一种双电机驱动的旋转夹爪及生物样本处理系统的制作方法

1.本发明涉及医学技术领域中自动化设备领域，具体涉及一种双电机驱动的旋转夹爪及生物样本处理系统。


背景技术：

2.随着技术的发展和人类对于健康的追求，越来越多的自动化设备被引入医学领域，一方面减少了人工转运操作避免了对医师或者实验者等的污染，另一方面能促进医学领域向更高智能化，集成化等方向发展，在这些自动化设备的升级实现过程中，机械夹爪是非常重要且基础的自动化元件，设计一种能够适应医学领域的多自由度且能适应空间要求的集成化夹爪是国内外企业的目标。
3.在医学领域生物样本处理等场景中，样本一般采用管体进行收集和存放，常用的样本处理系统中通常需要对于样本进行转运夹持，而众多的自动化设备包含样本信息的扫描单元，夹爪在一些场景下需要配合样本位置的调整，例如通过旋转实现信息扫描的操作，当然在一些设计系统中也将两个步骤分开进行，例如在中国授权发明专利cn102192990b公开的系统中，在流水化的样本处理系统中设计了一种由主副滚轮组合而行程的一种扫码辅助系统，通过旋转的主滚轮和夹持力将样本管的部分例如管帽部分夹紧，进而通过旋转使得样本管旋转，从而实现样本管的旋转扫码操作。然而更多的场景下需要对于样本管调整需求集合在夹持的夹爪中，而使得系统设计更为简化，设备部件占用空间也能相对较小。在另外的一些场景中，包含生物样本的耗材也可能存在位置调整需求，例如在一些场景下利用夹爪转移96孔板的提取耗材作业，在夹持位置处提取耗材被沿短边夹持，而在目标位置或者转移至目标位置过程中需要调整提取耗材的朝向，此时也涉及到夹爪具有多自由度的场景，在样本管需要执行开关盖的操作中，也涉及到夹紧之后旋转的多自由度需求。总之，在医学领域中存在着至少如下两方面的需求：1)夹爪能够被驱动实现对于对象的夹紧操作；2)夹爪还能够被驱动旋转从而改变对象的位置。
4.在这两方面的需求驱动下不同公司提出了通过双电机来分别满足两个方面需求，美国专利申请us20060263270a1比较早地提出了一种双电机驱动的夹爪设计，该设计包括基部和旋转部,旋转部相对于基部可绕旋转轴线旋转,并且具有位于所述旋转轴上的夹持器单元旋转部件具有两个可相互靠近和远离的夹爪,其中在旋转部件上设置有用于驱动夹持单元的齿轮,第一电动机驱动齿轮设置在基部中,第二电动机设置在基部中,第二电动机与旋转部旋转连接以使旋转部旋转，后续的申请中欧洲授权专利ep2986423b1提出了进一步的改进，需要保证旋转部输出的扭矩是夹爪夹紧驱动输出扭矩的数倍。在近些年中国专利申请也递交了一些类似的结构设计，cn202011230635.2专利申请基本上采用了之前的国外申请的内容。然而在实际的使用中由于这种结构设计的夹爪旋转盘和夹爪的抓手固定连接关系，在旋转部输出旋转驱动的过程中转盘将带动抓手同步旋转运动，从而将旋转运动传递至夹紧电机，一方面可能导致被夹持对象被松开，另一方面可能导致夹爪驱动电机运动进一步使其连接线缠绕等问题，为了解决这一问题，韩国授权专利kr102188322b1设计了
一种可分离的传动机构类似于汽车的挂挡离合结构来保证这种传递不至于发生，然而这种设计的复杂性较高，中国发明专利申请cn202011056015.1设计了一种凹腔卡头的配合结构，其能实现往复的直线运动传递但是可以阻隔旋转运动传递，但是这种设计只能将夹爪的抓手驱动方式设计为直线运动类型，需要有足够的空间来保证更大的开合度。而中国授权的实用新型专利cn213674196u、发明专利申请cn113858211a又采用另外一种思路来进行设计，其允许夹爪抓手的驱动电机旋转，而线束缠绕问题则通过电滑环来进行解决，线束通过电滑环结构与电机本体连接，即使电机被带动旋转线束也不会发生旋转而导致缠线等不可靠的问题，然而这一设计需要增加额外的新元件，滑环的质量也将影响整个设计的可靠性，增加了不可靠的风险点。
5.通过如上的分析可以看到对于双电机驱动实现的多自由度夹爪，需要一定的结构改进来保证系统的可靠性运行，目前尚未有厂家在不改变结构的前提下，通过软件控制的优化设计来保证上述问题，因此本发明人提出了一种仅在控制上调整来实现旋转驱动输出时，夹爪的夹紧驱动电机被控制补偿运转，进而实现在夹紧对象的前提下还能实现对象位置的调整。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供了一种双电机驱动的旋转夹爪及生物样本处理系统。
7.本发明采用的技术方案包含两方面的技术内容，第一方面公开了双电机驱动的旋转夹爪具体为：
8.包含旋转驱动模块，抓手驱动模块，所述旋转驱动模块包含第一驱动电机，所述第一驱动电机能通过旋转传动机构实现旋转夹爪转盘的旋转驱动，所述转盘包含固定连接于其上的抓手安装部，所述抓手安装部连接有能相互靠近或远离的至少两个抓手，所述抓手驱动模块包含第二驱动电机，所述第二驱动电机能通过开合传动机构实现至少两个抓手相互靠近或远离调整驱动；还包含控制单元，所述控制单元能在所述第一驱动电机驱动所述转盘旋转的时间段内输出第二驱动电机旋转运动控制指令，使所述第二驱动电机同步运动保证至少两个抓手间的相对距离基本保持不变。
9.优选地，所述旋转传动机构包含连接于第一驱动电机输出轴上的旋转驱动齿轮，和与其相啮合的旋转传动齿轮，所述旋转传动齿轮与所述转盘相连接。
10.优选地，所述旋转驱动齿轮与所述旋转传动齿轮布置为内啮合配合结构。
11.优选地，所述开合传动机构包含连接于第二驱动电机输出轴上的开合驱动齿轮，和与其相啮合的开合传动齿轮，所述开合传动齿轮还包含与之相连接的调整轴，所述调整轴通过相啮合的齿轮齿条机构连接所述抓手。
12.优选地，所述旋转传动机构具有第一传动比，所述开合传动机构具有第二传动比，所述控制单元能依据所述第一传动比和所述第二传动比生成所述第一驱动电机驱动所述转盘旋转的时间段内，所述第二驱动电机旋转运动的旋转速度控制参数。
13.优选地，所述控制单元在所述第一驱动电机驱动所述转盘旋转的时间段内，按照使至少两个抓手间的相对距离基本保持不变的状态配置所述第二驱动电机输出的旋转运动速度。
14.优选地，所述第一驱动电机包含连接于其一端的第一减速器和/或所述第二驱动电机还包含连接于其一端的第二减速器。
15.优选地，所述第一驱动电机还包含与其固定连接的第一编码器，所述第二驱动电机还包含与其固定连接的第二编码器。
16.优选地，所述转盘还布置有能获取所述转盘位置的传感器单元。
17.第二方面还公开了一种生物样本处理系统包含第一方面的双电机驱动的旋转夹爪。
18.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
19.1、本发明的旋转夹爪采用了双电机驱动的设计，为了解决背景技术中所产生的旋转驱动电机输出驱动的时间段内抓手夹紧电机可能导致的松掉或握紧被加持对象和/或电机旋转导致的线束缠绕问题，本发明利用控制单元在转盘旋转的时间段内输出第二驱动电机旋转运动控制指令，使所述第二驱动电机在相同时间段内也同时输出旋转运动，如此可以补偿转盘旋转而导致的抓手夹紧电机所被迫驱动所需的旋转运动，从软件控制角度而不需改变双电机本身的结构设计，进一步，所述控制单元在所述第一驱动电机驱动所述转盘旋转的时间段内，按照使至少两个爪手间的相对距离基本保持不变的状态配置所述第二驱动电机输出的旋转运动速度，如此可以保证精确地补偿被动旋转运动需求。
20.2、本发明通过啮合的齿轮传动来实现转盘旋转驱动，利用啮合的齿轮对和齿轮齿条传动来实现夹紧抓手的驱动，如此可以比较明确地获知旋转传动和开合传动对应的传动比，控制单元可以简单地将旋转驱动电机的转速利用传动比换算为精确的抓手夹紧电机的转速，如此保证了系统更简单可靠地实现旋转运动的补偿。
21.3、本发明的驱动电机通过连接的不同减速机构可以实现将电机的高速旋转转化为目标需求扭矩，本发明的设计直接采用了软件控制补偿被动运动的方案，因此将编码器和连接线固定连接于电机本体的结构设计，能够保证控制信号传递快速精确可靠的技术效果，通过布置的传感器单元可获知转盘的位置，从而实现夹爪能够在任何状态下被精确定位完成复位等功能。
附图说明
22.图1是本发明所提供的一种双电机驱动的旋转夹爪的爆炸示意图；
23.图2是本发明所提供的一种双电机驱动的旋转夹爪结构示意图；
24.图3是本发明所提供的一种内啮合传动型双电机驱动的旋转夹爪示意图；
25.图4是本发明所提供的一种图2旋转夹爪头部结构爆炸图；
26.图5是本发明所提供的双电机驱动的旋转夹爪被控制单元驱动示意图；
27.图6是本发明所提供的旋转夹爪在旋转同时夹紧对象实现方法示意图；
28.图7是本发明所提供的控制单元输出的第一驱动电机目标转速和生成第的二电机转速控制关系示意图；
29.图8是本发明所提供的旋转夹爪实现夹取和位置调整的双自由度方法流程图；
30.图9是利用本发明的旋转夹爪的生物样本处理系统局部示意图；
31.附图标记：100-双电机驱动的旋转夹爪，110-样本架，1101-样本管，101-外壳，201-第一驱动电机，301-第二驱动电机，11-电机基座，2021-旋转驱动齿轮，2022-旋转传动
齿轮，2023-调整轴承载轴承，3021-开合驱动齿轮，3022-开合传动齿轮，3023-调整轴，3024-抓手调整齿轮，3025-抓手调整齿条，3026-转盘轴承，3027-调整轴轴承，40-转盘，50-抓手安装部，501、502-抓手，12-转盘基座，600-控制单元，21-第一编码器，22-第二编码器。
具体实施方式
32.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
34.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
35.如之前背景技术中所阐述的问题，目前所采用的双电机驱动的旋转夹爪，基本都是按照添加滑环原件，设计新型的扭转隔绝配合部以及设计可离合分离的传动组件等等来保证夹爪在旋转等位置调整中不会松离夹持对象。然而，这些设计也使夹爪的设计变得更加复杂，同时使发生部件故障的风险也相应地增加，最终导致整个夹爪的可靠性降低，本发明人提出了一种从软件控制端配合固定连接的双电机驱动的旋转夹爪设计，来保证整个设计硬件的改动较小，不必引入新部件，且同时能够保证设计的可靠性和高效性。
36.图1示意了一种双电机驱动的旋转夹爪结构爆炸图，包含外壳101，其可以为具有矩形、圆形、椭圆形等截面形状的中空柱体结构，其内部包含了旋转驱动模块，能使夹爪的转盘产生旋转运动进而调整被夹持对象的位置和状态，抓手驱动模块，能使夹爪的至少两个抓手产生相互靠近或相互远离的相对运动，进而夹紧或松开被夹持对象，在医学领域中被夹持对象可以包含圆管状采样管，例如真空采血管、鼻、咽、肛拭子采集管等等，也可以包含非圆管状对象，例如核酸提取常用的96孔位深孔板、96孔位pcr检测耗材、8连管耗材等等，此处并不限定。旋转驱动模块的动力可以设计为第一驱动电机201，对应的抓手驱动模块的动力可以设计为第二驱动电机301，如此可以实现两个独立电机对于夹紧和旋转两种运转自由度的满足，旋转驱动齿轮2021连接于第一驱动电机201的输出轴上，其啮合地与旋转传动齿轮2022配合，旋转传动齿轮2022连接夹爪的转盘40，在这一实施方案中旋转驱动齿轮2021和啮合连接的旋转传动齿轮2022构成了旋转传动机构(图中未示出)，第一驱动电机201能通过旋转传动机构实现旋转夹爪的转盘40旋转驱动(为了保证转盘40的旋转和支撑效果，还设置有转盘轴承3026)，转盘40与转盘轴承3026的一端转动连接，在第一驱动电机201的带动下，转盘40能随之被带动旋转。在这种情况下，转盘40可以固定连接抓手安装部50，在抓手安装部50上设置滑轨或者滑槽，此处可以采用抓手安装部设置沟槽类型的滑槽，在沟槽内相对的壁面上设置能嵌合容纳抓手调整齿条3025的一对嵌合部，抓手调整齿条3025或其延伸部连接有相对置的第一抓手501和第二抓手502，当然此处抓手的结构并不限定，也可以将抓手设计为分叉结构或者直接设计为两个或多个独立的柱体结构，当然抓
手的数量也可以设置为两个以上，此处不再赘述。抓手调整齿条3025与抓手调整齿轮3024啮合配合，通过抓手调整齿轮3024的正反旋转的控制来驱动抓手调整齿条3025运动进而带动图中的两个抓手(501和502)相互靠近或远离，当存在被操作对象时，可以改变抓手的开合度实现夹紧或者松开对象。抓手调整齿轮3024通过调整轴3023与开合传动齿轮3022相连接，进一步，开合传动齿轮3022与第二驱动电机301输出轴上的开合驱动齿轮3021啮合传动连接，在本实施例中，开合驱动齿轮3021、开合传动齿轮3022、调整轴3023、抓手调整齿轮3024和抓手调整齿条3025等构成了开合传动机构，如此，实现了第二驱动电机能通过调整传动机构实现至少两个抓手相互靠近或远离调整驱动。本实施例中为了保证电机运转的可靠性，两个驱动电机均与电机基座11固定连接，电机本体并不会产生任何运动，减少了故障风险，而转盘40则通过转盘轴承3026安装于转盘基座12内，电机基座11、转盘基座12均与外壳101固定连接，如此保证了运动部件和静止部件相互不干扰。进一步，转盘40上还设置有能获取所述转盘位置的传感器单元，例如在转盘的圆周方向上布置有一个或者数个电磁或光电传感单元，其也能够快速准确地转盘进行复位，保证其具有准确且一致的初始状态。图2为图1的爆破图组装之后的夹爪结构图，基本原理与图1类似，此处不再赘述。
37.图3与图1和图2结构的差别在于旋转传动机构，此实施方案中将旋转传动机构的齿轮啮合方式改为了内齿啮合类型，也就是旋转传动齿轮2022设计为具有更大尺寸的内齿轮类型，旋转驱动齿轮2021内啮合地与其配合，如此可以使得转盘40的传动比更大，可以适应对象更精细化的微调整需求，该设计还同时不至于引起整体尺寸增大使得整体结构相比外啮合更显笨重，当然精细化调整也能适应更多的场景需求如此拓展了夹爪的适应场景，而转速降低则可通过控制目标转速增加来弥补。
38.图4为图1或图2中的夹爪头部爆破结构示意图，为了保证调整轴3023被有效支撑且能可靠旋转，在开合传动齿轮3022和电机基座11上的安装端之间设置有调整轴轴承3027，调整轴3023上的远离开合传动齿轮3022的端面上相邻地设置有调整轴承载轴承2023，用于使调整轴3023能更可靠地旋转，其余的结构在图1中已经详细说明，此处也不再赘述。
39.如上阐述的各方案中夹爪的两个驱动电机均固定地连接在基座上，这也导致了其本体不能够旋转，更进一步地，不同的驱动电机还与编码器和减速器连接，其中第一驱动电机201连接第一减速器，如此可以实现将电机的高速旋转转化为低速旋转输出同时增大了驱动的扭矩，此处示意说明，一般的电机可能直接产生数百至数千转每分钟的转速，减速器可以按照扭矩要求将电机输出转速降低同时增加其输出扭矩，第二驱动电机301输出端也连接有第二减速器，在实际使用中为了保证夹爪的控制能够被更精确的执行且控制更高效，最优地第一驱动电机201和第二驱动电机301具有相同的参数，例如额定工作电压和额定转速相同。图5示意了第一驱动电机201和第二驱动电机301电性连接控制单元600的示意图，当然在更多的情况下第一驱动电机201和第二驱动电机301与输出端相对的另一端分别固定连接第一编码器21和第二编码器22，其可准确获知当前驱动电机的转速，并通过固定连接的线束将信号传递至控制单元600，实现精确地控制，在本发明中由于电机本体固定连接于电机基座上，固定连接的编码器和线束也处于静止状态，因此能够壁面线束缠绕的问题。
40.图6为本发明在双电机驱动的夹爪结构上实现对象夹紧而在位置调整中不松离的
控制原理图，类似图5第一驱动电机201和第二驱动电机301的输出轴相对的另一端设置有第一编码器21和第二编码器22，再通过电力线和驱动线连接至控制单元600，当对象被夹爪的抓手夹紧之后，控制单元600以目标转速控制第一驱动电机201输出旋转运动驱动，此时第一驱动电机201连接的第一编码器21能检测第一驱动电机201是否以目标转速运转并反馈至控制单元600进行实时快速调整。与此同时控制单元600能依据第一驱动电机201运行转速生成第二驱动电机301的转速控制，这一控制方法可以实现对于第一驱动电机201输出转盘旋转驱动的同时产生了由开合传动机构而传递的被迫旋转运动需求的补偿，当然控制单元对于第二驱动电机301补偿转速控制模式可以在出厂前由开发人员经过试验验证得到，进而形成控制单元转速生成参数，当然在图1-4利用齿轮传动的方案中，旋转传动机构具有第一传动比ζ1，开合传动机构具有第二传动比ζ2，所述控制单元能依据所述第一传动比ζ1和所述第二传动比ζ2生成所述第一驱动电机驱动所述转盘旋转的时间段内，所述第二驱动电机301旋转运动的旋转速度控制参数，此处可以获得第二驱动电机301转速如式(1)所示：
41.r2(t)＝f(r1(t)，ζ1，ζ2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
42.其中r1(t)为第一驱动电机201的转速，当然最优地，在控制单元内的控制方法能够生成的控制转速满足在第一驱动电机201输出旋转驱动的时间段内，第二驱动电机301被控制按照使至少两个抓手间的相对距离基本保持不变的转速运行需求，当然在其他的传动机构例如连杆、凸轮等介入的条件下可以换算成对应机构的传动比，进而获得第二驱动电机301更为精确的补偿运转转速。图7为本发明的控制单元配合下第一驱动电机201和第二驱动电机301运转转速随时间变化曲线，本实施例示意了以基本恒定的转速驱动第一驱动电机201旋转改变被夹持对象位置的方案如图中c01所示的曲线，过程中电机转速可能存在一定的波动，此处对于电机转速的波动作了明显化的示意，实际以较恒定的目标转速使电机运转可能并无如此明显的波动特性，此处并不限定。控制单元按照转速的对应关系同步地输出第二驱动电机301的转速曲线c02，如此可以实现在第一驱动电机201运转的时间段内使所述第二驱动电机301也同时输出旋转运动进行补偿，两者通过控制单元内预置的转速对应关系可以基本一致地被补偿，如此实现了抓手转盘旋转过程中至少两个抓手间的相对距离基本保持不变的技术效果，在更多的实施方案中，旋转位置调整过程的目标转速也可以设置为变化的直线、曲线或其他复杂关系，以适应更多场景需求，例如旋转扫码可以不同的目标转速来适应条码被轻微污染等问题，此处基本恒定的目标运转曲线也仅为示意而已。
43.图8示意了本发明的夹爪进行对象夹取和对象的位置调整多自由度运转实现流程图，在需要被夹爪操作对象准备就绪后，夹爪可以被系统内的驱动电机驱动运动至被夹持对象的准确位置，当然可以配合位置传感器例如视觉传感器等来实现夹爪的精准驱动，此时控制单元可以输出控制夹爪的第二驱动电机301运转，输出抓手夹紧驱动，通过扭矩检测来获得夹紧停止指令，在夹紧过程中第二驱动电机301的转速可以为基本恒定的固定转速，也可以为具有快慢变化的非恒定转速，也可以采用自适应控制方法配合实际需求进行自适应调整，本实施方案中可以采用几种常用的方法来判断被夹取对象是否夹紧，例如通过输出扭矩变化，驱动电流，电压等参数变化来准确判断被夹取对象是否被夹紧，当控制单元获得夹紧信号后输出第二驱动电机301的运转停止指令。而在需要进行对象位置调整时，例如
需要执行开关盖、扫码、调整耗材朝向等等场景中，控制单元按照位置调整指令，输出第一驱动电机201以目标转速运转的旋转指令，第一编码器21可进行实时检测并将结果反馈至控制单元进行实时调整，与此同时，控制单元按照使夹爪的至少两个抓手间相对距离基本不变的控制方法输出第二驱动电机的控制指令，此时控制单元输出的控制指令可以按照图6和图7中描述的控制关系将第一驱动电机201的转速与第二驱动电机301的转速相关联耦合，从而实现第二驱动电机301转速对于由开合传动机构传递的被动转速的精确补偿。第二编码器22能检测第二驱动电机的转速并反馈，如此实现两者转速的联动控制，最终夹爪实现了夹紧和旋转等位置调整的双自由度功能。当然在实际的使用中，编码器可以感知电机的不同方向的转速，可以通过标记正负来进行区分，当标记顺时针旋转为正时，对应的逆时针旋转则为负值，当然也可通过其他方法来实现电机不同转向的区分，此处并不限定。
44.图9为本发明的双电机驱动的旋转夹爪应用于生物样本处理系统的局部示意图，双电机驱动的旋转夹爪100被安放在x、y、z多自由度运动的电动坐标轴上，如此可以实现任意位置的准确驱动，样本管架110上可以放置有多个样本管1101，样本管的数量并不限定，例如可以为48个、96个、192个等等，当然样本管架110的也可以为12连管架等的单架次形式。在一种情况下夹爪可以完成样本管1101的夹取，对样本管的开关盖，和带动样本管旋转扫码等等操作，此处的样本处理系统也并不限定，其可包含样本分析，前处理，pcr扩增等等功能，具体的系统并不限定。
45.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
46.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。