CN106236072B - 纳米级分辨率、微米级受控运动的微电极推进器及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于微电极推进的，具有纳米级分辨率、微米级受控运动的微推进器及控制系统，该微推进器包括壳体以及固定连接壳体的马达，壳体的内腔内设置有精密减速器、螺杆组件和夹持部件；螺杆组件包括螺杆和螺套，螺套轴向滑动于壳体内腔，并且壳体二运行终点有轴向限位；螺套的外端部固定连接夹持部件的安装座；马达的输出轴通过减速器连接螺杆；控制系统以单片机为核心的控制部分使推进器受控，并可以补偿减速器等运动链的间隙误差。本文中的微推进器系统大大提高了微推进器的控制精度和分辨率。并且由于微推进器小巧、一体，只需增加一连接件，就可以轻易与目前简易的立体定位仪相连接，将手动的立体定位仪升级成为顶级精度的微电极推进装置。
Description
技术领域
本发明涉及精密器械技术领域，特别涉及一种纳米级分辨率、微米级受控运动的微电极推进器及控制系统。
背景技术
微推进装置是精密器械中常用的重要部件之一，以生理研究领域为例，其中微电极推进器是一种典型的生理研究仪器，其是生理、药理、尤其是细胞水平级研究的必备基本仪器之一。
通常，细胞直径平均10-20微米，微电极直径一般为5微米，要将5微米的微电极刺入10-20微米的细胞中，并停留在细胞适当位置进行电生理现象的研究，也就是在碰到细胞后的移动量不能超过10微米，超过的话，微电极尖端就会离开目标细胞。可见对微电极的推进器要求受控精度很高。当然对其分辨率(也就是每个脉冲所移动的最小单位)要求在纳米级。
除纳米级的分辨率、微米级的受控运动外，还进一步要求微电极在被夹持运动时，在400倍显微镜下观察，没有明显的抖动。也就是说，对微推进器的运动直线性具有非常严格的要求，如果微推进器直线性比较差，将会在微电极刺入细胞时将细胞搅烂。
目前的微电极推进器主要包括有两种类型：手动推进器和马达推进器，其中手动推进器通过手动操作实现推进，推进运动精度虽然也可以做得很高，但是手动设备虽然简单，则精度和自动化就差；马达推进器设备虽然精度和自动化都好但体积庞大，价格昂贵，而且一般都为专用仪器，不能通用。
因此，如何提供一种推进精度高，体积小且一体化，可方便的连接在原有的手动立体定位仪上使之升级为微米级的微推进装置，是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种纳米级分辨率、微米级受控运动的微电极推进器，包括壳体以及固定连接所述壳体的马达，所述壳体具有内腔，所述壳体的内腔内设置有减速器、螺杆组件和夹持部件；
所述螺杆组件包括螺杆和与所述螺杆螺纹配合的螺套，所述螺杆通过轴承支撑于所述壳体的内腔，所述螺套轴向滑设于所述壳体内腔，并且与所述壳体轴向运动二终点限位；
所述螺套的外端部固定连接所述夹持部件的安装座；
所述马达的输出轴通过所述减速器连接所述螺杆。
可选的，还包括波纹减震管，所述波纹减震管的两端部分别固定连接所述减速器的输出轴和所述螺杆的内端部。
可选的，还包括导套，所述导套的外壁固定于所述壳体的内腔，所述螺套通过滚动部件与所述壳体的内腔壁接触滑动，导套的周壁开设有沿轴向延伸的滑槽，所述滚动部件设置于所述滑槽内部。
可选的，所述滚动部件为至少二个滚珠轴承，各所述滚珠轴承的外圈与所述滑槽的二侧壁抵靠固定，所述螺套通过各所述滚珠轴承的内部滚珠与所述壳体滚动接触。
可选的，支撑所述螺杆的轴承的外侧面通过弹簧件抵靠所述导套的内端面。
可选的，所述壳体包括第一轴段和第二轴段，所述减速器和支撑所述螺杆的轴承均设置于所述第一轴段的内腔，所述导套固定于所述第二轴段的内腔。
可选的，还包括联轴器，所述马达的输出轴通过所述联轴器连接所述减速器的动力输入轴；所述马达为步进电机，所述步进电机的外壳固定连接所述壳体。
可选的，还包括电机固定套，所述电机固定套包括法兰部和套筒部，所述步进电机的壳体通过螺栓连接所述法兰部，所述壳体的内端部固定套设于所述套筒部的内部，且两者周向密封。
此外，本发明还提供了一种微电极推进器的控制系统，包括上述任一项所述的微电极推进器，包括以下部件：
输入部件，用于输入微电极推进器的控制指令；
控制器，接收所述控制指令，并根据所述控制指令驱动所述微电极推进器的马达转动。
可选的，所述控制器内预设有补偿模块，所述补偿模块预存有用于补偿马达转动误差和所述微电极推进器中其它运动链所产生的误差的脉冲补偿量，并根据所述控制指令计算马达转动的理论脉冲量，将脉冲补偿量和理论脉冲量之和作为控制马达转动的脉冲量；所述控制器内部还具有显示模块，将用于显示微电极推进器各部件当前工作数据参数。
本文中的微电极推进器大大提高了微电极推进器的控制精度和分辨率这样分辨率和精度完全能够满足微电极刺入细胞的运动要求。控制系统以单片机为核心的控制部分使推进器受控，并可以补偿减速器等运动链的间隙误差。本文中的微推进器系统大大提高了微推进器的控制精度和分辨率。并且由于微推进器小巧、一体，只需增加一连接件，就可以轻易与目前简易的立体定位仪相连接，将手动的立体定位仪升级成为顶级精度的微电极推进装置。
因本文中的控制系统是在具有以上技术效果的微电极推进器的基础上实施的，故该控制系统也具有微电极推进器的上述技术效果。
附图说明
图1为本发明一种实施例中微电极推进器的结构示意图；
图2为微电极推进器处于推出状态的结构示意图；
图3为导套滑槽内部两轴承的布置结构示意图；
图4为本发明一种实施例中安装有微电极推进器的整体系统示意图。
其中，图1至图4中各部件与附图标记之间的一一对应关系如下所示：
第一轴段1、导套2、螺杆3、螺套4、第二轴段5、内衬6、波纹减震管7、减速器8、轴承9、弹簧垫圈10、弹簧件11、安装座12、夹持部13、固定套14、垫圈15、连接部件17、马达18、第一限位部件19、第二限位部件20；
立体定位仪100、支架101、控制器200。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1、图2和图4，图1为本发明一种实施例中微推进装置的结构示意图；图2为微电极推进器处于推出状态的结构示意图；图4为本发明一种实施例中安装有微电极推进器的整体系统示意图。
本发明提供了一种纳米级分辨率、微米级受控运动的微电极推进器，本微电极推进器可以通过连接件安装于立体定位仪100等部件上，立体定位仪100上的手动调节现在作为位置粗调，并与控制器200连接组成试验所需的试验系统。立体定位仪100通过支架101支撑于实验台或者地面上。本文以微电极推进器应用于细胞刺入实验为例进行介绍技术方案，当然本领域内技术人员应当理解，本文中的微电极推进器还可以方便的设计其他领域的连接器后应用于其他具体领域，并不局限于本文所述领域。
本文中所提供的微电极推进器包括壳体以及固定连接壳体的马达18，壳体一般为中空管状结构，具有内腔马达18的壳体固定于壳体的一端部。马达18为提供运动动力的一种动力部件，可以为电机，也可以为液压等形式的其他部件。本文以马达18为步进电机为例进行继续介绍技术方案。
通常马达18壳体的连接端部为法兰结构，壳体的端部安装有固定套，固定套14包括法兰部和套筒部，步进电机的壳体通过螺栓连接法兰部，壳体的内端部固定套设于套筒部的内部，且两者周向密封。步进电机和壳体之间还可以增加垫圈15。
本文中壳体内腔中还进一步设置有减速器8、螺杆组件和夹持部件。螺杆组件包括螺杆3和与螺杆3螺纹配合的螺套4，螺杆3具有设置有外螺纹的杆段，螺套4为筒状结构，筒内壁设置有与螺杆3的外螺纹部相配合的内螺纹部。螺杆3设置于螺套4的内部。
螺杆3通过轴承支撑于壳体的内腔，即壳体的内腔壁设置有轴承9座，轴承9固定安装于轴承座。轴承9与螺杆3之间还可以设置内衬6。
螺套4周向滑设于壳体内腔，并且与壳体周向限位，也就是说，螺套4可相对于壳体轴向滑动，但是螺套4和壳体周向不能相对转动。这样，螺杆3转动时，在内螺纹部和外螺纹部的作用下，螺套4可相对螺杆3前后移动。
螺套4的外端部固定连接夹持部件的安装座，本文中所述的夹持部件主要作用是夹持微电极等工具。夹持部件具有安装座12和夹持部13，夹持部13用于夹持工具，安装座12用于与螺套4配合固定。
需要说明的是，本文将靠近马达18的一端定义为内，远离马达18的一侧定义为外，仅是为了描述技术方案的简洁。
本发明中的马达18输出轴通过减速器8连接螺杆3，具体地，马达输出轴可以通过连接部件17连接减速器8输入轴。减速器8的具体结构及减速比可以根据应用环境具体设置，减速器8为该领域比较成熟的产品，本文不做详细介绍，这并不影响本领域内技术人员对本文技术方案的理解。
以步距角18度的步进电机，20个脉冲走一圈，螺杆3螺距0.5mm为例，马达18直接带动螺杆3转动时，一个脉冲即分辨率为25um(微米)。本发明中马达18与螺杆3之间连接有减速器8，以减速器8的减速比为1：100为例，本文中的微电极推进器一个脉冲的分辨率可达0.25um，即250纳米，4个脉冲走1um。
从以上实施例可以看出，本文中的微电极推进器大大提高了微电极推进器的控制精度和分辨率，这样分辨率和精度完全能够满足微电极刺入细胞的运动要求。
微电极比较重要的指标是稳定度，即在400倍放大镜下观察，微电极不能有任何方向的偏摆。
进一步地，本文中的微电极推进器还设置有波纹减震管7，波纹减震管7的两端部分别固定连接减速器的输出轴和螺杆3的内端部。波纹减震管7可以吸收掉步进电机和减速器8运行震动，有利于微电极运动的稳定性。
请参考图3图3为导套滑槽内部两轴承的布置结构示意图。该设计为使导套不至于随螺杆的转动而在径向有抖动。
上述各实施例中，微电极推进器还包括导套2，导套2的外壁固定于壳体的内腔，螺套4通过滚动部件与壳体的内腔壁接触滑动，导套2的周壁开设有沿轴向延伸的滑槽，滚动部件设置于滑槽内部。滚动部件可以为滚珠轴承16，滚珠轴承16的数量可以为两个，螺套4通过滚珠轴承的各滚珠与第二轴段5的内壁滚动接触。
螺套4径向设置有滚珠轴承16，滚珠轴承16与滑槽的侧壁即轴承限定于滑槽内部，滚珠轴承16可以有利于螺套4沿着滑槽轴向滑动。有利于保证螺套4直线运行精度。并且螺套4通过轴承16向前滑动阻力比较小。
上述各实施例中，微电极推进器还可以包括第一限位部件19和第二限位部件20，第一限位部件19和第二限位部件20分别设置于滑槽内壁的前后两端部；当滚珠轴承抵靠第一限位部件19时，螺套4位于左终点，当滚珠轴承抵靠第二限位部20件时，螺套4位于右终点。一旦轴承碰到限位开关，使限位开关的导电体通过轴承接地，微处理器即命令电机停止原先转向运转，只能接受反向运转的指令。工艺上可以用海绵双面胶一面粘贴一块导电体引出到微处理器，一面粘贴在滑槽轴向端面。海绵双面胶对接触轴承有弹性缓冲，保证与导电体接触可靠。
上述各实施例中，支撑螺杆3的轴承9的外侧面通过弹簧件11抵靠所述导套2的内端面。波纹减震管7与轴承9之间还可以设置有弹簧垫圈10。
为了便于微电极推进器各部件的安装，尤其是壳体内腔中各部件的安装和拆卸，本文中的微电极推进器还进一步进行了如下改进。
上述各实施例中的壳体可以进一步包括第一轴段1和第二轴段5，减速器8和支撑螺杆3的轴承均设置于第一轴段1的内腔，导套2固定于第二轴段5的内腔。其中第一轴段1和第二轴段5可以可拆卸连接。
上述实施例中的微电极推进器在进行安装时，可以先组装马达18、减速器8，然后再组装第一轴段1，进而继续组装螺杆3、螺套4、导套2，最后将第二轴段5套装于组装好的导套2的外部。
该安装方式比较快速，并且维修拆卸也比较方便。
上述各实施例中的微电极推进器还进一步包括联轴器，马达18的输出轴通过联轴器连接减速器8的动力输入轴。
为了实现机械的自动化操作，本文还提供了一种控制系统。微电极推进器的控制系统除包括上述微电极推进器外，还包括输入部件和控制器200，输入部件用于输入微电极推进器的控制指令，即可以夹持部件向前运动的位移。控制器200接收该控制指令，并根据该控制指令驱动微电极推进器的马达18转动。
当然，增加减速器8难免会增加传动链中的间隙，给精度带来一定的影响，即马达18转动预定圈数时，螺杆3的实际位置与理论位移不一致。为了克服上述缺陷，本文进一步设置如下。
控制器200内部可以预设有补偿模块，所述补偿模块预存有用于补偿马达18转动误差和微电极推进器中其它运动链所产生的误差的脉冲补偿量，并根据所述控制指令计算马达18转动的理论脉冲量，将脉冲补偿量和理论脉冲量之和作为控制马达18转动的脉冲量。
其他运动链包括联轴器、减速器等传动各部件。
控制器200可以为微电脑，步进电机的运动和显示可以利用微电脑实现，可以事先用被动式光栅仪来试验微电极推进器，在顺向运行转逆向运行过程，测量出误差(一般为负尺寸)然后在微电脑中将该误差转换为脉冲的补偿量。例如，测量出来的理论值负了1um，那么在程序中加入这样一条指令：凡是转向(包括启动)先给出4个脉冲，让步进电机多转1um再显示和计数，以此方法将间隙补偿掉。
另外，控制器200内部还具有显示模块，将用于显示微电极推进器各部件当前工作数据参数。工作数据参数包括电机的转动速度、螺套的位移量等参数。
本文中的微推进器大大提高了微电极推进器的控制精度和分辨率这样分辨率和精度完全能够满足微电极刺入细胞的运动要求。控制系统以单片机为核心的控制部分使推进器受控，并可以补偿减速器等运动链的间隙误差。本文中的微推进器系统大大提高了微推进器的控制精度和分辨率。并且由于微推进器小巧、一体，只需增加一连接件，就可以轻易与目前简易的立体定位仪相连接，将手动的立体定位仪升级成为顶级精度的微电极推进装置。
因本文中的控制系统是在具有以上技术效果的微电极推进器的基础上实施的，故该控制系统也具有微电极推进器的上述技术效果。
以上对本发明所提供的一种纳米级分辨率、微米级受控运动的微电极推进器及控制系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种纳米级分辨率、微米级受控运动的微电极推进器，包括壳体以及固定连接所述壳体的马达(18)，其特征在于，所述壳体具有内腔，所述壳体的内腔内设置有减速器(8)、螺杆组件和夹持部件；
所述螺杆组件包括螺杆(3)和与所述螺杆(3)螺纹配合的螺套(4)，所述螺杆(3)通过轴承支撑于所述壳体的内腔，所述螺套(4)轴向滑动于所述壳体内腔，并且与所述壳体轴向二终点限位；
所述螺套(4)的外端部固定连接所述夹持部件的安装座；
所述马达(18)的输出轴通过所述减速器(8)连接所述螺杆(3)；还包括导套(2)，所述导套(2)的外壁固定于所述壳体的内腔，所述螺套(4)通过滚动部件与所述壳体的内腔壁接触滑动，导套(2)的周壁开设有沿轴向延伸的滑槽，所述滚动部件设置于所述滑槽内部。
2.如权利要求1所述的微电极推进器，其特征在于，还包括波纹减震管(7)，所述波纹减震管(7)的两端部分别固定连接所述减速器的输出轴和所述螺杆(3)的内端部。
3.如权利要求1所述的微电极推进器，其特征在于，所述滚动部件为至少二个滚珠轴承(16)，各所述滚珠轴承(16)的外圈与所述滑槽的二侧壁抵靠固定，所述螺套(4)通过各所述滚珠轴承(16)的内部滚珠与所述壳体滚动接触。
4.如权利要求3所述的微电极推进器，其特征在于，还包括第一限位部件(19)和第二限位部件(20)，所述第一限位部件(19)和第二限位部件(20)分别设置于所述滑槽内壁的前后两端部；当所述滚珠轴承抵靠所述第一限位部件时，所述螺套(4)位于左终点，当所述滚珠轴承抵靠所述第二限位部件时，所述螺套(4)位于右终点。
5.如权利要求1所述的微电极推进器，其特征在于，支撑所述螺杆(3)的轴承的外侧面通过弹簧件(11)抵靠所述导套(2)的内端面。
6.如权利要求1至5任一项所述的微电极推进器，其特征在于，所述壳体包括第一轴段(1)和第二轴段(5)，所述减速器(8)和支撑所述螺杆(3)的轴承均设置于所述第一轴段(1)的内腔，所述导套(2)固定于所述第二轴段(5)的内腔。
7.如权利要求6所述的微电极推进器，其特征在于，还包括联轴器，所述马达(18)的输出轴通过所述联轴器连接所述减速器(8)的动力输入轴；所述马达(18)为步进电机，所述步进电机的外壳固定连接所述壳体。
8.如权利要求7所述的微电极推进器，其特征在于，还包括电机固定套，所述电机固定套包括法兰部和套筒部，所述步进电机的壳体通过螺栓连接所述法兰部，所述壳体的内端部固定套设于所述套筒部的内部，且两者周向密封。
9.一种微电极推进器的控制系统，用于控制权利要求1至8任一项所述的微电极推进器，其特征在于，包括以下部件：
输入部件，用于输入微电极推进器的控制指令；
控制器，接收所述控制指令，并根据所述控制指令驱动所述微电极推进器的马达(18)转动。
10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述控制器内预设有补偿模块，所述补偿模块预存有用于补偿马达(18)转动误差和所述微电极推进器中其它运动链所产生的误差的脉冲补偿量，并根据所述控制指令计算马达(18)转动的理论脉冲量，将脉冲补偿量和理论脉冲量之和作为控制马达(18)转动的脉冲量；所述控制器内部还具有显示模块，将用于显示微电极推进器各部件当前工作数据参数。
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