一种机械臂实验系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于代替人工自动完成常规实验室操作的机械臂实验系统，包含实验平台、XYZ机械臂、工具模组、台面元件和电气控制箱，其特征在于：1）所述X轴机械臂与实验平台表面平行，安装于实验平台后部或上方，优选安装于实验平台后部；（2）所述Y轴机械臂与X轴机械臂连接，方向垂直于X轴机械臂且平行于实验平台表面，可沿X轴机械臂移动；（3）所述Z轴机械臂与Y轴机械臂连接，方向垂直于平台表面，可沿Y轴机械臂移动；（4）所述工具模组安装于Z轴机械臂上；（5）所述台面元件安装于实验平台之上，以实现加热、搅拌、称重、测量等功能；（6）所述电气控制箱安装于实验平台的后部或下方。所述机械臂实验系统用于代替人工完成常见的实验室操作，减少劳动强度，降低劳动成本，大大提高实验效率。

A Mechanical Arm Experimental System

The invention provides a mechanical arm experimental system for replacing manual automatic completion of conventional laboratory operation, which comprises an experimental platform, an XYZ mechanical arm, a tool module, a mesa element and an electrical control box. Its features are as follows: 1) the X-axis mechanical arm is parallel to the surface of the experimental platform, installed at or above the experimental platform, and preferably installed at the back of the experimental platform; (2) the Y-axis machine. The arm is connected with the X-axis arm, which is perpendicular to the X-axis arm and parallel to the surface of the experimental platform, and can move along the X-axis arm; (3) the Z-axis arm is connected with the Y-axis arm, which is perpendicular to the surface of the platform, and can move along the Y-axis arm; (4) the tool module is installed on the Z-axis arm; (5) the platform element is installed on the experimental platform to realize the addition of the Y-axis arm. The functions of heat, stirring, weighing and measuring; (6) The electric control box is installed at the rear or below of the experimental platform. The mechanical arm experimental system is used to complete common laboratory operations instead of manual work, reduce labor intensity, reduce labor costs and greatly improve experimental efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种机械臂实验系统
本专利技术提供了一种用于实验室的自动化系统。具体而言，本专利技术提供了一种可以代替人工进行常规实验室操作的自动化机械臂实验系统。
技术介绍
在化学、化工、生物、医疗等领域，相关人员在进行理论验证、样品制备、样品表征、样品筛选、工艺条件优化等工作时经常需要进行大量的实验室工作。这些实验室工作主要由量取液体、量取固体、混合、加热、过滤等基本操作组合而成，目前通常由人工完成。这些重复性的操作不仅大量占用了工作人员的宝贵时间，影响了科研工作的效率，还导入了人工误差，严重影响了最终结果的准确性和可靠性。将工作人员从繁重的重复性操作中解放出来进行更有创造性的工作，同时提高实验室操作的准确性和可靠性，已经是许多实验室的当务之急。目前，已经有若干用于代替实验室人工操作的自动化系统。移液工作站是其中最为常见的一种，其用途是自动完成批量液体的量取和分配。许多知名的实验设备公司，如Eppendorf、Tecan等均有此类设备销售。中国专利（CN103846114A）提供了一种全自动移液工作站，由移液机构支架和数个移液机构组成，相对于现有技术具有运行噪音小、维护简单的特点。对于固体粉末的量取和分配，METTLERTOLEDO公司提供一种基于分析天平的自动进样器（QS30），可对30个容器定量添加固体粉末。CHEMSPEED公司的Swing自动加样系统将天平集成在可移动的机械手臂上，可以对不同位置的容器自动定量添加固体粉末。这些系统可代替人工完成液体量取或固体量取，但只能完成单一操作，因此仅适用于某些需要大批量液体或固体分配的场景，并不具有广泛的适用性。CHEMSPEED公司也提供了一种用于执行完整操作流程的系统（欧洲专利WO2017072351），可用于化学品的生产和测试。该系统包含至少两个操作站和一个自驱动运输小车，每个操作站用于执行一个工艺步骤，通过运输小车输送样品。该系统虽然能够实现多种操作的联用，但占地面积大、可扩展性差，并不适合普通实验室使用。综上，现有可用于实验室代替人工操作的设备和技术或者功能单一，或者过于庞大，无法满足大部分实验室的自动化需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种基于机械臂的新型自动化实验系统，可以代替人工自动完成常规实验室操作。所述的系统包含实验平台、XYZ机械臂、工具模组、台面元件和电气控制箱，其特征在于：（1）所述X轴机械臂与实验平台表面平行，安装于实验平台后部或上方，优选安装于实验平台后部；（2）所述Y轴机械臂与X轴机械臂连接，方向垂直于X轴机械臂且平行于实验平台表面，可沿X轴机械臂移动；（3）所述Z轴机械臂与Y轴机械臂连接，方向垂直于平台表面，可沿Y轴机械臂移动；（4）所述工具模组安装于Z轴机械臂上；（5）所述台面元件安装于实验平台之上，以实现加热、搅拌、称重、测量等功能；（6）所述的电气控制箱安装于实验平台的后部或下方。所述的XYZ机械臂是系统的主要运动部件，用于挂载工具模组，实现XYZ三个方向上的运动并实现特定功能。其中X轴机械臂与实验平台表面平行，安装于实验平台后部或上方，优选安装于实验平台后部；承托Y轴机械臂和Z轴机械臂的组件连接于X轴机械臂上，通过电机带动在X轴机械臂上运行。Y轴机械臂与X轴机械臂连接，方向垂直于X轴机械臂且平行于实验平台表面，可沿X轴机械臂移动；承托Z轴机械臂的组件连接于Y轴机械臂，通过电机带动在Y轴机械臂上运行。Z轴机械臂与Y轴机械臂连接，方向垂直于平台表面，可沿Y轴机械臂移动；Z轴机械臂承托于Y轴机械臂之上，可通过电机带动在垂直方向上运行。所述的XYZ机械臂之间通过导轨、滑杆或其他现有技术手段稳定连接，XYZ轴组件各自通过电机及传动机构带动运行。所述的电机可采用步进电机或伺服电机，优选步进电机。所述的传动机构可采用齿轮齿条、同步带、丝杠等方案。对于X轴与Y轴，优选采用同步带；对于Z轴，优选采用丝杠。所述的XYZ机械臂通常包含1个X轴和1个Y轴，在某些情况下也可以包含2个独立运作的Y轴，以携带更多工具模组完成较为复杂的操作组合。所述的XYZ机械臂每个Y轴上可以带有1~2个Z轴，优选每个Y轴上带有2个Z轴。2个Z轴在垂直方向上独立运行。作为一个更优选方案，机械臂的配置为1个X轴，1个Y轴和2个Z轴。此种配置可在保持系统结构紧凑的前提下实现更多的操作功能，在面对实验室多种操作需求时具有更好的适应性；同时也能够节省成本，降低控制系统的复杂度。所述的工具模组挂载于Z轴之上，在XYZ机械臂的带动下实现三维坐标的精确定位。工具模组内置运动组件和驱动系统，用于实现特定的功能，如液体分配、固体分配、样品瓶抓取移动、样品瓶加盖/去盖、样品瓶/管架抓取移动、pH测量、粘度测量、高速搅拌、样品瓶压盖、样品涂覆、液体过滤、加样采样等。作为一个优选方案，系统包含2个或多个工具模组，以实现多种功能的操作组合。作为一个更优选方案，每种工具模组均通过相同的连接点位固定于Z轴上，且通过相同的电气接口与控制系统连接，可以方便的更换以实现功能扩展。所述的电气接口可以采用现有技术所允许的各种形式，如电气控制信号、RS-232、RS-485、CAN总线、Profibus总线、工业以太网等，优选采用RS-485、CAN总线或Profibus总线。优选所述的工具模组之一为多功能抓手。多功能抓手可以在只占用一个Z轴机械臂的情况下，通过匹配不同的工具为平台提供固体分配、液体分配、高粘度液体分配、顶置搅拌等多种操作功能，并且具有可扩展性。多功能抓手由工具夹持结构、旋转机构、升降机构、限位及接近传感器等组件构成。其中夹持机构用于拾取并固定工具，由电机或气缸驱动，配有接近传感器用于检测工具状态；接近传感器选光电传感器、电涡流传感器、霍尔传感器等传感器中的一种，优选光电传感器和电涡流传感器，更优选光电传感器。旋转机构用于向工具提供旋转驱动，以实现搅拌或定位等功能。旋转机构采用电机驱动，电机可选自直流电机、步进电机、伺服电机中的一种，优选步进电机以实现旋转角度的精确控制。升降机构用于向工具提供升降位移驱动，以实现阀门开闭、液体吸放等功能。升降机构采用电机驱动，电机可选自直流电机、步进电机、伺服电机中的一种，优选步进电机以实现位移距离的精确控制。作为一个更优选的方案，多功能抓手还设有电触点和压缩空气端口，可用于抓手与工具之间的供电、信号传输和气动驱动，以实现更多操作功能。所述的多功能抓手工具可以包括固体分配器、液体分配器、搅拌装置、pH计、过滤装置、涂覆装置等等，并且可以根据操作需求进行扩展。作为一个优选方案，可以适配的工具包括固体分配器、液体分配器、搅拌装置中的至少一种。这些工具放置于平台专用位置，需要使用时，Z轴携带多功能抓手移动到对应位置，由夹持机构拾取并固定工具，再通过旋转机构、升降机构驱动工具内部机构实现所需的操作，在某些情况下也可通过电触点和压缩空气端口实现信号传输和气动驱动等功能。举例说明：对于固体分配器，多功能抓手的升降机构用于打开阀门和控制阀门开度，旋转机构用于驱动固体分配器内部的搅拌器控制下料速度。对于液体分配器，升降机构驱动液体分配器内部推杆，用于定量吸取或推出液体。使用此种方式可实现高粘度液体的分配，或液体的重量法分配。对于搅拌装置，采用旋转机构驱动搅拌器旋转。对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械臂实验系统，包含实验平台、XYZ机械臂、工具模组、台面元件和电气控制箱，其特征在于：（1）所述X轴机械臂与实验平台表面平行，安装于实验平台后部或上方，优选安装于实验平台后部；（2）所述Y轴机械臂与X轴机械臂连接，方向垂直于X轴机械臂且平行于实验平台表面，可沿X轴机械臂移动；（3）所述Z轴机械臂与Y轴机械臂连接，方向垂直于平台表面，可沿Y轴机械臂移动；（4）所述工具模组安装于Z轴机械臂上；（5）所述台面元件安装于实验平台之上，以实现加热、搅拌、称重、测量等功能；（6）所述电气控制箱安装于实验平台的后部或下方。

【技术特征摘要】
1.一种机械臂实验系统，包含实验平台、XYZ机械臂、工具模组、台面元件和电气控制箱，其特征在于：（1）所述X轴机械臂与实验平台表面平行，安装于实验平台后部或上方，优选安装于实验平台后部；（2）所述Y轴机械臂与X轴机械臂连接，方向垂直于X轴机械臂且平行于实验平台表面，可沿X轴机械臂移动；（3）所述Z轴机械臂与Y轴机械臂连接，方向垂直于平台表面，可沿Y轴机械臂移动；（4）所述工具模组安装于Z轴机械臂上；（5）所述台面元件安装于实验平台之上，以实现加热、搅拌、称重、测量等功能；（6）所述电气控制箱安装于实验平台的后部或下方。2.权利要求1所述的机械臂实验系统，其特征在于：每个Y轴机械臂上带有2个在垂直方向上独立运行的Z轴机械臂。3.权利要求1所述的机械臂实验系统，其特征在于：系统包含2个或多于2个工具模组，优选这些工具模组采用相同的机械与电气接口与Z轴机械臂及电气控制箱相连接。4.权利要求1所述的机械臂实验系统，其特征在于：所述的工具模...

【专利技术属性】
技术研发人员：于海波，胡运兴，梁景卫，李赫天，李明虎，郑小满，
申请(专利权)人：望潮科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11