楊增帥， 謝松華， 趙國(guó)慶， 謝康明， 羅 沉， 胡光輝， 朱瑞敏

(上海電氣慧程智能系統(tǒng)有限公司， 上海 201615)

凍存管是一種保存生物樣本的常用器皿，其消耗量巨大且衛(wèi)生要求高。凍存管通常采用有螺紋的旋蓋來(lái)進(jìn)行密封。凍存管開(kāi)關(guān)蓋前后一般都按要求放置在標(biāo)準(zhǔn)排布的板架中，因此凍存管開(kāi)關(guān)蓋成為一項(xiàng)非?？菰锖头爆嵉墓ぷ?，并且人工擰緊還存在樣本污染、氣溶膠傳播等風(fēng)險(xiǎn)。隨著醫(yī)學(xué)研究對(duì)生物樣本的收集、保存和應(yīng)用的需求日益增加，高質(zhì)量大規(guī)模生物樣本庫(kù)得到逐步推廣，在生物樣本庫(kù)中，往往要一次性處理大量的生物樣本。凍存管的批量自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋作業(yè)也成為了關(guān)鍵一環(huán)[1]3,[2-4]。

1 研究對(duì)象分析

美國(guó)分子生物科學(xué)協(xié)會(huì)(SBS)的標(biāo)準(zhǔn)凍存管是被廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品之一。目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的凍存管主要有內(nèi)旋蓋和外旋蓋凍存管，容量為0.5～15.0 mL。凍存管需放置在板架內(nèi)，其中，96孔板架上每個(gè)孔距為9 mm，按8行×12列方式排列。其他規(guī)格板架參考該間距進(jìn)行整倍數(shù)的放大或縮小，均稱(chēng)為SBS標(biāo)準(zhǔn)排布[5]。

1.1 凍存管的形態(tài)分析

課題組以0.75 mL內(nèi)旋蓋凍存管、標(biāo)準(zhǔn)96孔SBS板架為研究對(duì)象。圖1為0.75 mL內(nèi)旋蓋凍存管，主要由管蓋、密封圈、管體和套殼4部分組成。管蓋設(shè)有八芒星形狀空腔，方便自動(dòng)化開(kāi)關(guān)蓋；管體呈圓錐體，套殼鏤空設(shè)計(jì)，方便觀察液面高度，非鏤空部分設(shè)條形碼，底部錐體處設(shè)置4條筋條，底面設(shè)二維碼。主要特征尺寸為：L1=35.5 mm，L2=27 mm，L3=14.2 mm，L4=6.5 mm，D1=8.5 mm，D2=5.5 mm。

圖1 凍存管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 標(biāo)準(zhǔn) 96孔SBS板架的形態(tài)

96孔SBS板架主要參數(shù)為L(zhǎng)×W×H=127.76 mm×85.48 mm×19.05 mm；孔排列數(shù)量為96(8×12)個(gè)；相鄰孔間距為P×P=9 mm×9 mm?？椎牡撞坑?個(gè)筋條，可限制凍存管的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)96孔SBS板架結(jié)構(gòu)

1.3 應(yīng)用場(chǎng)景分析

凍存管常用于血液和尿液等樣本的分裝存儲(chǔ)，樣本自收集到使用結(jié)束的整個(gè)生命周期一般包括前處理、檢測(cè)、后處理、物流管理和垃圾處理。在前處理和后處理的過(guò)程中均需開(kāi)啟和閉合蓋子。在開(kāi)啟和閉合蓋子時(shí)，為避免人為因素造成的樣本污染和交叉污染，保證開(kāi)關(guān)蓋效率，需減少樣本前處理與后處理時(shí)間。

2 開(kāi)關(guān)蓋機(jī)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的工藝需求，開(kāi)關(guān)蓋機(jī)應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：

1) SBS板架上所有凍存管同時(shí)開(kāi)關(guān)蓋。

2) 在執(zhí)行關(guān)蓋操作時(shí)，管蓋需要旋回原管體。同一批凍存管規(guī)格相同，管蓋具有互換性，為避免樣本的交叉污染，管蓋必須旋回原管體。

3) 開(kāi)關(guān)蓋效率盡量的高。

4) 發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，須有報(bào)警。

5) 關(guān)蓋需要保證凍存管完全密封。即保證凍存管蓋旋緊的力矩一致且可以控制。

6) 兼容人機(jī)交互與自動(dòng)化需求。

2.2 工作流程

開(kāi)關(guān)蓋機(jī)開(kāi)蓋動(dòng)作過(guò)程：給料—定位—信息確認(rèn)—開(kāi)蓋—轉(zhuǎn)移板架。開(kāi)關(guān)蓋機(jī)關(guān)蓋動(dòng)作過(guò)程：移回板架—定位—信息確認(rèn)—關(guān)蓋—轉(zhuǎn)移板架。在開(kāi)蓋過(guò)程結(jié)束后，管蓋將一直懸掛保存在開(kāi)蓋機(jī)中，保證開(kāi)關(guān)蓋機(jī)下一步只能繼續(xù)進(jìn)行關(guān)蓋操作。

2.3 基本方案設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)蓋機(jī)主要有托板組件、開(kāi)關(guān)蓋組件、推蓋板組件、框架與外殼及交互與控制系統(tǒng)等。

托板組件僅設(shè)上下料工位和開(kāi)關(guān)蓋工位。開(kāi)蓋操作時(shí)，托板組件從開(kāi)關(guān)蓋機(jī)中伸出到上下料工位，將96孔SBS板架放置在開(kāi)關(guān)蓋機(jī)的托板組件中。托板組件收回到開(kāi)關(guān)蓋工位，開(kāi)關(guān)蓋組件開(kāi)始工作，將管蓋旋開(kāi)，并懸掛。托板組件將開(kāi)完蓋的板架送出到上下料工位。將板架轉(zhuǎn)移到其他設(shè)備中進(jìn)行操作(例如液體工作站)。關(guān)蓋操作時(shí)，將板架重新放回托板組件，托板組件將待關(guān)蓋的板架送回開(kāi)關(guān)蓋工位，開(kāi)關(guān)蓋組件與推蓋板組件配合執(zhí)行關(guān)蓋任務(wù)，托板組件將關(guān)蓋的板架送回上下料工位，待取走板架后，托板組件復(fù)位到開(kāi)蓋機(jī)內(nèi)部。開(kāi)關(guān)蓋機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 開(kāi)關(guān)蓋機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

開(kāi)關(guān)蓋機(jī)設(shè)置觸摸屏，顯示工作狀態(tài)，報(bào)警信息等，實(shí)現(xiàn)人工控制；設(shè)置通信接口，方便自動(dòng)化線的搭建。

3 關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)關(guān)蓋組件

開(kāi)關(guān)蓋組件主要包括：動(dòng)力源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(離合器組件、張緊機(jī)構(gòu))和批頭，整個(gè)開(kāi)關(guān)蓋組件在升降模組的驅(qū)動(dòng)下完成上下位移。當(dāng)開(kāi)蓋時(shí)，開(kāi)關(guān)蓋組件下降，在批頭插入凍存管蓋時(shí)，先順時(shí)針轉(zhuǎn)30°，確保每個(gè)批頭都能可靠地插入管蓋內(nèi)。再逆時(shí)針旋開(kāi)凍存管蓋。 開(kāi)蓋結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，96個(gè)管蓋是否全部開(kāi)啟，如有異常系統(tǒng)會(huì)報(bào)警。開(kāi)關(guān)蓋組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)蓋組件結(jié)構(gòu)示意圖

關(guān)蓋操作時(shí)：攜帶凍存管管蓋的批頭跟隨升降模組在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下緩緩下降，管蓋接觸管體時(shí)，動(dòng)力源提供動(dòng)力，通過(guò)離合器組件旋緊管蓋蓋子。由于此時(shí)管蓋還通過(guò)八芒星形狀空腔與批頭連接在一起，，然后推蓋板組件下壓，批頭跟隨升降模組上升，使凍存管脫離批頭保持在板架中[1]6-7。

3.2 扭矩控制離合器

扭矩控制離合器是開(kāi)蓋和關(guān)蓋過(guò)程的重要部件。當(dāng)關(guān)蓋時(shí)，若扭力太小，凍存管密封不嚴(yán)，若扭力太大，會(huì)損壞凍存管。如圖5所示，扭矩控制離合器包含轉(zhuǎn)軸、同步輪、彈簧座、彈簧、棘輪等。棘輪的棘齒一面是斜面、另一面是垂直面。開(kāi)蓋時(shí)，棘齒的垂直面與受力方向垂直，可為開(kāi)蓋提供足夠的扭力。當(dāng)關(guān)蓋時(shí)，棘齒的斜面與受力方向是傾斜的，在彈簧的作用下，蓋子擰緊之后棘輪跳齒，限制了傳遞的扭力最大值[1]4。

圖5 離合器結(jié)構(gòu)

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)蓋機(jī)控制系統(tǒng)基于Trinamic公司的TMCM-3351-TMCL電機(jī)控制芯片，步科GR070E觸摸屏，鳴志步進(jìn)電機(jī)及空心杯電機(jī)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)電機(jī))等，開(kāi)關(guān)蓋機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[6-10]如圖6所示。控制芯片作為信息處理中心，與電機(jī)、觸摸屏信息交互，接收傳感器信號(hào)(位置、力矩和溫濕度等信息)，向蜂鳴器/指示燈輸出警報(bào)信息。通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)預(yù)留的通信接口，可實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)化線的集成，預(yù)留通信接口通過(guò)觸摸屏外接。開(kāi)蓋流程控制如圖7所示，開(kāi)蓋各動(dòng)作時(shí)間分配如表1所示，關(guān)蓋流程控制如圖8所示，關(guān)蓋各動(dòng)作時(shí)間分配如表2所示。

圖6 開(kāi)關(guān)蓋機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖7 開(kāi)關(guān)蓋機(jī)開(kāi)蓋框圖

圖8 開(kāi)關(guān)蓋機(jī)關(guān)蓋框圖

表1 開(kāi)蓋動(dòng)作時(shí)間分配表

表2 關(guān)蓋動(dòng)作時(shí)間分配表

4 開(kāi)關(guān)蓋試驗(yàn)與分析

本機(jī)作為研發(fā)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)基本測(cè)試后，進(jìn)行了4組試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)記錄表

第1組試驗(yàn)共進(jìn)行了115次開(kāi)、關(guān)操作，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)13次死機(jī)現(xiàn)象，每次死機(jī)均在開(kāi)蓋動(dòng)作啟動(dòng)的瞬間；在失敗的13次試驗(yàn)中，還有2次出現(xiàn)了1只凍存管未開(kāi)蓋成功的現(xiàn)象。這2只未成功開(kāi)蓋的凍存管處于板架不同位置。經(jīng)分析，出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象原因?yàn)殡姎饪刂破鬟\(yùn)行需要一定的時(shí)間，而操作人員點(diǎn)擊屏幕過(guò)快，導(dǎo)致系統(tǒng)不能及時(shí)響應(yīng)。凍存管未開(kāi)蓋成功的原因有2個(gè)：①扭矩離合器加工精度不夠，需要一定的磨合期；②因?yàn)榻?jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)、關(guān)蓋，使個(gè)別凍存管或板架底部發(fā)生磨損。

重新對(duì)控制程序進(jìn)行編制，檢查并更換合格的扭矩離合器、凍存管和板架后進(jìn)行第2組試驗(yàn)。連續(xù)98次開(kāi)、關(guān)蓋無(wú)運(yùn)行差錯(cuò)；2次出現(xiàn)有1個(gè)凍存管未開(kāi)蓋成功現(xiàn)象，這2次是處于同一位置的同一個(gè)凍存管，經(jīng)更換凍存管后，故障排除。

第3組連續(xù)100次開(kāi)、關(guān)蓋無(wú)運(yùn)行差錯(cuò)；開(kāi)、關(guān)蓋成功率為100%。

第4組連續(xù)100次開(kāi)、關(guān)蓋無(wú)運(yùn)行差錯(cuò)；開(kāi)、關(guān)蓋成功率為100%。統(tǒng)計(jì)得，平均開(kāi)蓋運(yùn)行時(shí)間為每板15.8 s，平均關(guān)蓋運(yùn)行時(shí)間為每板28.4 s。

5 結(jié)語(yǔ)

課題組通過(guò)分析0.75 mL凍存管以及標(biāo)準(zhǔn)96孔SBS板架的外形特征以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景給定開(kāi)關(guān)蓋機(jī)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一種凍存管的開(kāi)關(guān)蓋方案，并進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)進(jìn)行功能驗(yàn)證與優(yōu)化。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)符合預(yù)期，平均開(kāi)蓋運(yùn)行時(shí)間為每板15.8 s，平均關(guān)蓋運(yùn)行速度時(shí)間為每板28.4 s，極大減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。并在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的使用效果。

另外，相較于目前市面上國(guó)外先進(jìn)的同類(lèi)型設(shè)備，該開(kāi)蓋機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性與之不相上下。課題組設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)蓋機(jī)很好地兼顧了手動(dòng)操作與自動(dòng)化操作模式，具有廣闊的市場(chǎng)前景。下一步，將對(duì)該開(kāi)關(guān)蓋機(jī)的開(kāi)關(guān)蓋組件進(jìn)行優(yōu)化，以兼容更多規(guī)格的凍存管及分布方式。