CN1613617A - 一种实现微切剖作业的微操作器装置 - Google Patents
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Abstract
一种实现微切剖作业的微操作器装置，属于机器人技术领域，涉及活体微组织显微切剖作业的微操作器装置。该装置由主运动机构、微振动切剖单元、驱动单元和微操作器基座等构成。本发明的特征在于：主运动机构中的每条支链上均设置有两个柔性虎克铰链，静平台上设置有三个柔性转动铰链。在驱动单元中，压电驱动器上的驱动器顶帽的底部固联有小圆珠，小圆珠与支链相接触；压电驱动器沿其轴向伸缩时，带动小圆珠沿压电驱动器的轴向运动，进而推动3条支链绕柔性转动铰链转动，实现动平台的空间三维纯移动运动。动平台上的微振动切剖单元由高频微激振器激励实现高频微幅振动。通过这二种运动的复合，实现活体微组织的高精度、微损伤切剖作业。
Description
技术领域
本发明涉及一种微操作器装置，用于实现活体微组织的显微切剖作业。属于机器人技术领域。
背景技术
现代医疗和生物工程领域中有许多作业需要对活体微组织实施不同形式的微细操作。由于被操作对象的外观尺度很小，相关操作需在显微镜下进行。在工程实际中，活体微组织的显微操作还主要由手工操作来实现。其缺点是操作精度较差、效率和成功率都较低。因此，研制具有高精度、高效率的智能显微操作系统成为提高显微操作精度、效率和成功率的重要途径。
从实施显微操作的过程和特点看，显微操作可主要分为三种基本形式，即对活体微组织实施的微穿刺操作，高精度和微损伤的微切剖操作和微移动操作。这三种基本操作形式分别侧重于不同的作业任务，通过它们之间的适当组合还可以完成更为复杂精细作业。
现有的智能显微操作系统主要用于实现微体对象的微穿刺和微移动作业，虽然也能进行微切剖作业，但其功能均相对较弱。原因在于：(1)现有微切剖操作的实施方式是在保持细玻璃针与被切剖对象表面间有适当接触压力的前提下，由微操作器拖动细玻璃针来实现。其作业过程是由细玻璃针“划开”被操作对象，因此易出现起皱现象，切面不规则，切剖质量较差的缺陷。当细玻璃针与被切剖对象之间的接触压力较大时，因细玻璃针嵌入被操作对象较深，在拖动过程中易发生断针现象。(2)由于在微细环境中作业，微操作系统很难较大幅度地改变细玻璃针的姿态，故难以实现较为复杂的微切剖作业。
智能显微操作系统主要由主控计算机、关节伺服控制器、功率放大器、传感器系统、显微镜、CCD摄象机、图象处理机和微操作器等组成。微操作器的功能是直接作用于被操作对象并完成具体操作任务，属于智能显微操作系统的重要基本组成模块。
发明内容
本发明的目的是：为了解决现有智能显微操作系统中的微操作器所存在的切剖操作功能相对较弱、切剖作业质量较差的问题，设计出了本发明的一种实现微切剖作业的微操作器装置。
本发明提供的一种实现微切剖作业的微操作器装置所采用的技术方案如图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15所示。该装置包括有动平台1与3条支链2固联，3条支链2再与静平台3固联构成的主运动机构。插装细玻璃针11的持针器4与高频微激振器5固联，高频微激振器5再与微激振器座6固联构成的微振动切剖单元。压电驱动器7插装入驱动器座体8构成的驱动单元。将微振动切剖单元通过微激振器座6与主运动机构的动平台1联接，主运动机构通过静平台3与微操作器基座10相联，驱动单元通过驱动器座体8与微操作器基座10固联，使三者联为一体。其特征在于：主运动机构中的每条支链2上均设置有两个柔性虎克铰链18和柔性虎克铰链23，静平台3上设置有三个柔性转动铰链24。驱动单元中的套装在压电驱动器7上的驱动器顶帽9的底部固联有小圆珠13，小圆珠13与支链2相接触。压电驱动器7沿其轴向伸缩时，带动小圆珠13沿压电驱动器7的轴向运动，进而推动3条支链2绕柔性转动铰链24转动，实现动平台1的空间三维纯移动运动。固联于动平台1上的微振动切剖单元中的细玻璃针11由高频微激振器5激励实现高频微幅振动，同时随动平台做空间三维移动。
上述所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，主运动机构中的支链2为开有8个深凹槽的柔性铍青铜结构件；其中的柔性虎克铰链18由凹槽14、15、16和17构成，另一个柔性虎克铰链23由凹槽19、20、21和22构成；凹槽14和15的中分面彼此垂直，凹槽16和17的中分面彼此垂直，两个彼此垂直的凹槽不相通，凹槽19、20、21和22的中分面分别平行于凹槽14、15、16和17的中分面；各凹槽的结构形式相同，其两侧面相互平行，底部为小圆弧面。
上述所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，主运动机构中的3条支链2沿动平台1和静平台3的圆周向对称布置。
上述所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，主运动机构中的动平台1为圆盘结构。沿其圆周向均匀开有联结支链2及激振器6的螺纹孔。
上述所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，主运动机构中的铍青铜材料制成的静平台3采用轴对称三角形结构。沿其周向均匀开有联结操作器基座10的螺纹孔。
上述所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，主运动机构中的静平台3上设置的柔性转动铰链24是在与静平台3一体的外延连接臂根部的上下面上，切削掉两个结构形式相同的小圆弧凹槽25而形成。
上述所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，主运动机构中的静平台3的外延连接臂端部的上表面与支链2的下端部的下表面上分别开有结构相同的阶梯面26和阶梯面27。
上述所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，驱动单元中的带有裙底28的驱动器座体8为筒形结构件。在筒壁29上开有3个沿圆周向均布的直槽30。在驱动器座体8的内顶部设置有3个插装压电驱动器7的沿周向均布的圆孔12。在驱动器座体8的外顶部开有3个与圆孔12同轴的螺纹孔。驱动器座体8的外顶部开有的螺纹孔内设置有调整压电驱动器7的位置以确保小圆珠13与支链2保持接触的、可旋拧的驱动器调节螺钉31。
上述所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，微操作器基座10为圆盘形结构件。其上表面开有沿圆周向均布的联结支链2及静平台3的螺纹孔，其下表面开有沿圆周向均布的3个螺纹孔。微操作器基座10下表面开有的螺纹孔内设置有调整支链2并使支链2与小圆珠13保持接触的压紧弹簧33与可旋拧的压紧弹簧调节螺钉32。
本发明的一种实现微切剖作业的微操作器装置的结构详细叙述如下：该装置主要由主运动机构、微振动切剖单元、驱动单元及微操作器基座构成。其中，动平台1通过3个螺钉与3条支链2固联，3条支链2再由3个螺钉与静平台3固联构成微操作器装置的主运动机构。持针器4通过其端部细圆孔34插装细玻璃针11后与高频微激振器5的输出端35通过螺纹联结，高频微激振器5再通过其底部螺纹与微激振器座6固联构成微振动切剖单元。驱动器座体8为带有裙底28的筒形结构件，其筒壁29上开有3个沿周向均布的直槽30，在驱动器座体8的内顶部设置有3个沿周向均布的圆孔12，驱动器顶帽9的顶部开有小圆凹坑36，小圆珠13粘接在小圆坑36内，3个压电驱动器7套装驱动器顶帽9后装入驱动器座体8上的圆孔12中构成微操作器装置的驱动单元。微振动切剖单元通过3个螺钉与动平台1固联，主运动机构的静平台3由3个螺钉与微操作器基座10相联，驱动器座体8通过其裙底28与微操作器基座10由3个螺钉固联，并将该装置联为一体，同时实现固联于驱动器顶帽9的小圆珠13与支链2之间的点接触。该装置中，所有部件之间均采用常规技术连接。
本发明的一种实现微切剖作业的微操作器装置的工作原理如下所述：当3个压电驱动器7沿其轴向伸缩时，带动驱动器顶帽9上的3个小圆珠13沿压电驱动器7的轴向运动，进而推动3条支链2绕柔性转动铰链24转动。当3条支链2绕柔性转动铰链24转动时，动平台1即可带动微振动切剖单元实现空间较大幅度的(亚毫米)三维纯移动运动。同时细玻璃针11的针尖在微激振器6的激励下实现高频微幅振动。当细玻璃针11的针尖与固置于载物台37上的活体微组织38接触时就可以实现微切剖作业。
本发明的突出优点是细玻璃针的切剖操作由动平台的空间三维移动及微激振器的高频微幅激励振动复合而成，其中玻璃针尖的高频微幅振动可实现微活体组织的微损伤连续往复穿刺，而动平台带动玻璃针尖做较大范围的空间三维运动，通过二者的复合可以实现微活体组织的较复杂的高精度、微损伤切剖作业。
附图说明
图1本发明的微操作器装置的结构示意图。
图2动平台的结构示意图。
图3支链的结构示意图。
图4静平台的结构示意图。
图5主运动机构结构示意图。
图6主运动机构的等效运动机构简图。
图7持针器的结构示意图。
图8高频微激振器的外观结构示意图。
图9微激振器座的结构示意图。
图10微振动切剖单元的结构示意图。
图11压电驱动器的外观结构示意图。
图12驱动器座体的结构示意图。
图13驱动器顶帽的结构示意图。
图14微操作器基座的结构示意图。
图15微操作器装置的工作示意图。
图1～图15中：
1、动平台；2、支链；3、静平台；4、持针器；5、高频微激振器；6、微激振器座；7、压电驱动器；8、驱动器座体；9、驱动器顶帽；10、微操作器基座；11、细玻璃针；12、圆孔；13、小圆珠；、凹槽14；凹槽15；凹槽16；凹槽17；柔性虎克铰链18；凹槽19；凹槽20；凹槽21；凹槽22；柔性虎克铰链23；24、柔性转动铰链；25、小圆弧凹槽；阶梯面26；阶梯面27；28、裙底；29、筒壁；30、直槽；31、驱动器调节螺钉；32、弹簧调节螺钉；33、压紧弹簧；34、细圆孔；35、输出端；36、小圆坑；37、载物台；38、活体微组织。
具体实施方式
图1为本发明的具体实施方式。该装置主要由动平台1、支链2、静平台3、持针器4、高频微激振器5、微激振器座6、压电驱动器7、驱动器座体8、驱动器顶帽9、微操作器基座10和细玻璃针11等构件组成。所有构件均为市售或加工件。按照技术设计要求将动平台1通过3个螺钉与3条支链2固联，3条支链2再通过3个螺钉与静平台3固联构成微操作器装置的主运动机构。将持针器4插装细玻璃针11后与高频微激振器5的输出端36通过螺纹联结，高频微激振器5再通过其底部螺纹与微激振器座6固联构成微振动切剖单元。将3个压电驱动器装入驱动器座体8上的圆孔12中构成微操作器装置的驱动单元。微振动切剖单元通过3个螺钉与动平台1固联，主运动机构的静平台3由3个螺钉与微操作器基座10相联，驱动器座体8通过其裙底28与微操作器基座10由3个螺钉固联，并将该装置联为一体。组装时，保证固联于驱动器顶帽9的小圆珠13与支链2实现点接触。该装置中，所有部件之间均采用常规技术连接。
Claims (9)
1.一种实现微切剖作业的微操作器装置，包括有动平台(1)与3条支链(2)固联，3条支链(2)再与静平台(3)固联构成的主运动机构；插装细玻璃针(11)的持针器(4)与高频微激振器(5)固联，高频微激振器(5)再与微激振器座(6)固联构成的微振动切剖单元；压电驱动器(7)插装入驱动器座体(8)构成的驱动单元；将微振动切剖单元通过微激振器座(6)与主运动机构的动平台(1)联接，主运动机构通过静平台(3)与微操作器基座(10)相联，驱动单元通过驱动器座体(8)与微操作器基座(10)固联，使三者联为一体；其特征在于：主运动机构中的每条支链(2)上均设置有两个柔性虎克铰链(18)和柔性虎克铰链(23)，静平台(3)上设置有三个柔性转动铰链(24)；驱动单元中的套装在压电驱动器(7)上的驱动器顶帽(9)的底部固联有小圆珠(13)，小圆珠(13)与支链(2)相接触；压电驱动器(7)沿其轴向伸缩时，带动小圆珠(13)沿压电驱动器(7)的轴向运动，进而推动3条支链(2)绕柔性转动铰链(24)转动，实现动平台(1)的空间三维纯移动运动；固联于动平台(1)上的微振动切剖单元中的细玻璃针(11)由高频微激振器(5)激励实现高频微幅振动，同时随动平台(1)做空间三维移动。
2.根据权利要求1所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，其特征在于：主运动机构中的支链(2)是开有8个深凹槽的柔性铍青铜结构件；其中的柔性虎克铰链(18)由凹槽(14)、(15)、(16)和(17)构成，另一个柔性虎克铰链(23)由凹槽(19)、(20)、(21)和(22)构成；凹槽(14)和(15)的中分面彼此垂直，凹槽(16)和(17)的中分面彼此垂直，两个彼此垂直的凹槽不相通，凹槽(19)、(20)、(21)和(22)的中分面分别平行于凹槽(14)、(15)、(16)和(17)的中分面；各凹槽的结构形式相同，其两侧面相互平行，底部为小圆弧面。
3.根据权利要求1或2所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，其特征在于：主运动机构中的3条支链(2)沿动平台(1)和静平台(3)的圆周向对称布置。
4.根据权利要求1所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，其特征在于：主运动机构中的动平台(1)为圆盘结构，沿其圆周向均匀开有联结支链(2)及激振器(6)的螺纹孔。
5.根据权利要求1所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，其特征在于：主运动机构中的铍青铜材料制成的静平台(3)采用轴对称三角形结构，沿其周向均匀开有联结操作器基座(10)的螺纹孔。
6.根据权利要求1或5所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，其特征在于：主运动机构中的静平台(3)上设置的柔性转动铰链(24)是在与静平台(3)一体的外延连接臂根部的上下面上，切削掉两个结构形式相同的小圆弧凹槽(25)而形成。
7.根据权利要求1所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，其特征在于：主运动机构中的静平台(3)的外延连接臂端部的上表面与支链(2)的下端部的下表面上分别开有结构相同的阶梯面(26)和阶梯面(27)。
8.根据权利要求1所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，其特征在于：驱动单元中的带有裙底(28)的驱动器座体(8)为筒形结构件；在筒壁(29)上开有3个沿圆周向均布的直槽(30)；在驱动器座体(8)的内顶部设置有3个插装压电驱动器(7)的沿周向均布的圆孔(12)，在驱动器座体(8)的外顶部开有3个与圆孔(12)同轴的螺纹孔；驱动器座体(8)的外顶部开有的螺纹孔内设置有调整压电驱动器(7)的位置以确保小圆珠(13)与支链(2)保持接触的、可旋拧的驱动器调节螺钉(31)。
9.根据权利要求1所述的一种实现微切剖作业的微操作器装置，其特征在于：微操作器基座(10)为圆盘形结构件，其上表面开有沿圆周向均布的联结支链(2)及静平台(3)的螺纹孔，其下表面开有沿圆周向均布的3个螺纹孔；微操作器基座(10)下表面开有的螺纹孔内设置有调整支链(2)并使支链(2)与小圆珠(13)保持接触的压紧弹簧(33)与可旋拧的压紧弹簧调节螺钉(32)。
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