一种微流控芯片自动夹紧和插管装置及方法

1.本发明涉及微流控芯片夹具与插管领域，具体涉及一种微流控芯片自动夹紧和插管装置及方法。


背景技术：

2.目前微流控芯片由于体积小，在对微流控芯片进行操作时极为不方便，且人工对微流控芯片进行夹紧或者拆卸时，极易损坏微流控芯片，因此需要一种微流控芯片夹具对芯片进行夹紧，将输送液体/气体pvc塑料管插到微流控芯片的输入/输出口时，往往采用人工方式，并无专有的可靠工具，安装效率低，且在操作过程中，用力程度不易掌握，易造成对微流控芯片的损坏。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种微流控芯片自动夹紧和插管装置及方法，能够实现对不同尺寸微流控芯片的夹紧，便于操作人员对微流控芯片操作，尤其拆卸微流控芯片时，不会因为手动拆卸对微流控芯片造成损坏，使拆卸更加便捷，需对微流控芯片进行插管操作时，利用夹具，便可完成pvc塑料管的插放，且在升降平台下端设置缓冲装置，因此在插管过程中，不会损坏微流控芯片。装置操作简单、体积小，携带方便，制作成本低。
4.为了实现上述技术目的，本发明的一种微流控芯片自动夹紧和插管装置，适用的微流控芯片其内部设有流道分选结构，流道分选机构的入口和出口处设有导流用的管路，分选机构层上下分别设有上基底和下基底，上基底上设有上亚克力板，下基底下设有下亚克力板，其中上亚克力板和上基底上与微流控层中的入口和出口分别连接有通孔，通孔中需要插入塑料管；
5.其中底座内设有缓冲机构，所述的缓冲机构包括垂直设置的缓冲弹簧组；
6.夹紧平台为用以夹紧微流控芯片的夹持结构，夹持机构包括分别用以夹持微流控芯片四条边的夹板，其一为固定设置在夹紧平台一侧的固定挡板，固定挡板相对位置的夹板为通过丝杠配套电机和丝杠驱动从而可以在可以轴承i上移动的夹紧座i，通过夹紧座i的移动从而使夹紧座i与固定夹板夹紧微流控芯片的相对两条边，微流控芯片的另外两条边分别在夹紧平台上设有两条通过拉紧弹簧i、拉紧弹簧ii提供预紧力的夹紧座ii和夹紧座iii；
7.插管机构为设置在夹紧平台上方能够进行x轴y轴移动的机械臂结构，机械臂结构的x 轴移动部分包括连根设置在插管机构固定架两侧的圆柱结构支撑架i和支撑架ii，支撑架i 的两端分别通过轴承ii和轴承v与插管机构固定架活动连接，支撑架ii的两端分别通过轴承iii和轴承iv与插管机构固定架活动连接，支撑架i通过皮带i连接有设有皮带轮i的步进电机i；支撑架i上分别设有皮带轮ii和皮带轮v，支撑架ii上设有皮带轮iii和皮带轮iv，皮带轮iv与皮带轮v之间设有皮带iii，皮带轮ii与皮带轮iii之间设有皮带ii；位于
皮带ii 上方平行设有支撑架iii，位于皮带iii上方平行设有支撑架v，支撑架iii与支撑架v之间设有机械臂结构的y轴移动部分，包括能够在支撑架iii上移动的支撑座i以及能够在支撑架v 上移动的支撑座iii，支撑座i中间设有皮带轮vi，支撑座iii中间设有皮带轮viii，皮带轮 vi与皮带轮viii之间设有皮带iv，支撑座i和支撑座iii位于皮带轮两侧平行设有两根支撑架iv，两根支撑架iv下方设有与皮带iv连接并受其驱动能够在支撑架iv上移动的插管用的支撑座ii，支撑座ii上设有夹具，其中皮带iv一侧通过皮带轮vi连接有作为动力源的步进电机ii；
8.支撑座ii内设有用以驱动夹具上下移动的电机，电机输出轴设有小齿轮，小齿轮侧面设有与其匹配的直齿条，直齿条的下方连接有柔性机械手，柔性机械手包括机械掌和三根硅胶材质的机械爪，机械掌正中心处设有视觉装置和压力传感器，视觉装置上设有激光测距器，其中激光测距器用于检测夹具与微流控芯片之间的距离，以此控制柔性机械手下降距离，保证柔性机械手夹持垂直状态的塑料管下降适当高度，插入微流控芯片的目标孔中；电机带动小齿轮转动，小齿轮带动直齿条上下移动，由旋转运动转变为直线运动，以此带动固定在直齿条上的直齿条上下移动；视觉装置用于定位微流控芯片上需要进行插管的通孔位置，在微流控芯片的上基底与亚克力板通孔位置先安装黑色密封圈，由于芯片其余部分均为透明材质，两者颜色形成明显差别，因此通过视觉装置能够精确找到通孔位置进行插管；
9.柔性机械手的三根硅胶材质的机械爪端部设有弧形缺口，从而使三根硅胶材质的机械爪夹紧后在爪端会形成与待插入的塑料管匹配的圆形孔洞，以保证塑料管插孔过程中保持竖直状态，同时在夹持状态下不会变形，圆形孔洞的孔洞壁周设有起防滑作用圆形突起，防止塑料管插管过程中上下移动，由于三根机械爪材质为硅胶，因此在对塑料管夹持过程中不会对塑料管造损坏，柔性机械手在实际插管过程中插管力度由压力传感器反馈与调节，通过在插管过程中调节柔性机械手下降距离、插管力度，保证塑料管、微流控芯片不被损坏、完好无损，提高插管准确度。
10.进一步，底座壳内底端四角与中间设计有与缓冲弹簧组中弹簧相配套的凹孔，用于安装缓冲弹簧组，缓冲弹簧组另一端固定在夹紧平台上，夹紧平台与插管机构固定架中部框架分别具有突出体，两个相互接触，插管机构固定架中部框架突出体将夹紧平台扣住，底座与插管机构固定架通过卡扣固定，因此夹紧平台受到向上的弹簧力，插管机构固定架限制其向上运动，夹紧平台受到压力时只能向下移动一定的距离，压力解除后，便可恢复原有位置。
11.进一步，所述底座与插管机构固定架通过卡扣固定，缓冲弹簧组有五个规格相同的弹簧组成，底座壳内底部四角和中部设计有与缓冲弹簧直径相同的凹孔，用于安装缓冲弹簧。缓冲弹簧组另一端固定在夹紧平台上，夹紧平台与插管机构固定架中部框架分别具有突出体，两个相互接触，插管机构固定架中部框架突出体将夹紧平台扣住，底座与插管机构固定架通过卡扣固定，因此夹紧平台受到向上的弹簧力，插管机构固定架限制其向上运动，夹紧平台受到压力时只能向下移动一定的距离，压力解除后，便可恢复原有位置。步进电机ii固定在支撑座i上，步进电机ii可随支撑座i一同运动。
12.进一步，夹紧平台中的夹紧座i上设有激光测距器，轴承i、丝杠和丝杠配套电机均通过开槽埋设在夹紧平台内，拉紧弹簧i和拉紧弹簧ii分别埋设在开槽中，其中轴承i、丝杠
设置的开槽方向指向固定挡板，拉紧弹簧i和拉紧弹簧ii所在开槽相对设置，丝杠配套电机带动丝杠旋转，夹紧座i安装在丝杠上，丝杠旋转带动夹紧座i前后移动，激光测距器安装在夹紧座i上，通过测量夹紧座i与微流控芯片的距离，控制丝杠螺母副旋转，以此控制夹紧座i 前进，直至夹紧座i将微流控芯片夹紧。夹紧平台一端设置固定夹紧座，拉紧弹簧i一端连接凹槽内的固定端，一端连接夹紧座i，拉紧弹簧ii一端连接凹槽内的固定端，一端连接夹紧座ii，使用时首先使固定夹紧座、夹紧座i与夹紧座ii将微流控芯片夹紧，再使用夹紧座 i将微流控芯片进一步夹紧。
13.进一步，所述步进电机i安装在插管机构固定架的固定框上，皮带轮i安装在步进电机i 上，轴承ii与轴承v安装在撑架i两端，轴承ii与轴承v安装在插管机构固定架轴承槽上，皮带轮ii安装在支撑架i上，其中皮带轮ii为双头皮带轮，皮带i与皮带ii分别安装在皮带轮ii两个皮带轮上，皮带轮iii安装在支撑架ii上，皮带ii安装在皮带轮iii上，轴承iii与轴承iv安装在支撑架ii两端，轴承iii与轴承iv安装在插管机构固定架轴承槽上，皮带轮 iv与皮带轮v分别安装在支撑架i与支撑架ii上，皮带iii安装在皮带轮iv与皮带轮v上。
14.进一步，所述步进电机ii固定在支撑座i上，皮带轮vii安装在步进电机ii上，皮带轮 vi与皮带轮vii规格相同，皮带轮vi安装在支撑架iii上，与皮带轮vii在同一水平面上，支撑架iii固定在插管机构固定架上，支撑座i固定安装在皮带ii上，支撑座i通过中孔安装在支撑架iii上，支撑座i可随着皮带ii的运动平滑在支撑座i上移动，支撑架iv有两个相同规格的支撑架组成，安装在支撑座i与支撑座iii上，支撑架v固定在插管机构固定架上，支撑座iii固定安装在皮带iii上，支撑座iii通过中孔安装在支撑架iii上，支撑座i可随着皮带ii的运动平滑在支撑架v上移动，皮带轮viii安装在支撑架v上，皮带轮viii与皮带轮vi、皮带轮vii规格相同，与皮带轮vi、皮带轮vii在同一水平面上，皮带iv安装在皮带轮vi、皮带轮vii与皮带轮viii上，支撑座ii通过中孔安装在支撑架iv上，支撑座ii固定在皮带iv上，夹具固定在支撑座ii上。
15.一种微流控芯片自动夹紧和插管装置的插管方法，其步骤如下：
16.通过夹紧机构将微流控芯片固定在的夹紧平台上，并使需要插入塑料管的开口向上设置；调节插管机构将柔性机械手夹持住需要插入的塑料管，之后将夹持塑料管的柔性机械手移动到微流控芯片需要插管的开口正上方，通过x、y轴运动调节支撑座ii进行移动，从而带动夹具运动，之后通过激光测距器实时检测夹具与微流控芯片之间的距离，以此控制柔性机械手下降距离，保证柔性机械手夹持塑料管下降适当高度，其中电机带动小齿轮转动，小齿轮带动直齿条上下移动，由旋转运动转变为直线运动，以此带动固定在直齿条上的直齿条上下移动；移动过程中实时通过视觉装置将柔性机械手夹持的塑料管进行微调以对准微流控芯片上需要进行插管的通孔，由于微流控芯片的上基底与亚克力板通孔位置需要安装塑料管的通孔处提前设有密封用的黑色密封圈，而芯片其余部分均为透明材质，两者颜色形成明显差别，因此通过视觉装置通过反差色即可精确找到通孔位置进行插管定位；柔性机械手在实际插管过程中插管力度由压力传感器反馈与调节，通过在插管过程中调节柔性机械手下降距离、插管力度，保证塑料管、微流控芯片不被损坏、完好无损，提高插管准确度，最终将塑料管精准插在微流控芯片的接口上，在对微流控芯片进行插管时，夹紧平台会受到向下的压力，位于夹紧平台下端缓冲弹簧组的弹簧力会抵消压力，使得夹紧平台上的微流控芯片不会因为压力损坏，当压力解除后，夹紧平台在缓冲弹簧组的作用下恢
复原状；若执行塑料管的拆卸使，利用柔性机械手夹住塑料管后，通过直齿条提升从而实现将塑料管拔出。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果：
18.本发明克服了传统人工手持微流控芯片进行操作，由于微流控芯片体积小、硬度小，极易损坏，而本装置能够实现对微流控芯片的自动夹紧，便于操作人员对芯片进行操作，且能够实现对微流控芯片输入、输出口进行pvc塑料管的插放。装置操作简单、体积小，携带方便，制作成本低。
附图说明
19.图1是本发明一种微流控芯片自动夹紧和插管装置轴测示意图；
20.图2是本发明一种微流控芯片自动夹紧和插管装置升降机构轴测示意图；
21.图3是本发明一种微流控芯片自动夹紧和插管装置夹紧机构示意图；
22.图4是本发明一种微流控芯片自动夹紧和插管装置插管机主前体结构示意图；
23.图5是本发明一种微流控芯片自动夹紧和插管装置插管机后主体结构示意图；
24.图6是本发明一种微流控芯片自动夹紧和插管装置插管机立体图；
25.图7是本发明一种微流控芯片自动夹紧和插管装置夹具结构示意图。
26.图中：底座-1、缓冲弹簧组-2、控制台-3、夹紧平台-4、轴承i-5、丝杠-6、夹紧座i-7、激光测距器-8、丝杠配套电机-9、拉紧弹簧i-10、夹紧座ii-11、拉紧弹簧ii-12、夹紧座iii-13、步进电机i-14、皮带轮i-15、皮带i-16、支撑架i-17、皮带轮ii-18、轴承ii-19、皮带ii-20、支撑架ii-21、皮带轮iii-22、轴承iii-23、皮带轮iv-24、轴承iv-25、皮带iii-26、轴承 v-27、皮带轮v-28、步进电机ii-29、皮带轮vi-30、皮带轮vii-31、支撑座i-32、支撑架 iii-33、支撑座ii-34、支撑架iv-35、支撑架v-36、皮带轮viii-37、支撑座iii-38、夹具-39、小齿轮-39-1、电机-39-2、直齿条-39-3、激光测距器-39-4、压力传感器-39-5、视觉装置-39-6、柔性机械手-39-7、插管机构固定架-40、皮带iv-41。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，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。
28.如图1-图4所示，一种微流控芯片自动夹紧和插管装置，包括底座1、缓冲弹簧组2、控制台3、夹紧平台4、轴承i 5、丝杠6、夹紧座i 7、激光测距器8、丝杠配套电机9、拉紧弹簧i 10、夹紧座ii 11、拉紧弹簧ii 12、夹紧座iii 13、步进电机i 14、皮带轮i 15、皮带i 16、支撑架i 17、皮带轮ii 18、轴承ii 19、皮带ii 20、支撑架ii 21、皮带轮iii 22、轴承iii 23、皮带轮iv 24、轴承iv 25、皮带iii 26、轴承v 27、皮带轮v 28、步进电机ii 29、皮带轮 vi 30、皮带轮vii 31、支撑座i 32、支撑架iii 33、支撑座ii 34、支撑架iv 35、支撑架v 36、皮带轮viii 37、支撑座iii 38、夹具39、插管机构固定架40、皮带iv 41。底座1壳内底部四角以及中间设置有五个与缓冲弹簧组2内弹簧直径相同的凹孔，用于放置缓冲弹簧，缓冲弹簧组2另一端固定在夹紧平台4上，夹紧平台4与插管机构固定架中部框架分别具有突出体，两
个相互接触，插管机构固定架中部框架突出体将夹紧平台扣住，底座1与插管机构固定架通过卡扣固定，因此夹紧平台受到向上的弹簧力，插管机构固定架限制其向上运动，夹紧平台4受到插管时的压力时向下移动一定的距离，压力解除后，便可恢复原有位置。夹紧平台4是夹紧机构的主体，轴承i 5安装在夹紧平台凹槽内，丝杠6一端安装在轴承i 5上，另一端安装在丝杠配套电机9上，由丝杠配套电机9带动丝杠旋转，夹紧座i 7通过丝杠配套螺母安装在丝杠6上，丝杠6旋转带动夹紧座i 7沿直线前后移动，激光测距器8安装在夹紧座i 7上，通过测量夹紧座i 7与微流控芯片的距离，控制丝杠螺母副旋转状态，以此控制夹紧座i 7前进，直至夹紧座i 7将微流控芯片夹紧。夹紧平台4一端设置有固定夹紧座，拉紧弹簧i 10一端连接凹槽内的固定端，一端连接夹紧座i 7，拉紧弹簧ii 12一端连接凹槽内的固定端，一端连接夹紧座ii 11，微流控芯片在放置在夹紧座i 7、夹紧座ii 11上后，夹紧座 i 7、夹紧座ii 11在拉紧弹簧i 10、拉紧弹簧ii 12拉力作用下向内运动，此时固定夹紧座、夹紧座i 7、夹紧座ii 11将微流控芯片三面夹紧，再使用夹紧座i 7将微流控芯片进一步夹紧，使其固定。
29.如图5所示，步进电机i 14安装在插管机构固定架40的固定框上，皮带轮i 15安装在步进电机i 14上，轴承ii 19与轴承v 27安装在支撑架i 17两端，轴承ii 19与轴承v 27安装在插管机构固定架40轴承槽上，皮带轮ii 18安装在支撑架i 17上，其中皮带轮ii 18为双头皮带轮，皮带i 16与皮带ii 20分别安装在皮带轮ii 18两个皮带轮上，皮带轮iii 22安装在支撑架ii 21上，皮带ii 20安装在皮带轮iii 22上，轴承iii 23与轴承iv 25安装在支撑架 ii 21两端，轴承iii 23与轴承iv 25安装在插管机构固定架40轴承槽上，皮带轮iv 24与皮带轮v 28分别安装在支撑架i 17与支撑架ii 21上，皮带iii 26安装在皮带轮iv 24与皮带轮 v 28上。步进电机i 14旋转带动皮带轮i 15转动，皮带轮i 15带动皮带i 16转动，皮带i 16 带动皮带轮ii 18、支撑架i 17转动，皮带轮ii 18带动皮带ii 20转动，皮带ii 20带动皮带轮 iii 22、支撑架ii 21转动，支撑架ii 21带动皮带轮iv 24转动，皮带轮iv 24带动皮带iii 26 转动，皮带iii 26带动皮带轮v 28、支撑架i 17转动，同时皮带ii 20、皮带iii 26分别带动固定安装在支撑座i 32、支撑座iii 38转动，实现夹具39的x向移动。
30.如图6所示，步进电机ii 29固定在支撑座i 32上，皮带轮vii 31安装在步进电机ii 29 上，皮带轮vi 30与皮带轮vii 31规格相同，皮带轮vi 30安装在支撑架iii 33上，与皮带轮 vii 31在同一水平面上，支撑架iii 33固定在插管机构固定架40上，支撑座i 32固定安装在皮带ii 20上，支撑座i 32通过中孔安装在支撑架iii 33上，支撑座i 32可随着皮带ii 20的运动平滑在支撑座i 32上移动，支撑架iv 35有两个相同规格的支撑架组成，安装在支撑座i32与支撑座iii 38上，支撑架v 36固定在插管机构固定架40上，支撑座iii 38固定安装在皮带iii 26上，支撑座iii 38通过中孔安装在支撑架iii 33上，支撑座i 32可随着皮带ii 20 的运动平滑在支撑架v 36上移动，皮带轮viii 37安装在支撑架v 36上，皮带轮viii 37与皮带轮vi 30、皮带轮vii 31规格相同，与皮带轮vi 30、皮带轮vii 31在同一水平面上，皮带iv 41安装在皮带轮vi 30、皮带轮vii 31与皮带轮viii 37上，支撑座ii 34通过中孔安装在支撑架iv 35上，支撑座ii 34固定在皮带iv 41上，夹具39固定在支撑座ii 34上。步进电机ii 29转动带动皮带轮vii 31转动，皮带轮vii 31转动带动皮带iv 41转动，皮带iv 41 带动皮带轮vi 30、皮带轮viii 37转动，皮带轮vi 30、皮带轮viii 37
辅助皮带iv 41转动，同时皮带iv 41带动固定其上的支撑座ii 34转动，以此带动夹具39在y向移动。
31.如图7所示，夹具39包括小齿轮39-1、电机39-2、直齿条39-3、激光测距器39-4、压力传感器39-5、视觉装置39-6、柔性机械手39-7；其中激光测距器39-4用于检测夹具39 与微流控芯片之间的距离，以此控制柔性机械手39-7下降距离，保证柔性机械手39-7夹持塑料管下降适当高度，插入孔中。电机39-2带动小齿轮39-1转动，小齿轮39-1带动直齿条 39-3上下移动，由旋转运动转变为直线运动，以此带动固定在直齿条39-3上的直齿条39-3 上下移动。视觉装置39-6用于寻找微流控芯片上需要进行插管的通孔，由于微流控芯片的上基底与亚克力板通孔位置会安装黑色密封圈，而芯片其余部分均为透明材质，两者颜色形成明显差别，因此通过视觉装置39-6能够精确找到通孔位置进行插管。柔性机械手39-7由三个硅胶材质的机械爪组成，三根机械爪夹紧后在爪端会形成圆形孔洞，专用于夹持塑料管，保证塑料管插孔过程中保持竖直状态，孔洞壁周设计圆形突起，起防滑作用，防止塑料管插管过程中上下移动，由于三根机械爪材质为硅胶，因此在对塑料管夹持过程中不会对塑料管造损坏。柔性机械手39-7在实际插管过程中插管力度由压力传感器39-5反馈与调节，通过在插管过程中调节柔性机械手39-7下降距离、插管力度，保证塑料管、微流控芯片不被损坏、完好无损，提高插管准确度。
32.此外，通过夹紧机构能够实现对微流控芯片的夹紧，夹紧之后，通过自动插管机构，实现pvc塑料管精准插在微流控芯片进/排出口上，在对微流控芯片进行插管时，夹紧平台会受到向下的压力，夹紧平台向下运动，此时位于夹紧平台下端缓冲弹簧组的弹簧力会抵消压力，使得夹紧平台上的微流控芯片不会因为压力损坏，当压力解除后，夹紧平台会恢复原状。在对微流控芯片操作过程中，不会造成对微流控芯片的损坏。装置操作简单、体积小，携带方便，制作成本低。