基于PLC的實驗室應用機器人的設計及研制

梁力中

（廣東醫學院附屬醫院 524001）

1 前言

醫學生物實驗室需要從事大量與病原微生物相關的實驗，這使得實驗人員被生物生物病原體感染的風險大大增大，SARS、流感等大規模流行，對傳染性疾病的免疫學研究的實驗開展，工作接觸而感染病毒的報導越來越多，2012年5月，美國一名實驗室工作人員死一種腦膜炎病原體，引起世界醫學界對實驗室感染高度重視。用機器人取代實驗人員進行病原微生物的直接的工作接觸，成為了生物醫學實驗室建設的趨勢。2012年7月東京的藥品貿易展上推出了雙臂機器人Mahoro，用于處理危險性實驗，該機器人還處于推廣階段，造價較高，安裝復雜，維護成本高，不利于我國生物實驗室的大范圍推廣。本文將介紹一種基于PLC的四軸機器人的設計及應用。本設計選擇S7-200系列的CPU224來組建四軸搬運機器人的控制系統的核心，擴展EM253位控模塊。軟件設計部分采用STEP 7-Micro/WIN V4.0軟件編寫梯形圖，為四軸機器人設計了一個簡單的人機界面，實現了通過機械手取代人手實現運送、抓取、旋轉、放置的功能。應用效果表明，該機器人很大程度地減少工作接觸，有效地提升了生物安全，較好地保護了實驗室人員的生命安全，取得了預期的效果。

2 系統架構

2.1 機器人結構

四軸機器人用于實驗室平臺上生物試管的自動搬運，能夠完成前后軸X、左右軸Y、上下軸Z、旋轉軸四個軸向運動以及抓放動作，其結構如圖1所示。X軸向的運動由伺服電機驅動皮帶實現，Y軸向的運動由三相異步電機驅動旋轉絲杠完成，Z軸向通過一個兩位四通換向閥控制氣缸完成升降運動，機械手的順、逆時針90度旋轉動作以及機械手抓放動作也分別由兩個氣缸驅動完成。

圖1

系統啟動后，機械手將自動復位到初始位置，即圖中所示位置（X軸位于行程開關SQ1處，Y軸位于行程開關SQ3處，Z軸位于行程開關SQ5處，機械手未旋轉，抓手張開）。當安裝在四軸機器人上的光電檢測傳感器檢測到產品到達后，系統將啟動一輪搬運動作。首先，伺服電機啟動并帶動機械手向工件方向運行，碰觸SQ2后則電機停轉，機械手順時針轉動90度，接著下降到SQ6處，夾緊工件，再回升至SQ5，接著伺服電機反轉帶動機械手后退直到碰觸SQ1，逆時針回轉90度，然后啟動Y軸異步電機，通過驅動旋轉絲杠帶動機械手運行到極限位SQ4，X、Y全都到位后，機械手松開工件，最后，Z向返回SQ5處，Y向返回SQ3處。

3 系統硬件設計

本統的硬件設計包括主電路和控制電路的設計。

3.1 主電路設計

系統主電路如圖2所示，系統選用PDSA-0433伺服電機及其驅動器，控制四軸機器人的前進和后退。使用SINAMICS G110變頻器控制三相異步交流電動機，驅動四軸機器人的左行和右行。PLC選用S7-200系列的CPU224，并且擴展EM253位控模塊用于伺服電機的位置和速度控制。

圖2

3.2 控制電路設計

系統控制電路如圖3所示。開關量的輸入除了X軸的前后限位、Y軸的左右限位、Z軸的上下限位對限位檢測之外，還包括系統啟動、停止兩個按鈕檢測以及工件到位檢測。另外，為了將來擴展X軸方向的位置檢測功能，在伺服電機的主軸上安裝了編碼器，因此將I0.0、I0.1用于編碼器脈沖輸入。

圖3

4 系統軟件設計

本系統控制面板上設置啟動和停止兩個按扭。當按下啟動按鈕。在系統工作過程中的任何時刻按下停止按鈕，程序將對程序運行中的所有中間變量清零，使伺服電機和異步電機都停止運行，然后將升降氣缸、旋轉氣缸設成復位狀態，抓手則設成夾緊狀態，搬運的工件不會掉下來。

5 結束語

機器人技術在現代工業生產領域已應用多年，但是將可控機械手的應用于實驗室的嘗試卻未見有廣泛開展，主要是由于大部分科研人員普遍認為實驗過程對試劑的精度、控制的穩定性以及操作時間的把握等方面都較之工業生產高，且重復的強度也不如工業生產那么大，沒有應用機器人的必要。隨著實驗室感染發生率的不斷攀升以及機器人控制精度、穩定性以及智能化程度的不斷提高，為保證生物安全，以病原微生物為主導的醫學生物實驗室必然會越來越多地使用機器人取代實驗室人員直接的接觸標本試劑。本研究所開發出的基于PLC的四軸智能控制機器人，雖然在靈活性、準確性方面還有很多提高的空間，但這是機器臂在實驗室應用的有益嘗試，在我院的斑馬魚神經毒性試驗平臺的生物實驗中，實驗人員也開始應用其在隔離的實驗室外通過計算機的控制進行危險標本的運送、抓取、旋轉、放置等操作，該平臺的成本低、易于維護，取得了預期的效果，為將來更完善的機器人研制，更廣泛實驗室智能機械臂的推廣奠定良好的基礎。

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