CN1047750C - 用于生物医学工程的微操作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够在生物医学等领域中完成细微操作的特型机器人系统。该系统主要包括显微镜，操作台，左、右微操作工具，左、右执行机构，微电机组构成的左、右驱动机构，摄象装置和用于控制、规划、管理的计算机。本发明的主要优点是：实现了生物医学工程等需要细微操作领域中的微操作自动化、智能化；系统在微米、亚微米级定位操作精度高，有效操作空间大，目标搜寻快。

Description

用于生物医学工程的微操作机器人

本发明属于应用于特殊领域的机器人系统，具体地说，它涉及一种用于生物医学工程领域中，完成细微操作的微操作机器人系统。

在生物医学工程领域中，存在着大量涉及对染色体、细胞内器官、细胞体等的细微、精密操作，如细胞的分离、融合、受精，染色体的切割，细胞的注射等等。这类操作都是在微米或亚微米级的微观空间内进行的细微操作，故称其为微操作。对于这类操作，不但要求定位准确、操作精度高、一致性好，而且要做到操作时间短、效率高。目前，微操作都是由人工通过操作微操作工具(Micromanipulator System)来进行的。在众多的微操作工具中，较有代表性的，较为先进的微操作工具当数日本NIKON CORPORATION研制生产的Diaphot 300 with NT-88 Micromanipulator System微操作系统。这种微操作系统大都有如下组成：显微镜，操作台，分别由左、右手操作控制的液压三自由度左、右驱动机构，左、右侧微操作工具(微型切割刀、微型注射器等等)，左、右三自由度执行机构；分别控制和固定左、右微操作工具的左、右三自由度执行机构分别放置于显微镜和操作台的两侧，左、右驱动机构分别与左、右三自由度执行机构连接，并在人的左、右手控制下驱动左、右三自由度执行机构进行微操作。现有微操作系统存在的主要不足有：系统实为一套人工操作装置，对使用者要求较高，要培养一个合格的操纵者，需要很多的时间和费用；并且作业质量易受操纵者个人技术、工作状态及心理、情绪影响，精度及一致性差；由于人工直接操作，即使是熟练的操纵者，其成功率也很低，作业成本高，工作时间长，影响细胞或微生物等的成活率，增加了后续工作的难度。

本发明的目的就是为了克服现有技术的不足，提出一种由计算机规划与管理的、高精度、高效率，高一致性的，计算机视觉图象辅助闭环控制的微操作机器人系统。

本发明的技术方案如下：本发明主要包括显微镜1、操作台2、左侧微操作工具3、右侧微操作工具4、左三自由度执行机构5、右三自由度执行机构6、左驱动机构7、右驱动机构8和计算机9；左侧微操作工具和右侧微操作工具分别置于左三自由度执行机构和右三自由度执行机构之上，左驱动机构和右驱动机构分别驱动左三自由度执行机构和右三自由度执行机构，左驱动机构和右驱动机构分别由微电机组成。在上述汁算机控制的微操作机器人系统中，摄象装置10装于显微镜的第三目镜上，摄象装置通过图象采集模块11与计算机连接，向计算机输入操作现场的图象信息，计算机的输出端通过控制箱12分别与左驱动机构和右驱动机构连接，构成汁算机视觉图象辅助的，可人机对话的，由计算机规划和控制的微操作系统。

在本发明中，可装有自动调焦机构13。与显微镜上的调焦装置配合的调焦机构与计算机的输出端连接，受汁算机控制，自动调整图象的清晰度，构成闭环控制系统。

由于采用了上述技术方案，本发明的主要优点是：实现了生物医学工程领域和其他类似领域(微电子、微制造等)中微操作的自动化、智能化；使得微米及亚微米级的微操作具有大范围运动(目标搜寻)、高精度细微作业的特点；微操作作业的一致性好、质量优、效率高。

本发明附图的图面说明如下：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例的方框图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述：在本发明中，左三自由度执行机构5上加有控制注吸操作(微注射器的注射或吸取动作)的左F自由度(第四自由度)执行机构，左F自由度执行机构通过左F自由度驱动机构与计算机9的输出端连接并受计算机控制；右三自由度执行机构6上加有控制注吸操作的右F自由度执行机构，右F自由度执行机构通过右F自由度驱动机构与汁算机的输出端连接并受计算机控制。操作台2上置有二自由度(x，y)执行机构，以控制操作台的水平移动，二自由度执行机构通过二自由度驱动机构与计算机的输出端连接并受计算机控制。

本发明的实施例结构如图1所示，左侧微操作工具3和右侧微操作工具4为微型刀、微型注射器或微型捕捉器等微型工具。显微镜1为倒置显微镜。系统的方框图如图2所示，计算机9为装有规划、控制和管理程序的微型计算机(Pentium166)，其作为系统的中心智能管理单元。彩色CCD摄象装置10通过图象采集块11接于微机的PC总线接口上。由多轴运动控制模块14、左功率驱动单元15、右功率驱动单元16和调焦机构功率单元17构成功率单元，置于控制箱12中；多轴控制模块的输入端接于微机的PC总线接口上，多轴控制模块的三组输出端分别接给左驱动机构7、右驱动机构8和调焦机构13提供控制功率的左功率驱动单元15、右功率驱动单元16功率单元17。左驱动机构、右驱动机构和调焦机构分别由高精度步进电机组构成。在图2中，18为显示器，用于提供人机对话界面和作业现场信息。

Claims (5)

1.一种用于生物医学工程的微操作机器人，包括显微镜、操作台、左侧微操作工具、右侧微操作工具、左三自由度执行机构、右三自由度执行机构、左驱动机构和右驱动机构；左侧微操作工具和右侧微操作工具分别置于左三自由度执行机构和右三自由度执行机构之上，左驱动机构和右驱动机构分别驱动左三自由度执行机构和右三自由度执行机构，其特征在于：上述左驱动机构和右驱动机构分别由步进电机构成，并与计算机一起组成微操作机器人系统；在该系统中，摄像装置装于显微镜的第三目镜上，摄像装置通过图象采集模块与计算机连接，向计算机输入操作现场图象信息，计算机的输出端通过控制箱分别与左驱动机构和右驱动机构连接，构成计算机视觉图象辅助的、可人机对话的、由计算机规划和控制的微操作系统。

2.按照权利要求1所述的用于生物医学工程的微操作机器人，其特征在于：有一个与显微镜上的调焦装置配合的调焦机构与计算机的输出端连接，受计算机控制自动调整图象的清晰度，构成闭环控制系统。

3.按照权利要求1或2所述的用于生物医学工程的微操作机器人，其特征在于：操作台上置有二自由度(x，y)执行机构，控制操作台的水平移动，二自由度执行机构通过二自由度驱动机构与计算机的输出端连接并受计算机控制。

4.按照权利要求3所述的用于生物医学工程的微操作机器人，其特征在于：左三自由度执行机构上加有控制注吸操作(微注射)的左F自由度(第四自由度)执行机构，左F自由度执行机构通过左F自由度驱动机构与计算机的输出端连接并受计算机控制；右三自由度执行机构上加有控制注吸操作(微注射)的右F自由度执行机构，右F自由度执行机构通过右F自由度驱动机构与计算机的输出端连接并受计算机控制。

5.按照权利要求2所述的用于生物医学工程的微操作机器人，其特征在于：左侧微操作工具和右侧微操作工具为微型刀、微型注射器或微型捕捉器等微型工具；显微镜为倒置显微镜；计算机为装有规划、控制和管理程序的微型计算机(Pentium166)，作为系统的中心智能管理单元；彩色CCD摄像装置通过图象采集模块接于微机的PC总线接口上；由多轴运动控制模块、左功率驱动单元、右功率驱动单元和调焦机构功率单元构成总功率单元，置于控制箱中，多轴控制模块的输入端接于微机的PC总线接口上，多轴控制模块的三组输出端分别接给左驱动机构、右驱动机构和调焦机构提供控制功率的左功率驱动单元、右功率驱动单元和调焦机构功率单元；左驱动机构、右驱动机构和调焦机构分别由高精度步进电机组构成。

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