施 展，譚曉東，類延磊

（1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028；2.中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧大連 116028）

0 引言

科研試驗(yàn)中，某些材料在大氣環(huán)境下容易發(fā)生氧化、潮解，這給試驗(yàn)材料的化學(xué)反應(yīng)和預(yù)處理帶來了很大的難度，從而影響試驗(yàn)過程和試驗(yàn)效果[1]。利用真空手套箱（又稱真空惰性氣體維護(hù)箱），通過向容器中注入高純度的惰性氣體，再對其中的水、氧和有機(jī)氣體進(jìn)行再循環(huán)過濾，能夠解決上述問題。過渡室是主箱體與本體外側(cè)的過渡空間，它包含2 個密封門、2 個閥門以及1 個室體。這2 扇門可以將主箱與外部的一切都隔離開來，讓主體和外部的一切都可以在主箱體與大氣隔絕的情況下進(jìn)出，從而避免主箱體內(nèi)多次抽空、充氣的問題[2-3]。

目前生物自動化實(shí)驗(yàn)中手套箱內(nèi)外均可實(shí)現(xiàn)自動化操作，過渡室作為中間環(huán)節(jié)仍采用人工操作，效率較低并且容易誤操作，采用自動化過渡室模式可以解決該問題，并且能有效保證物品運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性，同時可以提高速度[4]。

本文針對生物實(shí)驗(yàn)中試劑孔板易變形、運(yùn)輸過程樣本易交叉污染的問題設(shè)計(jì)定位夾具，免去人工過程放入手套箱內(nèi)部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，以保證試劑孔板放置的便捷性及定位的精確性，并與過渡室系統(tǒng)配套使用[5]。當(dāng)試劑放入孔板后，將孔板放入定位夾具，即可實(shí)現(xiàn)流程化運(yùn)輸，符合德國工業(yè)4.0 與中國制造2025 的大潮流。本文旨在通過實(shí)現(xiàn)試劑孔板的自動放置以及過渡室的自動化來優(yōu)化手套箱系統(tǒng)，給現(xiàn)有系統(tǒng)提供更加合理的方案。

1 過渡室系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)針對的抓取對象為PCR 試劑板，其尺寸為125 mm×85 mm×16 mm，質(zhì)量可忽略不計(jì)。為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室自動化和高效率傳輸，設(shè)計(jì)了新式手套箱過渡室，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。為保證試劑板安裝方便并精確定位，設(shè)計(jì)了孔板定位夾具，試劑板運(yùn)輸部分采用直線電機(jī)。過渡室艙門開啟后，將裝有試劑板的夾具放置在托盤上，待艙門關(guān)閉且過渡室內(nèi)傳感器檢測氣體過濾完成后，開啟內(nèi)艙門，由機(jī)械臂抓取夾具放置試劑板于手套箱內(nèi)部。過渡室尺寸為1 300 mm×1 200 mm×1 200 mm，可放置大多數(shù)物品。根據(jù)其功能，本文將過渡室分為5部分：孔板定位夾具、過渡室底座、快開門機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

2 主要硬件組成

2.1 孔板定位夾具

隨著生物自動化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，需要有能夠快速處理承載液體樣本的孔板，現(xiàn)設(shè)計(jì)孔板定位夾具用于安全快速地移動孔板。常見孔板規(guī)格如表1 所示。當(dāng)液體樣本放入孔板后，首先用封膜機(jī)進(jìn)行熱壓、密封，再把孔板裝入夾具中?？装宥ㄎ粖A具如圖2 所示，孔板底部四周有傾斜角，既方便孔板放入，又使孔板與基座能夠準(zhǔn)確配合和定位；上蓋板通過阻尼合頁與下底座連接，蓋板對孔板進(jìn)行上下方固定，并且蓋板蓋上后將通過霍爾開關(guān)傳感器反饋，若反饋說明孔板放置平整，即可進(jìn)行后續(xù)操作。蓋板中間空出的區(qū)域方便裝夾后對液體樣本取樣，并能夠適應(yīng)絕大多數(shù)多孔孔板尺寸。夾具一端留有工字形區(qū)域，方便后面機(jī)械臂抓取。同時，夾具的設(shè)計(jì)有利于對孔板水平型的監(jiān)測，以防由于機(jī)構(gòu)晃動導(dǎo)致孔板內(nèi)液體混撒在一起，影響實(shí)驗(yàn)。

表1 常見孔板尺寸

圖2 孔板定位夾具

圖3 過渡室底座

2.2 過渡室底座

如圖3 所示，過渡室底座為可移動式平臺，由直線電機(jī)驅(qū)動，直線電機(jī)是一種采用扁平設(shè)計(jì)并與從動負(fù)載直接耦合的電機(jī)。由于消除了對機(jī)械傳動組件的使用，所以它具有卓越的性能、剛性、動態(tài)速度與加速度、定位精度以及運(yùn)行效率。此外，直接驅(qū)動直線電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲低，無需維護(hù)，運(yùn)行平穩(wěn)。孔板定位夾具可以在過渡室底座的帶動下完成沿直線方向的位移及由外艙門到內(nèi)艙門部分的運(yùn)輸。底座具有通用性，可以根據(jù)運(yùn)輸物品的不同更換不同托盤，供不同物品運(yùn)輸使用，因此運(yùn)輸物品的最大限制因素是過渡室整體尺寸。

2.3 快開門機(jī)構(gòu)

快開門機(jī)構(gòu)由電缸、導(dǎo)軌及密封門組成，如圖4 所示，分為內(nèi)外兩艙門。過渡室是手套箱與外界的橋梁，如將物件放入主箱體，電缸一驅(qū)動外艙門打開，將孔板連同夾具放置于底座指定位置，隨后外門關(guān)閉，利用過渡室上的2 個閥門進(jìn)行抽氣和充氣，待過渡室內(nèi)傳感器判斷箱體和過渡室內(nèi)的壓力與大氣壓基本平衡后，電缸二將驅(qū)動里面的門開啟[6]。

圖5 機(jī)械臂

圖4 快開門機(jī)構(gòu)

2.4 機(jī)械臂系統(tǒng)與末端執(zhí)行器

在諸多科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，很多實(shí)驗(yàn)不能僅依靠實(shí)驗(yàn)員的手動操作來完成，如微納級實(shí)驗(yàn)、生物醫(yī)療實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)均需要精密操作。因此，有必要在手套箱中使用固定基座的機(jī)械臂來輔助完成實(shí)驗(yàn)。機(jī)械臂，又稱工業(yè)機(jī)器人，是一種多用途機(jī)器，可以完成與人類手臂相似的工作，如圖5所示。由于機(jī)械臂需要進(jìn)行精密操作，其速度、精度以及穩(wěn)定性要求較高，尤其在手套箱用于生物等領(lǐng)域的地方。

當(dāng)孔板連同夾具到達(dá)指定區(qū)域后，將由末端執(zhí)行器夾取孔板放置在指定區(qū)域。本文所設(shè)計(jì)的執(zhí)行器如圖5所示，其工作原理：機(jī)械手推動末端執(zhí)行器到達(dá)孔板夾具工字形區(qū)域，末端執(zhí)行器電缸收縮，帶動連桿做杠桿運(yùn)動，杠桿帶動夾爪在滑軌內(nèi)向移動，夾爪通過力傳感器確定加緊夾具工字形區(qū)域，然后帶動孔板移動。由于孔板多為塑料材質(zhì)，使用力傳感器可以控制夾持力的大小，防止其被夾壞。

2.5 傳感器系統(tǒng)

該系統(tǒng)使用了各種傳感器來驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行狀況，包含真空傳感器、氮?dú)鈧鞲衅鳌⒐怆妭鞲衅?、毫米波雷達(dá)傳感器、氧傳感器、壓力傳感器。由傳感器獲取的數(shù)據(jù)將被傳輸?shù)絇LC，執(zhí)行安全檢查和控制邏輯，通過PLC調(diào)控，可確保系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定的工作。

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)的硬件組成如圖6 所示，本系統(tǒng)包含觸摸屏控制以及遠(yuǎn)程PLC 客戶端控制[7-8]。PLC 的選型定為西門子S7-1200DC∕DC∕DC， 因?yàn)橄到y(tǒng)涉及多個電機(jī)的控制，而該產(chǎn)品具備硬件設(shè)計(jì)緊湊、擴(kuò)展性強(qiáng)、通信功能強(qiáng)大、集成性好、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，符合實(shí)際使用中的要求；觸摸屏選擇SIPLUS KTP1000 Basic，該觸摸屏為10.4 寸顯示屏，640 pixel×480 pixel，有8 個功能鍵，可以進(jìn)行按鍵和觸摸操作、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示以及HMI 端控制[9]；采用RS485 通信，中央控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制，產(chǎn)品為施耐德Modicon M340，可通過Profinet 協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)議服務(wù)器和客戶端之間的數(shù)據(jù)交換和控制；S7-1200 為服務(wù)器，能將指定的數(shù)據(jù)間隔開放。綜上，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程讀取、監(jiān)控和控制[10]。

同時，該系統(tǒng)還包含了大量的傳感器，毫米波傳感器用于確認(rèn)是否有障礙物影響外門開啟；光電開關(guān)用于檢測過渡室托盤是否到達(dá)指定位置并計(jì)算運(yùn)輸數(shù)量；壓力傳感器用于檢測試劑盒是否放置平整；氣壓傳感器用于判斷過渡室內(nèi)外艙門是否達(dá)到開啟條件；氧傳感器用于判斷本體內(nèi)氣體處理是否達(dá)標(biāo)；安全光柵用于檢測機(jī)械臂工作時是否會與人工操作發(fā)生碰撞，從而保證人身安全；激光位移傳感器用于檢測機(jī)械手抓對物品的抓取情況以及確認(rèn)系統(tǒng)的工作空間尺寸以及姿態(tài)，以控制機(jī)械手進(jìn)行合理放置[11-12]。

3.2 系統(tǒng)控制流程

整個系統(tǒng)的控制流程如下：毫米波傳感器檢測無物體干涉后，電缸一運(yùn)動，過渡室外艙門開啟，待艙門到指定位置后觸發(fā)光電傳感器，電缸停止運(yùn)動；過渡室底座到達(dá)工作位置后，放置試劑盒于底座，底座壓力傳感器確認(rèn)試劑盒放置平整，關(guān)閉外艙門；過渡室氣泵啟動，待主箱體和過渡室內(nèi)的壓力基本平衡，氣泵停止工作，同時底座由直線電機(jī)驅(qū)動到靠近內(nèi)艙門位置處，電缸二運(yùn)動，內(nèi)艙門開啟，機(jī)械臂到達(dá)指定位置后，機(jī)械手爪運(yùn)動，抓取試劑盒至指定位置放置，同時光電傳感器計(jì)數(shù)加一，PLC 通過脈沖輸出控制系統(tǒng)重復(fù)上述工作。

圖7 工藝流程

4 機(jī)械臂分析及仿真

機(jī)械臂作為真空手套箱內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行參數(shù)校核，進(jìn)而證明結(jié)構(gòu)的合理性[13]。本節(jié)應(yīng)用最為廣泛的D-H 參數(shù)法對機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，并用MATLAB軟件對結(jié)果進(jìn)行仿真，繪制出機(jī)械臂工作空間點(diǎn)云圖[14]。

4.1 機(jī)械臂正運(yùn)動學(xué)

所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂具有4自由度，為4個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。按照標(biāo)準(zhǔn)D-H 法建立機(jī)械臂坐標(biāo)系，如圖8所示，連桿DH參數(shù)如表2所示。

圖8 機(jī)械臂D-H坐標(biāo)系

表2 機(jī)械臂D-H參數(shù)

根據(jù)定義，相鄰連桿坐標(biāo)系的齊次變換矩陣為：

將表2數(shù)據(jù)代入式（1）可得齊次變換矩陣：

將求得的各坐標(biāo)系齊次變換代入式（2）得運(yùn)動學(xué)正解：

4.2 機(jī)械臂工作空間分析

由上一節(jié)求解可得px、py、pz，進(jìn)而通過蒙特卡羅法對各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)范圍進(jìn)行取值，求取機(jī)械臂末端位姿，所得的集合即為機(jī)械臂工作空間[15]。在旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，通過MATLAB 中rand 函數(shù)隨機(jī)取值，將所得的隨機(jī)變量代入px、py、pz，求解末端的位置向量，并將隨機(jī)結(jié)果生成向量集合，取的隨機(jī)值越多，結(jié)果越接近真實(shí)情況。具體結(jié)果如圖9 所示。由圖可知，末端坐標(biāo)系可完全覆蓋手套箱內(nèi)部空間，因此符合設(shè)計(jì)要求。同時，在作業(yè)區(qū)邊緣處設(shè)置光柵等傳感器防護(hù)措施，確保作業(yè)過程中不會發(fā)生與外部設(shè)備或工作人員的碰撞，為作業(yè)環(huán)境的設(shè)定提供了重要依據(jù)。

圖9 機(jī)械臂三維空間可達(dá)性

5 結(jié)束語

本文將快開門過渡室、直線電機(jī)底座等結(jié)構(gòu)與四自由度機(jī)械臂相結(jié)合，并設(shè)計(jì)專用夾具用于試樣裝載，最后通過D-H 法對運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的合理性，最終得出結(jié)論如下：

該裝置能通過PLC 系統(tǒng)自動判斷內(nèi)部氣體環(huán)境，無需使用人工排氣與讀表，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程讀取、監(jiān)控和控制；試樣進(jìn)入過渡室后能實(shí)現(xiàn)試樣自動放置，內(nèi)部以機(jī)械臂操作，保證了試劑運(yùn)輸?shù)陌踩约胺胖梦恢玫臏?zhǔn)確性；機(jī)械臂結(jié)構(gòu)合理且末端執(zhí)行器可進(jìn)行更換，提高了手套箱的適用性。

綜上所述，該裝置打破了市面上手套箱過渡室仍需人工大量操作的現(xiàn)狀，能夠避免誤操作，實(shí)現(xiàn)了高度自動化，適用于大部分生物實(shí)驗(yàn)室。