一種高兼容樣本管轉移裝置的設計與應用

牛文明，姜宗品，牛杰，趙鵬，王超

安圖實驗儀器（鄭州）有限公司 （河南鄭州 450016）

隨著全自動體外診斷設備的普及[1]，樣本的自動化分析低溫存儲需求不斷增加。為適用多規格多場景的樣本管低溫存儲，對配套的樣本管轉移裝置提出了新的需求。自動化分析低溫存儲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驗室流水線分析系統的末端。樣本管進入低溫存儲過程中，需依靠樣本管轉移裝置進行轉移。樣本管轉移裝置先通過夾爪夾取樣本管，再通過旋轉機構帶動夾爪轉動，最后通過升降機構控制夾爪的升降實現對樣本管的轉移。現有的樣本管轉移裝置僅可抓取固定規格的樣本管，通用性、兼容性較差。高通用性和兼容性的樣本管轉移裝置應可兼容不同直徑、長度、管帽及封膜的樣本管，且能夠實現升降（含防跌落）、抓取和換向轉移的功能[2]。基于此，本研究設計了一種可自動轉移的樣本管轉移裝置，可實現多種規格樣本管在不同空間轉移位置地對接，現報道如下。

1 總體設計

該裝置主要組成部分包括抓取機構、升降機構、旋轉機構[3-5]，可實現多種規格樣本管在運行空間內任意位置的轉移，并同時兼容多種方向和多種位置的軌道對接。

抓取機構利用步進減速電機、凸輪和壓縮彈簧完成樣本管的抓取與放開。其中，計數到位傳感器實現到位情況的確認和對轉移樣本管進行計數的功能。

升降機構（含防跌落）利用步進電機、同步帶和直線導軌實現樣本管的上下運動。其中，防跌落組件通過電磁鐵、連桿機構和棘輪機構實現對整個裝置的斷電保護。

旋轉機構采用步進電機直連實現樣本管不同位置的旋轉轉移。其中，旋轉繞線對裝置中的電機及傳感器的走線進行固定，在旋轉機構進行取放旋轉作業時，旋轉繞線可跟隨機構進行正反向的同步運動，正反向均可運行90°，其固定彈簧為特殊定制彈簧，可實現在線束重力影響下控制垂直方向變形量在10%以內，電機及傳感器線束固定整齊，運動跟隨性好。通過旋轉繞線與拖鏈，保證線束在裝置進行升降及旋轉運動過程中良好的同步性且不會發生纏繞和磨損，提高裝置的運行壽命[6-8]。

該裝置的總體設計見圖1。

圖1 樣本管轉移裝置總體設計

2 硬件材料與結構設計

該裝置配套的固定螺釘和銷釘等緊固件選用SUS304 不銹鋼。主要結構的硬件材料與結構設計如下。

2.1 抓取機構

抓取機構的標準件包括抓取電機、到位傳感器、壓縮彈簧、軸承和直線軸承。其中，壓縮彈簧、軸承和直線軸承的材料為不銹鋼。機加件包括安裝板、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。

抓取機構的抓取電機固定在安裝板上并與凸輪連接，凸輪與軸承滑動配合。推動抓手指沿導向軸方向在直線軸承與導向軸的配合下做直線運動，此時壓縮彈簧被壓縮，抓取機構張開，觸發到位傳感器，之后移動到待抓取位。抓取電機繼續旋轉，抓手指在壓縮彈簧的復位力作用下沿導向軸方向在直線軸承與導向軸的配合下完成抓取機構閉合動作，完成抓取作業。此種滑動配合阻力小、運行穩定、無噪聲且壽命長。壓縮彈簧的復位力可根據抓取物類型進行調節，通用性強，且力度適宜，不易損傷被抓取物。抓取機構的結構設計見圖2。

圖2 抓取機構的結構設計

2.2 升降機構

升降機構標準件包括升降電機、到位傳感器、防跌落組件、直線導軌、壓縮彈簧、直線軸承、主動輪、從動輪、同步齒形帶和導向軸。其中，直線導軌、壓縮彈簧、直線軸承和導向軸的材料為不銹鋼，主動輪和從動輪的材料為鋁合金。機加件包括升降滑塊和軸承座，材料均為A6061 鋁合金。鈑金件即電機安裝板，材料為SUS304 不銹鋼。

升降機構的升降電機固定在電機安裝板上，升降電機旋轉帶動主動輪，將動力通過同步齒形帶及從動輪傳遞給升降滑塊。升降滑塊沿直線導軌做升降往復運動，完成升降動作。其中，同步齒形帶由固定在軸承座上的直線軸承，在壓縮彈簧的作用下沿導向軸進行自張緊，可自適應皮帶張力，防跌落組件可實現急停斷電防跌落功能。升降機構的結構設計見圖3。

圖3 升降機構的結構設計

2.3 旋轉機構

旋轉機構的標準件包括旋轉電機、旋轉原點傳感器和拖鏈。機加件包括電機固定座、轉動連接軸。其中，電機固定座的材料為A6061 鋁合金，轉動連接軸的材料為SUS304 不銹鋼。型材包括支撐柱和旋轉繞線件，材料均為SUS304 不銹鋼。

旋轉機構的旋轉電機固定在電機固定座上，電機與轉動連接軸直連，電機固定座中安裝有2 個軸承，起到支撐和傳動輔助作用。旋轉電機轉動，帶動旋轉軸繞轉動連接軸做圓周往復運動，旋轉繞線件用于支撐旋轉機構上的線束。旋轉機構的繞線方式簡單化，但能夠保證線束的運轉同步性并避免線束磨損。旋轉機構的結構設計見圖4。

圖4 旋轉機構的結構設計

3 軟件邏輯設計

該裝置的軟件工作邏輯流程見圖5。

圖5 樣本管轉移裝置的軟件工作邏輯流程

裝置完成初始化運行后，當線體上有樣本管傳送至待抓管位置時，軌道處首先進行射頻識別（radio frequency identification，RFID）與條碼掃描器識別，辨別樣本管的規格及帶帽狀態。識別后根據樣本管規格及狀態，旋轉電機302 啟動，通過旋轉連接軸及支撐柱帶動升降機構，抓取機構旋轉至樣本管抓取位上方。到達位置后升降電機202 啟動，通過主動輪、從動輪及同步齒形帶傳動，帶動抓取機構下降至適合各規格樣本管的抓取高度。到位后抓取電機101 啟動，帶動凸輪旋轉，凸輪與軸承滾動傳動，抓手指在壓縮彈簧的復位力作用下通過導向軸與直線軸承導向向內直線運動，完成抓管動作。抓管完成后，升降電機202 啟動，通過主動輪、從動輪及同步齒形帶傳動，帶動抓取機構上升。上升到位后，旋轉電機302 啟動，通過旋轉連接軸及支撐柱帶動升降機構，抓取機構旋轉至樣本管放置位上方。然后升降電機202 啟動，通過主動輪、從動輪及同步齒形帶傳動，帶動抓取機構下降至放置位。抓取電機101 啟動，帶動凸輪旋轉，凸輪與軸承滾動傳動，抓手指在凸輪的推動下通過導向軸與直線軸承的導向向外直線運動，完成放管動作后升降機構復位，旋轉機構復位，樣本管的轉移動作完成。

該裝置的升降機構由于空間受限無法使用剎車電機。為避免意外斷電發生砸管現象，設計了防跌落組件，通過電磁鐵及棘輪機構實現防跌落功能。

4 旋轉機構的運動力學分析

該裝置的旋轉機構運行次數較多，速度最快，負載最大，發生故障的概率最高。現以旋轉機構為例，進行運動力學分析，并確定旋轉電機302 的參數。

4.1 轉動慣量

電機轉動慣量是反應電機轉動能力的重要參數，代表電機的載荷能力。旋轉機構的轉動慣量計算公式如下：

式中，JL為總負載慣量（kg·m2），Ja為機械臂轉動慣量（kg·m2），ig為減速比，m為負載質量（kg），A為負載縱向距離（mm），B為負載橫向距離（mm），e為負載離中心軸的距離（mm），Jg為傳動機構的轉動慣量（kg·m2），mg1為一次側質量（kg），Dg1為一次側直徑（mm），mg2為二次側質量（kg），Dg2為二次側直徑（mm），mg為皮帶質量（kg）。

已知m=2 kg，A=122 mm，B=30 mm，e=61 mm，可計算負載總轉動慣量JL=100.727×10-4kg·m2。

4.2 旋轉電機302 的參數選擇及校核

根據轉動慣量及設計需求，確定旋轉電機302 的參數（表1）并校核慣性比及安全系數[9]。

表1 旋轉電機302 的參數

慣性比的計算公式為：

式中，J0為轉子轉動慣量。

由負載總慣量JL及電機參數可求出β=8.88，滿足要求。

安全系數的計算公式為：

以上公式中，S為運行安全系數，Tm為運行時必要轉矩（N·m），T為所需轉矩，Te為負載轉矩（N·m），Ta為運行時加速轉矩（N·m），θs為基本步距角，f為運行脈沖頻率（Hz），t1為加減速時間（s），f2為運行脈沖頻率，A為移動脈沖數（pulse），t0為移動時間（s），λ為移動量（°）。

已知λ=180°，t0=0.5 s，t1=0.2 s，可得出運行安全系數S=4.26，滿足機械設計行業對安全系數的常規需求（＞2）。

5 實際應用

該裝置用于實驗室低溫存儲模塊樣本的交互。當將直徑為13、16 mm，高度為75、100 mm 的樣本管送入低溫存儲模塊中，或將低溫存儲模塊中的樣本管需要復測時，可完成樣本管從對接軌道和低溫存儲的交互，以及將已完成檢測需廢棄的樣本管進行廢棄載出和轉移。實際應用中，該裝置實現了624 萬次（等效10 年疲勞）的疲勞測試，故障率為0，實物圖見圖6。

圖6 樣本管轉移裝置實物圖

該裝置通過樣機應用驗證，可有效解決已有設備的結構復雜、占用空間較大和兼容性差等問題，其兼容性表現較好，能夠運送不同管徑、高度和封管方式的樣本管。本研究設計裝置與已有設備的比較見表2。

6 結論

本研究通過對工作原理、硬件材料與結構設計和軟件邏輯設計分析，構建出一種高兼容性樣本管轉移裝置的整體結構和布局，并通過對旋轉機構的運動力學計算分析，確認電機的選型，為該裝置提供了理論基礎。經低溫儲存模塊對接應用及疲勞測試，進一步驗證了該裝置的可靠性。結果表明，該裝置可在運動能達到范圍內的任意空間位置進行抓管和放管，同時兼容各種規格和帶帽封膜狀態的樣本管。該裝置為實驗室低溫存儲模塊樣本的轉移結構設計提供了參考，具備結構簡單、占用空間較小和通用性強的特點轉移。