一种基于齿轮传动的动力源外置多自由度驱动机构的制作方法

1.本实用新型涉及核酸检测技术领域，尤其涉及一种基于齿轮传动的动力源外置多自由度驱动机构。


背景技术：

2.20世纪50年代以后，随着分子遗传学的发展，人们逐渐认识到基因的本质是控制生物性状、具有遗传效应的dna片段。基因一方面能忠实地进行自我复制，以保证生物的基本特征；另一方面基因也能发生变异，导致疾病的发生。基因测序可以快速准确地获取生物遗传信息，揭示基因组的复杂性和多样性，在生命科学研究中扮演十分重要的角色；同样，基因测序对临床医学也具有十分重要的意义和价值，很多疾病的机理研究和临床诊断逐渐依赖于基因测序技术。
3.文库制备是基因测序工作中必不可少的重要步骤之一。传统的手工操作进行文库制备中，加样、温浴反应、纯化、洗脱等过程都需要人为参与来完成，同时整个过程是在一个相对开放的实验室环境中来完成。这样操作的缺点就是人为操作出现误差的概率很大，结果不可控，同时样本极易对环境造成污染，样本之间交叉污染的风险也会大大增加。因此，自动化、封闭式的文库制备装置和方法是研究的一个主要方向。
4.申请号201080031828.3，名称为“进行扩增子挽救多重pcr的装置”的实用新型专利申请公开了一种用于pcr扩增和dna扩增子检测的盒子结构，通过密封盒子内的可垂直、水平移动吸液管对底座上呈一直线排列的多个室进行移液操作；申请号201580007560.2，名称为“复合液体池(clc)介导的核酸文库制备装置及其使用方法”的实用新型专利申请公开了一种文库制备装置，其包含有对应6个板位置之间进行移动的由机器人控制的移液器；申请号201611190715.3，名称为“应用于第二代高通量测序的全自动rna文库制备装置”的实用新型申请公开了一种全自动rna文库制备装置，其包括有直线依次排列的9个试剂仓以及由螺杆控制移动的取样针；申请号201910106150.3，名称为“基因测序文库制备装置”的实用新型专利公开了一种能够驱动注射单元升降以及圆形卡盒底盘旋转的文库制备外部装置，使用此外部装置可以对封闭设置的卡盒进行对应的操作；申请号201910106163.0，名称为“封闭式测序文库制备卡盒”的实用新型专利申请公开了一种用于文库制备的封闭式卡盒，尤其对应用于上述申请号201910106150.3实用新型专利所述的制备装置，提供了可垂直上下移动的注射单元以及可以旋转的圆形底盘，所述注射单元通过所述圆形底盘的旋转可以依次对应圆形底盘上沿周向同心设置的一圈多个容纳槽进行移液操作。上述现有技术均针对文库制备过程提出了封闭性的、自动化的解决方案，但是在实际应用于文库制备的过程中，仍然存在问题。
5.上述现有技术中，文库制备装置整体多采用两自由度活动结构，且两自由度中至少一个自由度需要用于移液器(吸液器、取样针等，均为同一作用部件的不同表述)的垂直移动，即只剩余一个自由度用于移液器与试剂孔(室、试剂仓、容纳槽等均为同一作用部件的不同表述)之间相互定位移动，而无论此自由度来自移液器的水平移动或者是试剂孔部
件的单自由度移动，都极大限制了有限体积内能够有效容纳使用的试剂孔数量，特别是无法满足如捕获法文库制备的需求。另一方面，文库制备过程精度要求高，对于污染非常敏感，因此操作中直接接触试剂的设备、装置均必须为一次性使用，这也限制了文库制备装置本身不能采用过于复杂的结构，以减少损耗和浪费，现有技术均必须使用卡盒内部动力源为卡盒内组件位移运动提供必要的支持，由于成本限制不能使用高性能的动力源，使卡盒性能难以保证，同时也会产生额外的电源、控制信号连接问题，影响卡盒工作稳定性。


技术实现要素：

6.为解决现有技术的不足，本实用新型提出一种基于齿轮传动的动力源外置多自由度驱动机构，可设置于卡盒内部并为卡盒内任意指定移动部件提供至少3个自由度的位移功能，同时动力源完全外置，以齿轮匹配传递动力，整体结构可靠性高、运行精准性好，且成本低、便于制造生产。
7.为实现以上目的，本实用新型所采用的技术方案包括：
8.一种基于齿轮传动的动力源外置多自由度驱动机构，其特征在于，包括分别由齿轮组合传递驱动力相互独立运行的水平直线位移模块、水平旋转模块和至少一个垂直位移模块；
9.所述水平旋转模块连接于所述水平直线位移模块上并随所述水平直线位移模块带动同步进行直线位移；
10.所述垂直位移模块连接于所述水平旋转模块上并随所述水平旋转模块带动同步进行旋转；
11.所述垂直位移模块固定连接待驱动部件并带动所述待驱动部件进行垂直位移。
12.进一步地，所述水平直线位移模块由第一螺杆旋转驱动进行水平直线位移；
13.所述水平旋转模块包括第一驱动轴、第一驱动齿轮、第一从动齿轮、旋转轴和旋转支架；所述第一驱动齿轮可自由旋转的连接在所述水平直线位移模块，所述第一驱动齿轮无水平位移限位的套装在所述第一驱动轴上，使所述水平直线位移模块可相对所述第一驱动轴自由水平位移同时不影响所述第一驱动轴驱动所述第一驱动齿轮旋转；所述第一驱动齿轮带动所述第一从动齿轮、旋转轴和旋转支架进行旋转；
14.所述垂直位移模块连接于所述旋转支架并随所述旋转支架同步进行旋转。
15.进一步地，所述垂直位移模块包括第二驱动轴、第二驱动齿轮、第二从动齿轮、第二螺杆和第一垂直支架；
16.所述第二驱动齿轮可自由旋转的连接在所述水平直线位移模块，所述第二驱动齿轮无水平位移限位的套装在所述第二驱动轴上，使所述水平直线位移模块可相对所述第二驱动轴自由水平位移同时不影响所述第二驱动轴驱动所述第二驱动齿轮旋转；
17.所述第二驱动齿轮带动所述第二从动齿轮和第二螺杆进行旋转；
18.所述第一垂直支架由第二螺杆旋转驱动进行垂直位移；
19.所述待驱动部件固定连接于所述第一垂直支架并随所述第一垂直支架同步进行垂直位移。
20.进一步地，所述旋转轴与所述第二螺杆同轴。
21.进一步地，所述垂直位移模块包括第三驱动轴、凸轮、至少一个复位弹簧和第二垂
直支架；
22.所述凸轮可自由旋转的连接在所述水平直线位移模块，所述凸轮无水平位移限位的套装在所述第三驱动轴上，使所述水平直线位移模块可相对所述第三驱动轴自由水平位移同时不影响所述第三驱动轴驱动所述凸轮旋转；
23.所述凸轮旋转挤压所述第二垂直支架进行垂直向下位移并同时压缩所述复位弹簧；
24.所述复位弹簧在压缩后向所述第二垂直支架提供垂直向上位移的复位作用力；
25.所述待驱动部件固定连接于所述第二垂直支架并随所述第二垂直支架同步进行垂直位移。
26.进一步地，所述垂直位移模块包括分别设置在所述第二垂直支架和所述旋转支架之间的第一复位弹簧和第二复位弹簧；
27.所述第一复位弹簧与所述旋转轴同轴；
28.所述第二复位弹簧与所述待驱动部件同轴或相邻。
29.进一步地，所述旋转轴和旋转支架为一体成型或固定连接。
30.本实用新型的有益效果为：
31.采用本实用新型所述基于齿轮传动的动力源外置多自由度驱动机构，通过顺序连接的水平直线位移模块、水平旋转模块和垂直位移模块实现待驱动部件(例如移液器针头、控制拉杆等)的水平直线位移、旋转位移和垂直位移，进而能够使待驱动部件依据需要移动指向平面内任意位置并进行操作，相较传统单一直线位移，在有限体积内可以对应操作更多孔位，从而能够支持如捕获法文库制备等对于孔位数量需求较高的实验操作；同时，齿轮传动设置使动力源实现完全外置，有助于降低卡盒制造成本和加工难度，产品可靠性好、精度更佳。
附图说明
32.图1为本实用新型基于齿轮传动的动力源外置多自由度驱动机构实施例三维示意图。
33.图2为本实用新型基于齿轮传动的动力源外置多自由度驱动机构实施例剖面示意图。
34.附图编号说明：1
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水平直线位移模块、11
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第一螺杆、21
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第一驱动轴、22
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第一驱动齿轮、23
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第一从动齿轮、24
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旋转轴、25
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旋转支架、31
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第二驱动轴、32
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第二驱动齿轮、33
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第二从动齿轮、34
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第二螺杆、35
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第一垂直支架、41
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第三驱动轴、42
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凸轮、43
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第二垂直支架、44
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第一复位弹簧、45
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第二复位弹簧、51
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针头、52
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拉杆。
具体实施方式
35.为了更清楚的理解本实用新型的内容，将结合附图和实施例详细说明。
36.图1和图2给出了本实用新型基于齿轮传动的动力源外置多自由度驱动机构的一种优选实施例，各活动部件均通过轴(或螺杆)进行动力传递连接，使动力源可以完全外置，同时，为了扩展可能的适用领域，在有限的结构体积内额外增设了水平旋转模块，增加了待驱动部件可利用的移动自由度，特别是能够支持平面内任意排列的多个实验孔位进行实验
操作，相较现有技术的直线排列孔位，总的可操作孔位数量有非常大的提升。
37.具体的，优选实施例中结构包括有水平直线位移模块1、水平旋转模块、第一垂直位移模块和第二垂直位移模块共四个执行模块，各模块均为独立驱动，相互之间可以任选的同步或异步工作。但同时，水平直线位移模块1具有最高的执行级别，即驱动机构在水平直线位移时会带动水平旋转模块和两个垂直位移模块同步位移；类似的，水平旋转模块的执行级别高于第一垂直位移模块和第二垂直位移模块，当驱动机构执行旋转位移时，第一垂直位移模块和第二垂直位移模块会同步进行旋转；最后，待驱动部件(针头51和拉杆52)分别连接于第一垂直位移模块和第二垂直位移模块，自然的被带动执行水平直线位移、水平旋转位移和垂直位移，第一垂直位移模块和第二垂直位移模块之间相互独立运行互不影响，使其连接的待驱动部件各自实现多自由度位移。
38.为了保证驱动精度，本实用新型实施例主要采用齿轮驱动连接结构，上述四个执行模块分别各自设置有连接外部驱动源的轴。其中，水平直线位移模块1通过第一螺杆11连接外部驱动源旋转直接实现水平直线位移；水平旋转模块通过第一驱动轴21、第一驱动齿轮22和第一从动齿轮23的连接改变外部驱动源输入旋转运动轴线，带动旋转轴24进行旋转实现旋转支架25的水平旋转位移，在实施例中旋转轴24与旋转支架25优选的采用一体成型的一个独立零部件，当然根据实际需要，旋转轴24与旋转支架25也可以采用任意适合的固定连接方式以实现同步旋转；对于垂直位移部分，可以采用类似于水平旋转模块的齿轮连接模式，例如优选实施例中第一垂直位移模块，通过第二驱动轴31、第二驱动齿轮32、第二从动齿轮33和第二螺杆34的连接改变外部驱动源输入旋转运动轴线，带动第一垂直支架35以及设置在第一垂直支架35上的待驱动部件(针头51)沿第二螺杆34进行垂直位移，也可以采用如优选实施例中第二垂直位移模块结构，通过第三驱动轴41带动凸轮42旋转，从而使凸轮42挤压实现第二垂直支架43以及设置在第二垂直支架43上的待驱动部件(拉杆52)垂直向下位移，并通过轴线错开的第一复位弹簧44和第二复位弹簧45提供带有一定平衡性的垂直向上作用力实现复位。需要注意的是，对于优选实施例的第二垂直位移模块结构，根据图1所示当驱动结构执行旋转至某些特定位置时，凸轮42转动将不能准确挤压第二垂直支架43，造成特定情况下第二垂直位移模块失效，但该实施例并不能代表采用凸轮42的垂直位移结构不能适用或与旋转位移产生相互影响，仅仅是针对优选实施例中第二垂直位移模块所连接的拉杆52只需要其在某些特定位置执行垂直位移实现功能，而无需满足在水平面任意位置内进行垂直位移，对于有需要的其他待驱动部件，可以采用改变第二垂直支架43形状等简单方式实现任意旋转位置下的垂直位移执行。当然，根据实验仪器实际需求，在实施本实用新型时可以增减合适的垂直位移模块数量，也可以采用例如内外同心螺杆等结构实现相同驱动连接方式的多个垂直位移模块。
39.在使用上述优选实施例时，可以选择采用分解的控制指令分别对各执行模块进行操作控制。在指定需要进行移动的目标位置后，可以将目标位置与待驱动部件当前位置进行比较，分别得到水平直线位移距离和水平旋转角度数据，进而转化为分别针对第一螺杆11和第一驱动轴21的驱动操作数据，然后既可以选择同步执行水平直线位移和水平旋转，也可以选择先后依次执行水平直线位移和水平旋转，均能够实现同样的位移效果；水平位置移动到位后，再通过驱动旋转第二驱动轴31(或第三驱动轴41)执行垂直位移以实现功能操作。互不影响的各驱动轴(螺杆)能够支持多样化的操作控制方式，提升了实验便利性和
实验效率。
40.以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。