CN113305885A - 一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及载人航天空间站科学实验设备，特别涉及一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统。包括空间站科学手套箱及设置于空间站科学手套箱内的微操作机器人系统；微操作机器人系统包括：三维载物台，具有X、Y、Z三轴运动功能；显微视觉系统，设置于三维载物台上，用于对空间生物实验样品的显微观察，并实时输出图像数据；操作机构，用于对空间生物实验样品进行操作；夹持机构，用于对空间生物实验样品进行夹持与移动；吸附与注射机构，与操作机构和夹持机构连接用于提供正压气动力及负压气动力。本发明具备在轨进行灵巧、精细的多自由度自主操作功能，以达到在空间站进行生命科学实验的目的。

Description

一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统

技术领域

本发明涉及载人航天空间站科学实验设备，特别涉及一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统。

背景技术

空间生命科学与生物技术是空间科学中最重要且最具有代表性的研究领域之一，对丰富和深化自然科学知识体系，提高人类医学和生物学认知，指导和推动人类健康和新农业技术发展，服务于科技创新和国民经济建设都具有十分重要的意义。空间生命科学实验设备是开展空间生命科学与生物技术研究的重要组成部分之一，其功能和技术指标决定了空间生命科学与生物技术研究的深度和广度，对实验任务的完成情况和完成能力起着至关重要的作用。

微操作实验是生命科学探索的基本方法，通常涉及到对生物细胞的吸持、注射、切割等操作，操作精度要求达到微米级。在地面环境下，目前有成熟的成套商用生物微操作设备，但体积、重量较大，消耗资源较多，难以用于空间站在轨环境。因此，需要为空间站设计一套体积小、重量轻、资源消耗少的微操作系统。另外，由于航天员在轨进行精细操作难度极大，当前世界范围内也没有可借鉴的案例，因此，空间站微操作系统需要具备不依赖于航天员参与的自主操作能力，能自主完成操作过程中的操作对象的固定、吸持，操作工具姿态与位置的调整等动作。根据空间站在轨进行生命科学实验的任务要求，急需设计一套具有自主操作能力的微操作机器人系统，实现在太空微重力环境下的细胞级操作实验。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，该系统具备在轨进行灵巧、精细的多自由度自主操作功能，以达到在空间站进行生命科学实验的目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，包括空间站科学手套箱及设置于空间站科学手套箱内的微操作机器人系统；

所述微操作机器人系统包括：

三维载物台，具有X、Y、Z三轴运动功能；

显微视觉系统，设置于三维载物台上，用于对空间生物实验样品的显微观察，并实时输出图像数据；

操作机构，用于对空间生物实验样品进行操作；

夹持机构，用于对空间生物实验样品进行夹持与移动；

吸附与注射机构，与操作机构和夹持机构连接，吸附与注射机构用于为操作机构提供正压气动力及为夹持机构提供负压气动力。

所述操作机构包括宏操作臂、微操作器及注射针组件，其中宏操作臂为六自由度运动机构，微操作器设置于宏操作臂的末端；注射针组件设置于微操作器的末端，注射针组件通过所述吸附与注射机构提供的正压气动力对空间生物实验样品进行注射液体。

所述微操作器包括依次串联的三个微动滑台组件，具有X、Y、Z三轴平动的自由度。

所述夹持机构包括依次连接的X轴滑台组件Ⅱ、Y轴滑台组件Ⅱ、Z轴滑台组件Ⅱ及吸持针组件，其中吸持针组件通过所述吸附与注射机构提供的负压气动力对空间生物实验样品进行捕获及固定。

所述夹持机构还包括基座，所述X轴滑台组件Ⅱ设置于基座上。

所述吸附与注射机构包括正压注射器和负压注射器，其中正压注射器通过正压气管与所述操作机构连接；所述负压注射器通过负压气管与所述夹持机构连接。

所述正压注射器和所述负压注射器内均设有压力传感器。

所述显微视觉系统包括显微镜头、镜筒、相机及安装架，其中安装架与所述三维载物台连接，镜筒安装在安装架上；显微镜头设置于镜筒的下端，用于对空间生物实验样品进行成像；相机设置于镜筒的上端，用于接收图像并将其传送到控制器。

所述三维载物台包括X轴滑台组件Ⅰ、Y轴滑台组件Ⅰ、Z轴滑台组件Ⅰ、培养皿、底板及立柱，其中X轴滑台组件Ⅰ和立柱设置于底板上，Y轴滑台组件Ⅰ设置于X轴滑台组件Ⅰ上，培养皿设置于Y轴滑台组件Ⅰ上；

Z轴滑台组件Ⅰ设置于立柱上，Z轴滑台组件Ⅰ上设有接口板，接口板用于所述显微视觉系统的安装。

所述培养皿的底部设有光源。

本发明的优点及有益效果是：

本发明更适用于空间站在轨资源约束：空间站对上行系统的重量、体积以及功耗都有严格约束，现有商用的微操作设备，无论重量、体积还是功耗，都不能满足空间站在轨使用要求。本发明提出的微操作机器人系统，在极小的空间范围内，集成了操作、移动、显微视觉观察等功能，满足空间站的资源约束要求。

本发明功能更全面：操作机构采用宏微双驱机器人方法，不但能实现三轴方向的微操作功能，而且通过宏操作机构的灵巧运动能力，也能实现微操作的方位角度调整，更好地满足复杂微操作的需求。

本发明操作更安全：系统具有视觉伺服与自主操作能力，生物实验过程完全不需要航天员的参与，实验可以在封闭的箱体内进行，既保证了航天员的安全，也保证了空间站舱内环境的安全。

附图说明

图1为本发明一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统的结构示意图；

图2为本发明中微操作机器人系统的结构示意图；

图3为本发明中三维载物台的结构示意图；

图4为本发明中显微视觉系统的结构示意图；

图5为本发明中操作机构的结构示意图；

图6为本发明中夹持机构的结构示意图；

图7为本发明中吸附与注射机构的结构示意图。

图中：1为微操作机器人系统，2为空间站科学手套箱，11为三维载物台，111为X轴滑台组件Ⅰ，112为Y轴滑台组件Ⅰ，113为Z轴滑台组件Ⅰ，114为培养皿，115为光源，116为底板，117为立柱，118为接口板，12为显微视觉系统，121为显微镜头，122为镜筒，123为相机，124为安装架，13为操作机构，131为宏操作臂，132为微操作器，133为注射针组件，14为夹持机构，141为X轴滑台组件Ⅱ，142为Y轴滑台组件Ⅱ，143为Z轴滑台组件Ⅱ，144为吸持针组件，145为基座，15为吸附与注射机构，151为正压注射器，152为负压注射器，153为正压气管，154为负压气管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明提供的一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，包括空间站科学手套箱2及设置于空间站科学手套箱2内的微操作机器人系统1；微操作机器人系统1包括：三维载物台11、显微视觉系统12、操作机构13、夹持机构14及吸附与注射机构15，其中三维载物台11，具有X、Y、Z三轴运动功能；显微视觉系统12设置于三维载物台11上，用于对空间生物实验样品的显微观察，并实时输出图像数据；操作机构13用于对空间生物实验样品进行操作；夹持机构14用于对空间生物实验样品进行夹持与移动；吸附与注射机构15与操作机构13和夹持机构14连接，吸附与注射机构15用于为操作机构13提供正压气动力及为夹持机构14提供负压气动力。

如图3所示，本发明的实施例中，三维载物台11包括X轴滑台组件Ⅰ111、Y轴滑台组件Ⅰ112、Z轴滑台组件Ⅰ113、培养皿114、底板116及立柱117，其中X轴滑台组件Ⅰ111和立柱117设置于底板116上，Y轴滑台组件Ⅰ112设置于X轴滑台组件Ⅰ111上，培养皿114设置于Y轴滑台组件Ⅰ112上，培养皿114作为生物细胞操作的工作台；立柱117位于X轴滑台组件Ⅰ111的一侧，且通过限位接口安装于底板116上，保证立柱117与底板116之间的垂直度。Z轴滑台组件Ⅰ113设置于立柱117上，Z轴滑台组件Ⅰ113上设有接口板118，接口板118用于显微视觉系统12的安装。

进一步地，培养皿114的底部设有光源115，在培养皿114下部设置的光源115用于在操作实验时提供光照，且光照可通过控制器进行调节。

三维载物台11主要提供X、Y、Z三轴的运动功能，可以实现在行程范围内任意位置的微米级精确定位，满足在XY平面内对生物样品的移动定位需求，以及在Z轴方向上对显微视觉系统12的移动定位需求。

如图4所示，本发明的实施例中，显微视觉系统12包括显微镜头121、镜筒122、相机123及安装架124，其中安装架124与三维载物台11的接口板118连接，镜筒122安装在安装架124上；显微镜头121设置于镜筒122的下端，用于对空间生物实验样品(生物细胞)进行成像。调节三维载物台11的Z轴，使培养皿114上的细胞处于显微镜的焦平面上，即可清晰成像。在镜筒122上设置有倍率调节旋钮，可以在一定范围内调节光学放大倍数。相机123设置于镜筒122的上端，用于接收图像并将其传送到控制器。

本实施例中，显微视觉系统12主要提供对空间生物实验样品的显微观察功能，并实时输出图像数据到显示系统，在其镜筒122上设置有光学倍率调节旋钮，可满足对不同放大倍率的需求。

如图5所示，本发明的实施例中，操作机构13包括宏操作臂131、微操作器132及注射针组件133，其中宏操作臂131为六自由度运动机构，主要提供大范围内的位置运动以及姿态调节。微操作器132设置于宏操作臂131的末端，组成宏微双驱机器人系统；注射针组件133设置于微操作器132的末端，注射针组件133通过吸附与注射机构15提供的正压气动力对空间生物实验样品进行注射液体。

本实施例中，微操作器132包括依次串联的三个微动滑台组件，三个微动滑台组件叠加式组成正交运动机构，具有X、Y、Z三轴平动的自由度，用于小范围内的微米级精细操作。注射针组件133为一种具备产生正压力功能的注射针，可以通过外接正压气源对操作细胞注射特定液体。

操作机构13主要提供对生物样品的操作功能，可以实现对生物细胞从不同方位、任意位置进行微米级操作。

如图6所示，本发明的实施例中，夹持机构14包括依次连接的X轴滑台组件Ⅱ141、Y轴滑台组件Ⅱ142、Z轴滑台组件Ⅱ143及吸持针组件144，其中吸持针组件144通过吸附与注射机构15提供的负压气动力对空间生物实验样品进行捕获及固定。

进一步地，夹持机构14还包括基座145，X轴滑台组件Ⅱ141设置于基座145上。基座145的内部为中空结构，安装控制器。

其中，X轴滑台组件Ⅱ141、Y轴滑台组件Ⅱ142及Z轴滑台组件Ⅱ143的组成原理相同，都是采用滚动导轨支撑，步进电机带动丝杆运动实现微米级运动、定位，三轴组合可实现对被夹持细胞的空间定位功能。吸持针组件144为一种具备负压力功能的吸持针，可以通过外接负压气源对操作细胞进行捕获、固定。

夹持机构14主要提供对生物细胞的夹持与移动功能，通过负压装置吸持细胞后，再通过XYZ三轴移动平台可将细胞移动到行程内的任意位置，满足微操作过程中对细胞的捕获、固定以及微米级的移动定位需求。

本实施例中，操作机构13和夹持机构14分别设置于三维载物台11的相对两侧，在具体的操作过程中互不干扰。

如图7所示，本发明的实施例中，吸附与注射机构15包括正压注射器151和负压注射器152，其中正压注射器151通过正压气管153与操作机构13的注射针组件133连接，为注射针组件133提供正压气动力，实现将注射液推进细胞的功能；负压注射器152通过负压气管154与夹持机构14的吸持针组件144连接，为吸持针组件144提供负压气动力，负压气动力实现将细胞固定在夹持机构上的功能。

本发明的实施例中，吸附与注射机构15用于实现对操作目标的吸持与高精度注射，初始状态下，正压注射器151与负压注射器152内部均密封一定量的空气，正压注射器151采用步进电机带动丝杆驱动内部的活塞向前运动产生正压力，负压注射器152采用步进电机带动丝杆驱动内部的活塞向后运动产生负压力。正压气管153一端连接于正压注射器151的输出端口，另一端连接于注射针组件133的输入端口。负压气管154一端连接于负压注射器152的输出端口，另一端连接于吸持针组件144的输入端口。在正压注射器151与负压注射器152中均安装高精度的压力传感器，实时监测气管内的压力。

本发明的实施例中，X轴滑台组件Ⅰ111采用双列交叉滚子导轨作双边对称支撑，可以实现高刚度支撑，并通过步进电机带动滚珠丝杆驱动滑台运动。在X轴运动的正负极限位置，分别设置一光电开关作极限位置保护的信号反馈。Y轴滑台组件Ⅰ112与X轴滑台组件Ⅰ111形成串联、叠加式XY运动机构。Y轴滑台组件Ⅰ112的设计原理类似于X轴滑台组件Ⅰ111，也是采用双列交叉滚子导轨作双边对称支撑，并通过步进电机带动滚珠丝杆驱动滑台运动。在Y轴运动的正负极限位置，分别设置一光电开关作极限位置保护的信号反馈。Z轴滑台组件Ⅰ113安装于立柱117上，其滑台通过双列滚珠导轨支撑，并通过步进电机带动滚珠丝杆驱动，在正负极限位置分别设置一光电开关作极限位置保护的信号反馈。安装于Z轴滑台组件Ⅰ113滑台上的接口板118上设置与显微视觉系统12的安装接口。三维载物台11的X、Y、Z轴均能实现微米级的定位精度，X、Y轴联合运动实现操作对象在显微镜视场下的位置调节，Z轴运动实现物距调节以使显微镜能精准对焦。

本发明的实施例中，空间站科学手套箱2的主框架为铝合金材料制造，在铝合金框架上镶嵌透明玻璃面板，形成一个密封、内部可观的箱体。

本发明提供的一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，将首次应用于中国空间站上的生物实验，创新设计了一种能满足空间站多资源约束的宏微双驱机器人系统，解决了在轨就位进行生命科学实验的难题。为了保证在轨进行生物实验时的安全性，实验需要在密闭的空间内进行，以避免实验过程中生物样品污染空间站其它区域，特别是避免影响到航天员的安全，因此整个微操作机器人系统放置于具有密闭功能的空间站科学手套箱内。本发明通过巧妙的构型设计，使得在微操作过程中，注射针既能大范围移动，也能小范围进行精细操作；既能进行三轴的平动操作，也能调整操作方向、姿态，具备了地面成熟商用产品都没有的复杂操作能力，满足了空间生命科学实验中的灵巧、精细操作需求。通过视觉伺服控制，可实现自主操作，不需要航天员参与实验，有效保护了航天员的安全。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，包括空间站科学手套箱(2)及设置于空间站科学手套箱(2)内的微操作机器人系统(1)；

所述微操作机器人系统(1)包括：

三维载物台(11)，具有X、Y、Z三轴运动功能；

显微视觉系统(12)，设置于三维载物台(11)上，用于对空间生物实验样品的显微观察，并实时输出图像数据；

操作机构(13)，用于对空间生物实验样品进行操作；

夹持机构(14)，用于对空间生物实验样品进行夹持与移动；

吸附与注射机构(15)，与操作机构(13)和夹持机构(14)连接，吸附与注射机构(15)用于为操作机构(13)提供正压气动力及为夹持机构(14)提供负压气动力。

2.根据权利要求1所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述操作机构(13)包括宏操作臂(131)、微操作器(132)及注射针组件(133)，其中宏操作臂(131)为六自由度运动机构，微操作器(132)设置于宏操作臂(131)的末端；注射针组件(133)设置于微操作器(132)的末端，注射针组件(133)通过所述吸附与注射机构(15)提供的正压气动力对空间生物实验样品进行注射液体。

3.根据权利要求2所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述微操作器(132)包括依次串联的三个微动滑台组件，具有X、Y、Z三轴平动的自由度。

4.根据权利要求1所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述夹持机构(14)包括依次连接的X轴滑台组件Ⅱ(141)、Y轴滑台组件Ⅱ(142)、Z轴滑台组件Ⅱ(143)及吸持针组件(144)，其中吸持针组件(144)通过所述吸附与注射机构(15)提供的负压气动力对空间生物实验样品进行捕获及固定。

5.根据权利要求4所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述夹持机构(14)还包括基座(145)，所述X轴滑台组件Ⅱ(141)设置于基座(145)上。

6.根据权利要求1所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述吸附与注射机构(15)包括正压注射器(151)和负压注射器(152)，其中正压注射器(151)通过正压气管(153)与所述操作机构(13)连接；所述负压注射器(152)通过负压气管(154)与所述夹持机构(14)连接。

7.根据权利要求6所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述正压注射器(151)和所述负压注射器(152)内均设有压力传感器。

8.根据权利要求1所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述显微视觉系统(12)包括显微镜头(121)、镜筒(122)、相机(123)及安装架(124)，其中安装架(124)与所述三维载物台(11)连接，镜筒(122)安装在安装架(124)上；显微镜头(121)设置于镜筒(122)的下端，用于对空间生物实验样品进行成像；相机(123)设置于镜筒(122)的上端，用于接收图像并将其传送到控制器。

9.根据权利要求1所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述三维载物台(11)包括X轴滑台组件Ⅰ(111)、Y轴滑台组件Ⅰ(112)、Z轴滑台组件Ⅰ(113)、培养皿(114)、底板(116)及立柱(117)，其中X轴滑台组件Ⅰ(111)和立柱(117)设置于底板(116)上，Y轴滑台组件Ⅰ(112)设置于X轴滑台组件Ⅰ(111)上，培养皿(114)设置于Y轴滑台组件Ⅰ(112)上；

Z轴滑台组件Ⅰ(113)设置于立柱(117)上，Z轴滑台组件Ⅰ(113)上设有接口板(118)，接口板(118)用于所述显微视觉系统(12)的安装。

10.根据权利要求9所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述培养皿(114)的底部设有光源(115)。

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