一种复合型的全自动液体操作模块

技术领域

本发明涉及细胞培养技术领域，具体为一种复合型的全自动液体操作模块。

背景技术

生物药品、新型小分子药品、基因合成与检测等处在快速发展期，样本培养、样本取样、样本纯化、样本准备等过程中需要高通量的精确液体操作。传统人工操作这一流程效率低下，精准程度也因操作者的熟练程度和技术水平高低而不同。

综上所述，本发明通过设计一种复合型的全自动液体操作模块来解决存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合型的全自动液体操作模块，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种复合型的全自动液体操作模块，包括模块电子系统、Z轴移动机构和液体操作单元，所述模块电子系统包括主控电路板、通讯电路板、模块内部扁平柔性电缆、液面探测电路板和活塞运动电机控制板，其中主控电路板、通过模块内部扁平柔性电缆电性连接在通讯电路板上，所述液面探测电路板、活塞运动电机控制板分别通过导线电性连接在通讯电路板上；

所述Z轴移动机构包括安装架，所述安装架的一侧并且靠近安装架的顶部通过电机安装架连接有空心杯电机，其中空心杯电机的驱动轴通过连轴器连接有丝杆螺母副，其中所述丝杆螺母副的另一端通过转轴转动连接在支撑板上，所述支撑板固定连接在安装架的侧壁上，所述丝杆螺母副上螺纹连接有螺母连接块，所述螺母连接块为矩形框架结构，其中矩形框架结构的内部滑动连接有直线导轨，其中直线导轨的两端分别连接在安装架、电机安装架上，所述直线导轨上并且位于螺母连接块的上下两侧滑动连接有滑块；

所述液体操作单元包括安装在两组滑块以及螺母连接块上的移液模块外壳，所述移液模块外壳的内壁上并且靠近移液模块外壳的底部固定设置有移液空心杯电机，所述移液空心杯电机的驱动轴通过移液联轴器连接有滚珠丝杠，所述滚珠丝杠上螺纹连接有滑块活塞，其中滑块活塞的另一端面固定连接有活塞杆，所述活塞杆的外壁套接在活塞筒的内部，其中活塞杆的外壁并且位于活塞筒的端口处通过两组O型圈，实现双层密封，所述活塞筒的另一端通过移液导管连接有枪头，其中枪头安装在移液模块外壳，所述枪头的出液口外壁套接有移液吸头，所述枪头上开设有差压传感器安装孔，所述差压传感器安装孔的内部安装有差压传感器，所述差压传感器的一端并且位于枪头的外部电性连接在液面探测电路板上，所述液面探测电路板固定连接在移液模块外壳内腔的壳体上，所述滚珠丝杠的左右两侧并且位于移液模块外壳内腔的壳体上固定设置有两组滑轨，其中一组滑轨上依次连接有滑块顶杆、齿条连接板一，另一组滑轨上连接有齿条连接板二，所述齿条连接板二与齿条连接板一之间相适配连接有两组换向齿轮，所述齿条连接板二与换向齿轮相对立的侧壁上固定连接有顶杆一，所述顶杆一的另一端并且与枪头相适配设置有顶杆二。

作为本发明优选的方案，所述主控电路板上设置有外部接口，所述主控电路板的侧边并且与外部接口对应安装在安装架的内部，所述通讯电路板、活塞运动电机控制板分别对应安装在移液模块外壳的内部，其中活塞运动电机控制板通过导线电性连接在移液空心杯电机上，所述通讯电路板通过导线电性连接在空心杯电机上，所述模块电子系统1通过外部接口与外部的通讯。

作为本发明优选的方案，所述活塞杆为中空结构，所述滚珠丝杠的一端通过滑块活塞延伸至中空结构的活塞杆的内部，其中滚珠丝杠与活塞杆的内壁配合方式为间隙配合，所述滚珠丝杠与滑块活塞的连接方式为螺纹连接，所述活塞杆通过两组O型圈与活塞筒组成活塞运动机构。

作为本发明优选的方案，所述移液模块外壳内腔的顶部并且与外部接口对应设置有拉伸弹簧，所述活塞筒固定设置在移液模块外壳内腔的壳体上，所述活塞筒通过移液导管与枪头为连通结构，所述枪头与移液吸头的连接结构为插拔结构。

作为本发明优选的方案，所述顶杆二为“L”型结构，并且顶杆二与枪头接触的侧壁开设有槽口，其中槽口与枪头的外壁配合方式为间隙配合，所述顶杆二通过移液模块外壳底部开设的通孔，延伸至移液模块外壳的外壁，其中顶杆二与通孔的配合方式为间隙配合。

作为本发明优选的方案，所述顶杆一上均匀通过定位滑套连接在移液模块外壳内腔的侧壁上，其中顶杆一与定位滑套的连接方式为滑动连接，其中定位滑套通过螺钉连接在移液模块外壳上。

作为本发明优选的方案，所述滑块顶杆固定连接在齿条连接板一的底部，并且滑块顶杆、齿条连接板一、齿条连接板二分别与滑轨的连接方式为滑动连接，所述齿条连接板一、齿条连接板二分别与换向齿轮的连接方式为啮合连接，所述换向齿轮的轴心处通过转轴转动连接在移液模块外壳内腔的侧壁上。

作为本发明优选的方案，所述滑块活塞的一侧固定连接在滑轨上，另一侧固定连接在滑块顶杆的侧壁上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中，通过设计一种复合型的全自动液体操作模块，实现高通量，高精度移液操作的目标，以及在实现全自动化大规模操作有效替代大规模人员重复劳动的同时，提高移液操作的精度，速度及可靠性，并同时实现液面探测、泡沫避让等功能，从而可适用在各类型化工品研发、检测等过程中替代繁重的人工操作。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明模块电子系统结构示意图；

图3为本发明Z轴移动机构结构示意图；

图4为本发明液体操作单元部分结构示意图；

图5为本发明图5部分结构示意图；

图6为本发明活塞筒部分剖视结构示意图；

图7为本发明枪头与液面探测电路板安装结构示意图；

图8为本发明枪头与移液吸头连接结构示意图；

图9为本发明液面探测流程结构示意图；

图10为本发明泡沫探测流程结构示意图；

图11为本发明八通道联动结构示意图；

图12为本发明装枪部位宽度结构示意图。

图中：1、模块电子系统；2、Z轴移动机构；3、液体操作单元；101、主控电路板；102、通讯电路板；103、模块内部扁平柔性电缆；104、液面探测电路板；105、活塞运动电机控制板；106、外部接口；201、安装架；202、电机安装架；203、空心杯电机；204、连轴器；205、丝杆螺母副；206、支撑板；207、螺母连接块；208、直线导轨；209、滑块；301、移液模块外壳；302、移液空心杯电机；303、移液联轴器；304、滚珠丝杠；305、滑块活塞；306、活塞杆；307、活塞筒；308、O型圈；309、移液导管；310、枪头；311、拉伸弹簧；312、移液吸头；313、差压传感器安装孔；314、差压传感器；315、滑轨；316、滑块顶杆；317、齿条连接板一；318、齿条连接板二；319、换向齿轮；320、顶杆一；321、顶杆二；322、定位滑套。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述,给出了本发明的若干实施例,但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例,相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件,当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件,本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同,本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明,本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例，请参阅图1-12，本发明提供一种技术方案：

一种复合型的全自动液体操作模块，包括模块电子系统1、Z轴移动机构2和液体操作单元3，模块电子系统1包括主控电路板101、通讯电路板102、模块内部扁平柔性电缆103、液面探测电路板104和活塞运动电机控制板105，其中主控电路板101、通过模块内部扁平柔性电缆103电性连接在通讯电路板102上，液面探测电路板104、活塞运动电机控制板105分别通过导线电性连接在通讯电路板102上；

具体的为，主控电路板101上设置有外部接口106，主控电路板101的侧边并且与外部接口106对应安装在安装架201的内部，通讯电路板102、活塞运动电机控制板105分别对应安装在移液模块外壳301的内部，其中活塞运动电机控制板105通过导线电性连接在移液空心杯电机302上，通讯电路板102通过导线电性连接在空心杯电机203上，模块电子系统1通过外部接口106与外部的通讯，从而实现主控电路板101对整个模块的控制，外部接口106实现模块电子系统1与外部的通讯，通过一根电缆即可实现，大大提高系统的集成度、紧凑性，并有效整体控制系统的稳定性。

在该实施例中，Z轴移动机构2包括安装架201，安装架201的一侧并且靠近安装架201的顶部通过电机安装架202连接有空心杯电机203，其中空心杯电机203的驱动轴通过连轴器204连接有丝杆螺母副205，其中丝杆螺母副205的另一端通过转轴转动连接在支撑板206上，支撑板206固定连接在安装架201的侧壁上，丝杆螺母副205上螺纹连接有螺母连接块207，螺母连接块207为矩形框架结构，其中矩形框架结构的内部滑动连接有直线导轨208，其中直线导轨208的两端分别连接在安装架201、电机安装架202上，直线导轨208上并且位于螺母连接块207的上下两侧滑动连接有滑块209，空心杯电机203驱动，经由联轴器204将扭矩传递给丝杆螺母副205，从而将旋转移动转化为螺母连接块207和直线导轨208的上下移动，带动前端液体操作单元3结构实现上下运动，通过直线导轨208的垂直度，保障移液体操作单元3的垂直度；

液体操作单元3包括安装在两组滑块209以及螺母连接块207上的移液模块外壳301，移液模块外壳301的内壁上并且靠近移液模块外壳301的底部固定设置有移液空心杯电机302，移液空心杯电机302的驱动轴通过移液联轴器303连接有滚珠丝杠304，滚珠丝杠304上螺纹连接有滑块活塞305，其中滑块活塞305的另一端面固定连接有活塞杆306，活塞杆306的外壁套接在活塞筒307的内部，其中活塞杆306的外壁并且位于活塞筒307的端口处通过两组O型圈308，实现双层密封，活塞筒307的另一端通过移液导管309连接有枪头310，其中枪头310安装在移液模块外壳301，枪头310的出液口外壁套接有移液吸头312，枪头310上开设有差压传感器安装孔313，差压传感器安装孔313的内部安装有差压传感器314，差压传感器314的一端并且位于枪头310的外部电性连接在液面探测电路板104上，液面探测电路板104固定连接在移液模块外壳301内腔的壳体上，滚珠丝杠304的左右两侧并且位于移液模块外壳301内腔的壳体上固定设置有两组滑轨315，其中一组滑轨315上依次连接有滑块顶杆316、齿条连接板一317，另一组滑轨315上连接有齿条连接板二318，齿条连接板二318与齿条连接板一317之间相适配连接有两组换向齿轮319，齿条连接板二318与换向齿轮319相对立的侧壁上固定连接有顶杆一320，顶杆一320的另一端并且与枪头310相适配设置有顶杆二321。

其中，活塞杆306为中空结构，滚珠丝杠304的一端通过滑块活塞305延伸至中空结构的活塞杆306的内部，其中滚珠丝杠304与活塞杆306的内壁配合方式为间隙配合，滚珠丝杠304与滑块活塞305的连接方式为螺纹连接，滑块活塞305的一侧固定连接在滑轨315上，另一固定连接在滑块顶杆316的侧壁上，滑块活塞305的高度大于活塞筒7的高度的条件下，移液空心杯电机302通过移液联轴器303带动滚珠丝杠304旋转，滚珠丝杠305旋转带动滑块活塞305上的的活塞杆306在活塞筒306上下移动，从而实现移液和吐液操作，活塞杆306通过两组O型圈308与活塞筒307组成活塞运动机构，实现双层密封，保障移液操作过程中的密封可靠性；

移液模块外壳301内腔的顶部并且与外部接口106对应设置有拉伸弹簧311，活塞筒307固定设置在移液模块外壳301内腔的壳体上，活塞筒307通过移液导管309与枪头310为连通结构，枪头310与移液吸头312的连接结构为插拔结构，顶杆二321为“L”型结构，并且顶杆二321与枪头310接触的侧壁开设有槽口，其中槽口与枪头310的外壁配合方式为间隙配合，顶杆二321通过移液模块外壳301底部开设的通孔，延伸至移液模块外壳301的外壁，其中顶杆二321与通孔的配合方式为间隙配合，顶杆一320上均匀通过定位滑套322连接在移液模块外壳301内腔的侧壁上，其中顶杆一320与定位滑套322的连接方式为滑动连接，其中定位滑套322通过螺钉连接在移液模块外壳301上，液空心杯电机302转动带动滑块活塞305向上移动，即调动滑块顶杆316向上移动，从而带动齿条连接板一317向上运动，从而带动换向齿轮319旋转，换向齿轮319旋转带动齿条连接板一317向下运动，从而带动顶杆一320和顶杆二321向下运动，此时，在枪头310与移液吸头312的连接结构为插拔结构，顶杆二321为“L”型结构，并且顶杆二321与枪头310接触的侧壁开设有槽口，其中槽口与枪头310的外壁配合方式为间隙配合的作用下，利用顶杆二321对移液吸头312实现推力，从而将移液吸头312与枪头310分离，实现脱枪操作；

滑块顶杆316固定连接在齿条连接板一317的底部，并且滑块顶杆316、齿条连接板一317、齿条连接板二318分别与滑轨315的连接方式为滑动连接，齿条连接板一317、齿条连接板二318分别与换向齿轮319的连接方式为啮合连接，换向齿轮319的轴心处通过转轴转动连接在移液模块外壳301内腔的侧壁上，滑块活塞305的一侧固定连接在滑轨315上，另一侧固定连接在滑块顶杆316的侧壁上，移液空心杯电机302带动滑块顶杆316向上移动，从而带动齿条连接板一317向上运动，换向齿轮319带动齿条连接板二318向下运动，从而带动顶杆一320和顶杆二321向下运动，实现脱枪操作，装枪动作方向相反。

实施例

复合型的全自动液体操作模块结构包括

1)模块电子系统1：包括主控电路板101、通讯电路板102、模块内部扁平柔性电缆103、液面探测电路板104和活塞运动电机控制板105；

2)Z轴移动机构2：带动液体操作单元3进行Z轴运动；

3)液体操作单元3；

具体的，如图2，模块电子系统1：活塞运动电机控制板105、液面探测电路板104与通讯电路板102连接，通讯电路102再通过模块内部扁平柔性电缆103与主控电路板101电性连接，从而实现主控电路板101对整个模块的控制，外部接口106实现模块电子系统1与外部的通讯，通过一根电缆即可实现，大大提高系统的集成度、紧凑性，并有效整体控制系统的稳定性；

如图3，Z轴驱动机构2通过空心杯电机203驱动，经由联轴器204将扭矩传递给丝杆螺母副205，从而将旋转移动转化为螺母连接块207和直线导轨208的上下移动，带动前端液体操作单元3结构实现上下运动，通过直线导轨208的垂直度，保障移液体操作单元3的垂直度；

图4，展示了液体操作单元3，移液空心杯电机302通过移液联轴器303及滚珠丝杠304，带动滑块活塞305上的活塞杆306在活塞筒306上下移动，从而实现移液和吐液操作，滑块活塞305在上下移动的同时，也带动脱枪杆实现装枪和脱枪操作，具体见图5；

图5，展示了脱枪机构的工作原理，移液空心杯电机302带动滑块顶杆316向上移动，从而带动齿条连接板一317向上运动，换向齿轮319带动齿条连接板二318向下运动，从而带动顶杆一320和顶杆二321向下运动，实现脱枪操作，装枪动作方向相反，不再赘述；

具体为在滑块顶杆316固定连接在齿条连接板一317的底部，并且滑块顶杆316、齿条连接板一317、齿条连接板二318分别与滑轨315的连接方式为滑动连接，齿条连接板一317、齿条连接板二318分别与换向齿轮319的连接方式为啮合连接，换向齿轮319的轴心处通过转轴转动连接在移液模块外壳301内腔的侧壁上，滑块活塞305的一侧固定连接在滑轨315上，另一固定连接在滑块顶杆316的侧壁上，滑块活塞305的高度大于活塞筒7的高度的条件下，移液空心杯电机302通过移液联轴器303带动滚珠丝杠304旋转，滚珠丝杠305旋转带动滑块活塞305上的的活塞杆306在活塞筒306上下移动，从而实现移液和吐液操作；

移液空心杯电机302带动滑块活塞305向上运动，柱塞内体积变小，气体排出，一次性枪头内液体排出，移液空心杯电机302带动带动滑块活塞305向下运动，柱塞内体积变大，气体进入，液体进入枪头310；

在顶杆二321通过移液模块外壳301底部开设的通孔，延伸至移液模块外壳301的外壁，其中顶杆二321与通孔的配合方式为间隙配合，顶杆一320与定位滑套322的连接方式为滑动连接，定位滑套322通过螺钉连接在移液模块外壳301上以及滑块活塞305的一侧固定连接在滑轨315上，另一固定连接在滑块顶杆316的侧壁上，滑块活塞305的高度大于活塞筒307的高度的条件下，移液空心杯电机302转动带动滑块活塞305向上移动，即调动滑块顶杆316向上移动，从而带动齿条连接板一317向上运动，从而带动换向齿轮319旋转，换向齿轮319旋转带动齿条连接板一317向下运动，从而带动顶杆一320和顶杆二321向下运动，此时，在枪头310与移液吸头312的连接结构为插拔结构，顶杆二321为“L”型结构，并且顶杆二321与枪头310接触的侧壁开设有槽口，其中槽口与枪头310的外壁配合方式为间隙配合的作用下，利用顶杆二321对移液吸头312实现推力，从而将移液吸头312与枪头310分离，实现脱枪操作；

图6，展示了移液密封结构，活塞杆306和活塞筒307通过两级O型圈308实现双层密封，保障移液操作过程中的密封可靠性；

如图7，压差传感器314安装在枪头310根部，可最大限度缩短测量用管道长度，可最大限度减少移液过程中、液面探测过程中、液面泡沫探测过程中，因为长管线带来的测量结果偏差与波动；

图7和图8，展示了差压传感器314的工作原理，取液时吸头进入页面以下，差压传感器314会感应到液面的气压变化，从而反馈信号，进行下一步的取液操作；

图11和图12，展示了本移液模块优异的尺寸优势，移液部分宽度低至7mm，市面上常见的移液枪一般是9mm甚至更大，无法在间隔9mm的96孔板实现并联移液，而本移液模块可以同时实现间隔9mm的多通道并联取液和移液操作(图7示例的是八通道并联移液)，大大提高移液效率。

使用时，将本方案设计的结构安装在外部XY移动机构，从而移液操作实现流程具体如下：

1)外部XY移动机构将本移液模块移动到目标枪头上方，Z轴移动机构下移装枪；

2)Z轴移动机构下移到待移液目标液面下，液面探测传感器感应信号触发，Z轴停止下移；

3)移液空心杯电机转动，开始取液；

4)外部XY移动机构移动本移液模块，到移液转移目标上方，移液空心杯电机反向转动，吐液；

5)外部XY移动机构移动本移液模块，到指定脱枪位置，脱枪；

此过程通过设计达到以下效果：

1)数量级降低移液操作人员的劳动量，同时数量级提高全流程处理通量，有效降低成本(固定资产、人员、时间等的综合成本)；

2)实现流程中设备单元的集约化使用，数量级减小使用空间需求。标准化的系统与配套工艺，便于设备的灵活布置；

3)大幅提高移液精准度，从而提高良率，带来更高的生产效益；

4)可与上下游标准模块灵活对接，从单通道扩展到双通道、四通道、八通道、其他通道数量等，从而满足不同生产工艺需求；

5)模块自带Z轴，实现不同高度的液体操作，及装枪脱枪操作。无需外接电缸和拖链，无需驱动器和PLC等。尺寸小巧，极大节约生产空间，实现小型化和轻量化；

6)实现液面探测，液面泡沫规避等智能操作；

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。