楊增帥， 謝松華， 趙國慶， 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進行密封。凍存管開關蓋前后一般都按要求放置在標準排布的板架中，因此凍存管開關蓋成為一項非?？菰锖头爆嵉墓ぷ?，并且人工擰緊還存在樣本污染、氣溶膠傳播等風險。隨著醫(yī)學研究對生物樣本的收集、保存和應用的需求日益增加，高質量大規(guī)模生物樣本庫得到逐步推廣，在生物樣本庫中，往往要一次性處理大量的生物樣本。凍存管的批量自動開關蓋作業(yè)也成為了關鍵一環(huán)[1]3,[2-4]。

1 研究對象分析

美國分子生物科學協(xié)會(SBS)的標準凍存管是被廣泛應用的產品之一。目前市場上廣泛應用的凍存管主要有內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，其中，96孔板架上每個孔距為9 mm，按8行×12列方式排列。其他規(guī)格板架參考該間距進行整倍數(shù)的放大或縮小，均稱為SBS標準排布[5]。

1.1 凍存管的形態(tài)分析

課題組以0.75 mL內旋蓋凍存管、標準96孔SBS板架為研究對象。圖1為0.75 mL內旋蓋凍存管，主要由管蓋、密封圈、管體和套殼4部分組成。管蓋設有八芒星形狀空腔，方便自動化開關蓋；管體呈圓錐體，套殼鏤空設計，方便觀察液面高度，非鏤空部分設條形碼，底部錐體處設置4條筋條，底面設二維碼。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 凍存管結構示意圖

1.2 標準 96孔SBS板架的形態(tài)

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

圖2 標準96孔SBS板架結構

1.3 應用場景分析

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

2 開關蓋機總體設計

2.1 設計要求

根據實際應用場景的工藝需求，開關蓋機應滿足以下設計要求：

1) SBS板架上所有凍存管同時開關蓋。

2) 在執(zhí)行關蓋操作時，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) 開關蓋效率盡量的高。

4) 發(fā)生錯誤時，須有報警。

5) 關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) 兼容人機交互與自動化需求。

2.2 工作流程

開關蓋機開蓋動作過程：給料—定位—信息確認—開蓋—轉移板架。開關蓋機關蓋動作過程：移回板架—定位—信息確認—關蓋—轉移板架。在開蓋過程結束后，管蓋將一直懸掛保存在開蓋機中，保證開關蓋機下一步只能繼續(xù)進行關蓋操作。

2.3 基本方案設計

開關蓋機主要有托板組件、開關蓋組件、推蓋板組件、框架與外殼及交互與控制系統(tǒng)等。

托板組件僅設上下料工位和開關蓋工位。開蓋操作時，托板組件從開關蓋機中伸出到上下料工位，將96孔SBS板架放置在開關蓋機的托板組件中。托板組件收回到開關蓋工位，開關蓋組件開始工作，將管蓋旋開，并懸掛。托板組件將開完蓋的板架送出到上下料工位。將板架轉移到其他設備中進行操作(例如液體工作站)。關蓋操作時，將板架重新放回托板組件，托板組件將待關蓋的板架送回開關蓋工位，開關蓋組件與推蓋板組件配合執(zhí)行關蓋任務，托板組件將關蓋的板架送回上下料工位，待取走板架后，托板組件復位到開蓋機內部。開關蓋機內部結構如圖3所示。

圖3 開關蓋機內部結構示意圖

開關蓋機設置觸摸屏，顯示工作狀態(tài)，報警信息等，實現(xiàn)人工控制；設置通信接口，方便自動化線的搭建。

3 關鍵組件設計

3.1 開關蓋組件

開關蓋組件主要包括：動力源、傳動機構(離合器組件、張緊機構)和批頭，整個開關蓋組件在升降模組的驅動下完成上下位移。當開蓋時，開關蓋組件下降，在批頭插入凍存管蓋時，先順時針轉30°，確保每個批頭都能可靠地插入管蓋內。再逆時針旋開凍存管蓋。 開蓋結束后系統(tǒng)進行檢測，96個管蓋是否全部開啟，如有異常系統(tǒng)會報警。開關蓋組件結構示意圖如圖4所示。

圖4 開關蓋組件結構示意圖

關蓋操作時：攜帶凍存管管蓋的批頭跟隨升降模組在電機驅動下緩緩下降，管蓋接觸管體時，動力源提供動力，通過離合器組件旋緊管蓋蓋子。由于此時管蓋還通過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蓋和關蓋過程的重要部件。當關蓋時，若扭力太小，凍存管密封不嚴，若扭力太大，會損壞凍存管。如圖5所示，扭矩控制離合器包含轉軸、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。開蓋時，棘齒的垂直面與受力方向垂直，可為開蓋提供足夠的扭力。當關蓋時，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 離合器結構

3.3 控制系統(tǒng)設計

開關蓋機控制系統(tǒng)基于Trinamic公司的TMCM-3351-TMCL電機控制芯片，步科GR070E觸摸屏，鳴志步進電機及空心杯電機(下文簡稱電機)等，開關蓋機控制系統(tǒng)結構框圖[6-10]如圖6所示?？刂菩酒鳛樾畔⑻幚碇行?，與電機、觸摸屏信息交互，接收傳感器信號(位置、力矩和溫濕度等信息)，向蜂鳴器/指示燈輸出警報信息。通過觸摸屏實現(xiàn)人機交互，通過預留的通信接口，可實現(xiàn)與自動化線的集成，預留通信接口通過觸摸屏外接。開蓋流程控制如圖7所示，開蓋各動作時間分配如表1所示，關蓋流程控制如圖8所示，關蓋各動作時間分配如表2所示。

圖6 開關蓋機控制系統(tǒng)結構框圖

圖7 開關蓋機開蓋框圖

圖8 開關蓋機關蓋框圖

表1 開蓋動作時間分配表

表2 關蓋動作時間分配表

4 開關蓋試驗與分析

本機作為研發(fā)產品經過基本測試后，進行了4組試驗，結果如表3所示。

表3 試驗記錄表

第1組試驗共進行了115次開、關操作，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)13次死機現(xiàn)象，每次死機均在開蓋動作啟動的瞬間；在失敗的13次試驗中，還有2次出現(xiàn)了1只凍存管未開蓋成功的現(xiàn)象。這2只未成功開蓋的凍存管處于板架不同位置。經分析，出現(xiàn)死機現(xiàn)象原因為電氣控制器運行需要一定的時間，而操作人員點擊屏幕過快，導致系統(tǒng)不能及時響應。凍存管未開蓋成功的原因有2個：①扭矩離合器加工精度不夠，需要一定的磨合期；②因為經過長時間開、關蓋，使個別凍存管或板架底部發(fā)生磨損。

重新對控制程序進行編制，檢查并更換合格的扭矩離合器、凍存管和板架后進行第2組試驗。連續(xù)98次開、關蓋無運行差錯；2次出現(xiàn)有1個凍存管未開蓋成功現(xiàn)象，這2次是處于同一位置的同一個凍存管，經更換凍存管后，故障排除。

第3組連續(xù)100次開、關蓋無運行差錯；開、關蓋成功率為100%。

第4組連續(xù)100次開、關蓋無運行差錯；開、關蓋成功率為100%。統(tǒng)計得，平均開蓋運行時間為每板15.8 s，平均關蓋運行時間為每板28.4 s。

5 結語

課題組通過分析0.75 mL凍存管以及標準96孔SBS板架的外形特征以及結構特點，結合應用場景給定開關蓋機的設計要求，設計一種凍存管的開關蓋方案，并進行了一系列的試驗進行功能驗證與優(yōu)化。結果表明：設計符合預期，平均開蓋運行時間為每板15.8 s，平均關蓋運行速度時間為每板28.4 s，極大減輕了人工勞動強度。并在實際應用中取得了較好的使用效果。

另外，相較于目前市面上國外先進的同類型設備，該開蓋機的工作效率和穩(wěn)定性與之不相上下。課題組設計的開關蓋機很好地兼顧了手動操作與自動化操作模式，具有廣闊的市場前景。下一步，將對該開關蓋機的開關蓋組件進行優(yōu)化，以兼容更多規(guī)格的凍存管及分布方式。