移液工作站高通量移液器設(shè)計(jì)

杜苗苗，于源華

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

微量移液技術(shù)與移液器是各實(shí)驗(yàn)室的高精度微量液體技術(shù)與工具，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的樣品配制階段［1-2］。1956 年，德國(guó)Eppendorf 公司發(fā)明了第一支單通道固定量程的移液器，開(kāi)始了移液器的商業(yè)化發(fā)展。在這之后，出現(xiàn)了多通道移液器、可變量程移液器、電動(dòng)移液器，極大簡(jiǎn)化了微量液體的移液操作，同時(shí)也使移液的自動(dòng)化操作成為可能［3］。

隨著快速疾病檢測(cè)、生物制藥、化學(xué)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，人們對(duì)液體處理平臺(tái)提出了新的要求，希望一次能處理大量的待測(cè)樣本，靠實(shí)驗(yàn)人員的手工操作很難實(shí)現(xiàn)一次對(duì)多個(gè)樣本的處理，自動(dòng)化技術(shù)為快速、高效的液體處理提供了不錯(cuò)的技術(shù)平臺(tái)。移液工作站應(yīng)用于對(duì)樣本的大量、自動(dòng)化處理，不僅可以節(jié)省人力成本，還可以降低安全隱患，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免人為誤差，實(shí)現(xiàn)高效率操作。

遵循液體處理平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)，本文基于移液工作站的功能和使用要求，為滿足高通量的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一款能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝、脫槍頭和自動(dòng)吸、放液的96 通道移液器。

1 移液模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移液器需要能夠快速、平穩(wěn)地移動(dòng)到指定位置，并完成吸液、轉(zhuǎn)移、放液等操作，因此三維機(jī)械臂是移液器完成移液工作的基礎(chǔ)。本文中的三維運(yùn)動(dòng)采用直角坐標(biāo)系的龍門式機(jī)械臂，龍門式結(jié)構(gòu)可承載較大負(fù)載且定位精度高。如圖1 所示，X、Y軸均采用同步帶傳動(dòng)，安裝有電機(jī)、導(dǎo)軌、同步帶輪等，Z軸在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿導(dǎo)軌到達(dá)工作站的任意指定位置。Z軸采用的是絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，將螺母固定，電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，移液器在絲杠上沿豎直方向上下運(yùn)動(dòng)。

圖1 移液工作站整體結(jié)構(gòu)

1.1 移液器整體設(shè)計(jì)

移液器通過(guò)連接板搭載在Z軸機(jī)械臂上，Z軸用到同步帶、滾珠絲杠兩種傳動(dòng)方式，電機(jī)選用的是STP-59D5007 型號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)從動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)輪安裝在絲杠上。螺母固定在軸承上，從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)軸承、螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，因螺母垂直方向位置固定，所以使得絲杠帶著移液器進(jìn)行上下移動(dòng)。

為滿足高通量需求，根據(jù)控制置換原理設(shè)計(jì)96 通道的移液器，將96 個(gè)活塞桿固定在同一活塞板上，電機(jī)通過(guò)絲杠帶動(dòng)活塞板的上下移動(dòng)，從而完成活塞桿在腔體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)吸放液功能。 移液器采用的傳動(dòng)方式是梯形絲杠傳動(dòng)，雖其精度沒(méi)滾珠絲杠高，但其能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖功能，應(yīng)用于垂直結(jié)構(gòu)中受重力作用的變形和誤差也都比滾珠絲杠小。

通過(guò)對(duì)單通道移液器的實(shí)際測(cè)量，得到單通道移液器上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需克服的阻力為13 N，將其類比到96 通道的實(shí)際應(yīng)用中，將阻力按1.2 倍擴(kuò)大，得到的96 個(gè)活塞桿同時(shí)運(yùn)動(dòng)所需克服的阻力為1 497.6 N。電機(jī)需要滿足的扭矩，在勻速狀態(tài)下可按公式（1）進(jìn)行非精確計(jì)算：

式中，PB為絲杠導(dǎo)程，數(shù)值為1.587 5 mm；FA為活塞上下運(yùn)動(dòng)所需克服的阻力，數(shù)值為1 497.6 N；m為移液器自身質(zhì)量（取15 kg）；η為絲杠傳動(dòng)效率（取0.85）。得到的電機(jī)扭矩T為0.49 N·m，取安全系數(shù)為3。為更好地對(duì)移液器進(jìn)行控制，最后選用的是帶編碼器的步進(jìn)電機(jī)57H2140-158139-1000。

1.2 移液器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移液器是工作站的核心部件，需要能進(jìn)行精準(zhǔn)的吸液和放液操作，移液器的單通道移液量在0～500 μL。 為滿足工作站高通量的要求，根據(jù)96 孔板每孔中心左右間距9 mm 的特性，利用空氣置換的原理設(shè)計(jì)了96 通道的移液器，移液器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

移液時(shí)，第一步需要完成裝槍頭的動(dòng)作，通過(guò)Z軸電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)移液器下壓完成槍頭的安裝。將96 個(gè)活塞桿全部安裝在活塞安裝板上，把槍頭安裝槽與密封蓋板相平行的位置作為運(yùn)動(dòng)零點(diǎn)。通過(guò)腔體固定角架將腔體固定在移液器側(cè)板上，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，腔體內(nèi)氣壓低于外界大氣壓，液體進(jìn)入到槍頭中，完成吸液操作。 電機(jī)帶動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)擠壓腔內(nèi)的空氣，使腔內(nèi)氣壓高于外界氣壓，從而完成放液或分液。 在腔內(nèi)液體放完，電機(jī)運(yùn)動(dòng)到零點(diǎn)之后繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，會(huì)推動(dòng)脫槍板向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)脫槍頭的動(dòng)作。導(dǎo)向軸的向下運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致彈簧處于壓縮狀態(tài)，當(dāng)槍頭脫落后，由于彈簧作用，脫槍板回到原來(lái)的位置。

腔體采用的是有機(jī)玻璃材質(zhì)，腔體的內(nèi)部都進(jìn)行過(guò)拋光處理，減小活塞桿與腔體之間的摩擦力。 活塞桿采用的是SUS304 不銹鋼材質(zhì)，在腔體上面加有密封蓋板，且在每個(gè)通道兩端都裝有O 型圈，防止因氣密性產(chǎn)生的移液誤差。活塞柱的直徑也會(huì)影響移液精度，若追求高精度、微量的移液效果，需要盡可能減小活塞桿的直徑d，單個(gè)通道吸取的液體量V與活塞桿的行程?x關(guān)系為：

要滿足單通道為500 μL，過(guò)細(xì)的活塞桿會(huì)導(dǎo)致整個(gè)移液器整體過(guò)于細(xì)長(zhǎng)，所以設(shè)計(jì)活塞桿的直徑為4 mm，根據(jù)公式（3）可得在移液量為500 μL 時(shí)活塞桿的行程約為39.8 mm。考慮到活塞桿的安裝等因素，最終活塞桿的長(zhǎng)度為60 mm。

1.3 移液器關(guān)鍵零件仿真

脫槍板在實(shí)際工作過(guò)程中，首先會(huì)受到兩側(cè)導(dǎo)向軸對(duì)其的推力，受力方向向下；同時(shí)也會(huì)受到槍頭與移液頭之間的摩擦力，受力方向向上。脫槍板受到的兩個(gè)力方向相反，容易造成脫槍板的形變，所以對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。 槍頭施加在脫槍板上的力，受力面是槍頭的邊緣面，槍頭內(nèi)徑為6 mm，槍頭外徑為7.9 mm。脫槍板的應(yīng)力和位移分析如圖3、圖4 所示。

圖3 應(yīng)力分析結(jié)果

圖4 位移分析結(jié)果

圖5 移液器硬件框圖

在進(jìn)行脫槍頭操作時(shí)，脫槍板的最大應(yīng)力為149.44 MPa，位于脫槍板四角，即腔體與脫槍板的連接處；最大的位移量為0.452 64 mm，位于脫槍板中間位置，該形變量不會(huì)影響脫槍板的功能，可以滿足使用要求。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和移液器的實(shí)際需求，利用模塊化的設(shè)計(jì)思路對(duì)移液器硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括主控電路、電源電路、隔離電路、光電傳感器接口電路等。

主控電路模塊需要保證整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，負(fù)責(zé)給驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，還有其他相關(guān)信號(hào)的收發(fā)，由主控制芯片STM32 和相關(guān)外圍電路構(gòu)成。電源電路負(fù)責(zé)給系統(tǒng)中各個(gè)元器件供電，有效保證系統(tǒng)的供電穩(wěn)定。光電傳感器用于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置的確定，選用嘉準(zhǔn)的FC-SPX303Z，是一款槽型光電開(kāi)關(guān)，由紅外線發(fā)射管、接收管組合而成的紅外線感應(yīng)光電產(chǎn)品。在被遮光時(shí)，即檢測(cè)到物體時(shí)，輸出端會(huì)輸出低電平。通訊模塊主要是用串口通訊與上位機(jī)軟件進(jìn)行通訊，共同完成對(duì)移液器的運(yùn)動(dòng)控制。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送的信號(hào)與微控制器發(fā)送的信號(hào)在不同的頻段，且高頻信號(hào)會(huì)對(duì)低頻信號(hào)造成一定的干擾，所以在微控制器和驅(qū)動(dòng)芯片之間設(shè)計(jì)了隔離電路進(jìn)行抗干擾和保護(hù)。MCU 的I/O 口的驅(qū)動(dòng)能力比較弱，且只能輸出毫安級(jí)的電流，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)將處理器發(fā)出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的電流，驅(qū)動(dòng)器為榮邁科技DM9045。編碼器是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制，對(duì)電機(jī)的角位移、角速度進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，避免步進(jìn)電機(jī)失步、堵轉(zhuǎn)、過(guò)沖等情況的出現(xiàn)。

最終根據(jù)設(shè)計(jì)的移液器控制系統(tǒng)的電路，完成的控制系統(tǒng)實(shí)物如圖6 所示。

圖6 移液器控制系統(tǒng)硬件電路實(shí)物

3 移液器控制算法仿真與實(shí)現(xiàn)

移液器的目標(biāo)移液精度為1 μL，根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，移液器取樣精度與活塞桿的直徑d、所用絲杠導(dǎo)程PB、電機(jī)步距角θ等有關(guān)，取液精度計(jì)算公式為：

式中，n為細(xì)分?jǐn)?shù)，在無(wú)細(xì)分的情況下得到λ為0.099 745 5 μL，在理論上移液精度已經(jīng)滿足要求，但在實(shí)際的移液過(guò)程中電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)度、角度位置反饋準(zhǔn)確度、算法的誤差均影響著電機(jī)的定位精度，進(jìn)而影響著移液精度。 微量移液器工作過(guò)程中對(duì)活塞桿的控制精度要求較高，因此需要采用適合的閉環(huán)控制算法對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，從而提高移液精確度［4］。

3.1 移液器控制算法仿真

PID 算法是結(jié)合比例（P）、積分（I）和微分（D）三種環(huán)節(jié)于一體的閉環(huán)控制算法。PID 控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，是目前為止在連續(xù)控制系統(tǒng)中最為成熟的一種控制算法［5-6］，步進(jìn)電機(jī)PID 控制原理如圖7 所示。

圖7 步進(jìn)電機(jī)傳統(tǒng)PID 控制原理

但是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在非線性、時(shí)變等特性，傳統(tǒng)的PID 控制難以達(dá)到較好的控制效果［7］。因此，采用將模糊控制與傳統(tǒng)PID 控制相結(jié)合的方式，通過(guò)在線不斷調(diào)整PID 三個(gè)參數(shù)的值，使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行誤差嚴(yán)格控制在允許范圍內(nèi)，可以提高步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制性能。

模糊自整定PID 控制器以誤差e（被控對(duì)象的反饋值與目標(biāo)值的偏差）和誤差變化率ec輸入，通過(guò)PID 三個(gè)參數(shù)與e、ec之間建立的模糊關(guān)系，利用模糊規(guī)則和推理機(jī)實(shí)現(xiàn)三個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)，從而確保偏差及偏差變化率參數(shù)滿足控制要求［8］?？刂葡到y(tǒng)原理如圖8 所示。

圖8 步進(jìn)電機(jī)模糊PID 控制原理

移液器控制的實(shí)質(zhì)是使電機(jī)角位移精準(zhǔn)移動(dòng)，進(jìn)而使活塞桿移動(dòng)精準(zhǔn)，電機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象。在仿真過(guò)程中使用傳遞函數(shù)代替實(shí)質(zhì)電機(jī)，移液器使用的是57H2140 步進(jìn)電機(jī)，其傳遞函數(shù)為：

根據(jù)移液器的實(shí)際控制要求，確定偏差e的基本論域?yàn)椋?0.1 mm，0.1 mm］，偏差變化率ec的實(shí)際論域?yàn)椋?0.1 mm/s，0.1 mm/s］。將輸入變量量化到模糊論域，劃分為13 檔，對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言變量確定為7 級(jí)，用{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}來(lái)表示。三個(gè)輸出變量Kp、Ki、Kd的基本論域確定為［-3，3］、［-0.6，0.6］、［-1.5，1.5］，將輸出變量量化到模糊論域也分為13 檔，對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言也確定為7 級(jí)。本設(shè)計(jì)采用的是高斯和三角形相結(jié)合的隸屬函數(shù)來(lái)建立13 檔模糊論和模糊語(yǔ)言變量等級(jí)之間的關(guān)系。 輸入、輸出隸屬函數(shù)如圖9 所示，模糊規(guī)則根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［9-10］及專家經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)比得到，如表1 所示。

表1 模糊規(guī)則表

圖9 隸屬函數(shù)

在simulink 模塊中搭建了模糊PID 控制器系統(tǒng)模型［8］，并在此系統(tǒng)中建立傳統(tǒng)的PID 控制器模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，仿真模型如圖10 所示。

圖10 PID 和模糊PID 仿真對(duì)比模型

確定PID 的參數(shù)，將模糊PID、傳統(tǒng)PID 三個(gè)參數(shù)保持一致，Kp、Ki、Kd分別為0.3、30、8。給定階躍信號(hào)，設(shè)置仿真時(shí)間為3 s，并在1.5 s 處加干擾信號(hào)，最終得到他們仿真的對(duì)比曲線。 由圖11 可以看出，模糊PID 控制與傳統(tǒng)PID 控制相比，模糊PID 更快趨于穩(wěn)定，并且系統(tǒng)的超調(diào)量明顯減少，抗干擾能力強(qiáng)，具有較好的穩(wěn)定性與魯棒性。因此得出在兩種控制方式下，模糊PID控制性能更為優(yōu)越，能夠使系統(tǒng)獲得更好的控制效果。

圖11 控制系統(tǒng)仿真曲線

3.2 移液器控制算法實(shí)現(xiàn)

移液控制實(shí)際是對(duì)步進(jìn)電機(jī)角位移進(jìn)行控制，移液精度取決于步進(jìn)電機(jī)的定位精度，工作站依靠對(duì)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)高精度的移液操作，通過(guò)編碼器的位置反饋不斷調(diào)整活塞桿的位置。編碼器接口用的是微處理器自帶的編碼器接口模式，定時(shí)器作為編碼器的信號(hào)采集通道，編碼器A、B兩相分別與PC6、PC7 引腳相連接。通過(guò)編碼器獲得步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息之后，需要進(jìn)行下一步的運(yùn)算操作，移液控制程序流程如圖12 所示。

圖12 移液控制程序流程

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

移液功能是將各種液體試劑、樣本進(jìn)行轉(zhuǎn)移，移液的準(zhǔn)確性直接影響到后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為驗(yàn)證移液器性能，對(duì)其進(jìn)行移液精度的測(cè)試，原理樣機(jī)如圖13 所示。實(shí)驗(yàn)用品：工作站的移液器、一次性吸頭（0～200 μL）、天平（BSA124S）、純水（500 ml）、EP 管。

圖13 原理樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)在（20±5）℃室溫、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境下進(jìn)行：（1）對(duì)天平調(diào)零后稱量空EP 管的質(zhì)量并進(jìn)行記錄；（2）使用移液器將10 μL、20 μL、50 μL、100 μL、150 μL、200 μL 的純水加入EP 管中，對(duì)加入純水之后的EP 管進(jìn)行稱重，記錄下其質(zhì)量，每種容量進(jìn)行100 組操作；（3）根據(jù)20 ℃下，純水的密度為998.203 kg/m3，可根據(jù)純水的質(zhì)量計(jì)算出純水的體積。以10 μL 為例，得到其中20 組移液數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 10 μL 移液數(shù)據(jù)

根據(jù)上述操作得到了10 μL、20 μL、50 μL、100 μL、150 μL、200 μL 的移液數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)給出了移液數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖，如圖14 所示。從圖中可以看出，移液器的移液效果穩(wěn)定，產(chǎn)生的移液誤差很小。

圖14 移液數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

根據(jù)JJG 646-2006 計(jì)量性能要求［9］，移液器在標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下的允許誤差和重復(fù)性測(cè)試應(yīng)該滿足表3 所示參數(shù)。

表3 移液器容量為200 μL 允許誤差和測(cè)試重復(fù)性

移液器的容量相對(duì)誤差E計(jì)算公式：

移液器的重復(fù)性S計(jì)算公式：

根據(jù)以上公式對(duì)上述實(shí)驗(yàn)所得到的移液數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各組數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差值和相對(duì)誤差值，如表4 所示。

表4 不同移液量的性能參數(shù)

通過(guò)表4 可看出移液器的性能指標(biāo)滿足JJG 646-2006 移液器計(jì)量性能的要求。

5 結(jié)論

本文提出了96 通道移液器的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)移液器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。移液器的取樣精度由步進(jìn)電機(jī)的定位精度決定，對(duì)傳統(tǒng)PID 和模糊PID 進(jìn)行了仿真分析，選用模糊PID 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制。

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)搭建了原理樣機(jī)，在常溫下使用純水對(duì)移液器進(jìn)行性能測(cè)試，使用200 μL 的吸頭進(jìn)行了10 μL、20 μL、50 μL、100 μL、150 μL、200 μL 的定量移液實(shí)驗(yàn)，容量允許誤差分別在2.03%、1.98%、1.52%、1.34%、1.27%、1.06%，滿足JJG 646-2006 移液器計(jì)量性能要求。