SBS排布冻存管自动开关盖机设计

杨增帅， 谢松华， 赵国庆， 谢康明， 罗 沉， 胡光辉， 朱瑞敏

(上海电气慧程智能系统有限公司， 上海 201615)

冻存管是一种保存生物样本的常用器皿，其消耗量巨大且卫生要求高。冻存管通常采用有螺纹的旋盖来进行密封。冻存管开关盖前后一般都按要求放置在标准排布的板架中，因此冻存管开关盖成为一项非常枯燥和繁琐的工作，并且人工拧紧还存在样本污染、气溶胶传播等风险。随着医学研究对生物样本的收集、保存和应用的需求日益增加，高质量大规模生物样本库得到逐步推广，在生物样本库中，往往要一次性处理大量的生物样本。冻存管的批量自动开关盖作业也成为了关键一环[1]3,[2-4]。

1 研究对象分析

美国分子生物科学协会(SBS)的标准冻存管是被广泛应用的产品之一。目前市场上广泛应用的冻存管主要有内旋盖和外旋盖冻存管，容量为0.5～15.0 mL。冻存管需放置在板架内，其中，96孔板架上每个孔距为9 mm，按8行×12列方式排列。其他规格板架参考该间距进行整倍数的放大或缩小，均称为SBS标准排布[5]。

1.1 冻存管的形态分析

课题组以0.75 mL内旋盖冻存管、标准96孔SBS板架为研究对象。图1为0.75 mL内旋盖冻存管，主要由管盖、密封圈、管体和套壳4部分组成。管盖设有八芒星形状空腔，方便自动化开关盖；管体呈圆锥体，套壳镂空设计，方便观察液面高度，非镂空部分设条形码，底部锥体处设置4条筋条，底面设二维码。主要特征尺寸为：L1=35.5 mm，L2=27 mm，L3=14.2 mm，L4=6.5 mm，D1=8.5 mm，D2=5.5 mm。

图1 冻存管结构示意图

1.2 标准 96孔SBS板架的形态

96孔SBS板架主要参数为L×W×H=127.76 mm×85.48 mm×19.05 mm；孔排列数量为96(8×12)个；相邻孔间距为P×P=9 mm×9 mm。孔的底部有4个筋条，可限制冻存管的转动。

图2 标准96孔SBS板架结构

1.3 应用场景分析

冻存管常用于血液和尿液等样本的分装存储，样本自收集到使用结束的整个生命周期一般包括前处理、检测、后处理、物流管理和垃圾处理。在前处理和后处理的过程中均需开启和闭合盖子。在开启和闭合盖子时，为避免人为因素造成的样本污染和交叉污染，保证开关盖效率，需减少样本前处理与后处理时间。

2 开关盖机总体设计

2.1 设计要求

根据实际应用场景的工艺需求，开关盖机应满足以下设计要求：

1) SBS板架上所有冻存管同时开关盖。

2) 在执行关盖操作时，管盖需要旋回原管体。同一批冻存管规格相同，管盖具有互换性，为避免样本的交叉污染，管盖必须旋回原管体。

3) 开关盖效率尽量的高。

4) 发生错误时，须有报警。

5) 关盖需要保证冻存管完全密封。即保证冻存管盖旋紧的力矩一致且可以控制。

6) 兼容人机交互与自动化需求。

2.2 工作流程

开关盖机开盖动作过程：给料—定位—信息确认—开盖—转移板架。开关盖机关盖动作过程：移回板架—定位—信息确认—关盖—转移板架。在开盖过程结束后，管盖将一直悬挂保存在开盖机中，保证开关盖机下一步只能继续进行关盖操作。

2.3 基本方案设计

开关盖机主要有托板组件、开关盖组件、推盖板组件、框架与外壳及交互与控制系统等。

托板组件仅设上下料工位和开关盖工位。开盖操作时，托板组件从开关盖机中伸出到上下料工位，将96孔SBS板架放置在开关盖机的托板组件中。托板组件收回到开关盖工位，开关盖组件开始工作，将管盖旋开，并悬挂。托板组件将开完盖的板架送出到上下料工位。将板架转移到其他设备中进行操作(例如液体工作站)。关盖操作时，将板架重新放回托板组件，托板组件将待关盖的板架送回开关盖工位，开关盖组件与推盖板组件配合执行关盖任务，托板组件将关盖的板架送回上下料工位，待取走板架后，托板组件复位到开盖机内部。开关盖机内部结构如图3所示。

图3 开关盖机内部结构示意图

开关盖机设置触摸屏，显示工作状态，报警信息等，实现人工控制；设置通信接口，方便自动化线的搭建。

3 关键组件设计

3.1 开关盖组件

开关盖组件主要包括：动力源、传动机构(离合器组件、张紧机构)和批头，整个开关盖组件在升降模组的驱动下完成上下位移。当开盖时，开关盖组件下降，在批头插入冻存管盖时，先顺时针转30°，确保每个批头都能可靠地插入管盖内。再逆时针旋开冻存管盖。 开盖结束后系统进行检测，96个管盖是否全部开启，如有异常系统会报警。开关盖组件结构示意图如图4所示。

图4 开关盖组件结构示意图

关盖操作时：携带冻存管管盖的批头跟随升降模组在电机驱动下缓缓下降，管盖接触管体时，动力源提供动力，通过离合器组件旋紧管盖盖子。由于此时管盖还通过八芒星形状空腔与批头连接在一起，，然后推盖板组件下压，批头跟随升降模组上升，使冻存管脱离批头保持在板架中[1]6-7。

3.2 扭矩控制离合器

扭矩控制离合器是开盖和关盖过程的重要部件。当关盖时，若扭力太小，冻存管密封不严，若扭力太大，会损坏冻存管。如图5所示，扭矩控制离合器包含转轴、同步轮、弹簧座、弹簧、棘轮等。棘轮的棘齿一面是斜面、另一面是垂直面。开盖时，棘齿的垂直面与受力方向垂直，可为开盖提供足够的扭力。当关盖时，棘齿的斜面与受力方向是倾斜的，在弹簧的作用下，盖子拧紧之后棘轮跳齿，限制了传递的扭力最大值[1]4。

图5 离合器结构

3.3 控制系统设计

开关盖机控制系统基于Trinamic公司的TMCM-3351-TMCL电机控制芯片，步科GR070E触摸屏，鸣志步进电机及空心杯电机(下文简称电机)等，开关盖机控制系统结构框图[6-10]如图6所示。控制芯片作为信息处理中心，与电机、触摸屏信息交互，接收传感器信号(位置、力矩和温湿度等信息)，向蜂鸣器/指示灯输出警报信息。通过触摸屏实现人机交互，通过预留的通信接口，可实现与自动化线的集成，预留通信接口通过触摸屏外接。开盖流程控制如图7所示，开盖各动作时间分配如表1所示，关盖流程控制如图8所示，关盖各动作时间分配如表2所示。

图6 开关盖机控制系统结构框图

图7 开关盖机开盖框图

图8 开关盖机关盖框图

表1 开盖动作时间分配表

表2 关盖动作时间分配表

4 开关盖试验与分析

本机作为研发产品经过基本测试后，进行了4组试验，结果如表3所示。

表3 试验记录表

第1组试验共进行了115次开、关操作，发现出现13次死机现象，每次死机均在开盖动作启动的瞬间；在失败的13次试验中，还有2次出现了1只冻存管未开盖成功的现象。这2只未成功开盖的冻存管处于板架不同位置。经分析，出现死机现象原因为电气控制器运行需要一定的时间，而操作人员点击屏幕过快，导致系统不能及时响应。冻存管未开盖成功的原因有2个：①扭矩离合器加工精度不够，需要一定的磨合期；②因为经过长时间开、关盖，使个别冻存管或板架底部发生磨损。

重新对控制程序进行编制，检查并更换合格的扭矩离合器、冻存管和板架后进行第2组试验。连续98次开、关盖无运行差错；2次出现有1个冻存管未开盖成功现象，这2次是处于同一位置的同一个冻存管，经更换冻存管后，故障排除。

第3组连续100次开、关盖无运行差错；开、关盖成功率为100%。

第4组连续100次开、关盖无运行差错；开、关盖成功率为100%。统计得，平均开盖运行时间为每板15.8 s，平均关盖运行时间为每板28.4 s。

5 结语

课题组通过分析0.75 mL冻存管以及标准96孔SBS板架的外形特征以及结构特点，结合应用场景给定开关盖机的设计要求，设计一种冻存管的开关盖方案，并进行了一系列的试验进行功能验证与优化。结果表明：设计符合预期，平均开盖运行时间为每板15.8 s，平均关盖运行速度时间为每板28.4 s，极大减轻了人工劳动强度。并在实际应用中取得了较好的使用效果。

另外，相较于目前市面上国外先进的同类型设备，该开盖机的工作效率和稳定性与之不相上下。课题组设计的开关盖机很好地兼顾了手动操作与自动化操作模式，具有广阔的市场前景。下一步，将对该开关盖机的开关盖组件进行优化，以兼容更多规格的冻存管及分布方式。