一种自动快速试管取盖机器人及取盖方法与流程

本发明涉及医疗设备领域，特别是一种自动快速试管取盖机器人及取盖方法。

背景技术：

试管被广泛应用于医院、科研院所、生物化学等领域。大多数所使用的试管，是一根上端开口下端封闭的普通圆柱形玻璃试管。工作人员在做化学实验或实验室化验、检验时，最频繁的操作是对试管盖的打开及回收。在实际使用过程中，时有各种问题发生，比如医院检验科所使用的采血试管，由于采用的真空负压式试管，采血完成后可能试管内仍然存在负压，在血样检测时需要将试管盖打开。由于试管内负压影响，导致一些试管不容易打开，费时费力。在微生物、细菌培养、试管苗和试管成花的培育过程中，都需要对试管进行开盖操作，开盖频率高，工作量大。在具有相当危险性的化学实验中，人工取盖风险大。

目前，完成上述任务的多为人工徒手操作。人工开盖的弊端是：在开盖的过程中，可能造成试管破坏的风险，并污染试管内的生物样本。试管数量庞大，人工操作效率低，容易引入人为误差。本装置为全自动试管取盖机器人，能够自动快速完成试管的取盖任务，可以适配不同规格的试管和试管架，并能对试管盖进行回收，避免了工作人员频繁完成相同任务的弊端，减轻了工作人员劳动强度。该装置适用于流水线作业，能够大大提高作业效率，降低成本。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种自动快速试管取盖机器人及取盖方法，能够自动完成采血试管的取盖任务，可以适配不同规格的采血试管和试管架，并能对试管盖进行回收。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种自动快速试管取盖机器人，它包括底座，所述底座上安装有控制前后方向移动的X轴机械臂，所述X轴机械臂垂直安装有控制上下移动的Z轴机械臂，所述Z轴机械臂上垂直安装有控制左右移动的Y轴机械臂，所述Y轴机械臂上安装有取盖机械手；

所述取盖机械手的一端安装有机械臂转动驱动机构，另一端安装有取盖机构。

所述X轴机械臂通过螺钉安装在底座上，所述X轴机械臂包括X轴步进电机，所述X轴步进电机的输出轴通过联轴器与滚珠丝杆相连，所述滚珠丝杆上配合安装有滚珠螺母，所述滚珠螺母的顶部固定安装有X轴滑动工作台，所述X轴滑动工作台的底部固定安装有滑块，所述滑块与滑块导轨构成滑动配合，所述滚珠丝杆的安装盒顶部设置有保护盖。

所述Z轴机械臂通过螺栓固定安装在X轴机械臂的X轴滑动工作台上，所述Z轴机械臂的结构和X轴机械臂的结构相同，所述Z轴机械臂包括Z轴步进电机，所述Z轴步进电机与滚珠丝杆传动机构相连，所述滚珠丝杆机构驱动Z轴滑动工作台上下运动。

所述Y轴机械臂通过螺栓固定安装在Z轴机械臂的Z轴滑动工作台上，所述Y轴机械臂的结构和X轴机械臂的结构相同，所述Y轴机械臂包括Y轴步进电机，所述Y轴步进电机与滚珠丝杆传动机构相连，所述滚珠丝杆机构驱动Y轴滑动工作台左右运动。

所述Z轴步进电机处安装有电磁阀，所述电磁阀能够在Y轴定向完成以后启动，并抑制Z轴步进电机转动。

所述取盖机械手通过取盖机械手基座固定安装在Y轴机械臂的Y轴滑动工作台上。

所述机械臂转动驱动机构包括直流电机，所述直流电机安装在取盖机械手基座内部，所述直流电机的输出轴安装有第一圆柱齿轮，所述第一圆柱齿轮与第二圆柱齿轮啮合，所述第二圆柱齿轮的输出轴上固定安装有机械转臂，所述机械转臂的末端安装有取盖机构。

所述取盖机构包括试管夹，每两个试管夹组合安装为一个完整的夹子，所述两个试管夹通过轴套转轴铰接，所述试管夹的顶部设有弹簧底座，两两弹簧底座之间设有螺旋弹簧，螺旋弹簧始终处于压缩状态，所述试管夹的下端设置有凸轮从动盘，所述凸轮从动盘与凸轮配合组成平底从动式凸轮机构，所述凸轮安装在凸轮轴上，所述凸轮轴通过涡轮蜗杆减速器与凸轮轴第一直流电机相连，所述试管夹的底端设置有试管夹套筒，所述试管夹套筒的底端设置有试管夹下缘，所述试管夹套筒组合之后形成圆柱形套筒，所述试管夹下缘与试管盖的下边缘相配合；所述试管夹下缘的内壁上镶嵌有一层橡胶缓冲垫；所述试管夹组成的夹子共有多组。

所述X轴机械臂、Z轴机械臂和Y轴机械臂的步进电机处均设有摄像头，在取盖机械手的下方也安装有摄像头，所述摄像头都通过无线通信与服务器相连，所述服务器能够将实时画面传输至操作人员平板客户端。

采用权利任意一项所述自动快速试管取盖机器人进行自动取盖的方法，包括以下步骤：

第一步：定位阶段，初始状态下，取盖机械手转动至朝向试管架所在方向，试管夹处于打开状态，凸轮从动盘与凸轮远休止点接触，Y轴机械臂竖直方向上升至最高处，电磁阀锁止，机器人通过底座安装于流水线指定工序位置，装有样本的试管被预先固定于试管架内，试管架通过滑槽卡在流水线传送带上，试管可横置或纵置于传送带上，当试管架连同试管移动至X轴机械臂中间位置时，机械臂底座的传感器接收信号，传递给控制器，通过PLC单片机控制传送带驱动电机停止转动；

第二步：X轴步进电机启动，通过滚轴丝杠机构带动X轴滑动工作台沿着滑块导轨移动，从而带动Y轴机械臂沿着X轴移动，当取盖机械手和试管架在X轴方向位于同一平面位置时，X轴步进电机停止转动；

第三步：Y轴步进电机启动，通过滚轴丝杠机构带动Y轴滑动工作台沿着滑块导轨移动，从而带动取盖机械手沿着Y轴移动，当取盖机械手移动至试管架正上方时，启动直流电机，直流电机通过第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮将动力传输至输出轴，进而带动机械转臂绕输出轴转动，试管夹下方设有位置传感器，通过直流电机和Y轴步进电机分别调整取盖机械手转动角度和沿Y轴方向位移，当每对试管夹分别与各试管盖对齐后，定位完成；

第四步：取盖阶段，初始状态下，试管夹处于打开状态，凸轮从动盘与凸轮的远休止点接触配合，螺旋弹簧处于压缩量最大状态，Z轴步进电机启动，通过滚轴丝杠机构带动Z轴滑动工作台沿着滑块导轨向下移动，从而带动取盖机械手沿着Z轴向下移动，直到试管盖移动至试管夹套筒内部且试管夹下缘低于试管盖下缘位置时，Z轴步进电机停止转动；

第五步：第一直流电机启动，通过涡轮蜗杆减速器将动力传输至凸轮轴，从而带动凸轮绕凸轮轴缓慢转动90°，凸轮从动盘由远休止点移动至近休止点，此时试管夹在螺旋弹簧回复力的作用下绕转轴转动闭合，试管夹下缘卡在试管盖的下缘位置；

第六步：Z轴步进电机启动反向转动，通过滚轴丝杠机构带动Z轴滑动工作台沿着滑块导轨向上移动，从而带动取盖机械手沿着Z轴向上移动，直到取盖机械手夹着试管盖脱离试管管口，启动电磁阀，使得Z轴机械臂锁止，防止Y轴机械臂沿Z轴下滑，至此，取盖任务完成；

第七步：回收阶段，Y轴步进电机启动反向转动，通过滚轴丝杠机构带动Y轴滑动工作台沿着滑块导轨向后移动，从而带动取盖机械手沿着Y轴向后移动，当取盖机械手移动至试管盖回收盒上方时，Y轴步进电机停止转动，X轴步进电机启动，通过滚轴丝杠机构带动X轴滑动工作台沿着滑块导轨移动，从而带动取盖机械手沿着X轴移动，使得取盖机械手微调至试管盖回收盒正上方时，电机停止转动，

第八步：第一直流电机启动反向转动，通过涡轮蜗杆减速器将动力传输至凸轮轴，从而带动凸轮绕凸轮轴缓慢转动90°，凸轮从动盘由近休止点移动至远休止点，此时试管夹在螺旋弹簧回复力的作用下绕转轴转动打开，当试管夹张开至最大开口后，试管盖在重力的作用下落入试管盖回收盒内，完成试管盖的回收任务；

第九步：完成取盖后的试管与试管架在传送带的带动下一起随着流水线移动，至下一个工序，供工作人员对样本进行分析、检测；完成一组试管的取盖任务后，重复上述步骤，该装置继续对下一组试管进行取盖操作。

本发明有如下有益效果：

1、本专利通过设计一种自动快速取盖机器人，有效解决了工作人员人工摘取试管盖数量庞大，人工操作费时费力、效率低，且有损坏样本的危险，并可能污染样本的缺陷。机器人主要采用“上位机+嵌入式系统+下位机”三级分布式结构的控制模式。控制系统的控制装置由上位机和Arduino控制板组成，上位机为基于Android系统的平板电脑，以装有嵌入式系统的路由器作为服务器进行无线通信，以Arduino控制板上的AVR单片机为下位机。平板电脑负责接收摄像头传来的视频信号和发送控制指令给Arduino控制板，控制板则负责接收平板电脑发送的控制指令，并转换成与之相匹配的控制信号控制机械手完成指定动作。各电机均通过单片机进行程序控制，自动完成试管盖的取盖各回收任务。但是，工作人员还可以通过平板电脑客户端遥控取盖机械手进行人工干预，对操作现场进行监控和指挥。

2、该机器人拥有直角坐标机械臂，可以在X、Y、Z轴三个方向进行移动，适用范围更大。即使，试管架处于传送带的不同位置，通过调整X、Y、Z轴机械臂，均可以使得取盖机械手能准确到达待取盖的试管所处的位置。机械手可以转动180°，若试管架在传送带工作台上既不是处于横置又不是处于纵置状态，而是有一定角度偏移，可以通过调整取盖机械手的转动角度来实现对试管位置的定位工作。

3、通过更换试管夹可以对不同型号大小的试管进行匹配，也可以完成对其它类型瓶盖的取盖任务。该取盖机器人能够一次完成对5个试管的取盖任务，也可以通过增加试管夹来完成对更多试管的取盖任务。该装置采用流水线作业，可有效提高试管的取盖效率，适用于标本量较多的大中型医院、体检单位、科研机构、生物化学研究所等场所。

4、由于试管夹绕转轴转动的过程中，螺旋弹簧压缩量缓慢变小，回复力也逐渐变小，可以防止夹紧力过大导致试管破坏。同时，试管夹下缘与试管接触处可覆盖一层橡胶垫，能够进一步缓冲试管夹对试管的冲击力。

5、通过AVR单片机来控制各个电机的转动，自动化程度高，通过修改相应的控制程序可以完成对不同型号试管的取盖任务；

6、取盖机械手内部设有位置传感器，可以更加精确的对试管进行定位；

7、该机器人不仅能够完成对试管的取盖任务，还能够完成对其它类型瓶盖（瓶盖外径大于瓶体外径）的取盖任务。

8、试管夹采用凸轮机构、弹簧杠杆原理，可以十分方便的控制试管夹的开合，夹紧力的大小由弹簧确定，弹簧型号可更换。

9、控制系统上位机不仅可以使用平板电脑，还可以使用办公室台式机、笔记本电脑，方便工作人员在办公室对机器人的运行状态进行监控和干预。

10、通过增加取盖机械手内部试管夹的数量，更够一次性完成对更多试管进行取盖和回收任务。例如，通过增加试管夹的列数和排数。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明自动快速试管取盖机器人整体结构示意图。

图2是本发明自动快速试管取盖机器人主视结构示意图。

图3是本发明自动快速试管取盖机器人左视结构示意图。

图4是本发明自动快速试管取盖机器人回收试管盖示意图。

图5是本发明的机械臂结构示意图。

图6是本发明的取盖机械手结构示意图。

图7是本发明的图6中取盖装置A局部放大图。

图8是本发明的取盖试管夹整体结构示意图。

图9是本发明的取盖试管夹装配结构示意图。

图10是本发明的取盖状态下，取盖机械手试管夹与试管配合剖视图。

图11是本发明的自动快速试管取盖机器人控制系统结构图。

图中：底座1、X轴机械臂2、Z轴机械臂3、Y轴机械臂4、取盖机械手5、X轴步进电机6、滚珠丝杆机构7、X轴滑动工作台8、加强板9、Y轴步进电机10、Z轴滑动工作台11、Z轴步进电机12、Y轴滑动工作台13、取盖机械手基座14、螺钉15、直流电机16、第一圆柱齿轮17、第二圆柱齿轮18、输出轴19、蜗轮蜗杆减速器20、第一直流电机21、凸轮轴22、凸轮23、转轴24、试管夹25、弹簧底座26、轴套27、凸轮从动盘28、试管夹套筒29、试管夹下缘30、螺旋弹簧31、试管盖32、试管33、试管架34、滑槽35、联轴器36、滚珠螺母37、滑块38、滑块导轨39、滚珠丝杠40、保护盖41、电磁阀42、试管盖回收盒43、机械转臂44。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1-11，一种自动快速试管取盖机器人，它包括底座1，所述底座1上安装有控制前后方向移动的X轴机械臂2，所述X轴机械臂2垂直安装有控制上下移动的Z轴机械臂3，所述Z轴机械臂3上垂直安装有控制左右移动的Y轴机械臂4，所述Y轴机械臂4上安装有取盖机械手5；

进一步的，所述取盖机械手5的一端安装有机械臂转动驱动机构，另一端安装有取盖机构。

进一步的，所述X轴机械臂2通过螺钉安装在底座1上，所述X轴机械臂2包括X轴步进电机6，所述X轴步进电机6的输出轴通过联轴器36与滚珠丝杆40相连，所述滚珠丝杆40上配合安装有滚珠螺母37，所述滚珠螺母37的顶部固定安装有X轴滑动工作台8，所述X轴滑动工作台8的底部固定安装有滑块38，所述滑块38与滑块导轨39构成滑动配合，所述滚珠丝杆40的安装盒顶部设置有保护盖41。

进一步的，所述Z轴机械臂3通过螺栓固定安装在X轴机械臂2的X轴滑动工作台8上，所述Z轴机械臂3的结构和X轴机械臂2的结构相同，所述Z轴机械臂3包括Z轴步进电机12，所述Z轴步进电机12与滚珠丝杆传动机构相连，所述滚珠丝杆机构驱动Z轴滑动工作台11上下运动。

进一步的，所述Y轴机械臂4通过螺栓固定安装在Z轴机械臂3的Z轴滑动工作台11上，所述Y轴机械臂4的结构和X轴机械臂2的结构相同，所述Y轴机械臂4包括Y轴步进电机10，所述Y轴步进电机10与滚珠丝杆传动机构相连，所述滚珠丝杆机构驱动Y轴滑动工作台13左右运动。

进一步的，所述X、Y、Z轴机器臂均采用滚轴丝杆机构传达，保证运动精确性，提高稳定性。

进一步的，所述Z轴步进电机12处安装有电磁阀42，所述电磁阀42能够在Y轴定向完成以后启动，并抑制Z轴步进电机12转动。通过对Z轴机械臂步进电机处安装电磁阀42，在Y轴定向完成以后启动电磁阀抑制电机转动，进而防止Y轴机械臂沿Z轴机械臂下滑。

进一步的，所述取盖机械手5通过取盖机械手基座14固定安装在Y轴机械臂4的Y轴滑动工作台13上。

进一步的，所述机械臂转动驱动机构包括直流电机16，所述直流电机16安装在取盖机械手基座14内部，所述直流电机16的输出轴安装有第一圆柱齿轮17，所述第一圆柱齿轮17与第二圆柱齿轮18啮合，所述第二圆柱齿轮18的输出轴19上固定安装有机械转臂44，所述机械转臂44的末端安装有取盖机构。

进一步的，所述取盖机构包括试管夹25，每两个试管夹25组合安装为一个完整的夹子，所述两个试管夹25通过轴套27转轴24铰接，所述试管夹25的顶部设有弹簧底座26，两两弹簧底座26之间设有螺旋弹簧31，螺旋弹簧31始终处于压缩状态，所述试管夹25的下端设置有凸轮从动盘28，所述凸轮从动盘28与凸轮23配合组成平底从动式凸轮机构，所述凸轮23安装在凸轮轴22上，所述凸轮轴22通过涡轮蜗杆减速器20与凸轮轴第一直流电机21相连，所述试管夹25的底端设置有试管夹套筒29，所述试管夹套筒29的底端设置有试管夹下缘30，所述试管夹套筒29组合之后形成圆柱形套筒，所述试管夹下缘30与试管盖32的下边缘相配合；所述试管夹下缘30的内壁上镶嵌有一层橡胶缓冲垫；所述试管夹25组成的夹子共有多组。

进一步的，所述X轴机械臂2、Z轴机械臂3和Y轴机械臂4的步进电机处均设有摄像头，在取盖机械手5的下方也安装有摄像头，所述摄像头都通过无线通信与服务器相连，所述服务器能够将实时画面传输至操作人员平板客户端。

实施例2：

采用权利任意一项所述自动快速试管取盖机器人进行自动取盖的方法，包括以下步骤：

第一步：定位阶段，初始状态下，取盖机械手5转动至朝向试管架34所在方向，试管夹25处于打开状态，凸轮从动盘28与凸轮23远休止点接触，Y轴机械臂4竖直方向上升至最高处，电磁阀锁止，机器人通过底座1安装于流水线指定工序位置，装有样本的试管33被预先固定于试管架34内，试管架34通过滑槽35卡在流水线传送带上，试管34可横置或纵置于传送带上，当试管架连同试管移动至X轴机械臂中间位置时，机械臂底座的传感器接收信号，传递给控制器，通过PLC单片机控制传送带驱动电机停止转动；

第二步：X轴步进电机6启动，通过滚轴丝杠机构7带动X轴滑动工作台8沿着滑块导轨39移动，从而带动Y轴机械臂沿着X轴移动，当取盖机械手5和试管架34在X轴方向位于同一平面位置时，X轴步进电机6停止转动；

第三步：Y轴步进电机10启动，通过滚轴丝杠机构带动Y轴滑动工作台13沿着滑块导轨移动，从而带动取盖机械手5沿着Y轴移动，当取盖机械手5移动至试管架34正上方时，启动直流电机16，直流电机16通过第一圆柱齿轮17和第二圆柱齿轮18将动力传输至输出轴19，进而带动机械转臂44绕输出轴19转动，试管夹25下方设有位置传感器，通过直流电机16和Y轴步进电机10分别调整取盖机械手5转动角度和沿Y轴方向位移，当每对试管夹25分别与各试管盖32对齐后，定位完成；

第四步：取盖阶段，初始状态下，试管夹25处于打开状态，凸轮从动盘28与凸轮23的远休止点接触配合，螺旋弹簧31处于压缩量最大状态，Z轴步进电机12启动，通过滚轴丝杠机构带动Z轴滑动工作台11沿着滑块导轨向下移动，从而带动取盖机械手5沿着Z轴向下移动，直到试管盖32移动至试管夹套筒29内部且试管夹下缘30低于试管盖32下缘位置时，Z轴步进电机12停止转动；

第五步：第一直流电机21启动，通过涡轮蜗杆减速器20将动力传输至凸轮轴22，从而带动凸轮23绕凸轮轴22缓慢转动90°，凸轮从动盘28由远休止点移动至近休止点，此时试管夹25在螺旋弹簧31回复力的作用下绕转轴24转动闭合，试管夹下缘30卡在试管盖32的下缘位置；

第六步：Z轴步进电机12启动反向转动，通过滚轴丝杠机构带动Z轴滑动工作台11沿着滑块导轨向上移动，从而带动取盖机械手5沿着Z轴向上移动，直到取盖机械手5夹着试管盖32脱离试管33管口，启动电磁阀42，使得Z轴机械臂3锁止，防止Y轴机械臂4沿Z轴下滑，至此，取盖任务完成；

第七步：回收阶段，Y轴步进电机10启动反向转动，通过滚轴丝杠机构带动Y轴滑动工作台13沿着滑块导轨向后移动，从而带动取盖机械手5沿着Y轴向后移动，当取盖机械手5移动至试管盖回收盒43上方时，Y轴步进电机10停止转动，X轴步进电机6启动，通过滚轴丝杠机构7带动X轴滑动工作台8沿着滑块导轨39移动，从而带动取盖机械手5沿着X轴移动，使得取盖机械手5微调至试管盖回收盒43正上方时，电机6停止转动，

第八步：第一直流电机21启动反向转动，通过涡轮蜗杆减速器20将动力传输至凸轮轴22，从而带动凸轮23绕凸轮轴22缓慢转动90°，凸轮从动盘28由近休止点移动至远休止点，此时试管夹25在螺旋弹簧31回复力的作用下绕转轴24转动打开，当试管夹25张开至最大开口后，试管盖32在重力的作用下落入试管盖回收盒43内，完成试管盖32的回收任务；

第九步：完成取盖后的试管33与试管架34在传送带的带动下一起随着流水线移动，至下一个工序，供工作人员对样本进行分析、检测；完成一组试管的取盖任务后，重复上述步骤，该装置继续对下一组试管进行取盖操作。

实施例3：

如图11所示，本发明自动快速试管取盖机器人控制系统，机器人主要采用“上位机+嵌入式系统+下位机”三级分布式结构的控制模式。控制系统的控制装置由上位机和Arduino控制板组成，上位机为基于Android系统的平板电脑，以装有嵌入式系统的路由器作为服务器进行无线通信，以Arduino控制板上的AVR单片机为下位机。平板电脑负责接收摄像头传来的视频信号和发送控制指令给Arduino控制板，控制板则负责接收平板电脑发送的控制指令，并转换成与之相匹配的控制信号控制机械手完成指定动作。各电机均通过单片机进行程序控制，自动完成试管盖的取盖各回收任务。但是，工作人员还可以通过平板电脑客户端遥控取盖机械手进行人工干预，对操作现场进行监控和指挥。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。