一种带标准信号接口的多通道电子移液系统的制作方法

专利名称：一种带标准信号接口的多通道电子移液系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及化学分析定量分液和加液工具，特别是涉及用于转移微量液体，安装在仪 器设备上与机械手配合使用的一种带有标准信号接口的多通道电子移液系统，属于电子医 疗器械领域。
背景技术：
电子移液器是国内外通用的化学分析定量分液和加液工具，它广泛应用于生物、化学 实验，特别是医疗器械行业。它一般可分为手持移液器和自动移液装置两种。前者是用人 工完成安装枪头、吸液(吹液)、脱枪头等基本动作，而后者一般与机械手配合，依靠机 械手的三维空间运动，以及移液管的定量吸液(吹液)动作，实现在运动平台中的移液操 作。
手持移液器操作便捷，移液精度较高，但缺点是手动操作，使用麻烦，特别是制备样 品较多时，手动操作工作量很大，且易因手放按键速度不同而造成定量误差。而自动移液 装置与机械手配合，能够实现自动控制，批量制样时操作较简单，且是由机械手完成制样 过程，因而能避免样本与人的交互污染，提高制样过程的安全性。
中国专利申请号为01102611.1公开了 "一种带自动装置的移液器"，该移液器和承载 平台与计算机配合，实现装卸枪头与移液操作。这种移液器的缺点在于(l)计算机需内 置开关卡与控制程序，技术不具有通用性；(2)微量操作是靠液面探测装置实现，成本较 高，且由于机械震动导致移液误差；(3)它是个单通道的移液器，每次操作只能转移一种 液体，工作效率低。
申请号为200420093039.4 "—种多通道移液器"与申请号为200510092993.0 "—种多 通道移液装置及其使用方法"，公开了一种与机械手配合工作的多通道的移液装置，它包 含多通分流器，用一个注射泵实现多个取样操作，且内含一个卸载枪头机构，能够自动装 卸枪头。其缺点在于(1)内设专门的卸载枪头机构，增加机械结构的复杂性；(2)是专 门的自动移液装置，其接口具有较高的封闭性，不利于产品推广使用，特别是针对产品的 二次开发；(3)该仪器通过机械手的下沉动作，实现安装枪头的操作，但其机械结构是刚 性配合，缺乏防护措施，当机械手在水平面中有运动误差时(即枪头柱轴线与枪头轴线有 位置误差)，往往会压坏吸液枪头或者移液器的枪头柱。

发明内容
鉴于上述现有技术之不足，本发明目的是提供一种结构简单、成本较低、用于批量转 移微量液体、安装在仪器设备上、并与机械手配合使用、带有标准信号接口、易于实现自 动化操作、并具有防护结构的一种带有标准信号接口的多通道电子移液系统。
为达上述目的，本发明采取以下技术方案: 一种带标准信号接口的多通道电子移液系 统，设有计算机控制的机械手运动系统，机械手运动系统设有水平运动承载平台与垂直运 动升降平台，移液器固定在垂直升降平台下方，移液器含注射泵及活动设置于泵腔头部的 中空结构枪头，其特征是设有与通道数数量相同的多个注射泵，每个注射泵的活塞杆上端固定在一块平板的下方；设置与注射泵数量相同并与各注射泵的活塞杆下端位置对应 的中空结构枪头柱，该枪头柱内设泵腔；设置一块开有通孔的推板及固定板，通孔数量和 位置与枪头柱对应，枪头柱外径穿过固定板及推板通孔后，下端出口与枪头套接，推板各 通孔的直径小于枪头的外径，推板与固定板之间设有弹簧，弹簧两端分别与两板固定联接， 在固定板上的弹簧位置处设有小孔，该小孔位置、数量与设置的推杆对应，该推杆上端和 每个注射泵的活塞杆上端均固定在同一块平板的下方，该平板由计算机控制的机电运动单 元驱动，机电运动单元中，微电机通过同步带带动驱动轮旋转，利用蜗轮蜗杆结构把微电 机的旋转运动转换成直线运动，间接带动活塞在泵腔中上下运动，完成吸液/吹液动作； 在驱动轮的末端安装有电子离合器，在微电机的输出轴上安装一个轮盘，轮盘上开有均匀 间隔的豁槽，通过一个光电检测电路检测微电机所转动的脉冲数，测量注射泵中活塞在泵 腔中的当前位置，控制移液量，所有的电路接口都采用标准的TTL信号。所述移液器通 过螺栓固定在垂直升降平台上，并由弹簧压紧；每个注射泵的枪头柱外径与枪头之间设计 成过渡配合套接。
上述与通道数数量相同的泵腔和相应的活塞杆，每个活塞对应一个泵腔，组成多个注 射泵，各个活塞同时运动以实现多通道同时进行取液和吹液操作；
上述活塞杆直接做成一体，并且在每个泵腔与泵腔之间附加一个推杆，用于脱枪头；
上述在注射泵的枪头柱上都套有一定规格的枪头，枪头可根据需要更换；取液时，液 体只进入可更换的枪头中，而不是泵腔中。
上述移液方式采用体积法，即吸取液体时，随着泵内活塞被拉出，液体在泵腔内负 压的作用下被吸入枪头中，活塞运动的距离乘以泵腔截面面积即为吸样量同理，推动活 塞，即可将与活塞移动所经过空间同样体积大小的液体推出来；
上述活塞杆的运动是由一个机电运动单元带动，机电运动单元是由微直流电机、同步 带、电子离合器、蜗轮蜗杆，光电传感器及其控制电路组成，机电运动单元的控制接口， 都设计成标准逻辑信号(TTL电平)。
上述每个注射泵的枪头柱的外径与枪头之间设计成过渡配合，取枪头动作是通过压紧 方式，安装在多通道注射泵的枪头柱上。脱枪头动作是通过活塞推到泵腔的前端，依靠推 杆的作用，推动移液器前端的推板，将枪头脱下。
上述移液器的动作和机械手运动系统的控制是通过计算机(微处理器)来实现；
上述移液过程是通过活塞在泵腔中的直线运动实现。首先将活塞运动到泵腔的顶端， 机械手运动系统把多通道移液装置移动到样品源位置处；再次，活塞后退，液体在泵腔负 压的作用下，被吸入枪头中；最后，机械手运动系统把多通道移液装置移动到样品目标位 置处；并推动活塞前进，把吸入的液体从枪头排出到目标位置。
本发明还提供了一种防止移液器在工作中，由于机械震动造成枪头滴露，从而产生污 染的方法。即在吸液时，液体在泵腔负压的作用下，被吸入泵腔中，然后通过机械手的上 升运动，使枪头脱离源目标样品；此时，微处理器发出1 2个控制脉冲，使机电运动单 元中的微电机再转动一定角度，间接控制活塞向上运动，将枪头吸嘴处的液体吸回到枪头 中。在吹液时，为提高移液的精度，同样要考虑微处理器防止滴露时发出的1 2个脉冲。
本发明还提供了一种操作多通道电子移液装置自动混合，吹打液体的方法，包括机械手运动系统把多通道电子移液装置移动到要混合液体处；注射泵进行第一次动作，把要 混合液体的一部分吸入到枪头中；机械手再垂直向下运动一定的距离，继续吸入一定体积 的液体；然后机械手垂直向上运动到样品管口处，并推动活塞前进， 一次性吹出枪头中的 液体，反复几次，通过吸液和吹液引起的涡流实现样品的混合。 本发明由于采取上述设计方案，具有以下优点及效果
(1) 本发明相对传统的移液装置，采用了多注射泵结构， 一次注射便实现多个枪头 同时动作，节约成本，也更易于控制。
(2) 本发明的多注射器结构，相对于已有发明的多通分流器，通道具有相对的独立 性，吸液精度高。
(3) 本发明采用了驱动轮的内螺纹驱动螺杆的结构，对批量制样有极好的应用效果。
(4) 本发明中，直接利用活塞推杆结构，结合泵腔前端的推板脱枪头，简化的移液 装置的机构，简单实用，并易于实现自动化控制。
(5) 本发明采用了螺栓并通过弹簧将多通道电子移液器压紧在机械手运动系统上， 在机械手有位置误差时，对移液器与枪头起着较好的保护作用。
(6) 本发明中，由于设计了标准的控制接口，便于对其进行二次开发，因而能推广
使用。


图1为本发明的主体结构及工作原理示意图2为本发明的结构剖视图3为本发明的动力源电机的驱动电路；
图4为本发明的光电检测及调理电路；
图5为本发明的光电检测调理电路在微电机正反转时，各个电路节点的电压波形； 图6为本发明的控制电路框图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述-
参见附图l所示，本发明所提供的一个6通道电子移液装置包括控制计算机l，承
载平台3，驱动电机2，升降平台7，移液器8，移液器的机电运动单元4，六角螺栓5， 弹簧6等组成。其特征在于利用六角螺栓5，并通过弹簧6，将移液器8固定在垂直升 降平台7上；计算机1控制驱动电机2，使升降平台7上下运动；承载平台3可以在水平 面中做横向、纵向运动(图中未标出)。
在本设施例中，移液器8采用注射泵结构，即由活塞与泵腔构成。计算机l控制升降 平台7下降至指定高度(即把取枪头柱82插入到枪头9的内部)，在摩擦力的作用下， 枪头9自动套在注射泵的取枪头柱82上(此时，升降平台7下方有待安装的枪头9，且 枪头9与注射泵的取枪头柱82之间是过渡配合)，从而自动完成安装枪头的操作。由于枪 头9的中空处与注射泵的泵腔相通，因此，可以利用泵腔活塞运动形成的真空吸取液体。
在本实施例中，如果承载平台3在水平面中有横向/纵向运动的位置误差，导致移液 器8的注射泵的取枪头柱82与待取枪头9对不准，此时升降平台7仍然按着计算机1内 设程序运行，在压力的作用下，移液器8会被枪头9顶起(本发明采用弹簧6与六角螺栓5配合作移液器8的紧固件)，当升降平台7再次上升时，移液器8会在弹簧6的作用下，
自动回到原位置，从而对移液器起到保护作用。
图2为本发明所提供的6通道电子移液器结构剖视图。包括壳体86，滑动平板811 和驱动滑动平板811运动的平板推动杆41，所述壳体86内设有6个注射泵，每个注射泵
由泵腔89、活塞83，以及活塞驱动杆84构成，且六个活塞驱动杆84上端都固定连接在 滑动平板811上，所述的平板推动杆41上设有螺纹且与驱动轮42的内螺纹相配合。这样， 平板推动杆41与驱动轮42的内螺纹形成类似于蜗轮蜗杆的结构，当驱动轮42转动时， 可带动滑动平板上下运动。
在本实施例中，由于六个活塞驱动杆84都紧固在滑动平板811上，当平板推动杆41 驱动滑动平板811运动时，六个活塞同时运动，以实现多注射泵(即多通道)同时进行 吸液与吹液操作。
在本实施例中，还描述了一种由微电机46驱动的机电运动单元，微电机46通过同步 带43，带动驱动轮42旋转，利用蜗轮蜗杆结构(这里，驱动轮42固定在移液器8的壳 体86内)，把微电机的旋转运动转换成直线运动，间接带动活塞在泵腔中上下运动，完成 吸液/吹液动作。在驱动轮42的末端安装有电子离合器44，控制电子离合器44动作，可 以立即使驱动轮42停止转动，避免由于旋转的惯性作用，造成移液不准，从而提高移液 器的移液精度。在微电机46的轴向顶端安装一个轮盘45，轮盘45上开有均匀间隔的豁 槽，通过一个光电检测电路(见图4)，检测微电机所转动的脉冲数，从而间接的测量注 射泵中活塞83在泵腔89中的当前位置，精确控制移液量。
如图2所示，本实施例中还包括一个脱枪头机构，它由一块开有通孔的推板81，七 个回位弹簧88,开有通孔的回位弹簧固定板87，以及七个推杆810构成。所述的推板81 的通孔和注射泵的各个出口一一对应，并穿过个取枪头柱82，各通孔的直径大于取枪头 柱82的外径，小于枪头9的外径。所述的回位弹簧88两端分别连接在推板81与固定板 87上，移液器正常工作时，在弹簧88引力的作用下，推板81紧紧的贴在移液器8的底 部。所述的七个推杆810都紧固在滑动平板811上。
在执行脱枪头操作时，平板推动杆41驱动滑动平板8U向下运动，推杆810从弹簧 孔中穿过，进而顶向推板81,使推板81向下运动，从而将各枪头9从取枪头柱82上推 下，然后，通过电路控制平板推动杆41向上运动，在回位弹簧88的作用下，推板81沿 着取枪头柱82上行，回到原位，完成脱枪头的操作。
图3、图4为本发明的微电机驱动电路与光电检测调理电路的原理图。
微电机的驱动元件选用场效应管IRF3205，其中Tl、 T4配对构成正向转动控制电路； T3、 T2配对构成反向转动控制电路，1， 2两端直接与微电机相连，具体工作如下
(1) 控制端D1-1，场效应管全部截至，微电机不工作；
(2) 控制端DbO， D2=0，场效应管T1、 T4导通，T3、 T2截至，电机正转(吸液)；
(3) 控制端Dl-O， D2=l,场效应管T3、 T2导通，Tl、 T4截至，电机反转(吹液)； 工作中，设定好吸液量之后，启动微电机工作，其运行速度快慢由PWM占空比实现，
PWM的占空比越大电机转动的速度越快。
旋转脉冲光电检测电路如图4所示，发光管通过轮盘45上均匀间隔的豁槽，将光投射到前后放置的T1、 T2两个光敏三极管上，两个光敏三极管的集电极，即电路图节点l 与节点2上产生两路正交的脉冲信号，这两路正交的脉冲经过信号处理电路后，从信号处 理电路节点12和节点13输出。
微电机正转，即移液器吸液，则在信号处理电路节点12得到一系列的脉冲，其脉冲 的频率与节点l、节点2脉冲频率相同，而节点13始终是低电平信号。
微电机反转，即移液器吹液，则在信号处理电路节点13得到一系列的脉冲，其脉冲 的频率与节点l、节点2脉冲频率相同，而节点12始终是低电平信号。
图5为本发明的光电检测调理电路在微电机正转、反转时，电路中各节点的电压波形； 通过计数电路节点12和节点13上的脉冲，就可以感知电机转动的方向和角度大小，从而 间接检测注射泵的活塞运动距离，最终控制吸液/吹液量的多少，也可以实现把一次吸入 的一定体积的液体分配到多个目标位置，并且在各位置分配的体积量可以相同或不同。
图6为本发明实施例所采用的控制电路框图，微处理器103通过其I/O与微电机驱动 电路104，旋转脉冲调理电路106，电子离合器44相连，并通过RS232通信单元102和 PC机101通讯。微电机驱动电路104控制移液器的机电运动单元，使活塞在注射泵泵腔 中运动。光敏元件经过调理电路106，由微处理103进行计数，检测当前活塞的在泵腔中 的位置。
由图4与图6可知，本发明所提供的多通道电子移液器所有的电路接口都是标准的 TTL信号，因此，基于本发明，也可以有不同的实施例，或者对本发明进行二次开发， 扩展其应用范围。
本发明还提供自动完成分配液体的方法，可以总结为
(1) 承载平台与升降平台构成机械手运动系统，把多通道电子移液装置移动到放置 有多排枪头的位置，利用摩擦力，自动安装枪头；
(2) 控制注射泵中活塞第一次动作，运动到机械零位；
(3) 机械手运动系统，把多通道电子移液装置移动到源位置的液体处；
(4) 注射泵中活塞第二次动作，向上运动，液体在泵腔负压的作用下，被吸入到枪 头的中空处；
(5) 机械手运动系统把多通道电子移液装置移动到目标位置的液体处；
(6) 注射泵中活塞第三次动作，把吸入的液体从枪头排出到目标位置。 本发明还提供防止机械手运动系统运动时产生滴露，造成交互污染的操作。具体是在
吸完液体后，枪头的吸嘴上充满液体，在机械手运动时，由于机械震动，往往会导致吸嘴 中液体滴落，从而造成污染。可以控制微电机，在吸完液体后，再旋转1 2个脉冲的角 度，带动注射泵中活塞向上运动，将吸嘴中液体吸到枪头的中空处。在吹液时，同样要使 活塞向下多运动同样脉冲数的距离，以提高吹液的精度。
本发明可以把需要混合的液体转移到一起，并进行吹打动作，使液体充分，均匀的混 合，可以概述为
(1) 机械手运动系统把多通道移液装置移动到要混合的液体位置处；
(2) 注射泵中活塞进行第一次动作，把要混合的液体的一部分吸入到枪头中；
(3) 机械手运动系统控制升降平台继续向下移动一定的距离，使得移液器附带的枪头再次伸入要混合液体液面下；
(4) 注射泵中活塞进行第二次动作，继续向上移动，再次要混合的液体的一部分吸 入到枪头中；
(5) 机械手运动系统控制升降平台回到第一次吸液位置；
(6) 注射泵中活塞进行第三次工作，把吸入枪头中的液体吹出；
(7) 通过吸液和吹液引起的涡流实现样品的混合。
采用上述吹打动作，也可以防止枪头在一次性插入液体底部时，液体会从样品管中溢出。
权利要求
1. 一种带标准信号接口的多通道电子移液系统，设有计算机控制的机械手运动系统，机械手运动系统设有水平运动承载平台与垂直运动升降平台，移液器固定在垂直升降平台下方，移液器含注射泵及活动设置于泵腔头部的中空结构枪头，其特征是设有与通道数数量相同的多个注射泵，每个注射泵的活塞杆上端固定在一块平板的下方；设置与注射泵数量相同并与各注射泵的活塞杆下端位置对应的中空结构枪头柱，该枪头柱内设泵腔；设置一块开有通孔的推板及固定板，通孔数量和位置与枪头柱对应，枪头柱外径穿过固定板及推板通孔后，下端出口与枪头套接，推板各通孔的直径小于枪头的外径，推板与固定板之间设有弹簧，弹簧两端分别与两板固定联接，在固定板上的弹簧位置处设有小孔，该小孔位置、数量与设置的推杆对应，该推杆上端和每个注射泵的活塞杆上端均固定在同一块平板的下方，该平板由计算机控制的机电运动单元驱动，机电运动单元中，微电机通过同步带带动驱动轮旋转，利用蜗轮蜗杆结构把微电机的旋转运动转换成直线运动，间接带动活塞在泵腔中上下运动，完成吸液/吹液动作；在驱动轮的末端安装有电子离合器，在微电机的输出轴上安装一个轮盘，轮盘上开有均匀间隔的豁槽，通过一个光电检测电路检测微电机所转动的脉冲数，测量注射泵中活塞在泵腔中的当前位置，控制移液量，所有的电路接口都采用标准的TTL信号。
2、 根据根据权利要求l所述的带标准信号接口的多通道电子移液系统，其特征是移 液器通过螺栓固定在垂直升降平台上，并由弹簧压紧；每个注射泵的枪头柱外径与枪头之 间设计成过渡配合套接。
全文摘要
一种带标准信号接口的多通道电子移液系统，设有与通道数数量相同的多个注射泵，每个注射泵的活塞杆上端固定在一块平板的下方；设置与注射泵数量相同并与各注射泵的活塞杆下端位置对应的中空结构枪头柱，该枪头柱内设泵腔；设置一块开有通孔的推板及固定板，通孔数量和位置与枪头柱对应，枪头柱外径穿过固定板及推板通孔后，下端出口与枪头套接，推板各通孔的直径小于枪头的外径，推板与固定板之间设有弹簧，弹簧两端分别与两板固定联接，在固定板上的弹簧位置处设有小孔，该小孔位置、数量与设置的推杆对应，该推杆上端和每个注射泵的活塞杆上端均固定在同一块平板的下方，该平板由计算机控制的机电运动单元驱动。
文档编号B01L3/02GK101279297SQ20081002395
公开日2008年10月8日 申请日期2008年4月22日 优先权日2008年4月22日
发明者潘天红, 盛占石, 胜 营 申请人:江苏大学