一种基于delta机器人的三自由度移液器装置的制作方法

1.本发明涉及文库制备设备技术领域，尤其涉及一种基于delta机器人的三自由度移液器装置。


背景技术：

2.20世纪50年代以后，随着分子遗传学的发展，人们逐渐认识到基因的本质是控制生物性状、具有遗传效应的dna片段。基因一方面能忠实地进行自我复制，以保证生物的基本特征；另一方面基因也能发生变异，导致疾病的发生。基因测序可以快速准确地获取生物遗传信息，揭示基因组的复杂性和多样性，在生命科学研究中扮演十分重要的角色；同样，基因测序对临床医学也具有十分重要的意义和价值，很多疾病的机理研究和临床诊断逐渐依赖于基因测序技术。
3.文库制备是基因测序工作中必不可少的重要步骤之一。传统的手工操作进行文库制备中，加样、温浴反应、纯化、洗脱等过程都需要人为参与来完成，同时整个过程是在一个相对开放的实验室环境中来完成。这样操作的缺点就是人为操作出现误差的概率很大，结果不可控，同时样本极易对环境造成污染，样本之间交叉污染的风险也会大大增加。因此，自动化、封闭式的文库制备装置和方法是研究的一个主要方向。现有技术提出了多种针对文库制备过程提出了封闭性的、自动化的解决方案，但是在实际应用于文库制备的过程中，仍然存在问题，特别是如何在有限的封闭空间内提供一种结构简单、易于操控的多自由度移液器装置，以使封闭式文库制备装置能够适应更为复杂的扩增子测序和靶标捕获过程，成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的不足，本发明提出一种基于delta机器人的三自由度移液器装置，通过三根丝杠的同步、异步旋转驱动移液器注射头在垂直的z轴和水平面的x、y轴进行自由移动，结构简单、成本低，适用于小型化设备和需要较多试剂孔参与的复杂程序，极大地拓展了封闭式文库制备系统的应用范围。
5.为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：
6.一种基于delta机器人的三自由度移液器装置，其特征在于，包括固定设置在封闭卡盒内的三根可旋转丝杠、分别套入所述三根丝杠的三个螺母座以及通过三根不可伸缩的等长连接轴分别与所述三个螺母座相连接的水平定位盘和固定设置在所述水平定位盘中央的移液器注射头；
7.所述丝杠垂直设置在封闭卡盒内部靠近内壁位置；所述三根丝杠在封闭卡盒内的相对位置形成等边三角形；所述三根丝杠可同步或异步地正、反向旋转；
8.所述螺母座通过其套入的丝杠正、反向旋转沿所述丝杠垂直上、下移动；
9.所述连接轴包括与所述螺母座相连接的第一万向连接结构和与所述水平定位盘相连接的第二万向连接结构；
10.所述水平定位盘随所述三个螺母座在所述丝杠上的同步和/或异步垂直位移进行垂直位移和/或水平面位置移动，且所述水平定位盘在进行垂直位移和/或水平面位置移动过程中始终保持水平状态；
11.所述移液器注射头在所述水平定位盘进行垂直位移和/或水平面位置移动过程中始终保持垂直于多孔试剂盘的试剂孔表面；所述移液器注射头连接设置在所述封闭卡盒内的泵组件，并由所述泵组件控制对所述多孔试剂盘上的试剂孔进行液体吸取或液体注入操作。
12.进一步地，所述丝杠底端设置有可旋转固定连接位，顶端设置有驱动轴连接位；所述丝杠底端通过所述可旋转固定连接位固定安装在所述封闭卡盒内壁突出设置的固定位上；所述丝杠通过所述驱动轴连接位连接电机驱动轴并传递扭力驱动所述丝杠正、反旋转。
13.进一步地，所述螺母座朝向所述封闭卡盒内壁一面设置有竖直的滑槽，所述封闭卡盒内壁对应所述滑槽位置凸起的设置有垂直的定位条，所述螺母座在垂直上、下移动过程中通过所述滑槽与所述定位条的滑动接触提供旋转限位。
14.进一步地，所述第一万向连接结构为第一球形万向轴承连接结构，所述第二万向连接结构为第二球形万向轴承连接结构；所述第一球形万向轴承连接结构和第二球形万向轴承连接结构均为由水平杆固定连接的双球型万向轴承连接结构。
15.进一步地，所述第一球形万向轴承连接结构的水平杆和第二球形万向轴承连接结构的水平杆之间连接有拉力弹簧；所述拉力弹簧安装时预载有拉力，使所述第一球形万向轴承与所述第二球形万向轴承之间距离固定不变。
16.进一步地，所述丝杠、螺母座、连接轴和水平定位盘均为塑料材质。
17.本发明还涉及一种三自由度封闭卡盒，其特征在于，所述封闭卡盒内设置有如上所述的基于delta机器人的三自由度移液器装置。
18.进一步地，所述封闭卡盒为圆柱形，且与所述封闭卡盒配套使用的多孔试剂盘为圆盘型；所述多孔试剂盘的试剂孔表面覆盖有可被移液器注射头刺穿的薄膜。
19.进一步地，所述多孔试剂盘以圆心为轴自由旋转。
20.进一步地，所述封闭卡盒内还设置有可开启/密封闭合的热盖，所述热盖位置对应所述多孔试剂盘中需要进行加热或保温的试剂孔。
21.本发明的有益效果为：
22.采用本发明所述基于delta机器人的三自由度移液器装置，通过简单的丝杠组合结构delta机器人实现了移液器注射头相对多孔试剂盘的垂直、水平面三自由度位移能力，使移液器注射头能够根据需要对任意试剂孔进行液体吸取或液体注入操作，特别适用于小型封闭式卡盒使用，使封闭式卡盒在有限空间内可以提供更多数量的试剂孔，支持更多、更复杂的实验过程，拓展了封闭式卡盒适用范围；同时，本发明所述装置整体结构简单、造价低，能够降低一次性封闭式卡盒的使用成本。
附图说明
23.图1为本发明基于delta机器人的三自由度移液器装置实施例示意图。
24.图2为本发明水平定位盘垂直位移示意图。
25.图3为本发明水平定位盘水平面位移示意图。
26.图4为应用本发明所述装置的封闭卡盒实施例示意图。
27.附图编号说明：1-丝杠、11-可旋转固定连接位、12-驱动轴连接位、2-螺母座、21-滑槽、3-连接轴、31-第一万向连接结构、32-第二万向连接结构、33-拉力弹簧、4-水平定位盘、5-移液器注射头、6-泵组件、7-固定位、8-多孔试剂盘、9-热盖。
具体实施方式
28.为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。
29.如图1所示为本发明基于delta机器人的三自由度移液器装置的一种优选实施例示意图，包括固定设置在封闭卡盒内的三根可旋转丝杠1、分别套入所述三根丝杠1的三个螺母座2以及通过三根不可伸缩的等长连接轴3分别与所述三个螺母座2相连接的水平定位盘4和固定设置在所述水平定位盘4中央的移液器注射头5，各部件之间的连接无需使用任何螺钉、夹子或磁性零件。所述丝杠1通过底端设置的可旋转固定连接位11固定安装在所述封闭卡盒内壁突出设置的固定位7上；所述三根丝杠1在封闭卡盒内的相对位置形成等边三角形，即在俯视角下三根丝杠1连接位置为一个等边三角形的顶点；所述三根丝杠1通过设置在顶端的驱动轴连接位12连接电机驱动轴并传递扭力驱动同步或异步地正、反向旋转。所述螺母座2通过其套入的丝杠1正、反向旋转沿所述丝杠1垂直上、下移动；优选的，所述螺母座2朝向所述封闭卡盒内壁一面设置有竖直的滑槽21，所述封闭卡盒内壁对应所述滑槽21位置凸起的设置有垂直的定位条，所述螺母座2在垂直上、下移动过程中通过所述滑槽21与所述定位条的滑动接触提供旋转限位。所述连接轴3包括与所述螺母座2相连接的第一万向连接结构31和与所述水平定位盘4相连接的第二万向连接结构32。所述水平定位盘4随所述三个螺母座2在所述丝杠1上的同步和/或异步垂直位移进行垂直位移和/或水平面位置移动，且所述水平定位盘4在进行垂直位移和/或水平面位置移动过程中始终保持水平状态；优选的，所述第一万向连接结构31为第一球形万向轴承连接结构，所述第二万向连接结构32为第二球形万向轴承连接结构，所述第一球形万向轴承连接结构和第二球形万向轴承连接结构均为由水平杆固定连接的双球型万向轴承连接结构，其中所述第一球形万向轴承连接结构的双球形结构部分固定设置在所述螺母座2上，所述第二球形万向轴承连接结构的双球形结构部分固定设置在所述水平定位盘4上，所述连接轴3主体的两端分别卡入所述第一球形万向轴承连接结构和第二球形万向轴承连接结构的双球形结构部分，使所述连接轴3主体能够依靠与双球形结构之间的相对滑动实现多向旋转；且进一步地，所述第一球形万向轴承连接结构的水平杆和第二球形万向轴承连接结构的水平杆之间连接有拉力弹簧33，所述拉力弹簧33安装时预载有拉力，使所述第一球形万向轴承与所述第二球形万向轴承之间距离固定不变，提高装置操作过程中的精确性。所述移液器注射头5在所述水平定位盘4进行垂直位移和/或水平面位置移动过程中始终保持垂直于多孔试剂盘8的试剂孔表面；所述移液器注射头5连接设置在所述封闭卡盒内的泵组件6，并由所述泵组件6控制对所述多孔试剂盘8上的试剂孔进行液体吸取或液体注入操作。优选的，所述丝杠1、螺母座2、连接轴3和水平定位盘4均为塑料材质以降低制造成本和加工难度，同时对于不同工作强度的部件也可以采用不同的塑料材质制作，例如对于需要承受滑动摩擦的第一球形万向轴承与第二球形万向轴承可以采用pa66材质，而对于连接轴3主体部分则可以采用ptfe和gf材质。
30.如图2所示为本发明delta机器人实现所述水平定位盘4垂直位移的原理示意图，
通过左右两侧丝杠1同步旋转使所连接的螺母座2同步向下移动距离l，进而实现水平定位盘4的垂直向下位移距离l；在该移动过程中，两根连接轴3的长度a和b以及两个螺母座2之间的距离c均保持不变。为了便于展示，附图采用正视平面视角展现由两根丝杠1驱动水平定位盘4垂直位移的过程，但本领域技术人员可以通过本发明所述无障碍的理解delta机器人通过三根丝杠1在三维空间中实现同样的技术效果。
31.如图3所示为本发明delta机器人实现所述水平定位盘4水平面位移的原理示意图，通过左右两侧丝杠1异步旋转使所连接的螺母座2异步垂直移动，例如左侧丝杠1与右侧丝杠1以相反方向旋转，进而使左侧螺母座2向上位移距离m同时右侧螺母座2向下位移距离n，进而实现水平定位盘4在水平方向(水平面中x轴方向)向左侧位移；在该移动过程中，两根连接轴3的长度a和b保持不变，但两个螺母座2之间的距离由c变为c’。为了便于展示，附图采用正视平面视角展现由两根丝杠1驱动水平定位盘4水平位移(水平面中x轴方向)的过程，但本领域技术人员可以通过本发明所述无障碍的理解delta机器人通过三根丝杠1在三维空间中实现水平面下(水平面中x轴方向和y轴方向)任意位移的技术效果。通过水平定位盘4在水平面位移过程可知，在三根丝杠1驱动下水平定位盘4的有效位移空间近似为一个以丝杠1形成的等边三角形中心为圆心的圆形，因此本发明所述移液器装置优选的用于圆柱形封闭卡盒中，可以实现最佳的效果，但同时也并不排斥应用于其他形状的封闭卡盒中实现较好的技术效果。
32.根据图2、图3所示水平定位盘4在垂直、水平面方向位移过程可知，所述水平定位盘4在三维空间中的具体位置是由所连接的三个螺母座2之间的相对垂直位置决定的，因此在实际使用中，既可以采取垂直位移、水平面位移的分步骤位移方式，也可以采用直接定位螺母座2高度的直接位移方式，即所述水平定位盘4可以在三维空间中以任意方向移动，而不局限于垂直或水平面移动。
33.本发明还涉及一种设置有如上所述的基于delta机器人的三自由度移液器装置的三自由度封闭卡盒，如图4所示为采用如上所示移液器装置实施例的情况下的一种封闭卡盒优选结构示意图，除移液器装置外还包括圆柱形卡盒外壳、圆盘型可旋转多孔试剂盘8，以及对应所述多孔试剂盘8中需要进行加热或保温的试剂孔的热盖9。
34.以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。