一种高通量智能化的发酵生产工作站及其控制方法

1.本发明属于智能发酵控制技术领域，具体涉及一种高通量智能化的发酵生产工作站及其控制方法。


背景技术：

2.发酵工程是指微生物在适宜生长的条件下，利用微生物的代谢功能，通过现代化技术手段生产出人类所需要的产品，是生物技术产品生产的最主要的生产阶段。同时，发酵工业是我国生物产业和轻工业的重要组成部分，其直接生产的产品产值约1.5万亿，与其密切相关的产品产值更是达到3～5万亿，在医药、食品、能源化工方面占据着重要的地位。
3.发酵生产一般包括菌种制备、原料处理、接种培养、发酵和产品提取等环节，发酵过程一旦完成，需要及时进行产品提取，产品提取后要对样本检测分析。传统的发酵作业平台缺乏对装置作业相关参数的监控，易出现工作不稳定、作业故障和控制灵敏度不足的问题，且在作业时无法对发酵罐内的发酵情况进行实时观测，大多采取的作业方式是人工采样取样，并进行微生物培养，因此需要专业人员实时手动提取样品用于实验分析，人工作业劳动强度大，效率低下，难以避免发酵时引入杂菌。因此开发一种能够利用计算机及相关机器作业设备，对大量的装有不同发酵溶液的发酵瓶进行高通量实时采样（即在短时间内对大量的发酵瓶中样品实时采样），对于实现发酵过程中微生物培养的智能化， 实现快速、灵活的全流程无人值守的自动化工作具有重要意义。


技术实现要素：

4.针对上述不足，本发明公开了一种高通量智能化的发酵生产工作站及其控制方法，实现智能化发酵控制与作业功能模块化设计，实现高精度定位采样和自动化作业，可以用于微生物发酵过程的自动取样保存，完成快速、灵活的全流程无人值守的自动化工作。
5.本发明是采用如下技术方案实现的：一种高通量智能化的发酵生产工作站，其包括安装机架、全局检测工业相机、发酵作业平台、变温控制器、三自由度移液机械臂、废液回收装置、pc控制端；所述发酵作业平台安装在所述安装机架的中部，并且将安装机架内部空间分成上部空间和下部空间；所述全局检测工业相机安装于安装机架的上部空间的顶部，其用于采集所述发酵作业平台的图像信息，并且将采集的图像信息发送至pc控制端进行分析处理；所述三自由度移液机械臂安装于安装机架的上部空间内，并且所述三自由度移液机械臂包括用于实现y轴方向移动控制的y轴向滑轨以及对应的y轴向拖链、用于实现x轴方向移动控制的x轴向滑轨以及对应的x轴向拖链、 z轴向滑轨、末端执行器、穿刺钢针以及对应的穿刺钢针推动块、微量进样器以及对应的进样器推动块；通过x轴向滑轨和y轴向滑轨的协调控制，实现所述末端执行器在平面内移动；所述穿刺钢针和微量进样器安装于所述末端执行器的外侧，所述z轴向滑轨安装于所述末端执行器上，用以实现穿刺钢针推动块和
进样器推动块的升降运动；所述进样器推动块安装于微量进样器末端，用于实现微量进样器内外部产生空气压力差，实现发酵液或清洗液的吸取和排出；所述穿刺钢针推动块安装于穿刺钢针的末端，用于带动穿刺钢针升降运动，所述穿刺钢针的末端通过软管与微量进样器的注射口连接；所述x轴向滑轨、y轴向滑轨和z轴向滑轨的末端均设有驱动电机；所述发酵作业平台设置有清洗液槽、留样区和发酵控制安装盘，所述清洗液槽用于存放清洗消毒溶液和用于对所述样品采集器的穿刺钢针和微量进样器进行清洗和消毒；所述留样区用于存放收集样品的留样管；所述发酵控制安装盘用于存放发酵生产的发酵瓶；所述变温控制器和废液回收装置位于所述安装机架的下部空间内；所述变温控制器上部设有外罩并且与所述发酵控制安装盘连接，用于实现对所述发酵控制安装盘的温度控制；所述废液回收装置与所述清洗液槽连接，用于将清洗液槽内的废液回收；所述pc控制端分别与全局检测工业相机、发酵作业平台、变温控制器、三自由度移液机械臂和废液回收装置连接，实现对各装置设备的控制。
6.所述蠕动泵利用液压原理通过蠕动过程将被隔离在泵中液体实现吸取。
7.进一步的优化，所述全局检测工业相机由全景相机和球机组成。所述全局检测工业相机采用一体化设计，并且由双镜头相机组成（全景相机和球机），全景相机提供全景画面用于实现报警检测功能，球机提供特写画面用于实现位置智能识别，特别是用于发酵作业平台内的留样区内检测有无留样管和发酵控制安装盘内有无发酵瓶，当对应检测为无留样管或发酵瓶时，三自由度移液机械臂则不会驱动末端执行器进行穿刺取样作业，当对应检测为歪倒、安装不规范的留样管和发酵瓶，则启动报警功能，三自由度移液机械臂停止作业，保证作业安全性。
8.进一步的优化，所述安装机架的前侧设置有前门挡板和无把拉门，所述前门挡板用于封闭安装机架的上部空间，所述无把拉门用于封闭安装机架的下部空间。所述前门实现对安装机架内装置结构的保护和安全作业，作业前需要将前门挡板通过挡板把手施加力沿前门挡板支架轴向方向打开，作业时关闭保证安全作业；所述无把拉门可以通过门角件和门连接件安装于安装机架上，其同样用于保护安装机架的下部空间内的装置结构。
9.进一步的优化，所述y轴向导轨的两侧和z轴向导轨的两侧均设有限位块，所述限位块用以实现对装置运动碰撞的保护；所述三自由度移液机械臂还设有上行限位控制器用于对上下移动位置检测，实现位置下移距离的控制；所述进样器安装板实现微量进样器位置的固定安放；在位于所述穿刺钢针下部的一侧设有平衡弹簧连接件，所述平衡弹簧连接件上装载有压力传感器，穿刺钢针推动块带动穿刺钢针移动直至接触平衡弹簧连接件，压力传感器将所接触的力反馈至pc控制端， 进而实现对不同压力的实时检测，同时穿刺钢针可配合z轴向滑轨进行独立的控制和运行。
10.进一步的优化，所述发酵作业平台还包括有分别与pc控制端连接的急停安全控制按钮和状态指示器；所述状态指示器实现对整个发酵作业平台的作业状态进行监视与指示（既可显示仪器运行状态并可以进行预警和报警作业）；所述急停安全控制按钮设置于安装机架上，可在任一时间对整个发酵作业平台作业进行暂停，以应对异常事件的处理。
11.进一步的优化的，所述留样区内设有带空位的留样盘用于存放留样管，所述留样盘的下方由上向下依次设有导温板、制冷固定板、轴流风机，通过所述导温板、制冷固定板
和轴流风机相互配合实现对留样盘中留样管的低温保存；所述导温板用于实现温度的高速传递，所述制冷固定板用于散热降温，所述轴流风机用于保证稳定的温度传递。所述导温板、制冷固定板和轴流风机的组合类似于为电脑cpu降温的风扇设备。
12.进一步的优化，所述发酵控制安装盘内设置有存放发酵瓶的孔位，所述发酵控制安装盘的下部设有联通管用于实现发酵控制安装盘内部水流的流动，保证水浴加热温度传递和稳定性均匀性；所述发酵控制安装盘的一侧设有椭圆形拉手，另一侧设有滑轨拖链座，所述椭圆形拉手连接整个发酵控制安装盘，再通过滑轨拖链座实现发酵控制安装盘的整体位置移动；所述发酵控制安装盘上设有温度调节控制台，所述温度调节控制台用于实现发酵过程的温度变化调节。
13.进一步的优化，所述废液回收装置包括自上而下依次安装连接的蠕动泵、废液回收管和废液桶，所述废液回收装置还包括用于固定蠕动泵、废液回收管和废液桶的后挡板，所述蠕动泵用于将清洗液槽中的废液通过废液回收管送至废液桶中。
14.所述废液回收装置一侧还设有与其相同组成的注液装置，所述注液装置用于将清洗液或消毒液送至清洗液槽中。
15.进一步的优化，所述安装机架的顶部设置有换气风扇，所述安装机架底部的四处边角位置分别设置有移动滑轮。所述移动滑轮用于实现本装置的整体移动，所述换气风扇用于安装机架内部的通风换气，维持安装机架内部的气压稳定。
16.上述高通量智能化的发酵生产工作站的控制方法，其包括以下步骤：s101，开机作业设备初始化，全局检测工业相机向pc控制端提供发酵作业平台的全景画面图像和特写画面图像，通过pc控制端分析处理，获得目标发酵瓶的位置情况；s102，pc控制端通过全景画面图像判断检测发酵作业平台内目标位置处是否安放有发酵瓶或留样管，若无安放有发酵瓶或留样管，则三自由度移液机械臂不会驱动末端执行器对该位置内的发酵瓶或留样管进行穿刺取液或移液作业操作；s103，pc控制端通过特写画面图像检测判断目标位置处的发酵瓶或留样管是否存在倾、歪、斜或安装不规范的情况，若存在上述情况，pc控制端释放信号使得三自由度移液机械臂的停止穿刺取液或移液作业操作，并进行报警警示，提醒工作人员；s104，当检测发酵作业平台内的目标发酵瓶或留样管均正常，且无异常情况时，三自由度移液机械臂的x轴向滑轨、y轴向滑轨和z轴向滑轨末端的驱动电机运转，使得x轴向导轨和x轴向拖链控制x轴向运动，使得y轴向导轨和y轴向拖链控制y轴向运动，进而使得三自由度移液机械臂中的末端执行器在x 轴及y轴进行移动，末端执行器外部的穿刺钢针和微量进样器沿轴向滑轨运动，上行限位控制器检测上下移动位置， 进而控制位置上下移距离，使得穿刺钢针和进样器推动块上下移动，通过软管与穿刺钢针相连的微量进样器被推动块推动，使得微量进样器内与外部产生空气压力差，从而实现发酵液或清洗液的吸取和排出；s105，所述穿刺钢针结合液面感应技术，确定液面位置并且可追踪液面的高度；同时留样区内的留样管数量、编号与发酵控制安装盘内的发酵瓶数量、编号一一对应，使得三自由度移液机械臂能够将取到的发酵液注入到编号对应一致的留样管内；s106，在整个工作过程中，由发酵控制安装盘和变温控制器相配合调节发酵瓶内发酵液的温度，并且通过温度调节控制台来设定所需要恒定的温度；当采集的样品置于留
样管内留存后， 通过留样区内设置的导温板和制冷固定板对留样管进行低温保存，同时启动轴流风机保证稳定的温度传递；s107，将完成移液作业操作的穿刺钢针和微量进样器使用清洗液槽内清洗液进行清洗，清洗结束后，通过蠕动泵将清洗液槽内的废液排入废液桶，继续循环作业，实现全流程无人值守的自动化工作。
17.本技术方案与现有技术相比较具有以下有益效果：本发明实现了智能化发酵控制与作业功能模块化设计，实现高精度定位采样和自动化作业， 可以用于微生物发酵过程的自动取样保存，完成快速、灵活的全流程无人值守的自动化工作。其中 所述发酵控制安装盘内设置联通管和温度调节控制台等，用于实现不同温度控制条件下发酵环境的控制，整体采用模块化设计节约空间成本。所述全局检测工业相机采用一体化设计，由双镜头相机组成，全景相机提供全景画面用于实现报警检测功能，球机提供特写画面用于实现位置智能识别，采用深度学习算法可以实现视觉抓取与检测分析； 所述三自由度移液机械臂整体布局于安装机架周围四个方位，保持装置稳定性，三自由度机械臂可实现独立升降、多方位移动，实现发酵样品的取样转移，在精准定位的同时能够顾配合全局检测工业相机实现高精准定位作业。
附图说明
18.图1是本发明所述高通量智能化的发酵生产工作站的轴侧视图。
19.图2是本发明所述高通量智能化的发酵生产工作站的正视图。
20.图3是本发明所述高通量智能化的发酵生产工作站的侧视图。
21.图4是本发明所述高通量智能化的发酵生产工作站的轴侧透视图。
22.图5是本发明所述三自由度移液机械臂的轴侧视图。
23.图6是本发明所述三自由度移液机械臂的局部放大视图。
24.图7是本发明所述发酵作业平台的右视图；图8是本发明所述发酵作业平台的侧上俯视图；图9是本发明所述发酵作业平台的左视图；图10是本发明所述所述高通量智能化的发酵生产工作站的工作流程示意图。
25.附图标记：1-前门挡板，2-全局检测工业相机，3-三自由度移液机械臂，4-安装机架，5-发酵作业平台，6-外罩，7-变温控制器，8-无把拉门，9-移动滑轮，10-废液回收装置，11-换气风扇，101-挡板把手，102-前门挡板支架，301-驱动电机，302-y轴向导轨，303-末端执行器后面板，304-上行限位控制器，305-末端执行器，306-穿刺钢针，307-微量进样器，308-限位块，309-x轴向导轨，310-安装角件，311-y轴向拖链，312-x轴向拖链，313-平衡弹簧连接件，314-注射口，315-进样器推动块，316-穿刺钢针推动块，317-导轨滑块，318-进样器安装板，319-z轴向滑轨，501-清洗液槽，502-急停安全控制按钮，503-留样区，504-发酵瓶，505-导温板，506-联通管，507-椭圆形拉手，508-留样管，509-制冷固定板，510-滑轨拖链座，511-状态指示器，512-发酵控制安装盘，514-轴流风机，516-安装底板，517-温度调节控制台，1001-蠕动泵，1002-废液回收管，1003-后挡板，1004-废液桶。
实施方式
26.以下通过实施例进一步说明本发明，但不作为对本发明的限制。下列实施例中未注明的具体实验条件和方法，所采用的技术手段通常为本领域技术人员所熟知的常规手段。
27.实施例1：一种高通量智能化的发酵生产工作站，其包括安装机架4、全局检测工业相机2、发酵作业平台5、变温控制器7、三自由度移液机械臂3、废液回收装置10、pc控制端；所述发酵作业平台5安装在所述安装机架4的中部，并且将安装机架4内部空间分成上部空间和下部空间；所述全局检测工业相机2安装于安装机架4的上部空间的顶部，其用于采集所述发酵作业平台5的图像信息，并且将采集的图像信息发送至pc控制端进行分析处理；所述安装机架4为保证合理作业区间，其规格尺寸满足于不少于长1800mm
×
深850mm
×
高1600mm；所述三自由度移液机械臂3通过安装角件310安装于安装机架4的上部空间内，并且所述三自由度移液机械臂3包括用于实现y轴方向移动控制的y轴向滑轨以及对应的y轴向拖链311、用于实现x轴方向移动控制的x轴向滑轨以及对应的x轴向拖链312、 z轴向滑轨319、通过末端执行器305后面板303固定安装的末端执行器305、穿刺钢针306以及对应的穿刺钢针推动块316、微量进样器307以及对应的进样器推动块315；通过x轴向滑轨和y轴向滑轨的协调控制，实现所述末端执行器305在平面内移动；所述穿刺钢针306和微量进样器307安装于所述末端执行器305的外侧，所述z轴向滑轨319安装于所述末端执行器305上，用以实现穿刺钢针推动块316和进样器推动块315的升降运动；所述进样器推动块315安装于微量进样器307末端，用于实现微量进样器307内外部产生空气压力差，实现发酵液或清洗液的吸取和排出，单次移液体积需要满足250μl～10ml，满量程移液体积精度约为1%；所述穿刺钢针推动块316安装于穿刺钢针306的末端，用于带动穿刺钢针306升降运动，所述穿刺钢针306的末端通过软管与微量进样器307的注射口314连接，软管长度保持在200mm范围内，保证有足够的安装长度；所述x轴向滑轨、y轴向滑轨和z轴向滑轨319的末端均设有驱动电机301；所述x轴向滑轨、y轴向滑轨和z轴向滑轨319上均设有相配合的导轨滑块317；所述三自由度移液机械臂3整体布局于安装机架4周围四个方位以装置稳定性，所述三自由度机械臂可实现独立升降、多方位移动，实现发酵样品的取样转移，其运动精度控制在x、y、z
±
0.1mm，精准定位的同时配合全局检测工业相机2实现高精准定位作业；三自由度移液机械臂3的x、y、z方向整体运动范围保证满足1500mm、500 mm和250mm，保证有合理的空间运动位置；在所述发酵作业平台5的安装底板516上设置有清洗液槽501、留样区503和发酵控制安装盘512，所述清洗液槽501用于存放清洗消毒溶液和用于对所述样品采集器的穿刺钢针306和微量进样器307进行清洗和消毒；所述留样区503用于存放收集样品的留样管508；所述发酵控制安装盘512用于存放发酵生产的发酵瓶504；所述变温控制器7和废液回收装置10位于所述安装机架4的下部空间内；所述变温控制器7上部设有外罩6并且与所述发酵控制安装盘512连接，用于实现对所述发酵控制安装盘512的温度控制；所述废液回收装置10与所述清洗液槽501连接，用于将清洗液槽501内的废液回收；所述pc控制端内应用深度学习算法，可以实现视觉抓取与检测分析，并且所述pc
控制端分别与全局检测工业相机2、发酵作业平台5、变温控制器7、三自由度移液机械臂3和废液回收装置10连接，实现对各装置设备的控制。
28.实施例2：如图1～4所示，本实施例所述高通量智能化的发酵生产工作站与实施例1中所述的区别仅在于，所述全局检测工业相机2由全景相机和球机组成，所述全局检测工业相机2采用一体化设计，并且由双镜头相机组成全景相机和球机，全景相机提供全景画面用于实现报警检测功能，球机提供特写画面用于实现位置智能识别，特别是用于发酵作业平台5内的留样区503内检测有无留样管508和发酵控制安装盘512内有无发酵瓶504，当对应检测为无留样管508或发酵瓶504时，三自由度移液机械臂3则不会驱动末端执行器305进行穿刺取样作业，当对应检测为歪倒、安装不规范的留样管508和发酵瓶504，则启动报警功能，三自由度移液机械臂3停止作业，保证作业安全性；所述安装机架4的前侧设置有前门挡板1和无把拉门8，所述前门挡板1上设有挡板把手101，所述前门挡板1用于封闭安装机架4的上部空间，所述无把拉门8用于封闭安装机架4的下部空间；所述前门实现对安装机架4内装置结构的保护和安全作业，作业前需要将前门挡板1通过挡板把手101施加力沿前门挡板支架102轴向方向打开，作业时关闭保证安全作业；所述无把拉门8可以通过门角件和门连接件安装于安装机架4上，其同样用于保护安装机架4的下部空间内的装置结构；所述废液回收装置10包括自上而下依次安装连接的蠕动泵1001、废液回收管1002和废液桶1004，所述废液回收装置10还包括用于固定蠕动泵1001、废液回收管1002和废液桶1004的后挡板1003，所述蠕动泵1001用于将清洗液槽501中的废液通过废液回收管1002送至废液桶1004中；如图5～6所示，所述y轴向导轨302的两侧和z轴向导轨的两侧均设有限位块308，所述限位块308用以实现对装置运动碰撞的保护；所述三自由度移液机械臂3还设有上行限位控制器304用于对上下移动位置检测，实现位置下移距离的控制，下行位移距离在600～800mm范围内；所述进样器安装板318实现微量进样器307位置的固定安放；在位于所述穿刺钢针306下部的一侧设有平衡弹簧连接件313，所述平衡弹簧连接件313上装载有压力传感器，穿刺钢针推动块316带动穿刺钢针306移动直至接触平衡弹簧连接件313，压力传感器将所接触的力反馈至pc控制端， 进而实现对不同压力的实时检测，同时穿刺钢针306可配合z轴向滑轨319进行独立的控制和运行；本发明还结合常规液面感应技术，通过采用感受电容变化的原理实现液面感应，即移液时穿刺钢针306接触到液体时，不论是可感应电离液还是不能感应的非电离液，都可以感受到液面位置并且可追踪液面的高度，便于计算发酵瓶504内的发酵液体积变化及相关组分变化；如图7～9所示，所述发酵作业平台5还包括有分别与pc控制端连接的急停安全控制按钮502和状态指示器511；所述状态指示器511实现对整个发酵作业平台5的作业状态进行监视与指示既可显示仪器运行状态并可以进行预警和报警作业；所述急停安全控制按钮502设置于安装机架4上，可在任一时间对整个发酵作业平台5作业进行暂停，以应对异常事件的处理；所述发酵作业平台5的台面采用模块式设计，每个板位均可根据实验需求进行移动调整摆放，优化布局；所述清洗液槽501安置于发酵作业平台5的上部为长方体凹槽设计，其规格尺寸至少满足于长350mm
×
宽150mm
×
高180mm；
所述留样区503内设有带空位的留样盘用于存放留样管508，所述留样盘的下方由上向下依次设有导温板505、制冷固定板509、轴流风机514，通过所述导温板505、制冷固定板509和轴流风机514相互配合实现对留样盘中留样管508的低温保存；所述导温板505用于实现温度的高速传递，其温度精度至少满足不少于 0.5℃，温度均匀性和稳定性满足
±
1℃；所述制冷固定板509用于散热降温，其温度控制范围满足-10℃~4℃可调节；所述轴流风机514用于保证稳定的温度传递；所述留样盘上的孔位满足多孔位模块大于等于2个，不低于96个孔位， 可配置通用尺寸的留样管508，每个孔位可实现留样容积0～10ml且误差小于1%，其数量满足与发酵控制安装盘512内发酵瓶504数量一致，保证发酵取样的一一对应性；所述发酵控制安装盘512内设置有存放发酵瓶504的孔位，每孔位可实现容积大于等于100 ml标准发酵瓶504放置，具备栓密封功能，所述发酵瓶504安置于发酵控制安装盘512内的孔桩孔位，依据不同试验条件设置不同的作业参数，特别是温度调控；所述发酵控制安装盘512的下部设有联通管506用于实现发酵控制安装盘512内部水流的流动，保证水浴加热温度传递和稳定性均匀性；所述发酵控制安装盘512的一侧设有椭圆形拉手507，另一侧设有滑轨拖链座510，所述椭圆形拉手507连接整个发酵控制安装盘512，再通过滑轨拖链座510实现发酵控制安装盘512的整体位置移动；所述发酵控制安装盘512上设有温度调节控制台517，所述温度调节控制台517用于实现发酵过程的温度变化调节，其温度调节范围满足温度精度不低于 1℃，温度稳定 性和均匀性满足
±
2℃。
29.本实施例所述高通量智能化的发酵生产工作站的控制方法，其包括以下步骤：s101，开机作业设备初始化，全局检测工业相机2向pc控制端提供发酵作业平台5的全景画面图像和特写画面图像，通过pc控制端分析处理，获得目标发酵瓶504的位置情况；s102，pc控制端通过全景画面图像判断检测发酵作业平台5内目标位置处是否安放有发酵瓶504或留样管508，若无安放有发酵瓶504或留样管508，则三自由度移液机械臂3不会驱动末端执行器305对该位置内的发酵瓶504或留样管508进行穿刺取液或移液作业操作；s103，pc控制端通过特写画面图像检测判断目标位置处的发酵瓶504或留样管508是否存在倾、歪、斜或安装不规范的情况，若存在上述情况，pc控制端释放信号使得三自由度移液机械臂3的停止穿刺取液或移液作业操作，并进行报警警示，提醒工作人员；s104，当检测发酵作业平台5内的目标发酵瓶504或留样管508均正常，且无异常情况时，三自由度移液机械臂3的x轴向滑轨、y轴向滑轨和z轴向滑轨319末端的驱动电机301运转，使得x轴向导轨309和x轴向拖链312控制x轴向运动，使得y轴向导轨302和y轴向拖链311控制y轴向运动，进而使得三自由度移液机械臂3中的末端执行器305在x 轴及y轴进行移动，末端执行器305外部的穿刺钢针306和微量进样器307沿轴向滑轨运动，上行限位控制器304检测上下移动位置， 进而控制位置上下移距离，使得穿刺钢针306和进样器推动块315上下移动，通过软管与穿刺钢针306相连的微量进样器307被推动块推动，使得微量进样器307内与外部产生空气压力差，从而实现发酵液或清洗液的吸取和排出；s105，所述穿刺钢针306结合液面感应技术，确定液面位置并且可追踪液面的高度；同时留样区503内的留样管508数量、编号与发酵控制安装盘512内的发酵瓶504数量、编号一一对应，使得三自由度移液机械臂3能够将取到的发酵液注入到编号对应一致的留样
管508内；s106，在整个工作过程中，由发酵控制安装盘512和变温控制器7相配合调节发酵瓶504内发酵液的温度，并且通过温度调节控制台517来设定所需要恒定的温度；当采集的样品置于留样管508内留存后， 通过留样区503内设置的导温板505和制冷固定板509对留样管508进行低温保存，同时启动轴流风机514保证稳定的温度传递；s107，将完成移液作业操作的穿刺钢针306和微量进样器307使用清洗液槽501内清洗液进行清洗，清洗结束后，通过蠕动泵1001将清洗液槽501内的废液排入废液桶1004，继续循环作业，实现全流程无人值守的自动化工作。
30.实施例3：本实施例所述高通量智能化的发酵生产工作站与实施例2中所述的区别仅在于，如图1和2所示，所述废液回收装置10一侧还设有与其相同组成的注液装置，所述注液装置用于将清洗液或消毒液送至清洗液槽501中；所述安装机架4的顶部设置有换气风扇11，所述安装机架4底部的四处边角位置分别设置有移动滑轮9；所述移动滑轮9用于实现本装置的整体移动，所述换气风扇11用于安装机架4内部的通风换气，维持安装机架4内部的气压稳定；所述穿刺钢针306内部为中空，外部带有特氟龙涂层方便清洗。
31.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种高通量智能化的发酵生产工作站，其特征在于：包括安装机架（4）、全局检测工业相机（2）、发酵作业平台（5）、变温控制器（7）、三自由度移液机械臂（3）、废液回收装置（10）、pc控制端；所述发酵作业平台（5）安装在所述安装机架（4）的中部，并且将安装机架（4）内部空间分成上部空间和下部空间；所述全局检测工业相机（2）安装于安装机架（4）的上部空间的顶部，其用于采集所述发酵作业平台（5）的图像信息，并且将采集的图像信息发送至pc控制端进行分析处理；所述三自由度移液机械臂（3）安装于安装机架（4）的上部空间内，并且所述三自由度移液机械臂（3）包括用于实现y轴方向移动控制的y轴向滑轨以及对应的y轴向拖链（311）、用于实现x轴方向移动控制的x轴向滑轨以及对应的x轴向拖链（312）、 z轴向滑轨（319）、末端执行器（305）、穿刺钢针（306）以及对应的穿刺钢针推动块（316）、微量进样器（307）以及对应的进样器推动块（315）；通过x轴向滑轨和y轴向滑轨的协调控制，实现所述末端执行器（305）在平面内移动；所述穿刺钢针（306）和微量进样器（307）安装于所述末端执行器（305）的外侧，所述z轴向滑轨（319）安装于所述末端执行器（305）上，用以实现穿刺钢针推动块（316）和进样器推动块（315）的升降运动；所述进样器推动块（315）安装于微量进样器（307）末端，用于实现微量进样器（307）内外部产生空气压力差，实现发酵液或清洗液的吸取和排出；所述穿刺钢针推动块（316）安装于穿刺钢针（306）的末端，用于带动穿刺钢针（306）升降运动，所述穿刺钢针（306）的末端通过软管与微量进样器（307）的注射口（314）连接；所述x轴向滑轨、y轴向滑轨和z轴向滑轨（319）的末端均设有驱动电机（301）；所述发酵作业平台（5）设置有清洗液槽（501）、留样区（503）和发酵控制安装盘（512），所述清洗液槽（501）用于存放清洗消毒溶液和用于对所述样品采集器的穿刺钢针（306）和微量进样器（307）进行清洗和消毒；所述留样区（503）用于存放收集样品的留样管（508）；所述发酵控制安装盘（512）用于存放发酵生产的发酵瓶（504）；所述变温控制器（7）和废液回收装置（10）位于所述安装机架（4）的下部空间内；所述变温控制器（7）上部设有外罩（6）并且与所述发酵控制安装盘（512）连接，用于实现对所述发酵控制安装盘（512）的温度控制；所述废液回收装置（10）与所述清洗液槽（501）连接，用于将清洗液槽（501）内的废液回收；所述pc控制端分别与全局检测工业相机（2）、发酵作业平台（5）、变温控制器（7）、三自由度移液机械臂（3）和废液回收装置（10）连接，实现对各装置设备的控制。2.根据权利要求1所述高通量智能化的发酵生产工作站，其特征在于：所述全局检测工业相机（2）由全景相机和球机组成。3.根据权利要求1所述高通量智能化的发酵生产工作站，其特征在于：所述安装机架（4）的前侧设置有前门挡板（1）和无把拉门（8），所述前门挡板（1）用于封闭安装机架（4）的上部空间，所述无把拉门（8）用于封闭安装机架（4）的下部空间。4. 根据权利要求1所述高通量智能化的发酵生产工作站，其特征在于：所述y轴向导轨（302）的两侧和z轴向导轨的两侧均设有限位块（308），所述限位块（308）用以实现对装置运动碰撞的保护；所述三自由度移液机械臂（3）还设有上行限位控制器（304）用于对上下移动位置检测，实现位置下移距离的控制；所述进样器安装板（318）实现微量进样器（307）位置的固定安放；在位于所述穿刺钢针（306）下部的一侧设有平衡弹簧连接件（313），所述平衡
弹簧连接件（313）上装载有压力传感器，穿刺钢针推动块（316）带动穿刺钢针（306）移动直至接触平衡弹簧连接件（313），压力传感器将所接触的力反馈至pc控制端， 进而实现对不同压力的实时检测，同时穿刺钢针（306）可配合z轴向滑轨（319）进行独立的控制和运行。5.根据权利要求1所述高通量智能化的发酵生产工作站，其特征在于：所述发酵作业平台（5）还包括有分别与pc控制端连接的急停安全控制按钮（502）和状态指示器（511）；所述状态指示器（511）实现对整个发酵作业平台（5）的作业状态进行监视与指示；所述急停安全控制按钮（502）设置于安装机架（4）上，可在任一时间对整个发酵作业平台（5）作业进行暂停，以应对异常事件的处理。6.根据权利要求1～5中任意一项所述高通量智能化的发酵生产工作站，其特征在于：所述留样区（503）内设有带空位的留样盘用于存放留样管（508），所述留样盘的下方由上向下依次设有导温板（505）、制冷固定板（509）、轴流风机（514），通过所述导温板（505）、制冷固定板（509）和轴流风机（514）相互配合实现对留样盘中留样管（508）的低温保存；所述导温板（505）用于实现温度的高速传递，所述制冷固定板（509）用于散热降温，所述轴流风机（514）用于保证稳定的温度传递。7.根据权利要求6所述高通量智能化的发酵生产工作站，其特征在于：所述发酵控制安装盘（512）内设置有存放发酵瓶（504）的孔位，所述发酵控制安装盘（512）的下部设有联通管（506）用于实现发酵控制安装盘（512）内部水流的流动，保证水浴加热温度传递和稳定性均匀性；所述发酵控制安装盘（512）的一侧设有椭圆形拉手（507），另一侧设有滑轨拖链座（510），所述椭圆形拉手（507）连接整个发酵控制安装盘（512），再通过滑轨拖链座（510）实现发酵控制安装盘（512）的整体位置移动；所述发酵控制安装盘（512）上设有温度调节控制台（517），所述温度调节控制台（517）用于实现发酵过程的温度变化调节。8.根据权利要求7所述高通量智能化的发酵生产工作站，其特征在于：所述废液回收装置（10）包括自上而下依次安装连接的蠕动泵（1001）、废液回收管（1002）和废液桶（1004），所述废液回收装置（10）还包括用于固定蠕动泵（1001）、废液回收管（1002）和废液桶（1004）的后挡板（1003），所述蠕动泵（1001）用于将清洗液槽（501）中的废液通过废液回收管（1002）送至废液桶（1004）中。9.根据权利要求1所述高通量智能化的发酵生产工作站，其特征在于：所述安装机架（4）的顶部设置有换气风扇（11），所述安装机架（4）底部的四处边角位置分别设置有移动滑轮（9）。10.如权利要求8所述高通量智能化的发酵生产工作站的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：s101，开机作业设备初始化，全局检测工业相机（2）向pc控制端提供发酵作业平台（5）的全景画面图像和特写画面图像，通过pc控制端分析处理，获得目标发酵瓶（504）的位置情况；s102，pc控制端通过全景画面图像判断检测发酵作业平台（5）内目标位置处是否安放有发酵瓶（504）或留样管（508），若无安放有发酵瓶（504）或留样管（508），则三自由度移液机械臂（3）不会驱动末端执行器（305）对该位置内的发酵瓶（504）或留样管（508）进行穿刺取液或移液作业操作；s103，pc控制端通过特写画面图像检测判断目标位置处的发酵瓶（504）或留样管（508）
是否存在倾、歪、斜或安装不规范的情况，若存在上述情况，pc控制端释放信号使得三自由度移液机械臂（3）的停止穿刺取液或移液作业操作，并进行报警警示，提醒工作人员；s104，当检测发酵作业平台（5）内的目标发酵瓶（504）或留样管（508）均正常，且无异常情况时，三自由度移液机械臂（3）的x轴向滑轨、y轴向滑轨和z轴向滑轨（319）末端的驱动电机（301）运转，使得x轴向导轨（309）和x轴向拖链（312）控制x轴向运动，使得y轴向导轨（302）和y轴向拖链（311）控制y轴向运动，进而使得三自由度移液机械臂（3）中的末端执行器（305）在x 轴及y轴进行移动，末端执行器（305）外部的穿刺钢针（306）和微量进样器（307）沿轴向滑轨运动，上行限位控制器（304）检测上下移动位置， 进而控制位置上下移距离，使得穿刺钢针（306）和进样器推动块（315）上下移动，通过软管与穿刺钢针（306）相连的微量进样器（307）被推动块推动，使得微量进样器（307）内与外部产生空气压力差，从而实现发酵液或清洗液的吸取和排出；s105，所述穿刺钢针（306）结合液面感应技术，确定液面位置并且可追踪液面的高度；同时留样区（503）内的留样管（508）数量、编号与发酵控制安装盘（512）内的发酵瓶（504）数量、编号一一对应，使得三自由度移液机械臂（3）能够将取到的发酵液注入到编号对应一致的留样管（508）内；s106，在整个工作过程中，由发酵控制安装盘（512）和变温控制器（7）相配合调节发酵瓶（504）内发酵液的温度，并且通过温度调节控制台（517）来设定所需要恒定的温度；当采集的样品置于留样管（508）内留存后， 通过留样区（503）内设置的导温板（505）和制冷固定板（509）对留样管（508）进行低温保存，同时启动轴流风机（514）保证稳定的温度传递；s107，将完成移液作业操作的穿刺钢针（306）和微量进样器（307）使用清洗液槽（501）内清洗液进行清洗，清洗结束后，通过蠕动泵（1001）将清洗液槽（501）内的废液排入废液桶（1004），继续循环作业，实现全流程无人值守的自动化工作。

技术总结
本发明公开了一种高通量智能化的发酵生产工作站及其控制方法，能够实现无人值守的自动取样保存和发酵过程监控，其具体包括安装机架、全局检测工业相机、三自由度移液机械臂、发酵作业平台和废液回收装置等；所述全局检测工业相机用于检测发酵瓶和留样管，所述三自由度移液机械臂负责驱动末端执行器进行作业，末端执行器配合穿刺钢针和微量进样器通过高精度的X、Y轴移动和内部Z轴滑动在目标位置进行穿刺取样、留样和清洗操作，穿刺钢针和微量进样器通过软管相连，利用微量进样器内外部的空气压力差实现发酵液或清洗液的吸取和排出；在完成一次操作后，废液通过蠕动泵排出到废液回收装置内，实现无人值守的自动化工作，从而提高了作业效率和精度。了作业效率和精度。了作业效率和精度。


技术研发人员：叶冬青 黄晓川 饶川艳 杨莹 李杰民 孙健 李昌宝 吴翠琼 杨冬冬 李丽 何雪梅 刘国明
受保护的技术使用者：广西壮族自治区农业科学院
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/9