CN104493825B - 微纳米操作机器人协同操作装置及其用于显微注射的操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳操作技术领域，具体涉及一种微纳米操作机器人协同操作装置以及其注射操作方法。微纳米操作机器人协同操作装置，其技术方案是，慢速高精度微纳米操作机器人、快速高精度微纳米操作机器人以及微操作器的底部均通过安装台安装于环状支撑轨道；本发明通过设置环状导轨不仅能够实现操作末端的360度的旋转，而且能保证操作器末端始终处于显微镜视野范围内，易于实现自动化。利用本发明的操作方法可以在显微注射时自主选择注射角度，选择细胞外壁离细胞核位置较近的位置进行注射，避免了传统人工操作调整细胞位置的繁琐。
Description
技术领域
本发明涉及纳米操作技术领域，具体涉及一种微纳米操作机器人协同操作装置以及其注射操作方法。
背景技术
在微纳米技术以及机器人快速发展的今天，如何利用机器人技术在显微镜下实现复杂灵活的操作变得格外重要。在显微注射、单细胞机械特性分析、细胞的分选、微结构以及微纳米器件的组装、自下而上的人体器官再生的微生物结构组装方面都急需一种装置来实现显微镜下微纳米尺度的复杂灵活的自动化协同操作装置。
目前，已经有一些多自由度的单微纳米操作机器人平台，在显微注射等单细胞操作等领域已经得到了广泛的使用。但是这些微纳米操作机器人一般都只有3自由度的平移运动和一些其他的受限制的空间运动且基座固定，灵活性很差。所有的微纳米操作都要通过显微镜来获得图像，而显微镜的视野极为有限，即使轻微的操作其末端的旋转也会导致末端执行器移除视野，所以实际应用当中微纳米操作机器人很少有旋转自由度，即使有也只有1-15度的旋转，行程很小。而在显微注射过程当中需要选择固定的角度进行注射，现有的微纳米操作机器人装置难以满足这样的需要。综上所述，目前现有这些无大行程旋转自由度固定基座的多微纳米操作机器人系统极大地限制了其操作灵活性，已经越来越不能满足显微注射、单细胞分析等的需求。
发明内容
本发明的目的是：为有效解决现阶段微纳米操作机器人系统操作末端的大行程旋转时易移出显微镜视野，灵活性差的问题，以及普通微纳米操作机器人在实施显微注射时无法主动选择合适角度进行注射的问题，提供一种微纳米操作机器人协同操作装置及其用于显微注射的操作方法。
本发明的技术方案是：微纳米操作机器人协同操作装置，它包括：慢速高精度微纳米操作机器人、快速高精度微纳米操作机器人以及微操作器；慢速高精度微纳米操作机器人、快速高精度微纳米操作机器人以及微操作器的底部均通过安装台安装于环状支撑轨道；
环状支撑轨道的内环为光滑面，外环具有齿圈；安装台的一端设有弹性夹紧机构，弹性夹紧机构处设有内光滑导轮；在弹性夹紧机构相对侧的安装台上设有驱动电机、外驱动齿轮以及外从动齿轮，外驱动齿轮与驱动电机的输出轴连接；安装台通过其上的外驱动齿轮以及外从动齿轮与环状支撑轨道的外环啮合，并通过其上的内光滑导轮与环状支撑轨道的内环夹紧；
驱动电机由控制器连接电脑进行控制其转速。
本发明的另一个技术方案是：微纳米操作机器人协同操作装置用于显微注射的操作方法，它包括以下步骤：
A.调整显微镜视野中心与环状支撑轨道的中心重合，并调节慢速高精度微纳米操作机器人以及快速高精度微纳米操作机器人使其上的微操作器均指向视野中心；
B.操作用于固定细胞的快速高精度微纳米操作机器人用其上的吸管固定探针固定住细胞并将其移动至视野中心，然后释放该细胞，控制快速高精度微纳米操作机器人将吸管固定探针沿竖直Z轴方向抬高；
C.控制快速高精度微纳米操作机器人安装台上的驱动电机，使快速高精度微纳米操作机器人沿环状支撑轨道运动，选择特定的方向，使该细胞的细胞核处于吸管固定探针的最远端，然后控制快速高精度微纳米操作机器人重新固定细胞；
D.控制慢速高精度微纳米操作机器人使其上的注射探针沿竖直Z轴方向抬高；
E.控制慢速高精度微纳米操作机器人安装台上的驱动电机，使注射探针和吸管固定探针相直对的位置上；
F.控制慢速高精度微纳米操作机器人调整注射探针的位置并进行注射。
有益效果：(1)本发明通过设置环状导轨不仅能够实现操作末端的360度的旋转，而且能保证操作器末端始终处于显微镜视野范围内，易于实现自动化，同时造价低廉。
(2)本发明对比现有的单微纳米操作机器人系统，可设置的多种微纳米操作机器人配合使用使其能够完成复杂的任务。
(3)利用本发明所述的操作方法可以自主选择注射角度，选择细胞外壁离细胞核位置较近的位置进行注射，易于实现自动化，避免了传统人工操作调整细胞位置的繁琐，减小对于被注射细胞的伤害提高注射成功率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明环状导轨以及安装底座的结构示意图；
图3为图2的仰视图；
其中，1-环状支撑轨道、2-弹性夹紧机构、3-安装台、4-驱动电机、5-外驱动齿轮、6-外从动齿轮、7-外从动齿轮、8-慢速高精度压电陶瓷致动器、9-慢速高精度微纳米操作机器人、10-安装架、11-微操作器、12-快速高精度微纳米操作机器人、13-快速高精度步进电机致动器、14-注射探针、15-吸管固定探针。
具体实施方式
实施例1，参见附图1，微纳米操作机器人协同操作装置，它包括：慢速高精度微纳米操作机器人9、快速高精度微纳米操作机器人12以及微操作器11；慢速高精度微纳米操作机器人9、快速高精度微纳米操作机器人12以及微操作器11的底部均通过安装台3安装于环状支撑轨道1；
参见附图2、3，环状支撑轨道1的内环为光滑面，外环具有齿圈；安装台3的一端设有弹性夹紧机构2，弹性夹紧机构2处设有内光滑导轮7；在弹性夹紧机构2相对侧的安装台3上设有驱动电机4、外驱动齿轮5以及外从动齿轮6，外驱动齿轮5与驱动电机4的输出轴连接；安装台3通过其上的外驱动齿轮5以及外从动齿轮6与环状支撑轨道1的外环啮合，并通过其上的内光滑导轮7与环状支撑轨道1的内环夹紧；
驱动电机4由控制器连接电脑进行控制其转速。
慢速高精度微纳米操作机器人9以及快速高精度微纳米操作机器人12的数量可根据需求设置；每个微纳米操作机器人都具有三个方向的自由度，慢速高精度微纳米操作机器人9完成需要高精度的平稳的操作(如DNA注射)，快速高精度微纳米操作机器人12完成要求速度高但是精度稍低的操作(如分选细胞、细胞固定等)。多个不同或者相同微纳米操作机器人也可同时运动协同完成任务，比如DNA注射，一个速度高但是精度稍低快速微纳米操作机器人的实施高速筛选细胞，选中后固定，再用另外一个精度高速度慢的慢速高精度微纳米操作机器人实施DNA注射。
慢速高精度微纳米操作机器人9处设有三个自由度方向的慢速高精度压电陶瓷致动器8；快速高精度微纳米操作机器人12处设有三个自由度方向的快速高精度步进电机致动器13；微操作器11通过微操作器安装架10安装于慢速高精度微纳米操作机器人9和快速高精度微纳米操作机器人12上。慢速高精度微纳米操作机器人9上安装的微操作器11为注射探针14；快速高精度微纳米操作机器人12上安装的微操作器11为吸管固定探针15。
实施例2，微纳米操作机器人协同操作装置用于显微注射的操作方法，它基于实施例1所述的微纳米操作机器人协同操作装置，并包括以下步骤：
A.调整显微镜视野中心与环状支撑轨道1的中心重合，并调节慢速高精度微纳米操作机器人9以及快速高精度微纳米操作机器人12使其上的微操作器11均指向视野中心；
B.操作用于固定细胞的快速高精度微纳米操作机器人12用其上的吸管固定探针15固定住细胞并将其移动至视野中心，然后释放该细胞，控制快速高精度微纳米操作机器人12将吸管固定探针15沿竖直方向抬高为50μm(避免后面运动过程中伤害视野中心的目标细胞)；
C.控制快速高精度微纳米操作机器人12安装台3上的驱动电机4，使快速高精度微纳米操作机器人12沿环状支撑轨道1运动，(此时由于微量吸管针尖处于视野中心，所以微量吸管针尖将一直处于视野中心周围不会移出视野范围)选择特定的方向，使该细胞的细胞核处于吸管固定探针15的最远端，然后控制快速高精度微纳米操作机器人12重新固定细胞；
D.控制慢速高精度微纳米操作机器人9使其上的注射探针14沿竖直方向抬高为50μm；
E.控制慢速高精度微纳米操作机器人9安装台3上的驱动电机4，使注射探针14和吸管固定探针15相直对的位置上；
F.控制慢速高精度微纳米操作机器人9调整注射探针14的位置并进行注射。
Claims (4)
1.微纳米操作机器人协同操作装置，它包括：慢速高精度微纳米操作机器人(9)、快速高精度微纳米操作机器人(12)以及微操作器(11)；其特征在于，所述慢速高精度微纳米操作机器人(9)、所述快速高精度微纳米操作机器人(12)以及所述微操作器(11)的底部均通过安装台(3)安装于环状支撑轨道(1)；
所述环状支撑轨道(1)的内环为光滑面，外环具有齿圈；所述安装台(3)的一端设有弹性夹紧机构(2)，所述弹性夹紧机构(2)处设有内光滑导轮(7)；在所述弹性夹紧机构(2)相对侧的所述安装台(3)上设有驱动电机(4)、外驱动齿轮(5)以及外从动齿轮(6)，所述外驱动齿轮(5)与所述驱动电机(4)的输出轴连接；所述安装台(3)通过其上的所述外驱动齿轮(5)以及所述外从动齿轮(6)与所述环状支撑轨道(1)的外环啮合，并通过其上的内光滑导轮(7)与所述环状支撑轨道(1)的内环夹紧；
所述驱动电机(4)由控制器连接电脑进行控制其转速；
所述慢速高精度微纳米操作机器人(9)处设有三个自由度方向的慢速高精度压电陶瓷致动器(8)；所述快速高精度微纳米操作机器人(12)处设有三个自由度方向的快速高精度步进电机致动器(13)；所述微操作器(11)通过微操作器安装架(10)安装于所述慢速高精度微纳米操作机器人(9)和所述快速高精度微纳米操作机器人(12)上。
2.如权利要求1所述的微纳米操作机器人协同操作装置，其特征在于，所述慢速高精度微纳米操作机器人(9)上安装的所述微操作器(11)为注射探针(14)；所述快速高精度微纳米操作机器人(12)上安装的所述微操作器(11)为吸管固定探针(15)。
3.微纳米操作机器人协同操作装置用于显微注射的操作方法，它基于如权利要求2所述的微纳米操作机器人协同操作装置，并包括以下步骤：
A.调整显微镜视野中心与环状支撑轨道(1)的中心重合，并调节慢速高精度微纳米操作机器人(9)以及快速高精度微纳米操作机器人(12)使其上的微操作器(11)均指向视野中心；
B.操作用于固定细胞的所述快速高精度微纳米操作机器人(12)用其上的吸管固定探针(15)固定住细胞并将其移动至视野中心，然后释放该细胞，控制所述快速高精度微纳米操作机器人(12)将所述吸管固定探针(15)沿竖直方向抬高；
C.控制所述快速高精度微纳米操作机器人(12)安装台(3)上的驱动电机(4)，使所述快速高精度微纳米操作机器人(12)沿环状支撑轨道(1)运动，选择特定的方向，使该细胞的细胞核处于所述吸管固定探针(15)的最远端，然后控制所述快速高精度微纳米操作机器人(12)重新固定细胞；
D.控制慢速高精度微纳米操作机器人(9)使其上的注射探针(14)沿竖直方向抬高；
E.控制所述慢速高精度微纳米操作机器人(9)安装台(3)上的驱动电机(4)，使所述注射探针(14)和所述吸管固定探针(15)相直对的位置上；
F.控制所述慢速高精度微纳米操作机器人(9)调整所述注射探针(14)的位置并进行注射。
4.如权利要求3所述的微纳米操作机器人协同操作装置用于显微注射的操作方法，其特征在于，所述步骤B中，控制所述快速高精度微纳米操作机器人(12)将所述吸管固定探针(15)沿竖直Z轴方向抬高的高度为50μm；所述步骤D中，控制慢速高精度微纳米操作机器人(9)使其上的注射探针(14)沿竖直Z轴方向抬高的高度为50μm。
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