摘 要： 某類及時診斷儀器中要求生化探針深入到樣本或試劑池中，將池中溶液攪勻，并在探針表面得到特異性吸附物或清洗掉非特異性吸附物，為解決該問題，設計一種新型的探針抓取與旋轉機構，既能自動抓取探針，又能使探針繞其軸心高速旋轉，利用旋轉功能實現將溶液攪拌混勻的效果。該機構結構緊湊，可應用在便攜的及時診斷儀器中，同時可實現微量樣本的檢測，并節省試劑的使用量。
關鍵詞 : 生化探針;抓取與旋轉;攪拌混勻;及時診斷;
1、 引言
某類體外診斷儀器的檢測原理是用生化探針依次深入樣本液、試劑、清洗液，使樣本和試劑中的待測成分充分地特異性吸附在探針表面，并在清洗液中清洗掉非特異性吸附，然后用檢測裝置對探針表面吸附的待測成分進行定量檢測。樣本液和試劑的均質化越好[1]，非特異性吸附物越少，則檢測結果就越準確。
目前的這類體外診斷儀器采用晃動臺（shaker）的方式來實現樣本和試劑的混勻和提高清洗效果，方法是將裝有樣本液、試劑、清洗液的多孔容器置于晃動臺上，探針抓取機構只負責抓取探針依次深入并懸停在樣本液、試劑或清洗液中，等待晃動臺帶動多孔容器做高頻微幅晃動，通過高頻晃動實現溶液的均質化，并將待測物充分地吸附到探針表面。這個方法的缺點是：晃動臺結構不能做得太小，不能適應便攜式及時診斷儀器的尺寸要求；晃動頻率一定的情況下，晃動幅度不能進一步減小，由于探針懸停在溶液孔中，孔的直徑不能做得太小，以免孔壁與探針相撞，這也就不能滿足及時診斷儀器所追求的減少樣本和試劑消耗的要求[2]。
2、 生化探針自動抓取與旋轉方案
為解決上述晃動臺混勻方法不便于應用于便攜式及時診斷儀器內的問題，擬采用探針旋轉的方式，以探針的快速旋轉實現對溶液的攪拌來達到將溶液混勻的目的。
2.1、 方案需求
探針旋轉的動作顯然是在探針抓取機構上實現的，如圖1所示，該機構安裝在平移運動機構上，能在指令的控制下實現：“抓取探針、提升、運動到下一個工位、下降、旋轉探針、提升、……、釋放探針”的動作流程。
該機構需要滿足結構緊湊的要求，便于應用于便攜式儀器內。
2.2 、方案設計思路
可以分別實現抓取動作或旋轉動作的機構都有很多種，實現抓取動作最常用的有夾爪機構，夾爪機構在原動機的驅動下進行開合動作，實現對探針的釋放或夾緊；實現旋轉動作的機構可分為同軸驅動和不同軸驅動，同軸驅動即驅動器件（一般是電機）的轉軸與探針軸線同軸，顯然，同軸驅動的旋轉機構會占用更多的軸向空間，不同軸驅動需要用到諸如齒輪、同步帶等傳動機構。單獨的抓取或旋轉機構都很簡單，而要將兩種運動形式放在一起去實現時就需要考慮這兩種運動如何進行解耦，不使它們產生運動耦合[3]。
通過上述分析，探針自動抓取與旋轉機構可采用的設計方案如圖2所示，探針抓取可采用夾爪機構，夾爪動作采用曲柄滑塊機構[4]實現，其中曲柄構件作為夾爪是末端執行件，滑塊是原動件，滑塊的上下滑動可以由電磁鐵和彈簧驅動，夾爪機構的整體作為旋轉對象，其旋轉軸與被抓起的探針軸線重合，其旋轉運動可以由旁置的電機通過同步帶傳動實現，夾爪整體的旋轉運動與滑塊的上下運行這兩種運動的解耦可以采用推力軸承。
圖1 探針自動抓取與旋轉方案示意圖
圖2 用曲柄滑塊機構實現探針抓取的方案示意圖
3 、自動抓取與旋轉機構的結構設計
3.1、 總體結構介紹
自動抓取與旋轉機構的總體結構如圖3所示，抓取機構由探針定位器、探針夾爪、連桿、滑塊、推力軸承、推力軸承座、鐵磁盤、電磁鐵、導向銷、彈簧等零件組成，旋轉機構由步進電機、同步帶輪、同步齒形帶、探針定位器、交叉滾柱軸承等零件組成。
如圖3所示，探針定位器是抓取機構（曲柄滑塊機構）的機架，它既與探針夾爪通過一處銷軸構成轉動副，又由其上端的圓筒內表面與圓柱體的滑塊外表面構成移動副，探針夾爪和滑塊分別與連桿通過轉動副連接，滑塊在探針定位器內的上下運動可轉化為探針夾爪與探針定位器軸線的夾角變化，通過該夾角變化實現抓取探針和釋放探針的動作。抓針定位器還是對探針實現定位的零件，在其下部有V形槽對探針的圓柱外表面徑向定位，保證了探針軸線與定位器軸線重合，有一個平面對探針進行軸向定位，保證每次抓取的探針在抓取機構里的軸向位置都能保持一致，有利于生化檢測結果的可靠性。抓針定位器也是實現旋轉運動的主體，在其上部安裝了交叉滾柱軸承，可經由同步帶傳動機構被步進電機驅動旋轉，將探針抓取以后，探針則在摩擦力作用下與抓取機構暫時地合為一體，一起旋轉。
圖3 自動抓取與旋轉機構的總體結構
滑塊與推力軸承座通過一對推力軸承保持軸向一致運動，支點導向銷和彈簧將鐵磁盤與推力軸承座壓緊在一起，如圖4所示。電磁鐵通電后可將鐵磁盤向上吸起，鐵磁盤將向上的力傳遞給彈簧，又傳遞給導向銷，再帶動推力軸承座向上運動，從而使探針夾爪的末端壓緊探針。彈簧的作用有兩個，一是緩沖，使剛性的磁吸力變為彈性的夾緊力；二是由于彈簧的作用行程較大，可以在一定程度上放寬零件的尺寸精度要求。
圖4 磁吸力緩沖結構示意圖
3.2 、抓取機構設計
抓取機構是應用了曲柄滑塊機構的原理，滑塊是原動件，探針定位器是機架，探針夾爪相當于曲柄。按照方案需求中要求的小型化原則，由軸承、電磁鐵等標準件的最小型號可大致確定了探針定位器的尺寸，然后連桿長度和探針夾爪的尺寸也都可大致確定，再設定探針夾爪的末端行程為±0.5mm（以夾爪壓緊探針的位置為原點，朝著繼續壓緊的方向為負值，朝著松開的方向為正值），又因電磁鐵磁力的作用距離有限，設定滑塊的上下移動行程為0.5mm，即以滑塊的0.5mm行程對應探針夾爪的末端行程±0.5mm。
圖5 抓取機構運動分析模型
如圖5，建立曲柄滑塊機構的數學模型，則有解析算式如下：
在solidworks中用作圖法可初步確定圖5中的各參數值：e=1.6mm,a=4.46mm,b=5mm,L=7mm，θ1=47.73°，θ2=19.88°，根據“探針夾爪的末端行程為±0.5mm”，則θ1的變化范圍是47.73±4°（43.73°～51.73°），代入上式可驗證Xc的運動范圍是：Xc=8mm～Xc=7.4mm，即滑塊運動形成是0.6mm。
3.3、 探針的夾緊力分析
根據3.1節的介紹可知，抓取機構將探針抓取以后對探針的夾緊力是由彈簧力提供的，將推力軸承座（與滑塊連接）壓緊到鐵磁盤的彈簧力應該要小于電磁鐵對鐵磁盤的磁吸力，選用的電磁鐵吸力為20N，選用的彈簧常數是1.5Nmm，共使用4個彈簧，彈簧預壓力為1mm，彈簧的工作行程約0.2mm，則彈簧對滑塊的作用力范圍是6N～7.2N。
圖6 探針夾緊力分析模型
圖6是對探針夾緊力的分析模型，F32表示滑塊對連桿2的作用力，則F32=6N～7.2N。在圖6中，分別以曲柄1和連桿2作為研究對象進行受力分析，則有：
已知抓取狀態下的θ2=19.88°，可求得F41=4.1N～4.9N，即探針被抓取以后所受到的夾緊力范圍是4.1N～4.9N。探針是用玻璃做成的外徑1mm、長度10mm的圓柱棒，重量不到1g，轉動慣量不到1g*mm2，經粗略計算，探針與抓取機構之間由夾緊力所產生的靜摩擦力約0.4N，該靜摩擦力遠大于探針的重力，也可對探針產生足夠的摩擦轉矩，使得抓針機構能以足夠大的旋轉加速度帶著探針一起旋轉。
3.4、 抓取動作與旋轉運動的解耦
推力軸承由軸圈、座圈、保持架、鋼球組成，其軸圈的內徑和外徑都小于座圈，軸圈與軸配合，座圈與軸承座孔配合，兩個推力軸承成對使用可在“軸”與“軸承座”之間傳遞雙向軸向運動，并使“軸”與“軸承座”具有可相對轉動的自由度。
如圖3所示，推力軸承由于其軸圈和座圈可相對轉動，所以它將抓取機構分成了可相對轉動的兩部分，其中探針定位器、探針夾爪、連桿、滑塊和推力軸承的軸圈是一個可以旋轉的整體，推力軸承的座圈、推力軸承座、鐵磁盤等零件組成了一個只在電磁力和彈簧力的作用下做上下移動的不旋轉的整體。在旋轉部分做旋轉運動的時候不會對不旋轉的部分造成影響，即旋轉運動不會對磁吸力產生影響。不旋轉部分的上下移動也不會影響旋轉部分的旋轉狀態，而不旋轉部分的上下移動可轉化為探針夾爪的抓取動作，不旋轉部分如果是處在電磁鐵上電而將鐵磁盤吸合的狀態，則旋轉部分中的探針夾爪就是處于夾緊的狀態�？梢娮ト幼髋c旋轉運動實現了解耦。
4、 結語
根據體外診斷領域中及時診斷儀器的開發需求，提出了生化探針的自動抓取與旋轉一體化機構的設計方案。利用三維設計軟件結合理論計算和分析的方法，詳細設計了基于曲柄滑塊機構的抓取機構、旋轉機構，并通過相應的解耦方法將抓取機構與旋轉機構結合在一起，完成了一體化結構設計，極大地節省了空間，同時具有結構簡單、控制方便的優點。
參考文獻
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