一种试管夹持装置、带有试管夹持装置的移动平台及使用方法与流程

本发明属于领域，具体涉及一种试管夹持装置、带有试管夹持装置的移动平台及使用方法。

背景技术：

试管或类似的物体，在生物/医疗/化学分析等领域中是一种非常常用的工具和溶液载体。在相应的自动化装备领域，如自动化的医疗仪器设备，自动化的医药试剂生产线上经常会有对试管类物品进行转移操作的需求。因此，针对试管类物品的机械夹持装置在生物医疗化工的自动化领域的应用非常广泛。

目前，用于自动化试管夹持的装置一般都是借用其它行业自动化设备上采用的机械夹爪，其驱动装置为电动或气动，因此装置本身一般都附带电机、汽缸或拉线等活动部件，体积相对较大。常见的机械夹爪(机械手/夹持装置/夹持机构)一般都有一定的通用性，通过更换相应的配件，可以匹配不同的应用场合，虽然应用范围相对较广，但在一些特殊要求的场合会受到很大的局限。例如，这些机械夹爪张开和闭合动作一般依靠电动(电机或电磁铁驱动)或气动(需要气缸)提供动力，使得在体积上相对较大，制造成本也较高，在空间受限的环境下，无法安装多个夹爪进行工作。所以，在一些特殊工况要求下，常见的机械夹爪在空间大小、制造成本上很难满足要求。此外，由于这类夹爪都带有活动部件，需要定期进行维护，以保证其工作的长期稳定性和可靠性，这一点也使其具有一定的使用局限性。

自动化医疗仪器设备领域，机械夹爪通常用来操作一些试管或类似的物件，需要将试管在不同工位间进行快速转移。对于此类应用，机械夹爪的应用要求一般包括：1，要能实监测夹爪的工作状态，即感知是否成功完成试管的夹持和释放；2，由于自动化医疗仪器设备领域的特殊性，所要夹持的试管通常采用塑料或玻璃材质，不宜进行硬性操作，否则容易将试管夹碎，造成不可预知的后果；3，试管本身重量较轻，对机械夹爪的夹持力要求较低；4，由于经常要同时对多支试管进行同时操作，要求机械夹爪结构紧凑，能在有限的空间上安装多个装置；5，要能在长时间频繁操作的情况下，保持工作的稳定性和可靠性，尽可能需要少量日常维护或免维护。

技术实现要素：

为了达到上述目的，本发明提出一种试管夹持装置、带有试管夹持装置的移动平台及使用方法，其使用灵活、生产低成本、靠性高、可制造性强，使用该装置可以缩短仪器/设备的开发周期，减小产品的采购成本，减少产品的使用维护成本，适合大量使用在需要对试管或类似特征的物体转运操作的自动化仪器和装备。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种试管夹持装置，包括机械夹爪和压力传感器模块；所述机械夹爪用于夹持试管；所述压力传感器模块设置在机械夹爪工作面上，机械夹爪在夹持试管时产生的形变传导至压力传感器模块，使压力传感器模块产生相应的信号输出，用于监测机械夹爪的工作状态。

进一步地，所述机械夹爪包括设有开口的环形夹持部，其中，开口的尺寸小于待夹持试管被夹持部位的直径；所述机械夹爪的材料是金属或塑料。

进一步地，所述夹持部的横截面为带有缺口的圆形、带有缺口的近似圆形、带有缺口的椭圆形、带有缺口的正方形或者带有缺口的长方形中的任一种。

进一步地，所述压力传感器模块包括至少一个压力感应片型的压力传感器。

一种带有试管夹持装置的移动平台，包括：支撑架，设置在支撑架上的第一直线运动机构、圆周运动机构、第二直线运动机构和权利要求1-4中任一项所述的试管夹持装置；所述第一直线运动机构带动圆周运动机构在垂直方向做升降运动，圆周运动机构带动第二直线运动机构在水平面上做R轴转动；所述第二直线运动机构与试管夹持装置相连，带动试管夹持装置在水平方向做来回直线运动；所述第一直线运动机构、圆周运动机构、第二直线运动机构协作调整试管夹持装置在三维空间的位置和角度，用于夹取或者放置试管。

进一步地，所述第一直线运动机构包括第一驱动机构、第一连接块、设置在第一连接块上的第一传动单元和第二转轴；所述第一传动单元包括第一转轴和与第一转轴相配合的第一螺母，第一螺母设置在第一连接块上，或者包括第一导杆和与第一导杆相配合的滑块，第一滑块设置在第一连接块上；第二转轴穿过圆周运动机构，一端通过第一轴承与第一连接块相连，另一端与第二直线运动机构相连；第一驱动机构驱动第一传动单元中的第一螺母或者第一滑块在垂直方向做上下移动，从而带动第一连接块和连接在第一连接块上的第二转轴在在垂直方向做上下移动。

进一步地，所述圆周运动机构包括第二驱动机构、第二连接块、设置在第二连接块上的主动轮和从动轮；所述从动轮的内侧设有与第二转轴相连的第二螺母，第二转轴在第二螺母内可做升降直线运动，且第二螺母的转动可以带动第二转轴同步旋转；所述第二驱动机构安装在支撑架上，其驱动主动轮和从动轮转动，从动轮带动与其相连的第二转轴转动。

进一步地，所述第二直线运动机构包括第三驱动机构、第三连接块、设于第三驱动机构与试管夹持装置之间的第四连接块；第三驱动机构通过第三连接块与第二转轴的一端相连，并驱动第四连接块做往复直线运动。

一种带有试管夹持装置的移动平台的使用方法，包括以下步骤：

对第二直线运动机构进行初始化：第二直线运动机构通过移动机械夹爪，使机械夹爪处于一个安全位置，避免在第一直线运动机构和圆周运动机构运动时与其它物体产生干涉；

夹取试管前的定位：首先通过移动平台上的第一直线运动机构将试管夹持装置在垂直方向移动至设定的高度，然后通过圆周运动机构将试管夹持装置调整到设定的角度，得到夹取试管时试管夹持装置的最佳工作角度；

夹取试管：在完成高度和角度的设定后，第二直线运动机构中的第三驱动机构，驱动齿轮和齿条在水平方向做直线运动，将试管夹持装置上的机械夹爪从待夹取试管的侧面伸向待夹取的试管；试管卡入机械夹爪时，设置在机械夹爪上的压力应变片产生形变，并输出电信号，电信号用于判断机械夹爪的工作状态；

试管夹取动作完成后，第一直线运动机构驱动机械夹爪在垂直方向向上移动，直至试管完全脱离试管架；然后，第二直线运动机构通过移动机械夹爪，使被夹试管、包括第二直线运动机构本身，在第一直线运动机构和圆周运动机构的过去过程中，不会与其它物体发生干涉；

放置试管：当试管脱离试管架之后，通过圆周运动机构将机械夹爪移动到目标位置的角度，然后通过第二直线运动机构将机械夹爪夹持的试管放置到目标位置的正上方；最后通过第一直线运动机构将试管放入位于试管架上的目标位置中；当第二直线运动机构将机械夹爪从被夹持试管的侧面拉离开试管后，设置在机械夹爪工作面上的压力应变片发生形变，输出电信号，电信号用于判断机械夹爪的工作状态，确认试管释放成功；

第一直线运动机构、圆周运动机构和第二直线运动机构复位，使机械夹爪处于一个安全和待命状态，以便进行下一个试管传送的操作。

进一步地，所述试管架上设有若干个试管孔，试管在试管孔内可在轴向自由活动，试管的开口端离试管架的试管孔端口具有设定的距离，保证试管夹持装置上的机械夹爪夹取试管时无障碍。

本发明的有益效果：

(1)本发明的试管夹持装置是由机械夹爪和压力传感器共同组成的一种智能夹持装置，其结构简单，只需要三四个左右的零件就可以实现智能夹持的功能。

(2)本发明的夹持装置结构简单，易于批量生产，成本低，所需要压力传感器采用也是采用低成本的普通压力应变片，整机组装工艺要求低，质量检测工艺简单，整体造价低廉。相比其它同样功能的机械夹爪，空间结构大幅减小，易于在有限空间内多个同时使用，提高工作效率。

(3)本发明的夹持装置采用被动式的夹持原理，不会对被夹持物(试管或类似物体)造成物理/机械损伤，同时减少了零部件的使用，整个装置简单、可靠、免维护，可长期频繁使用。

(4)本发明的夹持装置采用了一种被动夹持方式，不需要额外的驱动装置；而常见的机械手都需要采用气缸(气动方式)或电机(电动方式)专门来驱机械手指的张开和闭合，这些属于主动夹持；而我们不需要电机和气缸，因此在实际使用中，对安装和运动空间的要求大大降低，且节省了成本，易于使用。

(5)本发明的夹持装置易于安装在各种移动平台上，可在二维、三维甚至多维空间上完全复杂的试管的转移操作。

(6)本发明的带有试管夹持装置的移动平台其结构简单，操作方便，智能化程度高。

(7)本发明的带有试管夹持装置的移动平台的使用方法，操作简单，能够大大节约夹取时间。

附图说明

图1为本发明一种实施例的夹持装置结构示意图。

图2为本发明一种实施例的夹持装置准备工作时的结构示意图。

图3为本发明一种实施例的夹持装置夹取试管时的结构示意图。

图4为本发明一种实施例的夹持装置提升使试管脱离试管架的结构示意图。

图5为本发明一种实施例的夹持装置将试管转移至目标位置上方的结构示意图。

图6为本发明一种实施例的夹持装置将试管位置下降放置到管孔中的结构示意图。

图7为本发明一种实施例的夹持装置的机械夹爪脱离试管复位至等待状态的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例一

如图1所示，一种试管夹持装置，包括机械夹爪105和压力传感器模块；所述机械夹爪105用于夹持试管；所述压力传感器模块设置在机械夹爪105工作面上，机械夹爪105在夹持试管时产生的形变传导至压力传感器模块，使压力传感器模块产生相应的信号输出，用于监测机械夹爪105的工作状态(空载/夹持)。其结构紧凑和能实时检查有没有夹到试管。

在本发明的优选实施例中，所述机械夹爪105包括设有开口的环形夹持部，其中，开口的尺寸小于待夹持试管被夹持部位的直径；所述机械夹爪105的材料是金属或塑料。机械夹爪105夹取试管的过程为：利用外力和机械夹爪105上的开口，从侧面将待夹取的试管挤进机械夹爪105内，使得机械夹爪105圈住试管，并依靠夹爪材料的弹性来固定试管,或者通过在试管被夹持部位设置相应的槽口，以保证不会出现试管滑落的情况；机械夹爪105放置试管的过程为：利用外力和机械夹爪105上的开口，使得机械夹爪105直接从侧面抽走，使机械夹爪105与试管脱离。

因此，本发明的夹持装置采用被动式的夹持原理，不会对被夹持物(试管或类似物体)造成物理/机械损伤，同时减少了零部件的使用，整个装置简单、可靠、免维护，可长时间高频率使用；且本发明的夹持装置采用了一种被动夹持方式，不需要额外的驱动装置；而常见的机械手都需要采用气(油)缸(气动方式)或电机(电动方式)专门来驱机械手指的张开和闭合，这些属于主动夹持；而我们不需要电机和气缸或其它动力供应装置，因此在实际使用中，对安装和运动空间的要求大大降低，且节省了成本，易于使用。

在本发明的优选实施例中，所述夹持部的横截面为带有缺口的圆形、带有缺口的近似圆形、带有缺口的椭圆形、带有缺口的正方形或者带有缺口的长方形中的任一种，还可以是其他的任意与待夹取的试管的截面形状相同的形状；夹持部的横截面具体的形状可以根据待夹取的试管的实际形状来确定。

在本发明的优选实施例中，所述压力传感器模块包括至少一个压力感应片型的压力传感器103，压力传感器103通过压力应变片引线102将信号输出到压力检测装置，压力感应区104如图1中所示；在本发明的其他优选实施例中，在不需要对工作状态进行监测的要求下，可以不用压力传感器。在本发明的其他实施例中，所述压力传感器模块可以包括2个、3个或者更多个压力感应片型的压力传感器103，具体数量根据实际需要设定。

在本发明的优选实施例中，所述试管夹持装置还包括安装柄101，安装柄101用于与一维或多维的移动平台固定，用于在任意空间位置执行试管夹持或释放操作。

实施例二

如图2所示，一种带有试管夹持装置的移动平台，包括支撑架，设置在支撑架上的第一直线运动机构、圆周运动机构、第二直线运动机构和权利要求1-4中任一项所述的试管夹持装置；所述第一直线运动机构带动圆周运动机构在垂直方向做升降运动，圆周运动机构带动第二直线运动机构在水平面上做R轴转动；所述第二直线运动机构与试管夹持装置相连(优选地，第二直线运动机构的端部通过第四连接块203与试管夹持装置相连)，带动试管夹持装置在水平方向做来回直线运动；所述第一直线运动机构、圆周运动机构、第二直线运动机构协作调整试管夹持装置在三维空间的位置和角度，用于夹取或者放置试管。

移动平台以水平面为基准，第一直线运动机构可以做垂直于基准面的上下的直线移动；圆周运动机构可以在平行于基准面的平面内做圆周转动；第二直线运动机构可以在圆周运动机构和第一直线运动机构所确定的平行于基准面的平面内做直线移动。试管夹持装置固定在第二直线运动机构的一端，所述第一直线运动机构、圆周运动机构、第二直线运动机构的共同配合，使得试管夹持装置在一定的三维空间范围内进行试管的夹取、转移和释放。

在本发明的优选实施例中，所述第一直线运动机构包括第一驱动机构211、第一连接块212、设置在第一连接块212上的第一传动单元和第二转轴；所述第一传动单元包括第一转轴和与第一转轴相配合的第一螺母，第一螺母设置在第一连接块212上，或者包括第一导杆和与第一导杆相配合的滑块，第一滑块设置在第一连接块212上；第二转轴的一端通过第一轴承与第一连接块212相连，其另一端用于与穿过圆周运动机构与第二直线运动机构相连；第一驱动机构211驱动第一传动单元中的第一螺母或者第一滑块在垂直方向做上下移动，从而带动第一连接块212和连接在第一连接块212上的第二转轴在在垂直方向做上下移动。

进一步地，所述第一直线运动机构还包括限位传感器(包括：光电开关、电容式开关、磁感应开关、机械式开关)作限位或复位；具体地，所述第一驱动机构211为第一电机，第一转轴202为丝杆，第二转轴201为花键轴，第一螺母为丝杆螺母，第一电机提供动力，通过同步轮同步带驱动丝杆转动，带动丝杆螺母根据第一电机转向不同而上下移动。丝杆螺母通过第一连接块212(丝杆螺母/花键轴连接块)带动花键轴作垂直方向的上下移动；或者在本发明的其他实施例中，所述第一驱动机构211为第一电机，第一导杆为直线导轨，第二转轴201为花键轴，第一电机提供动力，驱动滑块根据第一电机转向不同而在直线导轨上上下移动，滑块通过第一连接块212带动花键轴作垂直方向的上下移动。

在本发明的优选实施例中，所述圆周运动机构包括第二驱动机构209、第二连接块、设置在第二连接块上的主动轮214、从动轮215和同步带216；所述从动轮的内侧设有与第二转轴相连的第二螺母(当第二转轴为花键轴的时候，第二螺母为花键螺母)，第二转轴在第二螺母内可做升降直线运动，且第二螺母的转动可以带动第二转轴同步旋转；所述第二驱动机构209安装在支撑架上，其驱动主动轮和从动轮转动，从动轮带动与其相连的第二转轴转动。进一步地，所述圆周运动机构还包括限位传感器210(复位光开关)作限位或复位。具体地，第二驱动机构209为第二电机，主动轮通过同步带带动从动轮转动。第二电机209提供动力，通过主动轮、同步带、和从动轮带动第二螺母(花键螺母)的转动，第二螺母转动的方向由第二电机旋转的方向决定，花键螺母的转动会带动花键轴的转动。

所述第二直线运动机构包括第三驱动机构208、第三连接块、设置在第三连接块内的齿轮和齿条、设于第三驱动机构与试管夹持装置之间的第四连接块；第三驱动机构208通过第三连接块与第二转轴的一端相连，并驱动齿轮带动齿条在水平方向做来回直线运动，齿条的其中一端通过第四连接块与试管夹持装置相连，从而驱动第四连接块和试管夹持装置做往复直线运动。进一步地，所述第二直线运动机构还包括限位传感器(复位光开关)作限位或复位，第三驱动机构208为第三电机，第三电机转动通过齿轮传动到齿条，使齿条作直线运动，方向由第三电机转动的方向决定。当试管夹持装置固定在第二直线运动机构上的齿条或圆齿棒一端时，通过第二直线运动机构的直线移动，可以实现试管夹取或释放。

一种带有试管夹持装置的移动平台的使用方法，包括以下步骤：

对第二直线运动机构进行初始化：第二直线运动机构通过移动伸缩夹爪，使夹爪处于一个安全位置，避免在第一直线运动机构和圆周运动机构运动时与其它物体产生干涉；

第一直线运动机构、圆周运动机构、第二直线运动机构基准位置的复位：分别由与它们相对应的各限位传感器实现它们初始位置的确定；

夹取试管前的定位：首先通过移动平台上的第一直线运动机构将试管夹持装置在垂直方向移动至设定的高度，然后通过圆周运动机构将试管夹持装置调整到设定的角度，得到夹取试管时试管夹持装置的最佳工作角度；

如图3所示，夹取试管：在完成高度和角度的设定后，第二直线运动机构中的第三驱动机构208，驱动试管夹持装置在水平方向做直线运动，从待夹取试管的侧面伸向待夹取的试管(即驱动齿轮(图中未示出)和齿条217在水平方向做直线运动，将试管夹持装置上的机械夹爪伸向待夹取的试管)；试管卡入机械夹爪时，设置在机械夹爪上的压力应变片产生形变，并输出电信号，电信号用于判断机械夹爪的工作状态；

试管夹取动作完成后，第一直线运动机构驱动机械夹爪在垂直方向向上移动，直至试管完全脱离试管架205，如图4所示；

放置试管：当试管脱离试管架205之后，通过圆周运动机构将机械夹爪移动到目标位置的角度，然后通过第二直线运动机构将机械夹爪夹持的试管放置到目标位置的正上方，如图5所示；最后通过第一直线运动机构将试管放入位于试管架上的目标孔位中，如图6所示；当机械夹爪离开试管206后，设置在机械夹爪工作面上的压力应变片发生形变，输出电信号，电信号用于判断机械夹爪的工作状态，确认试管206释放成功；

如图7所示，第一直线运动机构、圆周运动机构和第二直线运动机构复位，使机械夹爪处于一个安全和待命状态，以便进行下一个试管206传送的操作。

所述试管架205上设有若干个试管孔204，试管206在试管孔204内可在轴向自由活动，试管206的开口端离试管架205的试管孔204端口具有设定的距离，保证试管夹持装置上的机械夹爪105夹取试管时无障碍。

一种带有试管夹持装置的移动平台的使用方法在自行化系统的自检中的应用，用于在机器或设备的开机阶段，清除各工位上的无效试管，建立新的工作状态，避免在设备运动过程中发生错误，导致不可预知的异常情况。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。