CN101706446A - 秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置，其包括有平台基座、三轴自动平台、光学视觉系统、自动调焦装置、操作臂微调装置、末端操作手自动伸缩装置；三轴自动平台、光学视觉系统和操作臂微调装置分别与平台基座对应位置固定安装；自动调焦装置固定安装在光学视觉系统上；末端操作手自动伸缩装置固定安装在操作臂微调装置上。本发明装置主要用于秀丽隐杆线虫等微小生物体的筛选、分拣等微操作，采用显微视觉伺服的控制方式实现目标微小生物体自动聚焦，利用末端操作手实施微操作的目的；本发明的所有运动都是在以工控机的控制系统控制下自动实现的，整套装置结构紧凑、操作方便。

Description

秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置

技术领域

本发明涉及一种秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置，属于生物医学领域。

背景技术

秀丽隐杆线虫是一种经典的模式生物，由于其通身透明，比较容易观察；加之其作为唯一一个身体中所有细胞均能被逐个盘点并各归其类的生物，自1965年以来已经被广泛用作生命科学的研究对象。

对秀丽隐杆线虫的研究已经取得了瞩目的结果，例如揭示了细胞凋亡现象及机理，发现了RNA沉默现象等重大生命科学课题；这些科研成果的存在，已经为病毒性肝炎、艾滋病和肿瘤等人类顽疾的治疗指明了一条新路。同时，基于秀丽隐杆线虫的生命科学研究仍在行进之中，它将为人类探索生命科学不可替代的物质基础。

由于秀丽隐杆线虫尺寸微小、生命周期短(仅3天)，在进行生物学研究时需要不断地观察并追踪线虫的发育过程，分拣并分类出线虫的幼虫、成虫、尸体等；目前诸多的科研机构都是通过投入人力，实行人工分拣方法，工作量大，分拣效率较低；而国内针对线虫研究的自动化分拣系统的研制很少被研究人员所提及，尤其是固体培养环境下的线虫分拣系统目前还没有研制出来；国外的高通量线虫分拣设备绝大多数是基于液体培养环境下的流式分选法，不便于进行单个线虫的生命科学实验研究，例如需要把某一特定线虫分拣出来进行基因注射实验时，仍然需要人工参与操纵末端微操作手实施具体操作。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种针对微生物筛选、分拣操作的自动化微操作平台，替代人工进行筛选、分拣微操作，降低操作人员的工作强度，保证微操作的效率；本发明通过应用自动化控制理论，结合光学显微视觉，对微生物进行行之有效的微操作。

本发明的秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置，包括平台基座、三轴自动平台、光学视觉系统、自动调焦装置、操作臂微调装置和末端操作手自动伸缩装置；

平台基座划分为固定连接位置A、固定连接位置B、固定连接位置B′、固定连接位置C、固定连接位置D和固定连接位置E，光学视觉系统安装在平台基座上的位置A、三轴自动平台安装在位置B和位置B′，固定连接位置C用于连接外界实验装置；操作臂微调装置安装在位置D；固定连接位置E用于将本实验装置固定到其它实验平台上；

三轴自动平台包括Y轴自动平台、X轴自动平台、Z轴自动平台、Z轴托架、Y轴托架、Z轴辅助第一托架、Z轴辅助第二托架、Z轴辅助第一导轨和Z轴辅助第二导轨；

Y轴自动平台、X轴自动平台、Z轴自动平台为三个精密移动导轨，每条移动导轨分别配以高精度驱动电机，并且在导轨上设置滑块，Z轴自动平台固定安装在Z轴托架上，Y轴自动平台通过Y轴托架固定安装在Z轴自动平台的滑块上，Z轴辅助第一托架、Z轴辅助第二托架的一端分别连接Z轴辅助第一导轨和Z轴辅助第二导轨，另一端固定安装在Y轴托架上；X轴自动平台固定安装在Y轴自动平台的滑块上，第一目标培养皿、第二目标培养皿安装在X轴自动平台的滑块上；Z轴托架固定连接在平台基座的固定连接位置B处，Z轴辅助第一导轨和Z轴辅助第二导轨固定在平台基座的固定连接位置B′处；Y轴自动平台、X轴自动平台、Z轴自动平台的运动都是解耦运动，分别实现第一目标培养皿、第二目标培养皿的水平前后微移动、水平左右微移动和竖直上下微移动；

光学视觉系统用以采集第一目标培养皿上的图像，然后通过图像处理算法解算出微小生物体在视场中的具体位置，其光路主轴线穿过第一目标培养皿；光学视觉系统包括光学系统架座底板、光学系统架座竖直板、光学系统光源引入座、光学系统调焦前罩、光学系统直角光路转换座和光学系统CCD；

光学系统架座底板安装在平台基座的固定连接位置A处，光学系统架座竖直板一端连接光学系统架座底板，另一端连接光学系统CCD，光学系统CCD连接光学系统直角光路转换座，光学系统直角光路转换座连接光学系统调焦前罩，光学系统调焦前罩安装在光学系统光源引入座上；

自动调焦装置，用以调整光学镜头模块的微焦距，结合光学视觉系统采集的图像，通过图像处理算法自动控制光学镜头模块的变焦运动；自动调焦装置包括光学镜头模块、自动调焦从动轮、自动调焦传送带、自动调焦手轮、自动调焦主动轮；自动调焦从动轮安装在光学镜头模块上，自动调焦从动轮通过自动调焦传送带与自动调焦主动轮连接，自动调焦手轮安装在自动调焦主动轮上，实现手动调节；

操作臂微调装置用以调整末端操作手自动伸缩装置的位置及姿态，操作臂微调装置包括操作臂固定座底板、操作臂固定座竖直板、操作臂竖直微调导轨座、Z轴旋转微调单元和Y轴旋转微调单元；Z轴旋转微调单元和Y轴旋转微调单元分别手动微调末端操作手伸缩装置在Z轴和Y轴的旋转微角度；操作臂固定座底板固定在平台基座上的固定连接位置D上，操作臂固定座竖直板一端连接操作臂固定座底板，另一端连接操作臂竖直微调导轨座，Y轴旋转微调单元固定安装在操作臂竖直导轨移动滑块上，Z轴旋转微调单元固定安装在Y轴旋转微调单元上；

末端操作手自动伸缩装置用以控制末端操作手对微小生物体在第一目标培养皿中进行拾取微操作以及在第二目标培养皿进行释放等微操作，操作手自动伸缩装置包括伸缩装置转动调节螺钉、末端操作手、自动伸缩装置连接座、自动伸缩装置导轨座和自动伸缩装置固定座；自动伸缩装置连接座用于将自动伸缩装置固定在操作臂Z轴旋转微调单元上，末端操作手固定安装在自动伸缩装置导轨滑块上，自动伸缩装置导轨座固定安装在自动伸缩装置导轨固定座上，自动伸缩装置导轨固定座通过转动调节螺钉安装在自动伸缩装置连接座上，末端操作手自动伸缩装置通过连接件固定安装在Y轴旋转微调单元上。

本发明的优点在于：

(1)本发明装置采用显微视觉伺服的控制方式实现目标微小生物体自动聚焦，利用末端操作手实施微操作的目的，采用自动化的硬件控制，集成了分拣操作手，大大降低人工实验操作的强度，将操作人员从繁冗的重复性工作中解脱出来；

(2)采用电机驱动，加速线虫筛选、分拣的进程，提高线虫微操作的效率；

(3)采用高精度导轨传动，高精度驱动电机驱动，确保系统在较高的精度下工作，提高线虫筛选、分拣微操作的准确率；

(4)本发明的所有运动都是在以工控机的控制系统控制下自动实现的，整套装置结构紧凑、操作方便，采用机电一体化自动操作装置替代人工筛选、分拣微操作，节约实验成本，缩短实验周期；

附图说明

图1是本发明装置整体结构正视图；

图2是本发明装置整体结构后视图；

图3是本发明装置的平台基座结构图；

图4是本发明装置的三轴自动平台结构图；

图4A是本发明装置三轴自动平台Z轴托架结构图；

图4B是本发明装置三轴自动平台Y轴托架结构图；

图4C是本发明装置三轴自动平台Y轴自动平台结构图；

图4D是本发明装置三轴自动平台Z轴辅助第一托架结构图；

图4E是本发明装置三轴自动平台Z轴辅助第一导轨结构图；

图4F是本发明装置三轴自动平台X轴自动平台结构图；

图4G是本发明装置三轴自动平台Z轴自动平台结构图；

图5是本发明装置的光学视觉系统结构图；

图6是本发明装置的自动调焦装置结构图；

图7是本发明装置的操作臂微调装置结构图；

图8是本发明装置的末端操作手自动伸缩装置结构图。

图中：

1.平台基座      2.三轴自动平台    3.光学视觉系统

4.自动调焦装置  5.操作臂微调装置  6.末端操作手自动伸缩装置

201.Z轴托架                 202.Y轴托架               203.Y轴自动平台

204.Z轴辅助第一托架         205.Z轴辅助第二托架       206.Z轴辅助第一

导轨                        207.Z轴辅助第二导轨       208.X轴自动平台

209.Z轴自动平台

2011.Z轴托架主体板          2012.Z轴托架支撑筋板

2021.Y轴托架主体板          2022.Y轴托架支撑筋板      2023.Y轴托架支撑筋

板                          2024a.Y轴位置传感器a      2024b.Y轴位置传感器

b                           2024c.Y轴位置传感器c

2025.Y轴传感器固定板        2026a.Y轴位置传感器固定座a

2026b.Y轴位置传感器固定座b  2026c.Y轴位置传感器固定座c

2031.Y轴自动平台座          2032.Y轴位置传感器触发片  2033.Y轴驱动电机

2034.Y轴驱动电机旋钮        2035.Y轴自动平台联轴器    2036.Y轴自动平台移

动主座                      2037.Y轴自动平台连接座    2038.Y轴自动平台移

动辅座

2041.Z轴辅助第一托架主板    2042.Z轴辅助第一托架筋板

2061.Z轴辅助第一导轨底座    2062.Z轴辅助第一导轨筋板         2063.Z轴辅助第一导

轨主体座                    2064.Z轴辅助第一导轨滑块         2065.Z轴辅助第一导

轨支座

2081.X轴驱动电机旋钮        2082.X轴驱动电机                 2083.X轴运动导轨主

体座                        2084.X轴运动导轨连接座           2085.X轴运动导轨滑

块                          2086.培养皿固定座                2087a.第一培养皿弹性

夹                          2087b.第二培养皿弹性夹           2088a.第一目标培养皿

2088b.第二目标培养皿

2091.Z轴平台导轨主体座      2092.Z轴驱动电机                 2093.Z轴平台电机旋

钮                          2094.Z轴平台导轨挡板             2095.Z轴平台导轨滑

块

301.光学系统架座底板        302.光学系统架座竖直板           303.CCD连接调整板

304.光学系统调焦连接座筋板  305.光学系统调焦连接座主板       306.光学系统光源引入

座                          307.光学系统调焦前罩             308.光学系统调焦连接

座                          309.光学系统调焦座上盖           310.光学系统直角光路

转换座                      311.光学系统光路外接头           312.光学系统CCD

313.光学系统CCD固定座       314.光学系统架座筋板

401.自动调焦传感器固定座    402.自动调焦传感器连接座         403.调焦传感器固定螺

母                          404.自动调焦高精度传感器         405.自动调焦驱动电机

406.光学镜头模块            407.自动调焦从动带轮             408.自动调焦传送带

409.自动调焦手轮            410.自动调焦主动轮               411.自动调焦电机固定

座

501.操作臂竖直微调电机旋钮  502.操作臂竖直微调驱动电机       503.操作臂竖直微调导

轨座                        504.Z轴旋转微调单元              505.Y轴旋转微调单元

506.操作臂固定座竖直板      507.操作臂固定座底板             508.操作臂固定座筋板

509a.竖直位置传感器a        509b.竖直位置传感器b             509c.竖直位置传感器c

510a.竖直传感器固定座a      510b.竖直传感器固定座b           510c.竖直传感器固定

座c                         511.操作臂竖直位置触发片         512.操作臂竖直导轨移

动滑块

601.自动伸缩装置电机旋钮  602.自动伸缩装置驱动电机        603.伸缩装置转动调节

螺钉                      604.自动伸缩装置导轨滑块        605.自动伸缩装置连接

座                        606.伸缩装置位置触发片          607.末端操作手

608.自动伸缩装置导轨座    609.伸缩装置传感器固定板        610a.传感器固定座a

610b.传感器固定座b        610c.传感器固定座c              611a.伸缩装置位置传

感器a                     611b.伸缩装置位置传感器b        611c.伸缩装置位置传

感器c                     612.自动伸缩装置导轨固定座

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置，如1、图2所示，包括平台基座1、三轴自动平台2、光学视觉系统3、自动调焦装置4、操作臂微调装置5和末端操作手自动伸缩装置6。

所述的平台基座1如图3所示，平台基座1表面按设计要求分别加工有螺纹孔及沉孔，固定连接位置A与光学视觉系统3固定连接以确保光学视觉系统稳定可靠的工作；固定连接位置B、固定连接位置B′与三轴自动平台2固定连接以确保三轴自动平台稳定可靠工作；固定连接位置C用于连接外界实验装置；固定连接位置D与操作臂微调装置5固定连接以确保操作臂微调装置稳定可靠工作；固定连接位置E将用于将本实验装置固定到其它实验平台上实现其它联合实验内容；

三轴自动平台2包括Y轴自动平台203、X轴自动平台208、Z轴自动平台209、Z轴托架201、Y轴托架202、Z轴辅助第一托架204、Z轴辅助第二托架205、Z轴辅助第一导轨206和Z轴辅助第二导轨207；

如图1、图3、图4所示，Y轴自动平台203、X轴自动平台208、Z轴自动平台209为三个精密移动导轨，每条移动导轨分别配以高精度驱动电机，并且到导轨上设置滑块，Z轴自动平台209固定安装在Z轴托架201上，Y轴自动平台203通过Y轴托架202固定安装在Z轴自动平台209的滑块上，Z轴辅助第一托架204、Z轴辅助第二托架205的一端分别连接Z轴辅助第一导轨206和Z轴辅助第二导轨207，另一端固定安装在Y轴托架202上；X轴自动平台208固定安装在Y轴自动平台203的滑块上，目标培养皿安装在X轴自动平台208的滑块上；Z轴托架201固定连接在平台基座1的固定连接位置B处，Z轴辅助第一导轨206和Z轴辅助第二导轨207固定在平台基座1的固定连接位置B′处；Y轴自动平台203、X轴自动平台208、Z轴自动平台209的运动都是解耦运动，分别实现第一目标培养皿、第二目标培养皿的水平前后微移动、水平左右微移动和竖直上下微移动；

光学视觉系统3用以采集第一目标培养皿2088a上的图像，然后通过一定的图像处理算法可以解算出微小生物体在视场中的具体位置，其光路主轴线穿过第一目标培养皿2088a；如图1、图5所示，光学视觉系统3包括光学系统架座底板301、光学系统架座竖直板302、光学系统光源引入座306、光学系统调焦前罩307、光学系统直角光路转换座310和光学系统CCD312；

光学系统架座底板301安装在平台基座1的固定连接位置A处，光学系统架座竖直板302一端连接光学系统架座底板301，另一端连接光学系统CCD312，光学系统CCD312连接光学系统直角光路转换座310，光学系统直角光路转换座310连接光学系统调焦前罩307，光学系统调焦前罩307安装在光学系统光源引入座306上；

自动调焦装置4如图1、图6所示，用以调整光学镜头模块406的微焦距，结合光学视觉系统3采集的图像，通过一定的图像处理算法自动控制光学镜头模块406的变焦运动；自动调焦装置4包括光学镜头模块406、自动调焦从动轮407、自动调焦传送带408、自动调焦手轮409、自动调焦主动轮410；自动调焦从动轮407安装在光学镜头模块406上，自动调焦从动轮407通过自动调焦传送带408与自动调焦主动轮410连接，自动调焦手轮409安装在自动调焦主动轮410上，实现手动调节；

操作臂微调装置5如图1、图7所示，用以调整末端操作手自动伸缩装置6的位置及姿态，操作臂微调装置5包括操作臂固定座底板507、操作臂固定座竖直板506、操作臂竖直微调导轨座503、Z轴旋转微调单元504和Y轴旋转微调单元505；Z轴旋转微调单元504和Y轴旋转微调单元505分别手动微调末端操作手伸缩装置6在Z轴和Y轴的旋转微角度；操作臂固定座底板507固定在平台基座1上的固定连接位置D上，操作臂固定座竖直板506一端连接操作臂固定座底板507，另一端连接操作臂竖直微调导轨座503，Y轴旋转微调单元505固定安装在操作臂竖直导轨移动滑块512上，Z轴旋转微调单元504固定安装在Y轴旋转微调单元505上；

末端操作手自动伸缩装置6用以控制末端操作手对微小生物体在第一目标培养皿2088a中进行拾取微操作以及在第二目标培养皿2088b进行释放等微操作，如图1、图8所示，操作手自动伸缩装置6包括伸缩装置转动调节螺钉603、末端操作手607、自动伸缩装置连接座605、自动伸缩装置导轨座608和自动伸缩装置固定座612；自动伸缩装置连接座605用于将自动伸缩装置6固定在操作臂Z轴旋转微调单元504上，末端操作手607固定安装在自动伸缩装置导轨滑块601上，自动伸缩装置导轨座608固定安装在自动伸缩装置导轨固定座612上，自动伸缩装置导轨固定座612通过转动调节螺钉603安装在自动伸缩装置连接座605上，末端操作手自动伸缩装置6借助连接件605固定安装在Y轴旋转微调单元504上。

所述的三轴自动平台2如图4所示，三轴自动平台2包括Y轴自动平台203、X轴自动平台208、Z轴自动平台209、Z轴托架201、Y轴托架202、Z轴辅助第一托架204、Z轴辅助第一托架205、Z轴辅助第一导轨206、Z轴辅助第二导轨207。

Z轴托架201如图4A所示，包括Z轴托架主体板2011和两个Z轴托架支撑筋板2012，两个Z轴托架支撑筋板2012与Z轴托架主体板2011的两端连接，Z轴托架201底端与平台基座1的固定连接位置B固定连接；

如图4、图4B所示，Y轴托架202安装在Z轴平台导轨滑块2095上，Y轴托架主体板2021直接与Z轴平台导轨滑块2095固定连接，Y轴托架支撑筋板2022与Y轴托架支撑筋板2023安装在Y轴托架主体板2021上，Y轴位置传感器a 2024a、Y轴位置传感器b 2024b和Y轴位置传感器c 2024c安装在Y轴传感器固定板2025上，并分别用Y轴位置传感器固定座a 2026a、Y轴位置传感器固定座b 2026b和Y轴位置传感器固定座c2026c固定，Y轴传感器固定板2025安装在Y轴托架主体板2021上；

如图4、图4C所示，Y轴自动平台203安装在Y轴托架202上，其中Y轴自动平台座2031直接与Y轴托架主体板2021固定连接，Y轴驱动电机2033安装在Y轴自动平台移动主座2036的末端以驱动Y轴自动平台203的运动，Y轴驱动电机旋钮2034安装在，Y轴驱动电机2033末端以方便手动调节平台的运动，Y轴自动平台联轴器2035安装在Y轴驱动电机2033与Y轴自动平台移动主座2036之间，Y轴自动平台移动主座2036安装在Y轴自动平台座2031上，并确保Y轴自动平台移动主座2036只发生沿Y轴自动平台座2031轴线的移动，Y轴自动平台移动辅座2038安装在Y轴自动平台座2031上，Y轴自动平台连接座2037安装在Y轴自动平台移动主座2036和Y轴自动平台移动辅座2038上，将Y轴自动平台移动主座2036和Y轴自动平台移动辅座2038固联起来，提高Y轴自动平台203的带负载能力，Y轴位置传感器触发片2032安装在Y轴自动平台连接座2037上，用于触发位于Y轴托架202上的三个位置传感器：Y轴位置传感器固定座a 2026a、Y轴位置传感器固定座b 2026b和Y轴位置传感器固定座c 2026c；

如图4、图4D所示，Z轴辅助第一托架204与Z轴辅助第二托架205相同，分别安装在Y轴托架202上，其中Z轴辅助第一托架主板2041直接固定在Y轴托架主体板2021上，Z轴辅助第一托架筋板2042安装在Y轴托架主板2021上；

如图4、图4E所示，Z轴辅助第一导轨206和Z轴辅助第二导轨207相同，Z轴辅助第一导轨206、Z轴辅助第二导轨207分别与Z轴辅助第一托架204与Z轴辅助第一托架205对应连接，其中Z轴辅助第一导轨底座2061分别与Z轴辅助第一导轨筋板2062、Z轴辅助第一导轨支座2065连接，此外Z轴辅助第一导轨底座2061还用于与平台基座1对应位置B′连接以固定整个辅助导轨，Z轴辅助第一导轨主体座2063安装在Z轴辅助第一导轨支座2065上，Z轴辅助第一导轨滑块2064与Z轴辅助第一导轨主体座2063相连，并确保Z轴辅助第一导轨滑块2064只发生沿主体座纵向轴线的移动；

如图4、图4F所示，X轴自动平台208直接安装在Y轴自动平台203上，并与Y轴自动平台连接座2037固定连接，其中X轴驱动电机旋钮2081安装在X轴驱动电机2082上，用以实现手动调节，X轴驱动电机2082安装在X轴运动导轨主体座2083上，X轴运动导轨滑块2085安装在X轴运动导轨主体座2083上，并确保只发生沿其轴线的移动，X轴运动导轨连接座2084固定在在X轴运动导轨滑块2085上，并随在X轴运动导轨滑块2085一起运动，培养皿固定座2086固定在在X轴运动导轨连接座2084上，用以为第一目标培养皿2088a、第二目标培养皿2088b提供支撑，第一培养皿弹性夹2087a、第二培养皿弹性夹2087b分别安装在培养皿固定座2086两侧，利用其弹性力夹持培养皿，确保实验时培养皿固定不动；

如图4、图4G所示，Z轴自动平台209安装在Z轴托架主体板2011上，Z轴驱动电机2092安装在Z轴平台导轨主体座2091，Z轴平台电机旋钮2093与Z轴驱动电机2092相连，以实现手动调节功能，Z轴平台导轨挡板2094与Z轴平台导轨主体座2091相连，Z轴平台导轨滑块2095安装在Z轴平台导轨主体座2091上，并确保只发生沿轴线的移动；

Y轴位置传感器a 2024a、Y轴位置传感器b 2024b、Y轴位置传感器c 2024c、Y轴驱动电机2033、X轴驱动电机2082、Z轴驱动电机2092连接工控机。

所述的光学视觉系统3主要用于实现视觉图像的采集功能，如图1、图5所示，光学视觉系统3包括光学系统架座底板301、光学系统架座竖直板302、光学系统光源引入座306、光学系统调焦前罩307、光学系统直角光路转换座310和光学系统CCD312；

光学系统架座底板301与平台基座1的固定连接位置A固定连接，以确保光学视觉系统3的稳定可靠工作；

光学系统架座筋板314连接光学系统架座底板301和光学系统架座竖直板302，用以增强整体架座的刚度，其上设计有减重孔，用以减轻零件的质量；光学系统架座竖直板302分别与光学系统架座底板301、光学系统架座筋板314和CCD连接调整板303连接，其上设计有阵列连接孔用于与CCD连接调整板303对应阵列连接孔连接，实现光学系统CCD312按特定距离升降调整的功能；光学系统调焦连接座主板305安装在CCD连接调整板303和光学系统调焦连接座308之间，起连接固定作用；光学系统调焦连接座筋板304安装在光学系统调焦连接座主板305上，主要实现两个功能：增强光学系统调焦连接座主板305的刚度和固定自动调焦电机固定座411；光学系统光源引入座306安装在光学系统调焦连接座308下方，用以引入光学视觉观察及采集图像所需的特定光源；光学系统调焦前罩307安装在光学系统光源引入座306下方，用以对引入的光源进行光束调焦；光学系统调焦座上盖309用于连接光学系统调焦连接座308以及光学系统直角光路转换座310，其上设计有紧定连接孔，用来锁定其中间光学模块的位置；光学系统直角光路转换座310主要用于将光学通路进行弯折，降低系统的高度，减轻调焦连接座的负载；光学系统光路外接头311安装在光学系统直角光路转换座310与光学系统CCD312之间，专用于光学系统直角光路转换座310和光学系统CCD312的连接，其内设有消光螺纹，用以消除镜路内的杂光；光学系统CCD固定座313用于将光学系统CCD312固定在CCD连接调整板303上；整个光学视觉系统3的所有零件组装成一个整体，以确保实验工作时光学系统CCD312以及光路不受干扰，光学系统CCD312连接工控机.

所述的自动调焦装置4主要用于实现光学镜头模块406的自动聚焦功能，它结合光学视觉系统3采集的实时图像，通过一定的图像处理算法鉴定光学镜头模块406的成像程度，从而控制自动调焦装置4自动聚焦，最后采集得到清晰的图像；如图1、图6所示，自动调焦装置4包括包括光学镜头模块406、自动调焦从动轮407、自动调焦传送带408、自动调焦手轮409和自动调焦主动轮410；

光学镜头模块406为图像放大核心，用于将目标微小生物体进行放大图像采集；自动调焦从动带轮407通过紧定连接孔固定在光学镜头模块406的调焦钮上，借助通过自动调焦传送带408传递过来的扭矩实现自动调焦；自动调焦主动轮410起到传递扭矩的作用，即将自动调焦驱动电机405产生的扭矩借助自动调焦传送带408实现自动调焦；自动调焦手轮409一端固定安装在自动调焦主动轮410上，实现必要情况下的手动调焦，另外一端与自动调焦驱动电机405前端输出轴固连，起到传力作用；自动调焦电机固定座411用于固定自动调焦驱动电机405，并留有连接孔以便将整个自动调焦装置4固定到光学系统调焦连接座筋板304上形成一个整体；自动调焦传感器固定座401一端连接到调焦电机固定座上，另外一端用于固定自动调焦高精度传感器404；自动调焦驱动电机405固定在自动调焦电机固定座411上，其前端输出轴与自动调焦手轮409固定连接，尾端输出轴则与自动调焦传感器连接座402固联；自动调焦高精度传感器404固定在动调焦传感器固定座401上，其输出轴与自动调焦传感器连接座402固联，并用调焦传感器固定螺母403锁紧，确保准确测量自动调焦驱动电机405的微步距；

自动调焦高精度传感器404、自动调焦驱动电机405连接工控机。

所述的操作臂微调装置5包括操作臂固定座底板507、操作臂固定座竖直板506、操作臂竖直微调导轨座503、Z轴旋转微调单元504和Y轴旋转微调单元505；

如图1、图7所示，操作臂固定座底板507分别将与操作臂固定座竖直板506、操作臂固定座筋板508相连，起到底座支撑的作用，操作臂固定座底板507与平台基座1上的固定连接位置D固定连接；操作臂固定座筋板508用于连接固定操作臂固定座竖直板506和固定操作臂固定座底板507，用于增强本装置的刚度，其上设计有减重孔以减轻零件重量；操作臂固定座竖直板506分别固定连接在操作臂固定座筋板508以及操作臂固定座底板507上，用于支撑整个操作臂；竖直位置传感器a 509a、竖直位置传感器b 509b、竖直位置传感器c 509c分别借助竖直传感器固定座a 510a、竖直传感器固定座b 510b、竖直传感器固定座c 510c固定在操作臂固定座竖直板506上，用于标识竖直微调运动的位置信息；操作臂竖直微调导轨座503固定安装在操作臂固定座竖直板506上，其上端与操作臂竖直微调驱动电机502连接，借助操作臂竖直微调驱动电机502的转动力驱动竖直微调导轨进行微调运动；操作臂竖直微调电机旋钮501与操作臂竖直微调驱动电机502末端尾轴固定连接，方便在必要的时候实现手动调节功能；操作臂竖直导轨移动滑块512安装在操作臂竖直微调导轨座503上，并确保只发生沿导轨轴向的微移动；操作臂竖直位置触发片511固定安装在操作臂竖直导轨移动滑块512上，用于触发上述三个竖直位置传感器；Y轴旋转微调单元505固定安装在竖直导轨移动滑块502上，随操作臂竖直导轨移动滑块512一起移动，其上设有微调旋钮以及锁紧螺钉，可以进行绕Y轴的手动旋转微调以及Y轴旋转运动的锁定；Z轴旋转微调单元504固定安装在Y轴旋转微调单元505上，随Y轴旋转微调单元505一起移动，其上设有微调旋钮和锁紧螺钉，可以进行绕Z轴的手动旋转微调以及Z轴旋转运动的锁定；

操作臂竖直微调驱动电机502、竖直位置传感器a509a、竖直位置传感器b509b、竖直位置传感器c509c连接工控机。

操作臂微调装置5用于实现末端操作手自动伸缩装置6的竖直精细位置调节以及末端操作手607的姿态调整，其三个轴向的微调运动是空间的解耦运动，实验工作时借助光学视觉系统3对末端操作手607尖端图像进行采集，依据采集的实时图像中操作手尖端的清晰度控制操作臂微调装置5进行适当的微细调节，从而确保实现末端操作手607精密微操作；

所述的末端操作手自动伸缩装置6如图1、图8所示，包括伸缩装置转动调节螺钉603、末端操作手607、自动伸缩装置连接座605、自动伸缩装置导轨座608和自动伸缩装置固定座612；

自动伸缩装置连接座605用于将末端操作手自动伸缩装置固6定在操作臂Z轴旋转微调单元504上，通过伸缩装置转动调节螺钉603将自动伸缩装置导轨固定座612固定在伸缩装置连接座608上；伸缩装置转动调节螺钉603中间设计有连接孔，借助预紧力作用促使自动伸缩装置导轨固定座612按特定角度紧贴在自动伸缩装置连接座605上；自动伸缩装置导轨座608固定安装在自动伸缩装置导轨固定座612上，随自动伸缩装置导轨固定座612绕定轴实现特定角度的调整；自动伸缩装置驱动电机602安装在自动伸缩装置导轨座608的末端，利用自动伸缩装置驱动电机602的转动力矩驱动自动伸缩装置导轨滑块604沿轴线运动；自动伸缩装置电机旋钮601与自动伸缩装置驱动电机602尾端输固定连接，实现在必要时候手动调节的功能；自动伸缩装置导轨滑块604安装在自动伸缩装置导轨座608上，并确保仅发生沿轴线的微移动；末端操作手607固定安装在自动伸缩装置导轨滑块604上，并随滑块一起运动，完成对微小生物体筛选、分拣等微操作；伸缩装置位置触发片606固定安装在末端操作手607上，用以触发伸缩装置位置传感器a 611a、伸缩装置位置传感器b 611b、伸缩装置传感器c 611c；上述三个位置标识传感器分别借助传感器固定座a610a、传感器固定座b 610b、传感器固定座c 610c固定安装在伸缩装置传感器固定板609上；伸缩装置传感器固定板609则与自动伸缩装置导轨座608固定连接在一起；

自动伸缩装置驱动电机602、伸缩装置位置传感器a611a、伸缩装置位置传感器b611b、伸缩装置位置传感器c611c连接工控机。

末端操作手自动伸缩装置6主要用于实现末端操作手607的自动伸缩、夹取等微操作，实验工作时借助光学视觉系统3对末端操作手采集的实时图像，通过一定的图像处理算法，控制末端操作手自动伸缩装置6沿伸缩轴方向进行微细运动，使末端操作手607靠近微小生物体，达到筛选、分拣等微操作；

本发明装置在实验工作时，第一步将一个附有培养基及目标微小生物体的第一目标培养皿2088a放置在培养皿固定座2086上对应位置，随后还需将第二目标培养皿2088b放置在另一对应位置；第二步，控制三轴自动平台2三轴运动使光学视觉系统3中光路主轴线通过实验培养皿2088a，其中X轴自动平台208实现两个培养皿在X轴方向上的精密运动，Y轴自动平台203实现两个培养皿在Y轴方向上的精密运动，Z轴自动平台209实现两个培养皿在Z轴方向上的精密运动；第三步，借助光学视觉系统3采集实时图像，工控机通过一定的图像处理算法控制三轴自动平台3和自动微调装置4实现目标微小生物体的自动聚焦；第四步，借助光学视觉系统3采集实时图像，自动控制操作臂微调装置5以及末端操作手自动伸缩装置6运动，使末端操作手607尖端足够靠近目标微小生物活体并进行夹取等微操作；第五步，自动控制三轴自动平台2和操作臂微调装置5进行竖直分离运动，使末端操作手607远离第一目标培养皿2088a一定距离；第六步，自动控制三轴自动平台2的三轴运动，使光学视觉系统3的光路主轴线通过第二目标培养皿2088b，并控制三轴自动平台2的Z轴自动平台运行至一特定高度范围内；第七步，自动控制三轴自动平台2和操作臂微调装置5相对运动，使之相互靠近至某一特定距离范围内；第八步，控制末端操作手607进行释放等微操作，将微小生物体释放至第二目标培养皿2088b中；第九步，重复上述八步直至达到规定要求停止实验工作.

在本发明的秀丽隐杆线虫自动化筛选装置中，蕴含了精密定位技术、显微视觉伺服技术、模式识别技术以及自动控制技术等多项高新技术，是一台典型的光机电集成系统。该装置具有结构紧凑、适用性强、性能稳定、高效率、成本低廉、操作方便以及易于维护等诸多优点。另外，该设备具有很强的推广性，可推广应用到其它模式生物的生命科学研究以及微小生物体的科学观察等应用中。

Claims (6)

1.秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置，其特征在于，包括平台基座、三轴自动平台、光学视觉系统、自动调焦装置、操作臂微调装置和末端操作手自动伸缩装置；

平台基座划分为固定连接位置A、固定连接位置B、固定连接位置B′、固定连接位置C、固定连接位置D和固定连接位置E，光学视觉系统安装在平台基座上的位置A、三轴自动平台安装在位置B和位置B′，固定连接位置C用于连接外界实验装置；操作臂微调装置安装在位置D；固定连接位置E用于将本实验装置固定到其它实验平台上；

三轴自动平台包括Y轴自动平台、X轴自动平台、Z轴自动平台、Z轴托架、Y轴托架、Z轴辅助第一托架、Z轴辅助第二托架、Z轴辅助第一导轨和Z轴辅助第二导轨；

Y轴自动平台、X轴自动平台、Z轴自动平台为三个精密移动导轨，每条移动导轨分别配以高精度驱动电机，并且在导轨上设置滑块，Z轴自动平台固定安装在Z轴托架上，Y轴自动平台通过Y轴托架固定安装在Z轴自动平台的滑块上，Z轴辅助第一托架、Z轴辅助第二托架的一端分别连接Z轴辅助第一导轨和Z轴辅助第二导轨，另一端固定安装在Y轴托架上；X轴自动平台固定安装在Y轴自动平台的滑块上，第一目标培养皿、第二目标培养皿安装在X轴自动平台的滑块上；Z轴托架固定连接在平台基座的固定连接位置B处，Z轴辅助第一导轨和Z轴辅助第二导轨固定在平台基座的固定连接位置B′处；Y轴自动平台、X轴自动平台、Z轴自动平台的运动都是解耦运动，分别实现第一目标培养皿、第二目标培养皿的水平前后微移动、水平左右微移动和竖直上下微移动；

光学视觉系统用以采集第一目标培养皿上的图像，然后通过图像处理算法解算出微小生物体在视场中的具体位置，其光路主轴线穿过第一目标培养皿；光学视觉系统包括光学系统架座底板、光学系统架座竖直板、光学系统光源引入座、光学系统调焦前罩、光学系统直角光路转换座和光学系统CCD；

光学系统架座底板安装在平台基座的固定连接位置A处，光学系统架座竖直板一端连接光学系统架座底板，另一端连接光学系统CCD，光学系统CCD连接光学系统直角光路转换座，光学系统直角光路转换座连接光学系统调焦前罩，光学系统调焦前罩安装在光学系统光源引入座上；

自动调焦装置，用以调整光学镜头模块的微焦距，结合光学视觉系统采集的图像，通过图像处理算法自动控制光学镜头模块的变焦运动；自动调焦装置包括光学镜头模块、自动调焦从动轮、自动调焦传送带、自动调焦手轮、自动调焦主动轮；自动调焦从动轮安装在光学镜头模块上，自动调焦从动轮通过自动调焦传送带与自动调焦主动轮连接，自动调焦手轮安装在自动调焦主动轮上，实现手动调节；

操作臂微调装置用以调整末端操作手自动伸缩装置的位置及姿态，操作臂微调装置包括操作臂固定座底板、操作臂固定座竖直板、操作臂竖直微调导轨座、Z轴旋转微调单元和Y轴旋转微调单元；Z轴旋转微调单元和Y轴旋转微调单元分别手动微调末端操作手伸缩装置在Z轴和Y轴的旋转微角度；操作臂固定座底板固定在平台基座上的固定连接位置D上，操作臂固定座竖直板一端连接操作臂固定座底板，另一端连接操作臂竖直微调导轨座，Y轴旋转微调单元固定安装在操作臂竖直导轨移动滑块上，Z轴旋转微调单元固定安装在Y轴旋转微调单元上；

末端操作手自动伸缩装置用以控制末端操作手对微小生物体在第一目标培养皿中进行拾取微操作以及在第二目标培养皿进行释放等微操作，操作手自动伸缩装置包括伸缩装置转动调节螺钉、末端操作手、自动伸缩装置连接座、自动伸缩装置导轨座和自动伸缩装置固定座；自动伸缩装置连接座用于将自动伸缩装置固定在操作臂Z轴旋转微调单元上，末端操作手固定安装在自动伸缩装置导轨滑块上，自动伸缩装置导轨座固定安装在自动伸缩装置导轨固定座上，自动伸缩装置导轨固定座通过转动调节螺钉安装在自动伸缩装置连接座上，末端操作手自动伸缩装置通过连接件固定安装在Y轴旋转微调单元上.

2.根据权利要求1所示的秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置，其特征在于，所述的三轴自动平台的Z轴托架包括Z轴托架主体板和两个Z轴托架支撑筋板，两个Z轴托架支撑筋板与Z轴托架主体板的两端连接，Z轴托架底端与平台基座的固定连接位置B固定连接；

Y轴托架安装在Z轴平台导轨滑块上，Y轴托架主体板直接与Z轴平台导轨滑块固定连接，Y轴托架支撑筋板与Y轴托架支撑筋板安装在Y轴托架主体板上，Y轴位置传感器a、Y轴位置传感器b和Y轴位置传感器c安装在Y轴传感器固定板上，并分别用Y轴位置传感器固定座a、Y轴位置传感器固定座b和Y轴位置传感器固定座c固定，Y轴传感器固定板安装在Y轴托架主体板上；

Y轴自动平台安装在Y轴托架上，其中Y轴自动平台座直接与Y轴托架主体板固定连接，Y轴驱动电机安装在Y轴自动平台移动主座的末端以驱动Y轴自动平台的运动，Y轴驱动电机旋钮安装在Y轴驱动电机末端以方便手动调节平台的运动，Y轴自动平台联轴器安装在Y轴驱动电机与Y轴自动平台移动主座之间，Y轴自动平台移动主座安装在Y轴自动平台座上，并确保Y轴自动平台移动主座只发生沿Y轴自动平台座轴线的移动，Y轴自动平台移动辅座安装在Y轴自动平台座上，Y轴自动平台连接座安装在Y轴自动平台移动主座和Y轴自动平台移动辅座上，将Y轴自动平台移动主座和Y轴自动平台移动辅座固联起来，提高Y轴自动平台的带负载能力，Y轴位置传感器触发片安装在Y轴自动平台连接座上，用于触发位于Y轴托架上的三个位置传感器：Y轴位置传感器固定座a、Y轴位置传感器固定座b和Y轴位置传感器固定座c；

Z轴辅助第一托架与Z轴辅助第二托架相同，分别安装在Y轴托架上，其中Z轴辅助第一托架主板直接固定在Y轴托架主体板上，Z轴辅助第一托架筋板安装在Y轴托架主板上；

Z轴辅助第一导轨和Z轴辅助第二导轨相同，Z轴辅助第一导轨、Z轴辅助第二导轨分别与Z轴辅助第一托架与Z轴辅助第一托架对应连接，其中Z轴辅助第一导轨底座分别与Z轴辅助第一导轨筋板、Z轴辅助第一导轨支座连接，此外Z轴辅助第一导轨底座还用于与平台基座对应位置B′连接以固定整个辅助导轨，Z轴辅助第一导轨主体座安装在Z轴辅助第一导轨支座上，Z轴辅助第一导轨滑块与Z轴辅助第一导轨主体座相连，并确保Z轴辅助第一导轨滑块只发生沿主体座纵向轴线的移动；

X轴自动平台直接安装在Y轴自动平台上，并与Y轴自动平台连接座固定连接，其中X轴驱动电机旋钮安装在X轴驱动电机上，用以实现手动调节，X轴驱动电机安装在X轴运动导轨主体座上，X轴运动导轨滑块安装在X轴运动导轨主体座上，并确保只发生沿其轴线的移动，X轴运动导轨连接座固定在在X轴运动导轨滑块上，并随在X轴运动导轨滑块一起运动，培养皿固定座固定在在X轴运动导轨连接座上，用以为第一目标培养皿、第二目标培养皿提供支撑，第一培养皿弹性夹、第二培养皿弹性夹分别安装在培养皿固定座两侧，利用其弹性力夹持培养皿，确保实验时培养皿固定不动；

Z轴自动平台安装在Z轴托架主体板上，Z轴驱动电机安装在Z轴平台导轨主体座，Z轴平台电机旋钮与Z轴驱动电机相连，以实现手动调节功能，Z轴平台导轨挡板与Z轴平台导轨主体座相连，Z轴平台导轨滑块安装在Z轴平台导轨主体座上，并确保只发生沿轴线的移动；

Y轴位置传感器a、Y轴位置传感器b、Y轴位置传感器c、Y轴驱动电机、X轴驱动电机、Z轴驱动电机连接工控机。

3.根据权利要求1所示的秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置，其特征在于，所述的光学视觉系统的光学系统架座底板与平台基座的固定连接位置A固定连接，光学系统架座筋板连接光学系统架座底板和光学系统架座竖直板，其上设计有减重孔；光学系统架座竖直板分别与光学系统架座底板、光学系统架座筋板和CCD连接调整板连接，其上设计有阵列连接孔用于与CCD连接调整板对应阵列连接孔连接，实现光学系统CCD按特定距离升降调整的功能；光学系统调焦连接座主板安装在CCD连接调整板和光学系统调焦连接座之间，起连接固定作用；光学系统调焦连接座筋板安装在光学系统调焦连接座主板上；光学系统光源引入座安装在光学系统调焦连接座下方，用以引入光学视觉观察及采集图像所需的特定光源；光学系统调焦前罩安装在光学系统光源引入座下方，用以对引入的光源进行光束调焦；光学系统调焦座上盖用于连接光学系统调焦连接座以及光学系统直角光路转换座，其上设有紧定连接孔，用来锁定其中间光学模块的位置；光学系统直角光路转换座主要用于将光学通路进行弯折，降低系统的高度，减轻调焦连接座的负载；光学系统光路外接头安装在光学系统直角光路转换座与光学系统CCD之间，用于光学系统直角光路转换座和光学系统CCD的连接，其内设有消光螺纹，用以消除镜路内的杂光；光学系统CCD固定座用于将光学系统CCD固定在CCD连接调整板上，光学系统CCD连接工控机。

4.根据权利要求1所示的秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置，其特征在于，所述的自动调焦装置的自动调焦从动带轮通过紧定连接孔固定在光学镜头模块的调焦钮上，通过自动调焦传送带传递过来的扭矩实现自动调焦；自动调焦主动轮将自动调焦驱动电机产生的扭矩通过自动调焦传送带实现自动调焦；自动调焦手轮一端固定安装在自动调焦主动轮上，另外一端与自动调焦驱动电机前端输出轴固连；自动调焦电机固定座用于固定自动调焦驱动电机，并留有连接孔以便将整个自动调焦装置固定到光学系统调焦连接座筋板上形成一个整体；自动调焦传感器固定座一端连接到调焦电机固定座上，另外一端用于固定自动调焦高精度传感器；自动调焦驱动电机固定在自动调焦电机固定座上，其前端输出轴与自动调焦手轮固定连接，尾端输出轴则与自动调焦传感器连接座固联；自动调焦高精度传感器固定在动调焦传感器固定座上，其输出轴与自动调焦传感器连接座固联，并用调焦传感器固定螺母锁紧；

自动调焦高精度传感器、自动调焦驱动电机连接工控机。

5.根据权利要求1所示的秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置，其特征在于，所述的操作臂微调装置的操作臂固定座底板分别将与操作臂固定座竖直板、操作臂固定座筋板相连，操作臂固定座底板与平台基座上的固定连接位置D固定连接；操作臂固定座筋板连接固定操作臂固定座竖直板和固定操作臂固定座底板，其上设有减重孔；操作臂固定座竖直板分别固定连接在操作臂固定座筋板以及操作臂固定座底板上；竖直位置传感器a、竖直位置传感器b、竖直位置传感器c分别通过竖直传感器固定座a、竖直传感器固定座b、竖直传感器固定座c固定在操作臂固定座竖直板上，用于标识竖直微调运动的位置信息；操作臂竖直微调导轨座固定安装在操作臂固定座竖直板上，其上端与操作臂竖直微调驱动电机连接，通过操作臂竖直微调驱动电机的转动力驱动竖直微调导轨进行微调运动；操作臂竖直微调电机旋钮与操作臂竖直微调驱动电机末端尾轴固定连接；操作臂竖直导轨移动滑块安装在操作臂竖直微调导轨座上，并确保只发生沿导轨轴向的微移动；操作臂竖直位置触发片固定安装在操作臂竖直导轨移动滑块上，用于触发上述三个竖直位置传感器；Y轴旋转微调单元固定安装在竖直导轨移动滑块上，随操作臂竖直导轨移动滑块一起移动，其上设有微调旋钮以及锁紧螺钉，进行绕Y轴的手动旋转微调以及Y轴旋转运动的锁定；Z轴旋转微调单元固定安装在Y轴旋转微调单元上，随Y轴旋转微调单元一起移动，其上设有微调旋钮和锁紧螺钉，进行绕Z轴的手动旋转微调以及Z轴旋转运动的锁定；

操作臂竖直微调驱动电机、竖直位置传感器a、竖直位置传感器b、竖直位置传感器c连接工控机。

6.根据权利要求1所示的秀丽隐杆线虫自动化筛选微操作装置，其特征在于，所述的末端操作手自动伸缩装置的自动伸缩装置连接座将末端操作手自动伸缩装置固定在操作臂Z轴旋转微调单元上，通过伸缩装置转动调节螺钉将自动伸缩装置导轨固定座固定在伸缩装置连接座上；伸缩装置转动调节螺钉中间设计有连接孔，通过预紧力作用促使自动伸缩装置导轨固定座按特定角度紧贴在自动伸缩装置连接座上；自动伸缩装置导轨座固定安装在自动伸缩装置导轨固定座上，随自动伸缩装置导轨固定座绕定轴实现特定角度的调整；自动伸缩装置驱动电机安装在自动伸缩装置导轨座的末端，利用自动伸缩装置驱动电机的转动力矩驱动自动伸缩装置导轨滑块沿轴线运动；自动伸缩装置电机旋钮与自动伸缩装置驱动电机尾端输固定连接；自动伸缩装置导轨滑块安装在自动伸缩装置导轨座上，并确保仅发生沿轴线的微移动；末端操作手固定安装在自动伸缩装置导轨滑块上，并随滑块一起运动；伸缩装置位置触发片固定安装在末端操作手上，用以触发伸缩装置位置传感器a、伸缩装置位置传感器b、伸缩装置传感器c；上述三个位置标识传感器分别通过传感器固定座a、传感器固定座b、传感器固定座c固定安装在伸缩装置传感器固定板上；伸缩装置传感器固定板与自动伸缩装置导轨固定连接；

自动伸缩装置驱动电机、伸缩装置位置传感器a、伸缩装置位置传感器b、伸缩装置位置传感器c连接工控机。

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