè)閥門以及1 個(gè)室體。這2 扇門可以將主箱與外部的一切都隔離開來(lái)，讓主體和外部的一切都可以在主箱體與大氣隔絕的情況下進(jìn)出，從而避免主箱體內(nèi)多次抽空、充氣的問(wèn)題[2-3]。

目前生物自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)中手套箱內(nèi)外均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，過(guò)渡室作為中間環(huán)節(jié)仍采用人工操作，效率較低并且容易誤操作，采用自動(dòng)化過(guò)渡室模式可以解決該問(wèn)題，并且能有效保證物品運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性，同時(shí)可以提高速度[4]。

本文針對(duì)生物實(shí)驗(yàn)中試劑孔板易變形、運(yùn)輸過(guò)程樣本易交叉污染的問(wèn)題設(shè)計(jì)定位夾具，免去人工過(guò)程放入手套箱內(nèi)部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，以保證試劑孔板放置的便捷性及定位的精確性，并與過(guò)渡室系統(tǒng)配套使用[5]。當(dāng)試劑放入孔板后，將孔板放入定位夾具，即可實(shí)現(xiàn)流程化運(yùn)輸，符合德國(guó)工業(yè)4.0 與中國(guó)制造2025 的大潮流。本文旨在通過(guò)實(shí)現(xiàn)試劑孔板的自動(dòng)放置以及過(guò)渡室的自動(dòng)化來(lái)優(yōu)化手套箱系統(tǒng)，給現(xiàn)有系統(tǒng)提供更加合理的方案。

1 過(guò)渡室系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)針對(duì)的抓取對(duì)象為PCR 試劑板，其尺寸為125 mm×85 mm×16 mm，質(zhì)量可忽略不計(jì)。為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化和高效率傳輸，設(shè)計(jì)了新式手套箱過(guò)渡室，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。為保證試劑板安裝方便并精確定位，設(shè)計(jì)了孔板定位夾具，試劑板運(yùn)輸部分采用直線電機(jī)。過(guò)渡室艙門開啟后，將裝有試劑板的夾具放置在托盤上，待艙門關(guān)閉且過(guò)渡室內(nèi)傳感器檢測(cè)氣體過(guò)濾完成后，開啟內(nèi)艙門，由機(jī)械臂抓取夾具放置試劑板于手套箱內(nèi)部。過(guò)渡室尺寸為1 300 mm×1 200 mm×1 200 mm，可放置大多數(shù)物品。根據(jù)其功能，本文將過(guò)渡室分為5部分：孔板定位夾具、過(guò)渡室底座、快開門機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

2 主要硬件組成

2.1 孔板定位夾具

隨著生物自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，需要有能夠快速處理承載液體樣本的孔板，現(xiàn)設(shè)計(jì)孔板定位夾具用于安全快速地移動(dòng)孔板。常見(jiàn)孔板規(guī)格如表1 所示。當(dāng)液體樣本放入孔板后，首先用封膜機(jī)進(jìn)行熱壓、密封，再把孔板裝入夾具中。孔板定位夾具如圖2 所示，孔板底部四周有傾斜角，既方便孔板放入，又使孔板與基座能夠準(zhǔn)確配合和定位；上蓋板通過(guò)阻尼合頁(yè)與下底座連接，蓋板對(duì)孔板進(jìn)行上下方固定，并且蓋板蓋上后將通過(guò)霍爾開關(guān)傳感器反饋，若反饋說(shuō)明孔板放置平整，即可進(jìn)行后續(xù)操作。蓋板中間空出的區(qū)域方便裝夾后對(duì)液體樣本取樣，并能夠適應(yīng)絕大多數(shù)多孔孔板尺寸。夾具一端留有工字形區(qū)域，方便后面機(jī)械臂抓取。同時(shí)，夾具的設(shè)計(jì)有利于對(duì)孔板水平型的監(jiān)測(cè)，以防由于機(jī)構(gòu)晃動(dòng)導(dǎo)致孔板內(nèi)液體混撒在一起，影響實(shí)驗(yàn)。

表1 常見(jiàn)孔板尺寸

圖2 孔板定位夾具

圖3 過(guò)渡室底座

2.2 過(guò)渡室底座

如圖3 所示，過(guò)渡室底座為可移動(dòng)式平臺(tái)，由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直線電機(jī)是一種采用扁平設(shè)計(jì)并與從動(dòng)負(fù)載直接耦合的電機(jī)。由于消除了對(duì)機(jī)械傳動(dòng)組件的使用，所以它具有卓越的性能、剛性、動(dòng)態(tài)速度與加速度、定位精度以及運(yùn)行效率。此外，直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲低，無(wú)需維護(hù)，運(yùn)行平穩(wěn)。孔板定位夾具可以在過(guò)渡室底座的帶動(dòng)下完成沿直線方向的位移及由外艙門到內(nèi)艙門部分的運(yùn)輸。底座具有通用性，可以根據(jù)運(yùn)輸物品的不同更換不同托盤，供不同物品運(yùn)輸使用，因此運(yùn)輸物品的最大限制因素是過(guò)渡室整體尺寸。

2.3 快開門機(jī)構(gòu)

快開門機(jī)構(gòu)由電缸、導(dǎo)軌及密封門組成，如圖4 所示，分為內(nèi)外兩艙門。過(guò)渡室是手套箱與外界的橋梁，如將物件放入主箱體，電缸一驅(qū)動(dòng)外艙門打開，將孔板連同夾具放置于底座指定位置，隨后外門關(guān)閉，利用過(guò)渡室上的2 個(gè)閥門進(jìn)行抽氣和充氣，待過(guò)渡室內(nèi)傳感器判斷箱體和過(guò)渡室內(nèi)的壓力與大氣壓基本平衡后，電缸二將驅(qū)動(dòng)里面的門開啟[6]。

圖5 機(jī)械臂

圖4 快開門機(jī)構(gòu)

2.4 機(jī)械臂系統(tǒng)與末端執(zhí)行器

在諸多科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，很多實(shí)驗(yàn)不能僅依靠實(shí)驗(yàn)員的手動(dòng)操作來(lái)完成，如微納級(jí)實(shí)驗(yàn)、生物醫(yī)療實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)均需要精密操作。因此，有必要在手套箱中使用固定基座的機(jī)械臂來(lái)輔助完成實(shí)驗(yàn)。機(jī)械臂，又稱工業(yè)機(jī)器人，是一種多用途機(jī)器，可以完成與人類手臂相似的工作，如圖5所示。由于機(jī)械臂需要進(jìn)行精密操作，其速度、精度以及穩(wěn)定性要求較高，尤其在手套箱用于生物等領(lǐng)域的地方。

當(dāng)孔板連同夾具到達(dá)指定區(qū)域后，將由末端執(zhí)行器夾取孔板放置在指定區(qū)域。本文所設(shè)計(jì)的執(zhí)行器如圖5所示，其工作原理：機(jī)械手推動(dòng)末端執(zhí)行器到達(dá)孔板夾具工字形區(qū)域，末端執(zhí)行器電缸收縮，帶動(dòng)連桿做杠桿運(yùn)動(dòng)，杠桿帶動(dòng)夾爪在滑軌內(nèi)向移動(dòng)，夾爪通過(guò)力傳感器確定加緊夾具工字形區(qū)域，然后帶動(dòng)孔板移動(dòng)。由于孔板多為塑料材質(zhì)，使用力傳感器可以控制夾持力的大小，防止其被夾壞。

2.5 傳感器系統(tǒng)

該系統(tǒng)使用了各種傳感器來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行狀況，包含真空傳感器、氮?dú)鈧鞲衅鳌⒐怆妭鞲衅鳌⒑撩撞ɡ走_(dá)傳感器、氧傳感器、壓力傳感器。由傳感器獲取的數(shù)據(jù)將被傳輸?shù)絇LC，執(zhí)行安全檢查和控制邏輯，通過(guò)PLC調(diào)控，可確保系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定的工作。

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)的硬件組成如圖6 所示，本系統(tǒng)包含觸摸屏控制以及遠(yuǎn)程PLC 客戶端控制[7-8]。PLC 的選型定為西門子S7-1200DC∕DC∕DC， 因?yàn)橄到y(tǒng)涉及多個(gè)電機(jī)的控制，而該產(chǎn)品具備硬件設(shè)計(jì)緊湊、擴(kuò)展性強(qiáng)、通信功能強(qiáng)大、集成性好、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，符合實(shí)際使用中的要求；觸摸屏選擇SIPLUS KTP1000 Basic，該觸摸屏為10.4 寸顯示屏，640 pixel×480 pixel，有8 個(gè)功能鍵，可以進(jìn)行按鍵和觸摸操作、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示以及HMI 端控制[9]；采用RS485 通信，中央控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制，產(chǎn)品為施耐德Modicon M340，可通過(guò)Profinet 協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)議服務(wù)器和客戶端之間的數(shù)據(jù)交換和控制；S7-1200 為服務(wù)器，能將指定的數(shù)據(jù)間隔開放。綜上，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程讀取、監(jiān)控和控制[10]。

同時(shí)，該系統(tǒng)還包含了大量的傳感器，毫米波傳感器用于確認(rèn)是否有障礙物影響外門開啟；光電開關(guān)用于檢測(cè)過(guò)渡室托盤是否到達(dá)指定位置并計(jì)算運(yùn)輸數(shù)量；壓力傳感器用于檢測(cè)試劑盒是否放置平整；氣壓傳感器用于判斷過(guò)渡室內(nèi)外艙門是否達(dá)到開啟條件；氧傳感器用于判斷本體內(nèi)氣體處理是否達(dá)標(biāo)；安全光柵用于檢測(cè)機(jī)械臂工作時(shí)是否會(huì)與人工操作發(fā)生碰撞，從而保證人身安全；激光位移傳感器用于檢測(cè)機(jī)械手抓對(duì)物品的抓取情況以及確認(rèn)系統(tǒng)的工作空間尺寸以及姿態(tài)，以控制機(jī)械手進(jìn)行合理放置[11-12]。

3.2 系統(tǒng)控制流程

整個(gè)系統(tǒng)的控制流程如下：毫米波傳感器檢測(cè)無(wú)物體干涉后，電缸一運(yùn)動(dòng)，過(guò)渡室外艙門開啟，待艙門到指定位置后觸發(fā)光電傳感器，電缸停止運(yùn)動(dòng)；過(guò)渡室底座到達(dá)工作位置后，放置試劑盒于底座，底座壓力傳感器確認(rèn)試劑盒放置平整，關(guān)閉外艙門；過(guò)渡室氣泵啟動(dòng)，待主箱體和過(guò)渡室內(nèi)的壓力基本平衡，氣泵停止工作，同時(shí)底座由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)到靠近內(nèi)艙門位置處，電缸二運(yùn)動(dòng)，內(nèi)艙門開啟，機(jī)械臂到達(dá)指定位置后，機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)，抓取試劑盒至指定位置放置，同時(shí)光電傳感器計(jì)數(shù)加一，PLC 通過(guò)脈沖輸出控制系統(tǒng)重復(fù)上述工作。

圖7 工藝流程

4 機(jī)械臂分析及仿真

機(jī)械臂作為真空手套箱內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行參數(shù)校核，進(jìn)而證明結(jié)構(gòu)的合理性[13]。本節(jié)應(yīng)用最為廣泛的D-H 參數(shù)法對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并用MATLAB軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行仿真，繪制出機(jī)械臂工作空間點(diǎn)云圖[14]。

4.1 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)

所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂具有4自由度，為4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。按照標(biāo)準(zhǔn)D-H 法建立機(jī)械臂坐標(biāo)系，如圖8所示，連桿DH參數(shù)如表2所示。

圖8 機(jī)械臂D-H坐標(biāo)系

表2 機(jī)械臂D-H參數(shù)

根據(jù)定義，相鄰連桿坐標(biāo)系的齊次變換矩陣為：

將表2數(shù)據(jù)代入式（1）可得齊次變換矩陣：

將求得的各坐標(biāo)系齊次變換代入式（2）得運(yùn)動(dòng)學(xué)正解：

4.2 機(jī)械臂工作空間分析

由上一節(jié)求解可得px、py、pz，進(jìn)而通過(guò)蒙特卡羅法對(duì)各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)范圍進(jìn)行取值，求取機(jī)械臂末端位姿，所得的集合即為機(jī)械臂工作空間[15]。在旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，通過(guò)MATLAB 中rand 函數(shù)隨機(jī)取值，將所得的隨機(jī)變量代入px、py、pz，求解末端的位置向量，并將隨機(jī)結(jié)果生成向量集合，取的隨機(jī)值越多，結(jié)果越接近真實(shí)情況。具體結(jié)果如圖9 所示。由圖可知，末端坐標(biāo)系可完全覆蓋手套箱內(nèi)部空間，因此符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在作業(yè)區(qū)邊緣處設(shè)置光柵等傳感器防護(hù)措施，確保作業(yè)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生與外部設(shè)備或工作人員的碰撞，為作業(yè)環(huán)境的設(shè)定提供了重要依據(jù)。

圖9 機(jī)械臂三維空間可達(dá)性

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將快開門過(guò)渡室、直線電機(jī)底座等結(jié)構(gòu)與四自由度機(jī)械臂相結(jié)合，并設(shè)計(jì)專用夾具用于試樣裝載，最后通過(guò)D-H 法對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的合理性，最終得出結(jié)論如下：

該裝置能通過(guò)PLC 系統(tǒng)自動(dòng)判斷內(nèi)部氣體環(huán)境，無(wú)需使用人工排氣與讀表，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程讀取、監(jiān)控和控制；試樣進(jìn)入過(guò)渡室后能實(shí)現(xiàn)試樣自動(dòng)放置，內(nèi)部以機(jī)械臂操作，保證了試劑運(yùn)輸?shù)陌踩约胺胖梦恢玫臏?zhǔn)確性；機(jī)械臂結(jié)構(gòu)合理且末端執(zhí)行器可進(jìn)行更換，提高了手套箱的適用性。

綜上所述，該裝置打破了市面上手套箱過(guò)渡室仍需人工大量操作的現(xiàn)狀，能夠避免誤操作，實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化，適用于大部分生物實(shí)驗(yàn)室。