某診斷儀器生化探針自動抓取與旋轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì),機(jī)械工程論文

某診斷儀器生化探針自動抓取與旋轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì),機(jī)械工程論文摘要：某類及時(shí)診斷儀器中要求生化探針深切進(jìn)入到樣本或試劑池中，將池中溶液攪勻，并在探針外表得到特異性吸附物或清洗掉非特異性吸附物，為解決該問題，設(shè)計(jì)一種新型的探針抓取與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，既能自動抓取探針，又能使探針繞其軸心高速旋轉(zhuǎn)，利用旋轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)將溶液攪拌混勻的效果。該機(jī)構(gòu)構(gòu)造緊湊，可應(yīng)用在便攜的及時(shí)診斷儀器中，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)微量樣本的檢測，并節(jié)省試劑的使用量。本文關(guān)鍵詞語:生化探針;抓取與旋轉(zhuǎn);攪拌混勻;及時(shí)診斷;1、引言某類體外診斷儀器的檢測原理是用生化探針依次深切進(jìn)入樣本液、試劑、清洗液，使樣本和試劑中的待測成分充分地特異性吸附在探針外表，并在清洗液中清洗掉非特異性吸附，然后用檢測裝置對探針外表吸附的待測成分進(jìn)行定量檢測。樣本液和試劑的均質(zhì)化越好[1]，非特異性吸附物越少，則檢測結(jié)果就越準(zhǔn)確。當(dāng)前的這類體外診斷儀器采用晃動臺〔shaker〕的方式來實(shí)現(xiàn)樣本和試劑的混勻和提高清洗效果，方式方法是將裝有樣本液、試劑、清洗液的多孔容器置于晃動臺上，探針抓取機(jī)構(gòu)只負(fù)責(zé)抓取探針依次深切進(jìn)入并懸停在樣本液、試劑或清洗液中，等待晃動臺帶動多孔容器做高頻微幅晃動，通過高頻晃動實(shí)現(xiàn)溶液的均質(zhì)化，并將待測物充分地吸附到探針外表。這個(gè)方式方法的缺點(diǎn)是：晃動臺構(gòu)造不能做得太小，不能適應(yīng)便攜式及時(shí)診斷儀器的尺寸要求；晃動頻率一定的情況下，晃動幅度不能進(jìn)一步減小，由于探針懸停在溶液孔中，孔的直徑不能做得太小，以免孔壁與探針相撞，這也就不能知足及時(shí)診斷儀器所追求的減少樣本和試劑消耗的要求[2]。2、生化探針自動抓取與旋轉(zhuǎn)方案為解決上述晃動臺混勻方式方法不便于應(yīng)用于便攜式及時(shí)診斷儀器內(nèi)的問題，擬采用探針旋轉(zhuǎn)的方式，以探針的快速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對溶液的攪拌來到達(dá)將溶液混勻的目的。2.1、方案需求探針旋轉(zhuǎn)的動作顯然是在探針抓取機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的，如此圖1所示，該機(jī)構(gòu)安裝在平移運(yùn)動機(jī)構(gòu)上，能在指令的控制下實(shí)現(xiàn)：抓取探針、提升、運(yùn)動到下一個(gè)工位、下降、旋轉(zhuǎn)探針、提升、、釋放探針的動作流程。該機(jī)構(gòu)需要知足構(gòu)造緊湊的要求，便于應(yīng)用于便攜式儀器內(nèi)。2.2、方案設(shè)計(jì)思路能夠分別實(shí)現(xiàn)抓取動作或旋轉(zhuǎn)動作的機(jī)構(gòu)都有很多種，實(shí)現(xiàn)抓取動作最常用的有夾爪機(jī)構(gòu)，夾爪機(jī)構(gòu)在原動機(jī)的驅(qū)動下進(jìn)行開合動作，實(shí)現(xiàn)對探針的釋放或夾緊；實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動作的機(jī)構(gòu)可分為同軸驅(qū)動和不同軸驅(qū)動，同軸驅(qū)動即驅(qū)動器件〔一般是電機(jī)〕的轉(zhuǎn)軸與探針軸線同軸，顯然，同軸驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會占用更多的軸向空間，不同軸驅(qū)動需要用到諸如齒輪、同步帶等傳動機(jī)構(gòu)。單獨(dú)的抓取或旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)都很簡單，而要將兩種運(yùn)動形式放在一起去實(shí)現(xiàn)時(shí)就需要考慮這兩種運(yùn)動怎樣進(jìn)行解耦，不使它們產(chǎn)生運(yùn)動耦合[3]。通過上述分析，探針自動抓取與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可采用的設(shè)計(jì)方案如此圖2所示，探針抓取可采用夾爪機(jī)構(gòu)，夾爪動作采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[4]實(shí)現(xiàn)，華而不實(shí)曲柄構(gòu)件作為夾爪是末端執(zhí)行件，滑塊是原動件，滑塊的上下滑動能夠由電磁鐵和彈簧驅(qū)動，夾爪機(jī)構(gòu)的整體作為旋轉(zhuǎn)對象，其旋轉(zhuǎn)軸與被抓起的探針軸線重合，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能夠由旁置的電機(jī)通過同步帶傳動實(shí)現(xiàn)，夾爪整體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與滑塊的上下運(yùn)行這兩種運(yùn)動的解耦能夠采用推力軸承。圖1探針自動抓取與旋轉(zhuǎn)方案示意圖圖2用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)探針抓取的方案示意圖3、自動抓取與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)3.1、總體構(gòu)造介紹自動抓取與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的總體構(gòu)造如此圖3所示，抓取機(jī)構(gòu)由探針定位器、探針夾爪、連桿、滑塊、推力軸承、推力軸承座、鐵磁盤、電磁鐵、導(dǎo)向銷、彈簧等零件組成，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、同步帶輪、同步齒形帶、探針定位器、穿插滾柱軸承等零件組成。如此圖3所示，探針定位器是抓取機(jī)構(gòu)〔曲柄滑塊機(jī)構(gòu)〕的機(jī)架，它既與探針夾爪通過一處銷軸構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，又由其上端的圓筒內(nèi)外表與圓柱體的滑塊外外表構(gòu)成移動副，探針夾爪和滑塊分別與連桿通過轉(zhuǎn)動副連接，滑塊在探針定位器內(nèi)的上下運(yùn)動可轉(zhuǎn)化為探針夾爪與探針定位器軸線的夾角變化，通過該夾角變化實(shí)現(xiàn)抓取探針和釋放探針的動作。抓針定位器還是對探針實(shí)現(xiàn)定位的零件，在其下部有V形槽對探針的圓柱外外表徑向定位，保證了探針軸線與定位器軸線重合，有一個(gè)平面對探針進(jìn)行軸向定位，保證每次抓取的探針在抓取機(jī)構(gòu)里的軸向位置都能保持一致，有利于生化檢測結(jié)果的可靠性。抓針定位器也是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的主體，在其上部安裝了穿插滾柱軸承，可經(jīng)過同步帶傳動機(jī)構(gòu)被步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，將探針抓取以后，探針則在摩擦力作用下與抓取機(jī)構(gòu)暫時(shí)地合為一體，一起旋轉(zhuǎn)。圖3自動抓取與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的總體構(gòu)造滑塊與推力軸承座通過一對推力軸承保持軸向一致運(yùn)動，支點(diǎn)導(dǎo)向銷和彈簧將鐵磁盤與推力軸承座壓緊在一起，如此圖4所示。電磁鐵通電后可將鐵磁盤向上吸起，鐵磁盤將向上的力傳遞給彈簧，又傳遞給導(dǎo)向銷，再帶動推力軸承座向上運(yùn)動，進(jìn)而使探針夾爪的末端壓緊探針。彈簧的作用有兩個(gè)，一是緩沖，使剛性的磁吸力變?yōu)閺椥缘膴A緊力；二是由于彈簧的作用行程較大，能夠在一定程度上放寬零件的尺寸精度要求。圖4磁吸力緩沖構(gòu)造示意圖3.2、抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)抓取機(jī)構(gòu)是應(yīng)用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的原理，滑塊是原動件，探針定位器是機(jī)架，探針夾爪相當(dāng)于曲柄。根據(jù)方案需求中要求的小型化原則，由軸承、電磁鐵等標(biāo)準(zhǔn)件的最小型號可大致確定了探針定位器的尺寸，然后連桿長度和探針夾爪的尺寸也都可大致確定，再設(shè)定探針夾爪的末端行程為0.5mm〔以夾爪壓緊探針的位置為原點(diǎn)，朝著繼續(xù)壓緊的方向?yàn)樨?fù)值，朝著松開的方向?yàn)檎怠常忠螂姶盆F磁力的作用距離有限，設(shè)定滑塊的上下移動行程為0.5mm，即以滑塊的0.5mm行程對應(yīng)探針夾爪的末端行程0.5mm。圖5抓取機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析模型如此圖5，建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，則有解析算式如下：在solidworks中用作圖法可初步確定圖5中的各參數(shù)值：e=1.6mm,a=4.46mm,b=5mm,L=7mm，1=47.73，2=19.88，根據(jù)探針夾爪的末端行程為0.5mm，則1的變化范圍是47.734〔43.73～51.73〕，代入上式可驗(yàn)證Xc的運(yùn)動范圍是：Xc=8mm～Xc=7.4mm，即滑塊運(yùn)動構(gòu)成是0.6mm。3.3、探針的夾緊力分析根據(jù)3.1節(jié)的介紹可知，抓取機(jī)構(gòu)將探針抓取以后對探針的夾緊力是由彈簧力提供的，將推力軸承座〔與滑塊連接〕壓緊到鐵磁盤的彈簧力應(yīng)該要小于電磁鐵對鐵磁盤的磁吸力，選用的電磁鐵吸力為20N，選用的彈簧常數(shù)是1.5Nmm，共使用4個(gè)彈簧，彈簧預(yù)壓力為1mm，彈簧的工作行程約0.2mm，則彈簧對滑塊的作用力范圍是6N～7.2N。圖6探針夾緊力分析模型圖6是對探針夾緊力的分析模型，F(xiàn)32表示滑塊對連桿2的作用力，則F32=6N～7.2N。在圖6中，分別以曲柄1和連桿2作為研究對象進(jìn)行受力分析，則有：已經(jīng)知道抓取狀態(tài)下的2=19.88，可求得F41=4.1N～4.9N，即探針被抓取以后所遭到的夾緊力范圍是4.1N～4.9N。探針是用玻璃做成的外徑1mm、長度10mm的圓柱棒，重量不到1g，轉(zhuǎn)動慣量不到1g*mm2，經(jīng)粗略計(jì)算，探針與抓取機(jī)構(gòu)之間由夾緊力所產(chǎn)生的靜摩擦力約0.4N，該靜摩擦力遠(yuǎn)大于探針的重力，可以對探針產(chǎn)生足夠的摩擦轉(zhuǎn)矩，使得抓針機(jī)構(gòu)能以足夠大的旋轉(zhuǎn)加速度帶著探針一起旋轉(zhuǎn)。3.4、抓取動作與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的解耦推力軸承由軸圈、座圈、保持架、鋼球組成，其軸圈的內(nèi)徑和外徑都小于座圈，軸圈與軸配合，座圈與軸承座孔配合，兩個(gè)推力軸承成對使用可在軸與軸承座之間傳遞雙向軸向運(yùn)動，并使軸與軸承座具有可相對轉(zhuǎn)動的自由度。如此圖3所示，推力軸承由于其軸圈和座圈可相對轉(zhuǎn)動，所以它將抓取機(jī)構(gòu)分成了可相對轉(zhuǎn)動的兩部分，華而不實(shí)探針定位器、探針夾爪、連桿、滑塊和推力軸承的軸圈是一個(gè)能夠旋轉(zhuǎn)的整體，推力軸承的座圈、推力軸承座、鐵磁盤等零件組成了一個(gè)只在電磁力和彈簧力的作用下做上下移動的不旋轉(zhuǎn)的整體。在旋轉(zhuǎn)部分做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的時(shí)候不會對不旋轉(zhuǎn)的部分造成影響，即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動不會對磁吸力產(chǎn)生影響。不旋轉(zhuǎn)部分的上下移動也不會影響旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而不旋轉(zhuǎn)部分的上下移動可轉(zhuǎn)化為探針夾爪的抓取動作，不旋轉(zhuǎn)部分假如是處在電磁鐵上電而將鐵磁盤吸合的狀態(tài)，則旋轉(zhuǎn)部分中的探針夾爪就是處于夾緊的狀態(tài)?？梢娮ト幼髋c旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了解耦。4、結(jié)束語根據(jù)體外診斷領(lǐng)域中及時(shí)診斷儀器的開發(fā)需求，提出了生化探針的自動抓取與旋轉(zhuǎn)一體化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。利用三維設(shè)計(jì)軟件結(jié)合理論計(jì)算和分析的方式方法，具體設(shè)計(jì)了基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的抓取機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并通過相應(yīng)的解耦方式方法將抓取機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)合在一起，完成了一體化構(gòu)造設(shè)計(jì)，極大地節(jié)省了空間，同時(shí)具有構(gòu)造簡單、控制方便的優(yōu)點(diǎn)。以下為參考文獻(xiàn)[1]曹春哲.比色法測定液相混合時(shí)間及其在體外診斷試劑生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]生物化工,2020,6(6):