CN114107023B - 一种压电驱动细胞显微注射装置及其自适应柔顺控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动细胞显微注射装置，包括柔顺放大机构、位于柔顺放大机构前端的注射针、压电陶瓷；堆叠式压电陶瓷放置在机构中间方槽中，两端用导向柔性梁构成滑移约束来代替过去大量采用的一个输出端固定的边界约束，可以实现增大机构输出刚度，提高机构的固有频率，有利于抑制该多级位移放大柔顺导向机构的位移衰减，从而提高位移放大的精度。本发明还提供了上述压电驱动细胞显微注射装置的自适应柔顺控制方法。

Description

一种压电驱动细胞显微注射装置及其自适应柔顺控制方法

技术领域

本发明涉及精密传动技术领域与生物医学工程领域，特别是涉及一种压电驱动细胞显微注射装置及其自适应柔顺控制方法。

背景技术

细胞显微注射技术是一种使用细针头将外源物质(如DNA、RNA、精子、蛋白质和药物化合物)导入细胞的技术。它已被广泛应用于研究活细胞的各个方面，从信号转导到细胞遗传结构和基因表达等。细胞显微注射技术的核心在于高效率、低损伤地进行细胞或早期胚胎注射。由于人工注射存在效率低、穿刺成功率低和细胞存活率低的缺点，细胞显微注射过程开始逐步向自动化发展。

自动细胞显微注射技术广泛采用压电驱动器(PZT)驱动，原因在于压电驱动器具有(亚)纳米分辨率、大阻塞力、高刚度和快速响应特性的线性定位能力。然而，压电驱动器的一个主要缺点是其较小的行程，其输出位移通常仅为压电材料长度的0.1％-0.2％，因此对于许多需要大工作空间的应用，机械位移放大机构是放大压电驱动器行程以实现大输出位移的常用装置。

常见的机械位移放大机构有桥式、杠杆式、Scott-Russell式和多级位移放大等各种构型。桥式位移放大机构在紧凑结构下可以实现较大位移放大比且不存在寄生运动误差；杠杆式位移放大机构结构简单、刚性好，能使输入输出之间保持一种运动线性关系；Scott-Russell式是通过特殊机构实现运动放大，相较于多级位移放大器具有结构简单、能效高的优点。

以上提到的机械位移放大机构大多采用柔顺机构的结构形式，其主要目的是为了保证驱动系统的高精度，避免传动环节的误差放大，但当压电驱动器通过放大机构输出运动时，压电驱动器对柔性机构所做的功并没有全部传递到输出端，从而产生了能量消耗的问题。此外，放大机构在放大驱动器行程的同时，也放大了整个机构的误差，降低了机构的精度，并且柔性机构寄生运动也会影响输出端的精度。因此，在设计机械位移放大机构时应该综合考虑放大倍数、精度、能耗等问题，开发出新型的高精度位移放大机构是十分必要的。

同时由于不同细胞膜的弹性模量不同，且细胞内部难以精确建立力学模型，故穿刺条件复杂，需要对穿刺位移和穿刺力进行更加精密的控制；另一方面，穿刺时间的长短也是影响细胞存活的一个重要因素。因此对于自动细胞显微注射技术，需要一种能让显微注射针位移和穿刺力在更短的时间内有限收敛的控制方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种压电驱动细胞显微注射装置，解决现有技术中对显微注射时位移放大精度低的技术问题。

本发明同时提供上述压电驱动细胞显微注射装置适应柔顺控制方法，解决如何使显微注射针位移和穿刺力在更短的时间内有限收敛的技术问题。

为实现上述目的，本发明压电驱动细胞显微注射装置提供了如下方案：

一种压电驱动细胞显微注射装置，包括柔顺放大机构、位于柔顺放大机构前端的注射针、压电陶瓷；其特征在于，所述柔顺放大机构包括收容压电陶瓷的槽体，所述槽体包括抵靠在压电陶瓷前后两端的端部及位于压电陶瓷两侧的侧边，侧边向内弯折形成弹性结构且侧边与压电陶瓷的两侧之间留有空隙；柔顺放大机构还具有自两侧边分别向两侧延伸的第一臂、自第一臂向前延伸的第二臂、位于第二臂中部位置的固定支点、连接于两第二臂之间的复合式柔顺导向机构、位于两端部两侧的导向柔性梁，所述导向柔性梁用以对槽体两端产生滑移约束；所述注射针安装于复合式柔顺导向机构上。

本发明技术方案的有益效果如下：在上述压电驱动细胞显微注射装置中，堆叠式压电陶瓷放置在槽体中，两端用导向柔性梁构成滑移约束来代替过去大量采用的一个输出端固定的边界约束，可以实现增大机构输出刚度，提高机构的固有频率，有利于抑制该多级位移放大柔顺导向机构的位移衰减，从而提高位移放大的精度。

进一步的，所述复合式柔顺导向机构包括两条横梁及一条中间梁，两条横梁一前一后设置，每条横梁的两端分别连接两侧的第二臂，中间梁的前后两端分别与两个横梁连接；所述横梁与第二臂连接位置、横梁与中间梁连接处均为柔性支点。在上述压电驱动细胞显微注射装置中，两条横梁及一条中间梁形成桥式复合式柔顺导向机构。第二臂形成的杠杆式柔顺位移放大机构可以弥补对称性结构设计不能提高放大倍数的缺点，而桥式柔顺位移放大机构相较于杠杆式频响高、结构紧凑且不存在寄生运动误差。从而该结构中桥式柔顺位移放大机构能够进一步的克服杠杆式柔顺位移放大机构的缺陷而进一步提高位移放大的精度。

而本发明提供的上述压电驱动细胞显微注射装置适应柔顺控制方法采用如下技术方案：

一种压电驱动细胞显微注射装置的自适应柔顺控制方法，在注射针的底部安装微力传感器，在槽体内部集成位移传感器，采用一个控制器同时调节所述注射针的输出位移和接触力；该控制方法包含内外双环，其中内环为位置反馈环，外环为自适应柔顺控制环；该控制器以显微注射针的输出位移x为控制量，当注射针的针尖接触对象时，产生接触力f，内环即位置反馈环，以注射针的实际输出位移x与理想位移x_r作差得到误差e₂作为反馈控制器的输入，该反馈控制器的输出为控制量u₂；外环即自适应柔顺控制环，以接触力f为阻抗模型的输入，得到对应的输出位移，该输出位移与理想位移x_r作差得到误差e₁作为滑模函数的输入，得到滑模面变量σ，经过参数自适应律与滑模控制器，得到控制量u₁，该控制器的总控制量u为前所述的u₁和u₂之和。

有益效果：该控制方法通过自适应控制的方式来减少由于不同种类细胞环境差异和细胞难以精确建模等问题造成的影响，提高细胞操作的力/位精度和柔顺性。通过阻抗控制的方式避免了控制律的切换，从而避免了切换引起的振动，提高了系统的稳定性。

进一步的，滑模函数的解析表达为：

其中，k₁和k₂分别为比例和微分系数，e₁为误差，为对误差进行时间求导得到的导数。

附图说明

图1是本发明中压电驱动细胞显微注射装置的结构示意图；

图2是本发明中压电驱动细胞显微注射装置未安装压电陶瓷时的立体图；

图3是本发明中柔顺位移放大机构的伪刚体模型示意图；

图4是本发明中自适应柔顺控制方法的控制框架示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。

为了使本技术领域中的人员更好的理解发明内容，以下将结合发明实施例中的附图，完整、清晰详细地描述本发明实施例中的技术方案。显然，所描述实施例仅为本发明部分实施例，故附图和实施例仅用于对实施例描述，不应该理解为对本专利的限制，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下获得的其他实施例，也属于本发明的保护范畴。

参见图1及图2所示，为一种压电驱动细胞显微注射装置，该装置整体采用对称性结构。该装置包括柔顺放大机构1、位于柔顺放大机构1前端的注射针2、压电陶瓷3、基座4。柔顺放大机构1通过若干螺钉5安装在基座4上。

柔顺放大机构1由金属板体一体切割成型。该柔顺放大机构1包括收容压电陶瓷3的槽体11，所述槽体11包括抵靠在压电陶瓷3前后两端的端部12及位于压电陶瓷3两侧的侧边13。压电陶瓷3抵靠于端部12内侧且端部12对压电陶瓷3采用预紧螺钉31进行预加载。侧边13向内弯折形成弹性结构且侧边13与压电陶瓷3的两侧之间留有空隙。即当压电陶瓷3产生振动时只直接对两端部12进行振动施压，而两端部12受到振动施压后(如图1中的虚线方向，即收到的振动施压方向)，两侧边13的弹性结构随着振动会外弹及内收。为了优化侧边13的外弹效果，本实施方式中的侧边13设计为向内凹的V形。

柔顺放大机构还具有自两侧边分别向两侧延伸的第一臂14、自第一臂14向前延伸的第二臂15、位于第二臂15中部位置的固定支点16、连接于两第二臂15之间的复合式柔顺导向机构17、位于两端部两侧的导向柔性梁18，所述导向柔性梁18用以对槽体11两端产生滑移约束。此时压电陶瓷3以及槽体11的边界条件是基于导向柔性梁18的滑移约束，并非过去常用的一个输出端固定的边界约束，这样使得压电陶瓷3通电振动时只存在一个方向的伸缩变形运动，即前述对两端部12的伸缩振动施压。

所述复合式柔顺导向机构17包括两条横梁171及一条中间梁172，两条横梁171一前一后设置。每条横梁171的两端分别连接两侧的第二臂15。中间梁172的前后两端分别与两个横梁171连接。所述横梁171与第二臂15连接位置、横梁171与中间梁172连接处均为柔性支点173。在本实施方式中，柔性支点173的结构是至少一侧向内弧形凹陷形成的。

结合图3所示，该注射装置在使用时，对整个细胞穿刺注射过程分为两个阶段：一是细胞穿刺阶段，压电陶瓷3接收到特定高频信号后开始产生轴向高频振动和微小位移，同时受到由导向柔性梁18构成的滑移约束，使侧边13的弹性结构随着振动会外弹及内收的往复。当侧边13外弹时，则第一臂14带动第二臂15也向外移动，而第二臂15在固定支点16的约束下形成了杠杆运动而将第一臂14传递过来的微小位移初步放大，并传递到复合式桥式柔顺导向机构17。经过复合式柔顺导向机构17进一步位移放大后传递到输出端的注射针1上，完成细胞穿刺；二是细胞注射阶段，待注射液体通过注射针1注入细胞，由外部注射泵提供动力。

上述第二臂15采用杠杆式位移放大机构和复合式柔顺导向机构17相结合的结构形式。基于杠杆原理的运动放大机构结构简单、刚性好，能效高，相对其它类型的运动机构而言，它能使输入输出保持一种运动关系；复合式柔顺导向机构17相较于杠杆式频响高、结构紧凑且不存在寄生运动误差，并且复合式柔顺导向机构17可以提高机构输出端横向刚度，从而有效减小该机构输出端的寄生运动，提高细胞穿刺精度。

图3是本实施方式中压电驱动细胞显微注射装置的柔顺位移放大机构伪刚体模型示意图。图中实线部分为柔顺放大机构2原始位置，虚线部分为受压电驱动变形后的位置，整体输入输出情况也如图所示。由于位移放大机构中往往采用各种柔顺机构，其在受力时具有较大的变形，满足小变形假设，而分析几何非线性条件下柔性单元的变形往往需要用到椭圆积分或数值积分，过程比较复杂。为此本发明采用Howell等人提出的一种简化求解的1R伪刚体模型方法来预测大变形柔性单元的变形情况，将柔性杆的运动特性由带有铰链的刚性杆模拟，其刚度特性由附加的扭簧来描述，如复合式柔顺导向机构17和杠杆式位移放大机构(第二臂15)可以分别转化如图3中的伪刚体模型：复合式桥式位移放大机构转化为带有铰链的刚性杆，杠杆式位移放大机构转化为带有固定铰支承的杠杆。这样可以在柔性机构和刚性机构之间搭建起一座桥梁，找到彼此之间的对应关系，从而利用刚性机构分析设计理论进行分析。

参见图4，为一种细胞显微注射装置的自适应柔顺控制方法，采用一个控制器同时调节所述显微注射针的输出位移和接触力。该装置通过显微注射针1的底部的微力传感器和压电陶瓷放置槽9内部集成的位移传感器，采集到输出位移信号x和接触力信号f。该控制器以显微注射针的输出位移x为控制量，当针尖接触细胞对象时，产生接触力f，内环即位置反馈环，以注射针的实际输出位移x与理想位移x_r作差得到误差e₂作为反馈控制器的输入，该反馈控制器的输出为控制量u₂。外环即自适应柔顺控制环，以接触力f为阻抗模型的输入，得到对应的输出位移，该输出位移与理想位移x_r作差得到误差e₁作为滑模函数的输入，得到滑模面变量σ，经过参数自适应律与滑模控制器，得到控制量u₁，使接触力在有界干扰下收敛到稳定状态从而提高注射过程柔顺性。该控制器的总控制量u为前所述的u₁和u₂之和。通过调整位置输入，使得注射针的位置以及注射针与环境的接触力满足预定的理想轨迹。

其中，滑模函数(关于误差e₁的函数)满足表达式(其中，k₁和k₂分别为比例和微分系数，e₁为误差，为对误差进行时间求导得到的导数)。该表达式引入滑模面变量σ作为辅助变量，再通过自适应控制的方式来减少由于不同种类细胞环境差异和细胞难以精确建模等问题造成的影响，提高细胞操作的力/位精度和柔顺性。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，并不能作为本发明的限制条件。对于从事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，做出的若干非创造性改进和润饰也都应该视为本发明的保护范围，本发明的保护范围应由所附权利要求来界定。

Claims (8)

1.一种压电驱动细胞显微注射装置，包括柔顺放大机构、位于柔顺放大机构前端的注射针、压电陶瓷；其特征在于，所述柔顺放大机构包括收容压电陶瓷的槽体，所述槽体包括抵靠在压电陶瓷前后两端的端部及位于压电陶瓷两侧的侧边，侧边向内弯折形成弹性结构且侧边与压电陶瓷的两侧之间留有空隙；柔顺放大机构还具有自两侧边分别向两侧延伸的第一臂、自第一臂向前延伸的第二臂、位于第二臂中部位置的固定支点、连接于两第二臂之间的复合式柔顺导向机构、位于两端部两侧的导向柔性梁，所述导向柔性梁用以对槽体两端产生滑移约束；所述注射针安装于复合式柔顺导向机构上。

2.根据权利要求1所述的压电驱动细胞显微注射装置，其特征在于，所述复合式柔顺导向机构包括两条横梁及一条中间梁，两条横梁一前一后设置，每条横梁的两端分别连接两侧的第二臂，中间梁的前后两端分别与两个横梁连接；所述横梁与第二臂连接位置、横梁与中间梁连接处均为柔性支点。

3.根据权利要求1或2所述的压电驱动细胞显微注射装置，其特征在于，整体采用对称性结构。

4.根据权利要求3所述的压电驱动细胞显微注射装置，其特征在于，对压电陶瓷采用预紧螺钉进行预加载。

5.根据权利要求4所述的压电驱动细胞显微注射装置，其特征在于，还包括基座，所述柔顺放大机构安装在该基座上。

6.根据权利要求1或2所述的压电驱动细胞显微注射装置，其特征在于，所述柔顺放大机构由金属板体一体切割成型。

7.一种根据权利要求1至6中任一项所述压电驱动细胞显微注射装置的自适应柔顺控制方法，其特征在于，在注射针的底部安装微力传感器，在槽体内部集成位移传感器，采用一个控制器同时调节所述注射针的输出位移和接触力；该控制方法包含内外双环，其中内环为位置反馈环，外环为自适应柔顺控制环；该控制器以显微注射针的输出位移x为控制量，当注射针的针尖接触对象时，产生接触力f，内环即位置反馈环，以注射针的实际输出位移x与理想位移x_r作差得到误差e₂作为反馈控制器的输入，该反馈控制器的输出为控制量u₂；外环即自适应柔顺控制环，以接触力f为阻抗模型的输入，得到对应的输出位移，该输出位移与理想位移x_r作差得到误差e₁作为滑模函数的输入，得到滑模面变量σ，经过参数自适应律与滑模控制器，得到控制量u₁，该控制器的总控制量u为前所述的u₁和u₂之和。

8.根据权利要求7所述的自适应柔顺控制方法，其特征在于，滑模函数的解析表达为：

其中，k₁和k₂分别为比例和微分系数，e₁为误差，为对误差进行时间求导得到的导数。