CN102328419A - 一种皮升级显微注射控制方法和显微注射控制系统 - Google Patents

Abstract

一种皮升级显微注射控制方法和显微注射控制系统。本发明采用集总参数数学模型来描述注射流速与注射压强之间的关系，并通过试验数据拟合的办法得到模型中的参数，从而建立注射流速与注射压强的数学模型。在建立数学模型基础上，计算出完成注射所需的注射压强曲线，控制注射压强按设定曲线变化，自动完成注射过程。显微注射系统包括即气路部分、控制电路部分及上位机。气路部分作为注射的压力源。上位机通过USB接口和控制电路通信，发送命令和数据。控制电路部分主要接收电脑发送的命令，完成定量注射。采用注射过程中注射压强自动调整的方法，使得注射过程无突变，平稳可控，实现注射量的精确控制。

Description

一种皮升级显微注射控制方法和显微注射控制系统

技术领域

本发明属于基于精密微操作技术领域，本发明涉及一种皮升级显微注射控制方法和显微注射系统。

背景技术

市场上已经有很多种型号的微注射器，如美国MDI公司生产的PM2000系列、德国Brinkman公司的FemtoJet微注射控制器、日本Narishige公司的IM-300等产品。微注射器注射流体模型一般采用宏观流体分析模型，忽略层流效应、表面张力、粘滞力等微米级尺度作用因素的影响。这些微注射器都采用气体压强作为注射动力，采用高精度的压强调整阀和传感器，可以实现注射压强的精确控制。其工作原理就是根据宏观流量计算模型，注射量与注射压强和注射时间成正比，通过设定注射过程中的注射压强和注射时间来控制注射量。

注射器的分析模型采用的是宏观条件下的注射模型，即注射量与注射时间和注射压强成线性比例关系，注射量的控制方法基于此基础上，都是通过设定注射过程中恒定的注射压强和注射时间来控制注射量。但是，在微米尺度下，注射量与注射压强的关系与宏观尺度不同，注射量与注射压强不存在线性关系，而且因为注射时间只有毫秒级，注射量与注射时间的关系也不是线性关系。而且，因为注射时间很短，注射量可以看作注射压强作用下的脉冲响应，甚至冲激响应，注射量的控制具有不稳定性。由于注射器采用的控制方法不合理，所以对于实现精确的皮升级注射存在困难。

本发明通过控制注射压强的变化曲线来控制注射量的控制方法。注射量可以通过注射时间过程中的注射压强的逐渐变化来控制，这样每一时刻的注射量都可以根据注射量的数学模型实现平稳的控制，整个注射过程的注射量也就可以实现精确的控制。

发明内容

本发明目的是为了克服上述现有技术的不足，提高注射量控制的精确度，提供一种皮升级显微注射控制方法和显微注射控制系统。

该方法优点是注射过程自动完成，不需要人工参与，而且控制精度高，重复性好，在生物试验领域具有广泛的应用，对提高生物试验的成功率具有很大的促进作用。

本发明提供的皮升级显微注射控制方法的具体步骤为：

第1、建立注射流速与注射压强Δp、注射针管直径r间的数学模型，并将模型结果储存在上位机中，模型如下所示：

其中，r为液面位置所在处的半径，L(r)为惯性系数，Z(r)阻抗系数，F(r)为表面张力系数，此三项系数只与液面位置所在处半径的半径有关，与注射压力无关，

为单位时间内流过的液体体积，即注射流速；

第2、用户设定注射流速和注射时间，注射量即为注射流速与注射时间的乘积；上位机根据设定的注射流速数值，自动计算出所需注射压强变化曲线，并将各时间点相对应的压强值发送到中央处理单元；

第3、中央处理单元根据上位机的指令，驱动电机运动，并采样注射压强值，反馈到中央处理单元，与设定压强比较，利用PID算法，调整电机的运动；

第4、上位机实时采集注射针管显微注射图像，通过图像处理得到实际注射量，反馈到上位机，计算实际注射量与设定注射量之间的误差，采用自校正PID参数的自适应控制方法，来修正注射压强；

第5、注射时间到，注射过程结束。

本发明的注射过程控制方法框图如图3所示。

本发明的注射流速数学模型的建模方法具体过程如下：

第1、调整注射针位置，使上位机中的注射针图像清楚；

第2、驱动电机旋转，进行注射，并对注射过程录像，

第3、停止电机旋转，停止录像。利用图像处理的办法得到注射流速与注射压强关系的数据；

第4、调整电机速度，重复以上过程，从而得到多组注射流速与注射压强关系的数据；

第5、利用第4步得到的多组数据进行最小二项式数据拟合，得到惯性系数L(r)，阻抗系数Z(r)，表面张力系数F(r)与液面位置所在处的半径关系的数学表达式，这样也就得到了注射流速与注射压强之间的数学模型。

本发明的显微注射控制系统

显微注射控制器主要由三部分组成：即气路部分、控制电路部分及上位机。

第一、气路部分：由顺次连接的气源、开关控制阀、压强调节阀和注射针组成。

气源：由一定压强的氮气作为气源，可防止发生化学反应，保证使用安全。

开关控制阀：用来控制气源与气路之间的通断，工作时，阀门打开，气体进入气路，不工作时，阀门关闭。

压强调节阀：用来调节注射压强，其调节端与双出轴的电机相连接，能够通过驱动电机旋转自动调整压强，也可以通过手调旋钮，手工调整压强。

注射针：在注射气路的末端，通过持针器安装到微操作机器人平台的操作臂末端，用来完成细胞注射。

第二、控制电路部分包括：

中央处理单元：中央处理单元由单片机PIC18F2550构成，通过USB接口与上位机连接，接收上位机指令和向上位机返回数据；通过PIC接口与压强信号采集单元连接，读取注射压强数据；通过IO口与电机驱动电路连接，控制电机的转速和方向，从而控制注射压强的大小；同时通过IO口与气路中开关控制阀相连，用以控制气路的通断。

压强信号采集单元：用于读取注射压强数据并发送到中央处理单元；

开关控制单元：与气路中的开关控制阀连接，用于控制气路的通断；

电机驱动电路：接收中央处理单元发送的数据，驱动电机按相应的速度和方向旋转，从而调节注射压强的大小；

第三、上位机：通过USB接口与控制电路部分中的中央处理单元连接，向中央处理单元发送指令和接收中央处理单元返回的数据。

各部分的连接关系如图2所示。

本发明的优点和积极效果：

本发明实现了一种注射量控制的新方法，即通过控制注射过程的压强作用曲线来控制注射量，实现了注射过程中压强自动调整，使得注射过程平稳和可控，从而提高注射精度。

附图说明

图1为本发明的气路结构示意图；

图2为本发明的控制电路框图；

图3为注射量控制方法框图；

图4针管半径的处理结果；

图5多组录像得到的压强、液面位置、注射量与时间关系曲线，(a)压强与时间关系曲线(b)液面位置与时间关系曲线(c)注射量(流速)与时间关系曲线；

图6集总参数模型各参数与液面位置处的半径变化关系；(a)惯性项系数随液面位置处的半径变化关系，(b)阻抗项与液面位置处的半径变化关系，(c)表面张力项随半径变化曲线；

图7注射量随时间变化曲线。

图中，1气源，2过滤器，3开关控制阀，4压强调节阀，5注射针。

具体实施方式

在实施例中，将注射针安装在NKTYMR微操作机器人系统中，并利用此系统控制注射针的运动和采集注射过程中的显微图像。该系统(参见2003101066313号专利)带动注射针沿X、Y方向运动，移动精度2微米，运动范围为10厘米*10厘米，最快运动速度为1500微米/秒，系统装配了Olympus显微镜，其物镜包括4倍，10倍、20倍、40倍四种，局部显微图像的像素尺寸为768*576。

微量注射的具体实施过程包括两步，即首先建立集总参数模型，然后根据注射量设定值，完成注射。

实施例1、皮升级显微注射控制系统

显微注射控制器主要由三部分组成：即气路部分、控制电路部分及上位机。

第一、气路部分(见图1)：由顺次连接的气源、开关控制阀、压强调节阀和注射针组成。

气源：由一定压强的氮气作为气源，可防止发生化学反应，保证使用安全。

开关控制阀：用来控制气源与气路之间的通断，工作时，阀门打开，气体进入气路，不工作时，阀门关闭。

压强调节阀：用来调节注射压强，其调节端与双出轴的电机相连接，能够通过驱动电机旋转自动调整压强，也可以通过手调旋钮，手工调整压强。

注射针：在注射气路的末端，通过持针器安装到微操作机器人平台的操作臂末端，用来完成细胞注射。

第二、控制电路部分包括：

中央处理单元：中央处理单元由单片机PIC18F2550构成，通过USB接口与上位机连接，接收上位机指令和向上位机返回数据；通过PIC接口与压强信号采集单元连接，读取注射压强数据；通过IO口与电机驱动电路连接，控制电机的转速和方向，从而控制注射压强的大小；同时通过IO口与气路中开关控制阀相连，用以控制气路的通断。

压强信号采集单元：用于读取注射压强数据并发送到中央处理单元；

开关控制单元：与气路中的开关控制阀连接，用于控制气路的通断；

电机驱动电路：接收中央处理单元发送的数据，驱动电机按相应的速度和方向旋转，从而调节注射压强的大小；

第三、上位机：通过USB接口与控制电路部分中的中央处理单元连接，向中央处理单元发送指令和接收中央处理单元返回的数据。

各部分的连接关系如图2所示。

实施例2、皮升级显微注射控制方法

一、注射量控制模型建模过程如下：

1.调节针管，使显微图像清楚，并在注射前开始录像。

2.使电机旋转，注射压强增大，开始注射，并实时采集的注射数据进行保存。

3.停止电机旋转，结束注射过程，并停止录像。

4.对录像中的每帧图像进行处理，从而得到不同位置处针管半径的值如图4所示，以及液面位置、压强、流速与时间的关系曲线。同时，根据实时采集的压强数据，得到注射压强与时间的关系曲线。

5、重复以上过程，得到多组曲线如图5所示，这样就获得了多组注射流速与注射压强的实验数据。

6、根据以上实验数据，得到感抗项系数L(r)、阻抗项系数Z(r)、表面张力项系数F(r)与液面位置处的针管半径之间的关系如图6所示。

7、利用数据拟合的办法，得到的惯性项L(r)、阻抗项Z(r)和表面张力项F(r)与液面位置所在处的半径关系的数学表达式：L(r)＝1311r³-7240r²+13590r-8835

Z(r)＝234.9r³-1268r²+2308r-1443

F(r)＝3.054r²-15.08r+24.77

通过这种方法，就得到了针管的集总参数模型。

二、实际注射过程

以目标注射量为1pl为例，下面是注射过程

1、在上位机注射器控制软件中，设定目标注射量为1pl，然后开始注射。

2、上位机软件首先根据设定的注射量和注射时间，利用已经建立的集总参数模型，得到压强控制曲线，并将各时刻的压强值发送到中央处理单元；

3.中央处理单元根据压强控制曲线，驱动电机旋转，中央处理单元通过压力信号采集单元，实时采集压强值，反馈到中央处理单元，利用PID控制方法，调节电机旋转。

4.注射过程中，上位机通过图像处理，得到每一时刻的液面位置，计算得到注射流量的实际数据，并将实际流量与设定的流量误差修正设定的注射压强值，并将此值下发到中央处理单元，中央处理单元根据此值，调整电机的运行速度。

5.注射时间到，注射过程结束。

注射过程中注射量随时间变化曲线如图7所示。

Claims (3)

1.一种皮升级显微注射控制方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

第1、建立注射流速与注射压强Δp、注射针管直径r间的数学模型，并将模型结果储存在上位机中，模型如下所示：

其中，r为液面位置所在处的半径，L(r)为惯性系数，Z(r)为阻抗系数，F(r)为表面张力系数，此三项系数只与液面位置所在处的半径有关，与注射压力无关，

为单位时间内流过的液体体积，即注射流速；

第2、用户设定注射流速和注射时间，注射量即为注射流速与注射时间的乘积；上位机根据设定的注射流速数值，自动计算出所需注射压强变化曲线，并将各时间点相对应的压强值发送到中央处理单元；

第3、中央处理单元根据上位机的指令，驱动电机运动，并采样注射压强值，反馈到中央处理单元，与设定压强比较，利用PID算法，调整电机的运动；

第4、上位机实时采集注射针管显微注射图像，通过图像处理得到实际注射量，反馈到上位机，计算实际注射量与设定注射量之间的误差，采用自校正PID参数的自适应控制方法，来修正注射压强；

第5、注射时间到，注射过程结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第1步所述的注射流速与注射压强Δp、注射针管直径r间的数学模型的建模方法是：

第1、调整注射针位置，使上位机中的注射针图像清楚；

第2、驱动电机旋转，进行注射，并对注射过程录像，

第3、停止电机旋转，停止录像；利用图像处理的办法得到注射流速与注射压强关系的数据；

第4、调整电机速度，重复以上过程，从而得到多组注射流速与注射压强关系的数据；

第5、利用第4步得到的多组数据进行最小二项式数据拟合，得到惯性系数L(r)，阻抗系数Z(r)，表面张力系数F(r)与液面位置所在处的半径关系的数学表达式，这样也就得到了注射流速与注射压强之间的数学模型。

3.一种皮升级显微注射控制系统，其特征在于该系统由三部分组成：即气路部分、控制电路部分及上位机；

第一、气路部分：由顺次连接的气源、开关控制阀、压强调节阀和注射针组成；

气源：由氮气作为气源，防止发生化学反应，保证使用安全；

开关控制阀：用来控制气源与气路之间的通断，工作时，阀门打开，气体进入气路，不工作时，阀门关闭；

压强调节阀：用来调节注射压强，压强调节阀的调节端与双出轴的电机相连接，能够通过驱动电机旋转自动调整压强；

注射针：在注射气路的末端，通过持针器安装到微操作机器人平台的操作臂末端，用来完成细胞注射；

第二、控制电路部分，包括：

中央处理单元：中央处理单元由单片机PIC18F2550构成，通过USB接口与上位机连接，接收上位机指令和向上位机返回数据；通过PIC接口与压强信号采集单元连接，读取注射压强数据；通过IO口与电机驱动电路连接，控制电机的转速和方向，从而控制注射压强的大小；同时通过IO口与气路中开关控制阀相连，用以控制气路的通断。

压强信号采集单元：用于读取注射压强数据并发送到中央处理单元；

开关控制单元：与气路中的开关控制阀连接，用于控制气路的通断；

电机驱动电路：接收中央处理单元发送的数据，驱动电机按相应的速度和方向旋转，从而调节注射压强的大小；

第三、上位机：通过USB接口与控制电路部分中的中央处理单元连接，向中央处理单元发送指令和接收中央处理单元返回的数据。

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