移液工作站高通量移液器設計

杜苗苗，于源華

（長春理工大學 生命科學技術學院，長春 130022）

微量移液技術與移液器是各實驗室的高精度微量液體技術與工具，廣泛應用于醫學、生物、化學等實驗室的樣品配制階段［1-2］。1956 年，德國Eppendorf 公司發明了第一支單通道固定量程的移液器，開始了移液器的商業化發展。在這之后，出現了多通道移液器、可變量程移液器、電動移液器，極大簡化了微量液體的移液操作，同時也使移液的自動化操作成為可能［3］。

隨著快速疾病檢測、生物制藥、化學等領域的不斷發展，人們對液體處理平臺提出了新的要求，希望一次能處理大量的待測樣本，靠實驗人員的手工操作很難實現一次對多個樣本的處理，自動化技術為快速、高效的液體處理提供了不錯的技術平臺。移液工作站應用于對樣本的大量、自動化處理，不僅可以節省人力成本，還可以降低安全隱患，同時提高實驗結果的準確性，避免人為誤差，實現高效率操作。

遵循液體處理平臺的發展趨勢，本文基于移液工作站的功能和使用要求，為滿足高通量的發展需求，設計了一款能實現自動裝、脫槍頭和自動吸、放液的96 通道移液器。

1 移液模塊結構設計

移液器需要能夠快速、平穩地移動到指定位置，并完成吸液、轉移、放液等操作，因此三維機械臂是移液器完成移液工作的基礎。本文中的三維運動采用直角坐標系的龍門式機械臂，龍門式結構可承載較大負載且定位精度高。如圖1 所示，X、Y軸均采用同步帶傳動，安裝有電機、導軌、同步帶輪等，Z軸在電機驅動下沿導軌到達工作站的任意指定位置。Z軸采用的是絲杠螺母傳動，將螺母固定，電機驅動螺母旋轉，移液器在絲杠上沿豎直方向上下運動。

圖1 移液工作站整體結構

1.1 移液器整體設計

移液器通過連接板搭載在Z軸機械臂上，Z軸用到同步帶、滾珠絲杠兩種傳動方式，電機選用的是STP-59D5007 型號，電機驅動主動輪運動，從而帶動從動輪的運動，從動輪安裝在絲杠上。螺母固定在軸承上，從動輪轉動帶動軸承、螺母轉動，因螺母垂直方向位置固定，所以使得絲杠帶著移液器進行上下移動。

為滿足高通量需求，根據控制置換原理設計96 通道的移液器，將96 個活塞桿固定在同一活塞板上，電機通過絲杠帶動活塞板的上下移動，從而完成活塞桿在腔體內的運動，實現吸放液功能。 移液器采用的傳動方式是梯形絲杠傳動，雖其精度沒滾珠絲杠高，但其能夠實現自鎖功能，應用于垂直結構中受重力作用的變形和誤差也都比滾珠絲杠小。

通過對單通道移液器的實際測量，得到單通道移液器上下運動過程中所需克服的阻力為13 N，將其類比到96 通道的實際應用中，將阻力按1.2 倍擴大，得到的96 個活塞桿同時運動所需克服的阻力為1 497.6 N。電機需要滿足的扭矩，在勻速狀態下可按公式（1）進行非精確計算：

式中，PB為絲杠導程，數值為1.587 5 mm；FA為活塞上下運動所需克服的阻力，數值為1 497.6 N；m為移液器自身質量（取15 kg）；η為絲杠傳動效率（取0.85）。得到的電機扭矩T為0.49 N·m，取安全系數為3。為更好地對移液器進行控制，最后選用的是帶編碼器的步進電機57H2140-158139-1000。

1.2 移液器結構設計

移液器是工作站的核心部件，需要能進行精準的吸液和放液操作，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計了96 通道的移液器，移液器的機械結構如圖2 所示。

移液時，第一步需要完成裝槍頭的動作，通過Z軸電機帶動整個移液器下壓完成槍頭的安裝。將96 個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動零點。通過腔體固定角架將腔體固定在移液器側板上，當電機帶動活塞向上運動時，腔體內氣壓低于外界大氣壓，液體進入到槍頭中，完成吸液操作。 電機帶動活塞向下運動時，通過擠壓腔內的空氣，使腔內氣壓高于外界氣壓，從而完成放液或分液。 在腔內液體放完，電機運動到零點之后繼續向下運動，會推動脫槍板向下運動實現脫槍頭的動作。導向軸的向下運動會導致彈簧處于壓縮狀態，當槍頭脫落后，由于彈簧作用，脫槍板回到原來的位置。

腔體采用的是有機玻璃材質，腔體的內部都進行過拋光處理，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，在腔體上面加有密封蓋板，且在每個通道兩端都裝有O 型圈，防止因氣密性產生的移液誤差?；钊闹睆揭矔绊懸埔壕?，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，單個通道吸取的液體量V與活塞桿的行程?x關系為：

要滿足單通道為500 μL，過細的活塞桿會導致整個移液器整體過于細長，所以設計活塞桿的直徑為4 mm，根據公式（3）可得在移液量為500 μL 時活塞桿的行程約為39.8 mm?？紤]到活塞桿的安裝等因素，最終活塞桿的長度為60 mm。

1.3 移液器關鍵零件仿真

脫槍板在實際工作過程中，首先會受到兩側導向軸對其的推力，受力方向向下；同時也會受到槍頭與移液頭之間的摩擦力，受力方向向上。脫槍板受到的兩個力方向相反，容易造成脫槍板的形變，所以對該結構進行靜力分析。 槍頭施加在脫槍板上的力，受力面是槍頭的邊緣面，槍頭內徑為6 mm，槍頭外徑為7.9 mm。脫槍板的應力和位移分析如圖3、圖4 所示。

圖3 應力分析結果

圖4 位移分析結果

圖5 移液器硬件框圖

在進行脫槍頭操作時，脫槍板的最大應力為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，該形變量不會影響脫槍板的功能，可以滿足使用要求。

2 硬件電路設計

根據所設計的機械結構和移液器的實際需求，利用模塊化的設計思路對移液器硬件電路進行設計，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運動系統的協調控制，負責給驅動芯片發送驅動信號，還有其他相關信號的收發，由主控制芯片STM32 和相關外圍電路構成。電源電路負責給系統中各個元器件供電，有效保證系統的供電穩定。光電傳感器用于步進電機運動位置的確定，選用嘉準的FC-SPX303Z，是一款槽型光電開關，由紅外線發射管、接收管組合而成的紅外線感應光電產品。在被遮光時，即檢測到物體時，輸出端會輸出低電平。通訊模塊主要是用串口通訊與上位機軟件進行通訊，共同完成對移液器的運動控制。

步進電機驅動芯片發送的信號與微控制器發送的信號在不同的頻段，且高頻信號會對低頻信號造成一定的干擾，所以在微控制器和驅動芯片之間設計了隔離電路進行抗干擾和保護。MCU 的I/O 口的驅動能力比較弱，且只能輸出毫安級的電流，無法直接驅動步進電機，電機驅動模塊負責將處理器發出的電流信號轉換為電機驅動所需的電流，驅動器為榮邁科技DM9045。編碼器是為了實現對步進電機的閉環控制，對電機的角位移、角速度進行實時反饋，避免步進電機失步、堵轉、過沖等情況的出現。

最終根據設計的移液器控制系統的電路，完成的控制系統實物如圖6 所示。

圖6 移液器控制系統硬件電路實物

3 移液器控制算法仿真與實現

移液器的目標移液精度為1 μL，根據所設計的機械結構，移液器取樣精度與活塞桿的直徑d、所用絲杠導程PB、電機步距角θ等有關，取液精度計算公式為：

式中，n為細分數，在無細分的情況下得到λ為0.099 745 5 μL，在理論上移液精度已經滿足要求，但在實際的移液過程中電機運行的平穩度、角度位置反饋準確度、算法的誤差均影響著電機的定位精度，進而影響著移液精度。 微量移液器工作過程中對活塞桿的控制精度要求較高，因此需要采用適合的閉環控制算法對步進電機進行控制，從而提高移液精確度［4］。

3.1 移液器控制算法仿真

PID 算法是結合比例（P）、積分（I）和微分（D）三種環節于一體的閉環控制算法。PID 控制結構簡單、穩定可靠，是目前為止在連續控制系統中最為成熟的一種控制算法［5-6］，步進電機PID 控制原理如圖7 所示。

圖7 步進電機傳統PID 控制原理

但是步進電機驅動系統存在非線性、時變等特性，傳統的PID 控制難以達到較好的控制效果［7］。因此，采用將模糊控制與傳統PID 控制相結合的方式，通過在線不斷調整PID 三個參數的值，使步進電機的運行誤差嚴格控制在允許范圍內，可以提高步進驅動系統的控制性能。

模糊自整定PID 控制器以誤差e（被控對象的反饋值與目標值的偏差）和誤差變化率ec輸入，通過PID 三個參數與e、ec之間建立的模糊關系，利用模糊規則和推理機實現三個參數的實時在線調節，從而確保偏差及偏差變化率參數滿足控制要求［8］?？刂葡到y原理如圖8 所示。

圖8 步進電機模糊PID 控制原理

移液器控制的實質是使電機角位移精準移動，進而使活塞桿移動精準，電機是整個控制系統中的被控對象。在仿真過程中使用傳遞函數代替實質電機，移液器使用的是57H2140 步進電機，其傳遞函數為：

根據移液器的實際控制要求，確定偏差e的基本論域為［-0.1 mm，0.1 mm］，偏差變化率ec的實際論域為［-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，對應的模糊語言變量確定為7 級，用{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}來表示。三個輸出變量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，對應的模糊語言也確定為7 級。本設計采用的是高斯和三角形相結合的隸屬函數來建立13 檔模糊論和模糊語言變量等級之間的關系。 輸入、輸出隸屬函數如圖9 所示，模糊規則根據相關文獻［9-10］及專家經驗實驗對比得到，如表1 所示。

表1 模糊規則表

圖9 隸屬函數

在simulink 模塊中搭建了模糊PID 控制器系統模型［8］，并在此系統中建立傳統的PID 控制器模型進行對比驗證，仿真模型如圖10 所示。

圖10 PID 和模糊PID 仿真對比模型

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

圖11 控制系統仿真曲線

3.2 移液器控制算法實現

移液控制實際是對步進電機角位移進行控制，移液精度取決于步進電機的定位精度，工作站依靠對步進電機的閉環控制實現高精度的移液操作，通過編碼器的位置反饋不斷調整活塞桿的位置。編碼器接口用的是微處理器自帶的編碼器接口模式，定時器作為編碼器的信號采集通道，編碼器A、B兩相分別與PC6、PC7 引腳相連接。通過編碼器獲得步進電機的運動信息之后，需要進行下一步的運算操作，移液控制程序流程如圖12 所示。

圖12 移液控制程序流程

4 實驗測試

移液功能是將各種液體試劑、樣本進行轉移，移液的準確性直接影響到后續的實驗結果。為驗證移液器性能，對其進行移液精度的測試，原理樣機如圖13 所示。實驗用品：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

實驗在（20±5）℃室溫、標準大氣壓環境下進行：（1）對天平調零后稱量空EP 管的質量并進行記錄；（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，對加入純水之后的EP 管進行稱重，記錄下其質量，每種容量進行100 組操作；（3）根據20 ℃下，純水的密度為998.203 kg/m3，可根據純水的質量計算出純水的體積。以10 μL 為例，得到其中20 組移液數據如表2 所示。

表2 10 μL 移液數據

根據上述操作得到了10 μL、20 μL、50 μL、100 μL、150 μL、200 μL 的移液數據，由數據給出了移液數據散點圖，如圖14 所示。從圖中可以看出，移液器的移液效果穩定，產生的移液誤差很小。

圖14 移液數據散點圖

根據JJG 646-2006 計量性能要求［9］，移液器在標準溫度20℃下的允許誤差和重復性測試應該滿足表3 所示參數。

表3 移液器容量為200 μL 允許誤差和測試重復性

移液器的容量相對誤差E計算公式：

移液器的重復性S計算公式：

根據以上公式對上述實驗所得到的移液數據進行處理，得到各組數據的平均值、標準偏差值和相對誤差值，如表4 所示。

表4 不同移液量的性能參數

通過表4 可看出移液器的性能指標滿足JJG 646-2006 移液器計量性能的要求。

5 結論

本文提出了96 通道移液器的設計方法，并對移液器的機械結構、硬件電路進行了設計與實現。移液器的取樣精度由步進電機的定位精度決定，對傳統PID 和模糊PID 進行了仿真分析，選用模糊PID 實現步進電機的閉環控制。

根據機械結構和硬件設計搭建了原理樣機，在常溫下使用純水對移液器進行性能測試，使用200 μL 的吸頭進行了10 μL、20 μL、50 μL、100 μL、150 μL、200 μL 的定量移液實驗，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 移液器計量性能要求。