CN111376279A - 一种用于水下生物打印的微操作机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水下生物打印的微操作机械臂，包括生物打印头、旋转微操作机械臂和伸缩机械臂；生物打印头由微操作机械手和固定在其上的微流控芯片构成；旋转微操作机械臂由俯仰微操作机械臂、偏转微操作机械臂和转接机械臂构成并依次连接呈“Z”字型；伸缩机械臂由伸缩微操作机械臂、连接机械臂和基座构成，连接机械臂的一端与基座固定，伸缩微操作机械臂的一端通过连接机械臂上开设的滑槽与连接机械臂连接以改变两者连接后的长度；偏转微操作机械臂可相对伸缩微操作机械臂左右偏转；微操作机械手可相对俯仰微操作机械臂转动以改变俯仰角度。本发明能够精准有序地在液体环境下打印细胞微载体。

Description

一种用于水下生物打印的微操作机械臂

技术领域

本发明涉及与组织工程相关的机器人微操作，更进一步涉及一种用于水下生物打印的微操作机械臂，属于生物材料组装打印技术领域。

背景技术

组织工程利用机器人技术通过细胞的三维组装开发具有人体器官功能的多孔支架，为器官修复和再生提供了一种新途径。由于人体组织是由多种细胞组成的空间有序结构，如何在原位环境下通过机器人实现不同细胞的精确微操作是目前细胞三维组装技术发展面临的难题。

为了减少对细胞的机械损伤，同时提高细胞三维组装效率，通常采用细胞微载体对细胞进行包裹来提高存活率，从而为细胞提供基本的生命活动场所。微流控技术为细胞的封装提供了安全有效的方法。但是由于细胞微载体的加工精度要求很高，通常在数微米，所以需要借助显微镜操作，但是在显微镜下通过微流控芯片加工细胞微载体的过程中又存在遮挡视野和扰动环境的问题。

3D打印已经是一项比较成熟的技术，目前的3D打印往往在空气环境下进行。虽然利用机器人在空气中进行三维打印具有一定的控制精度，但是在液体环境按照常规方法打印会受到流体扰动的影响难以精准控制细胞微载体的空间位置。为了模拟原位环境需要在液体环境下进行细胞微载体的三维打印，但在液体环境下改变打印方向和速度都可能导致细胞微载体在喷射过程中出现断裂和挤压变形等问题。其次，在显微镜下进行细胞微载体的三维组装，又存在微操作空间范围小等问题。

因此，液体环境下利用常规的三维打印方法进行细胞微载体的三维组装存在细胞存活率低和组装效率低的问题，需要解决流体扰动大、定位难等难题，同时还会引起细胞微载体的漂移，造成难以精准有序布置细胞微载体，不利于构建稳定结构的人工组织支架，从而难以模拟真实的组织或器官结构中的特定细胞的三维空间分布。

因此对于本领域的技术人员来说，如何精准有序地在液体环境中利用微操作机器人系统组装细胞微载体，是目前需要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术在液体环境下进行细胞微载体组装存在的定位难、精度差、效率低等不足，本发明的目的在于提供一种用于水下生物打印的微操作机械臂，能够精准有序地在液体环境下打印细胞微载体。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于水下生物打印的微操作机械臂，包括生物打印头、旋转微操作机械臂和伸缩机械臂；生物打印头由微操作机械手和固定安装在微操作机械手上的微流控芯片构成；旋转微操作机械臂由俯仰微操作机械臂、偏转微操作机械臂和转接机械臂构成，转接机械臂的两端分别与俯仰微操作机械臂和偏转微操作机械臂的一端连接以使三者连接后呈“Z”字型；伸缩机械臂由伸缩微操作机械臂、连接机械臂和基座构成，基座固定在微操作机器人的前端，连接机械臂的一端与基座固定，连接机械臂中心设有沿轴线的滑槽，且滑槽一端贯穿连接机械臂远离基座的另一端；伸缩微操作机械臂的一端可滑动地插入滑槽内并通过锁定机构在滑动到位时将伸缩微操作机械臂锁定在连接机械臂上；偏转微操作机械臂另一端通过竖直设置的转轴与伸缩微操作机械臂位于滑槽外的另一端可转动连接，以使偏转微操作机械臂可相对伸缩微操作机械臂左右偏转；微操作机械手一端通过水平设置的转轴与俯仰微操作机械臂的另一端可转动连接，以使微操作机械手可相对俯仰微操作机械臂转动以改变俯仰角度。

进一步地，所述转接机械臂的两端分别通过转轴与俯仰微操作机械臂和偏转微操作机械臂的一端可转动连接，以可改变转接机械臂与俯仰微操作机械臂和偏转微操作机械臂之间的夹角。

优选地，所述微操作机械手上设置有限位槽，微流控芯片安装在限位槽内并用预紧螺丝固定。

具体地，所述微操作机械手与俯仰微操作机械臂连接端端部设置有连接凸起，连接凸起上设有水平贯穿连接凸起的凸端转孔；俯仰微操作机械臂与微操作机械手连接端端部设置有与连接凸起对应的且上下贯通的连接凹部，连接凹部左右两侧壁上设置有水平贯穿两侧壁的有凹端转孔，连接凸起位于连接凹部中并通过穿入凹端转孔和凸端转孔的水平转轴将俯仰微操作机械臂和微操作机械手活动连接。

同样地，所述伸缩微操作机械臂与偏转微操作机械臂连接端端部设置有连接凸起，连接凸起上设有上下贯穿连接凸起的凸端转孔；偏转微操作机械臂与伸缩微操作机械臂连接端端部设置有与连接凸起对应的且左右贯通的连接凹部，连接凹部上下两侧壁上设置有上下贯穿两侧壁的有凹端转孔，连接凸起位于连接凹部中并通过穿入凹端转孔和凸端转孔的竖向转轴将偏转微操作机械臂和伸缩微操作机械臂活动连接。

所述锁定机构为锁定螺丝或者夹持装置，伸缩微操作机械臂在滑槽中滑动到位时通过锁定螺丝或者夹持装置将伸缩微操作机械臂锁定在连接机械臂固定位置处。

所述基座为90°侧置的T型基座，T型基座正置状态下的横板竖直设置并固定在微操作机器人的前端；T型基座正置状态下的竖板水平放置并与连接机械臂通过螺栓固定连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明俯仰微操作机械臂可以根据打印需要改变俯仰角度，从而避免显微镜下打印头遮挡视野和搅动液体的问题，定位准确，从而提高打印精度。

2、偏转微操作机械臂可以避免细胞微载体在同速异向打印过程中出现断裂和挤压变形的问题，打印成型质量更高。

3、伸缩机械臂在改变打印任务时可以灵活调节微操作空间范围，通过微操作机器人生物打印可以解决液体环境下精准有序组装细胞的难题。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于水下生物打印的微操作机械臂正视图。

图2为本发明的生物打印头俯视图。

图3为本发明的旋转微操作机械臂正视图。

图4为本发明的伸缩机械臂俯视图。

其中，生物打印头1；微操作机械手11；微流控芯片12；旋转微操作机械臂2；俯仰微操作机械臂21；偏转微操作机械臂22；转接机械臂23；伸缩机械臂3；伸缩微操作机械臂31；连接机械臂32；基座33；微操作机器人4。

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，下面将结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述。

参见图1-图4，其中图1是用于水下生物打印的微操作机械臂正视图。从图上可以看出，本发明微操作机械臂主要由生物打印头1、旋转微操作机械臂2和伸缩机械臂3三部分组成，其中生物打印头由微操作机械手11和固定安装在微操作机械手上的微流控芯片12构成；旋转微操作机械臂2由俯仰微操作机械臂21、偏转微操作机械臂22和转接机械臂23构成，转接机械臂23的两端分别与俯仰微操作机械臂21和偏转微操作机械臂22的一端连接以使三者连接后呈“Z”字型；伸缩机械臂3由伸缩微操作机械臂31、连接机械臂32和基座33构成，基座33固定在微操作机器人4的前端，连接机械臂32的一端与基座33固定，连接机械臂32中心设有沿轴线的滑槽，且滑槽一端贯穿连接机械臂远离基座的另一端；伸缩微操作机械臂31的一端可滑动地插入滑槽内并通过锁定机构在滑动到位时将伸缩微操作机械臂31锁定在连接机械臂32上。所述锁定机构可以是锁定螺丝或者夹持装置。偏转微操作机械臂22另一端通过竖直设置的转轴与伸缩微操作机械臂31位于滑槽外的另一端可转动连接，以使偏转微操作机械臂22可相对伸缩微操作机械臂31左右偏转；微操作机械手11一端通过水平设置的转轴与俯仰微操作机械臂21的另一端可转动连接，以使微操作机械手11可相对俯仰微操作机械臂21转动以改变俯仰角度。

利用本发明提供的微操作机械臂，通过微操作机器人进行生物打印可以解决液体环境下精准有序组装细胞的难题。

在上述方案的基础上，本发明中的微操作机械手11用于安装微流控芯片12，其功能实现可采用带开口的矩形限位槽结构、夹持状结构和包裹状结构固定，并可以根据微流控芯片12的外形和材质改变结构。具体地，微操作机械手采用带开口的矩形限位槽结构。

所述微操作机械手11与俯仰微操作机械臂21可转动连接的具体结构为：微操作机械手与俯仰微操作机械臂连接端端部设置有连接凸起，连接凸起上设有水平贯穿连接凸起的凸端转孔；俯仰微操作机械臂与微操作机械手连接端端部设置有与连接凸起对应的且上下贯通的连接凹部，连接凹部左右两侧壁上设置有水平贯穿两侧壁的有凹端转孔，连接凸起位于连接凹部中并通过穿入凹端转孔和凸端转孔的水平转轴将俯仰微操作机械臂和微操作机械手活动连接。

所述偏转微操作机械臂22与伸缩微操作机械臂31可转动连接具体结构为：在伸缩微操作机械臂与偏转微操作机械臂连接端端部设置有连接凸起，连接凸起上设有上下贯穿连接凸起的凸端转孔；偏转微操作机械臂与伸缩微操作机械臂连接端端部设置有与连接凸起对应的且左右贯通的连接凹部，连接凹部上下两侧壁上设置有上下贯穿两侧壁的有凹端转孔，连接凸起位于连接凹部中并通过穿入凹端转孔和凸端转孔的竖向转轴将偏转微操作机械臂和伸缩微操作机械臂活动连接。

如图2所示生物打印头俯视图，本发明中的微操作机械手11上设置限位槽、预紧螺丝，微流控芯片12安装在限位槽内并通过预紧螺丝固定。限位槽可以是“L”形或凹形，预紧螺丝用于固定微流控芯片12，也可以替换为夹持结构。本发明中的微流控芯片12的外形可以是矩形、圆柱形、或者矩形与圆柱形的组合形式，可安装于微操作机械手11中。通过微流控技术利用微流控芯片加工细胞微载体，配合微操作机器人的运动方向和速度，将细胞微载体喷射到液体环境中。具体打印过程中细胞微载体喷射速度的水平分量应该控制在微操作机器人的极限速度范围内。

更进一步，如图3所示旋转微操作机械臂正视图，本发明中的转接机械臂23的两端分别连接俯仰微操作机械臂21和偏转微操作机械臂22的一端且朝上或朝下呈Z字型设置，各机械臂之间可直接固定连接或通过转动关节可转动连接，以可改变转接机械臂与俯仰微操作机械臂和偏转微操作机械臂之间的夹角。各机械臂之间的夹角可根据实际需要设定。具体地，朝上呈Z字型设置，俯仰微操作机械臂和转接机械臂的夹角为30度，偏转微操作机械臂和转接机械臂的夹角为30度。俯仰微操作机械臂可以避免显微镜下打印头遮挡视野和搅动液体的问题，偏转微操作机械臂可以避免细胞微载体在同速异向打印过程中出现断裂和挤压变形的问题。在具体的打印过程中，先沿着细胞微载体喷射的水平分量的反方向控制微操作机器人的运动，当改变打印任务时，调整偏转微操作机械臂的角度，使打印方向与生物打印头喷射的水平分量方向相反。

本发明中微操作机械手11连接俯仰微操作机械臂21端的连接凸起长宽高分别为5、3和5毫米，沿其宽度方向上设置直径为2毫米转孔，转孔中心与连接凸起几何中心重合；俯仰微操作机械臂21连接微操作机械手11端的连接凹部长宽高对应设置为5、1和5毫米，分别沿其宽度方向上设置直径为2毫米的转孔，转孔中心与连接凹部几何中心呈一条直线，并通过预紧螺丝连接微操作机械手11的连接凸起上的转孔，俯仰范围为-90到90度。偏转微操作机械臂22连接伸缩微操作机械臂31端的连接凹部长宽高分别为5、1和5毫米，分别沿其宽度方向上设置直径为2毫米的转孔，转孔中心与连接凹部几何中心呈一条直线，并通过预紧螺丝连接伸缩微操作机械臂31对应设置的连接凸起上的转孔，左右偏转范围为-90到90度。

本发明中的俯仰微操作机械臂21、偏转微操作机械臂22、转接机械臂23、伸缩微操作机械臂31和连接机械臂32的外形可以是方形或圆形，长度和粗细可根据实际需要设定。具体地，俯仰微操作机械臂、偏转微操作机械臂、转接机械臂、伸缩微操作机械臂和连接机械臂的外形均为方形，长度分别为50、50、50、50和70毫米，宽度分别为5、5、5、5和9毫米，高度分别为5、5、5、5和9毫米，连接机械臂与基座连接端设置沿着连接机械臂长度方向呈一条直线2个直径为2毫米间距为10毫米的螺纹孔，两个孔的中心与连接机械臂上表面的中心呈一条直线，靠近基座连接端的孔的中心距离连接机械臂与基座连接端5毫米，这两个螺纹孔用于固定连接机械臂与基座，连接机械臂与伸缩微操作机械臂连接端沿着连接机械臂宽度方向设置一个直径为2毫米的螺纹孔，该孔的中心距离伸缩微操作机械臂连接端5毫米，距离连接机械臂长度方向边缘4.5毫米，这个螺纹孔通过预紧螺丝用于固定伸缩微操作机械臂与连接机械臂，连接机械臂的滑槽的一端距离连接基座端20毫米封闭，另一端为通孔便于伸缩微操作机械臂的运动，其长宽高分别为50、5和5毫米，并与伸缩微操作机械臂的尺寸匹配，同时在滑槽上方中部距离连接基座端20毫米处凿开30毫米长、2毫米宽的窗口以可以观察到伸缩微操作机械臂的运动情况。

如图4所示伸缩机械臂俯视图，本发明中的伸缩机械臂3可直接连接或通过“T”型或“L”型基座33固定在微操作机器人4的前端或顶部。具体地，所述基座为90°侧置的T型基座，T型基座正置状态下的横板固定在微操作机器人的前端；T型基座正置状态下的竖板水平放置并与连接机械臂通过螺栓固定连接。横板为长方形，其高度为40毫米，宽度为20毫米，厚度为2毫米，在上下部分分别设置2组直径为2毫米间距为10毫米的螺纹孔，每组2个孔，2个孔呈水平位置，其孔中心连线的中心与上部和下部的边缘的距离都为5毫米，距离两侧边缘20毫米，这4个孔通过预紧螺丝用于固定基座与微操作机器人，T型基座正置状态下的竖板水平放置并位于微操作机器人的前端接触面的中心，其长度为20毫米，宽度为20毫米，厚度为2毫米，其上沿着伸缩微操作机械臂31的方向设置呈一条直线2个直径为2毫米间距为10毫米的螺纹孔，两个孔的中心连线的中点和基座与连接机械臂的连接部分的中心重合，这两个孔通过预紧螺丝用于固定连接机械臂和基座。伸缩机械臂在改变打印任务时可以灵活调节微操作空间范围，从而可以根据需要打印微小的结构和较大面积的组织结构。

具体地，本发明中微操作机械手11、俯仰微操作机械臂21、偏转微操作机械臂22、转接机械臂23、伸缩微操作机械臂31、连接机械臂32和基座33的材料为塑料、铝合金、不锈钢。

所述微操作机械手上也可以设置连接凹部和对应的转孔，俯仰微操作机械臂的另一端也可以设置连接凸起及对应的转孔并连接微操作机械手的转孔。同理，偏转微操作机械臂的另一端也可以设置连接凸起及对应的转孔，伸缩微操作机械臂的一端也可以设置连接凹部和对应的转孔并连接偏转微操作机械臂的转孔。伸缩微操作机械臂上也可以设置滑槽和预紧螺丝，连接机械臂可以在滑槽里运动并被预紧螺丝固定。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种用于水下生物打印的微操作机械臂，其特征在于：包括生物打印头、旋转微操作机械臂和伸缩机械臂；生物打印头由微操作机械手和固定安装在微操作机械手上的微流控芯片构成；旋转微操作机械臂由俯仰微操作机械臂、偏转微操作机械臂和转接机械臂构成，转接机械臂的两端分别与俯仰微操作机械臂和偏转微操作机械臂的一端连接以使三者连接后呈“Z”字型；伸缩机械臂由伸缩微操作机械臂、连接机械臂和基座构成，基座固定在微操作机器人的前端，连接机械臂的一端与基座固定，连接机械臂中心设有沿轴线的滑槽，且滑槽一端贯穿连接机械臂远离基座的另一端；伸缩微操作机械臂的一端可滑动地插入滑槽内并通过锁定机构在滑动到位时将伸缩微操作机械臂锁定在连接机械臂上；偏转微操作机械臂另一端通过竖直设置的转轴与伸缩微操作机械臂位于滑槽外的另一端可转动连接，以使偏转微操作机械臂可相对伸缩微操作机械臂左右偏转；微操作机械手一端通过水平设置的转轴与俯仰微操作机械臂的另一端可转动连接，以使微操作机械手可相对俯仰微操作机械臂转动以改变俯仰角度。

2.根据权利要求1所述的用于水下生物打印的微操作机械臂，其特征在于：所述转接机械臂的两端分别通过转轴与俯仰微操作机械臂和偏转微操作机械臂的一端可转动连接，以可改变转接机械臂与俯仰微操作机械臂和偏转微操作机械臂之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的用于水下生物打印的微操作机械臂，其特征在于：所述微操作机械手上设置有限位槽，微流控芯片安装在限位槽内并用预紧螺丝固定。

4.根据权利要求1所述的用于水下生物打印的微操作机械臂，其特征在于：所述微操作机械手与俯仰微操作机械臂连接端端部设置有连接凸起，连接凸起上设有水平贯穿连接凸起的凸端转孔；俯仰微操作机械臂与微操作机械手连接端端部设置有与连接凸起对应的且上下贯通的连接凹部，连接凹部左右两侧壁上设置有水平贯穿两侧壁的有凹端转孔，连接凸起位于连接凹部中并通过穿入凹端转孔和凸端转孔的水平转轴将俯仰微操作机械臂和微操作机械手活动连接。

5.根据权利要求1所述的用于水下生物打印的微操作机械臂，其特征在于：所述伸缩微操作机械臂与偏转微操作机械臂连接端端部设置有连接凸起，连接凸起上设有上下贯穿连接凸起的凸端转孔；偏转微操作机械臂与伸缩微操作机械臂连接端端部设置有与连接凸起对应的且左右贯通的连接凹部，连接凹部上下两侧壁上设置有上下贯穿两侧壁的有凹端转孔，连接凸起位于连接凹部中并通过穿入凹端转孔和凸端转孔的竖向转轴将偏转微操作机械臂和伸缩微操作机械臂活动连接。

6.根据权利要求1所述的用于水下生物打印的微操作机械臂，其特征在于：所述锁定机构为锁定螺丝或者夹持装置，伸缩微操作机械臂在滑槽中滑动到位时通过锁定螺丝或者夹持装置将伸缩微操作机械臂锁定在连接机械臂固定位置处。

7.根据权利要求1所述的用于水下生物打印的微操作机械臂，其特征在于：所述基座为90°侧置的T型基座，T型基座正置状态下的横板竖直设置并固定在微操作机器人的前端；T型基座正置状态下的竖板水平放置并与连接机械臂通过螺栓固定连接。

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