一種工業(yè)機器人在醫(yī)學(xué)氨基酸樣本實驗中的應(yīng)用

吳文俊 夏蕾 陳曉斌 薛增飛

（琦星智能科技股份有限公司，浙江臺州，317600）

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)制造的發(fā)展，工業(yè)機器人越來越多的應(yīng)用在工廠自動化生產(chǎn)中的裝配、噴涂、焊接等流程中[1-2]。隨著機器人工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)機器人也更多地延伸到生產(chǎn)和生活中的各個領(lǐng)域。本文實現(xiàn)了工業(yè)機器人在醫(yī)學(xué)氨基酸樣本試驗中的操作。

1 實驗需求

在醫(yī)學(xué)實驗前，氨基酸樣本需要進行提前預(yù)處理，其主要流程如下。

1.1 試劑配制

1）內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)品提取液的制備：按1:1:98的比例將內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)品、提取液添加劑加入提取液中，渦旋混合1min，配制成內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)品提取液;

2）復(fù)溶液的制備：按氨基酸復(fù)溶液：超純水＝4：21的體積比配制成復(fù)溶液，混合均勻；

3）待測氨基酸樣本、氨基酸低值質(zhì)控品RQCL及氨基酸高值質(zhì)控品RQCH的稀釋：取10μl待測樣本、氨基酸低值質(zhì)控品RQCL及氨基酸高值質(zhì)控品RQCH于EP管（小型離心管）中，分別加入40μl氨基酸樣本稀釋液，震蕩混勻（速度達2000rpm，時間為5min），備用；

4）流動相A：量取500ml超純水至流動相瓶中，再加入1500μl流動相添加劑A及500μl流動相添加劑B，渦旋混合1min，超聲10min；

5）流動相B：量取475ml甲醇和25ml超純水至流動相瓶中，再加入1500μl流動相添加劑A及500μl流動相添加劑B，渦旋混合1min，超聲10min。

1.2 加樣提取

移取校準(zhǔn)品、稀釋后的低值質(zhì)控品RQ CL、稀釋后的高值質(zhì)控品RQCH、稀釋后的樣本各10μl至EP管中，再移取內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)品提取液100μl至EP管中; 空白樣本:取10μl甲醇于EP管中，加入內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)提取液 100μl。

1.3 離心分離

將EP管對稱擺放入離心機中，EP管開口處朝里，有利于吸取上清液（樣本沉淀后上面透明的液體樣本）,速度達13000rpm,離心時間5min; 將離心后的EP管放入EP管架中，按空白樣本、校準(zhǔn)品、質(zhì)控品(RQCL,RQCH)、待測樣順序，分別移取各自的上清液50μl至96孔板中。

1.4 氮吹

氮氣吹入加熱樣品的表面進行樣品濃縮，設(shè)置氮吹儀溫度至50℃；打開氮氣瓶閥，調(diào)節(jié)氣瓶分壓閥至分壓在0.3～0.4MPa,將氮吹儀吹氣口面旋轉(zhuǎn)90°,調(diào)節(jié)氮吹儀壓力閥使轉(zhuǎn)子上緣至刻度40LPM處，將96孔板平穩(wěn)放在氮吹儀臺面上，將氮吹儀吹氣口面旋轉(zhuǎn)至正對96孔板,緩慢調(diào)節(jié)使氮吹儀臺面上升至氮吹儀出氣口略微伸入96孔板，10 min 后略向上調(diào)整氮吹儀臺面，20 min后將96孔板取出,用手電筒光從96孔板底部照射,仔細觀察96孔板內(nèi)有無液體，至96孔板內(nèi)無液體后停止氮吹。

1.5 衍生反應(yīng)

移取500μl轉(zhuǎn)化液加入至96孔板內(nèi)，放入恒溫混勻儀在60℃、500rpm條件下，振搖30min，進行氮吹步驟。

1.6 復(fù)溶

移取復(fù)溶液100μl加入96孔板內(nèi)，以750rpm的速度震蕩混勻10 min。

綜合分析上述實驗步驟可知，整個實驗需經(jīng)歷大量的步驟，需要將實驗液體在不同的實驗試管中進行挪移，而且移液數(shù)量較大，最少的實驗樣本都是96次操作，更多的是其倍數(shù)。采用手動移液，不但工作量大，而且在大量移動過程中，也容易造成紕漏。對于這種大批量重復(fù)操作，非常適合機器人來完成實驗動作，并且機器人操作比人工操作更穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)誤差紕漏。

2 電子移液器及其控制方案

電子移液槍是完成實驗的核心操作部件，根據(jù)醫(yī)學(xué)實驗室要求，本文選用德國普蘭德電子數(shù)字移液器（Brand Transferpette Electronic），該產(chǎn)品是由微處理器控制、電池驅(qū)動活塞的電子移液器，采用空氣活塞原理，用于移取一般密度和粘度的水相溶液。

電子移液器適應(yīng)的溫度范圍較廣，可應(yīng)用于液體處理實驗中。根據(jù)具體實驗需求，本文實驗選用單通道數(shù)字移液器，其操作面板主要包括程序鍵、上/下鍵、移液控制鍵和吸頭脫卸鍵等，如圖1所示。

圖1 電子移液器操作面板

其中，程序鍵、上/下鍵、移液控制鍵是電控制信號鍵，吸頭脫卸鍵是機械操作鍵。采用機器人進行實驗操作時，電控制信號鍵通過導(dǎo)線連接機器人數(shù)字I/O輸出端，而機械操作鍵通過氣閥控制，氣閥接入機器人的數(shù)字I/O輸出端。除了電控制部分，針對移液槍的機械形式，考慮其移液的姿態(tài)，將移液器固定在一個特定的機械件上，該機械件再與機器人固定連接，這樣實現(xiàn)了從電控和機械兩方面對電子移液器的操控，將移液器集成的控制部分稱為控制模塊。

3 六自由度工業(yè)機器人

本文選用筆者公司自行研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)的琦星六自由度智能協(xié)作機器人，其運行功率約200W，本體重量約22kg，載荷約5kg，擁有6個自由旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，最大工作半徑為933mm，定位精度可達0.1mm，可廣泛應(yīng)用于裝配、涂膠、搬運、實驗室分析等自動化應(yīng)用環(huán)境。

圖2 琦星六自由度工業(yè)機器人

琦星六自由度機器人外觀設(shè)計簡潔，如圖2所示，重量輕。示教器人機界面采用非常友好的可視化觸摸屏操作菜單，擺脫了傳統(tǒng)的復(fù)雜示教編程語言，大大簡化了應(yīng)用編程工作。同時，機器人在控制箱和工具端，配置有多個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字/模擬輸入輸出接口，支持TCP/IP 100M通信標(biāo)準(zhǔn)，適用IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)，也適用100BASE-TX通信介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)socket連接和 Modbus TCP連接,可以靈活地配置對接各種視頻接口、執(zhí)行設(shè)備等。

琦星六自由度機器人的本體設(shè)計非常輕巧，放棄了傳統(tǒng)的皮帶齒輪傳動設(shè)計，采用同軸輸入輸出的諧波齒輪結(jié)構(gòu)形式，每個自由度關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機設(shè)計為高磁密度大力矩空性軸電機，以配合機器人的整體機械外觀特點，驅(qū)動電機的驅(qū)動電路也與被控制電機本體集成為一體，結(jié)構(gòu)上更加緊湊。每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動控制電路與系統(tǒng)主控箱通過集中的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)實時交換，通信線纜經(jīng)過電機的空心軸進行排布，避免每個關(guān)節(jié)在復(fù)雜的運動中造成線纜的扭結(jié)。機器人臂體外殼采用輕型材料設(shè)計，大大降低了機器人本體重量，減輕了機器人在運行時的本體自身負載重量，提高了待載能力。同時，諧波齒輪的同軸結(jié)構(gòu)可以讓每個自由度的臂體直徑做的更加纖細，其外徑幾乎是電機定子外徑加上外殼厚度，沒有傳統(tǒng)的線纜布線空間，大大縮小了臂體直徑。每個關(guān)節(jié)的機械制動由傳統(tǒng)的電機抱閘裝置變?yōu)闄C械電磁鐵限位，大大減少了控制系統(tǒng)占用的空間，實現(xiàn)系統(tǒng)的輕型化。

所有連接到機器人的設(shè)備均可以機器人為控制核心而形成一套自動化系統(tǒng)。此外，機器人也可以作為一個獨立執(zhí)行設(shè)備，作為更復(fù)雜的自動化系統(tǒng)的一部分。

4 系統(tǒng)集成設(shè)計

針對醫(yī)學(xué)氨基酸樣本試驗的具體步驟，本文已分析需要機器人完成的實驗動作，考慮系統(tǒng)需要的反饋和執(zhí)行機構(gòu)如下。

在硬件方面，因為實驗臺存在偶爾移動的問題，所以需要配備攝像頭(1只)，用來反饋實驗試劑盒的具體位置；電子移液器及其控制模塊，用來操作具體的移液動作；氣閥用來操作移液后的脫管動作；琦星六自由度工業(yè)機器人（1臺），用來作為系統(tǒng)的核心控制機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)；定制鋁板（1塊），用來固定試劑盒與其他設(shè)備。攝像頭通過網(wǎng)口與機械手進行數(shù)據(jù)連接，移液槍操作手的控制模塊以及氣閥通過數(shù)字輸入輸出端口與機器人進行連接。鋁板上設(shè)置有固定的位置定位點，作為整體面板的定位基準(zhǔn)，當(dāng)以面板某一點作為坐標(biāo)零點時，所有面板上的物體都以該坐標(biāo)零點來計算自己的坐標(biāo)位置。具體硬件連接框圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

在軟件設(shè)計上，氨基酸樣本實驗預(yù)處理的步驟較多，首先最主要的是對準(zhǔn)系統(tǒng)的零點坐標(biāo)，機器人巡視每個定制鋁板上的位置基準(zhǔn)點，確定坐標(biāo)零點作為整個控制系統(tǒng)的控制零點，任何距離與位置都基于此坐標(biāo)零點；然后計算目標(biāo)試管的位置，將移液器移動到目標(biāo)試管的位置。為了確保液體的充分吸入和流出，在移液器進行吸入或釋放液體時都進行一定的時間延時，雖然每次移液的目標(biāo)、移液數(shù)量都不相同，但是機器人的操作動作、大致的流程基本相似，每次實現(xiàn)一個位置點的移液后，機器人進入到下一個位置點的移液操作，直至將所有試管液體移動完畢，軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

5 結(jié)論

本文設(shè)計的機器人集成系統(tǒng)很好地完成了醫(yī)學(xué)氨基酸樣本實驗步驟中不同種類的移液要求，此外，本系統(tǒng)靈活性很強，可以適合多種試管或試劑瓶的移液實驗，也可適用于同樣試管不同數(shù)量的移液實驗。本系統(tǒng)可拓展性強，除了已經(jīng)占用的接口，機器人還有多個外設(shè)接口，可以繼續(xù)外接各種拓展應(yīng)用，如適應(yīng)除了移液動作以外，再進行其他操作的多種實驗步驟的組合動作完成，實現(xiàn)更為復(fù)雜的實驗操作。