微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置及其用于顯微注射的操作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及微納操作【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置以及其注射操作方法。微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置，其技術(shù)方案是，慢速高精度微納米操作機(jī)器人、快速高精度微納米操作機(jī)器人以及微操作器的底部均通過(guò)安裝臺(tái)安裝于環(huán)狀支撐軌道；本發(fā)明通過(guò)設(shè)置環(huán)狀導(dǎo)軌不僅能夠?qū)崿F(xiàn)操作末端的360度的旋轉(zhuǎn)，而且能保證操作器末端始終處于顯微鏡視野范圍內(nèi)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。利用本發(fā)明的操作方法可以在顯微注射時(shí)自主選擇注射角度，選擇細(xì)胞外壁離細(xì)胞核位置較近的位置進(jìn)行注射，避免了傳統(tǒng)人工操作調(diào)整細(xì)胞位置的繁瑣。
【專(zhuān)利說(shuō)明】微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置及其用于顯微注射的操作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米操作【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置以及其注射操作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在微納米技術(shù)以及機(jī)器人快速發(fā)展的今天，如何利用機(jī)器人技術(shù)在顯微鏡下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜靈活的操作變得格外重要。在顯微注射、單細(xì)胞機(jī)械特性分析、細(xì)胞的分選、微結(jié)構(gòu)以及微納米器件的組裝、自下而上的人體器官再生的微生物結(jié)構(gòu)組裝方面都急需一種裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)顯微鏡下微納米尺度的復(fù)雜靈活的自動(dòng)化協(xié)同操作裝置。
[0003]目前，已經(jīng)有一些多自由度的單微納米操作機(jī)器人平臺(tái)，在顯微注射等單細(xì)胞操作等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的使用。但是這些微納米操作機(jī)器人一般都只有3自由度的平移運(yùn)動(dòng)和一些其他的受限制的空間運(yùn)動(dòng)且基座固定，靈活性很差。所有的微納米操作都要通過(guò)顯微鏡來(lái)獲得圖像，而顯微鏡的視野極為有限，即使輕微的操作其末端的旋轉(zhuǎn)也會(huì)導(dǎo)致末端執(zhí)行器移除視野，所以實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中微納米操作機(jī)器人很少有旋轉(zhuǎn)自由度，即使有也只有1-15度的旋轉(zhuǎn)，行程很小。而在顯微注射過(guò)程當(dāng)中需要選擇固定的角度進(jìn)行注射，現(xiàn)有的微納米操作機(jī)器人裝置難以滿足這樣的需要。綜上所述，目前現(xiàn)有這些無(wú)大行程旋轉(zhuǎn)自由度固定基座的多微納米操作機(jī)器人系統(tǒng)極大地限制了其操作靈活性，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足顯微注射、單細(xì)胞分析等的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:為有效解決現(xiàn)階段微納米操作機(jī)器人系統(tǒng)操作末端的大行程旋轉(zhuǎn)時(shí)易移出顯微鏡視野，靈活性差的問(wèn)題，以及普通微納米操作機(jī)器人在實(shí)施顯微注射時(shí)無(wú)法主動(dòng)選擇合適角度進(jìn)行注射的問(wèn)題，提供一種微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置及其用于顯微注射的操作方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置，它包括:慢速高精度微納米操作機(jī)器人、快速高精度微納米操作機(jī)器人以及微操作器；慢速高精度微納米操作機(jī)器人、快速高精度微納米操作機(jī)器人以及微操作器的底部均通過(guò)安裝臺(tái)安裝于環(huán)狀支撐軌道;
[0006]環(huán)狀支撐軌道的內(nèi)環(huán)為光滑面，外環(huán)具有齒圈；安裝臺(tái)的一端設(shè)有彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)，彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)處設(shè)有內(nèi)光滑導(dǎo)輪；在彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)相對(duì)側(cè)的安裝臺(tái)上設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、外驅(qū)動(dòng)齒輪以及外從動(dòng)齒輪，外驅(qū)動(dòng)齒輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸連接；安裝臺(tái)通過(guò)其上的外驅(qū)動(dòng)齒輪以及外從動(dòng)齒輪與環(huán)狀支撐軌道的外環(huán)嚙合，并通過(guò)其上的內(nèi)光滑導(dǎo)輪與環(huán)狀支撐軌道的內(nèi)環(huán)夾緊；
[0007]驅(qū)動(dòng)電機(jī)由控制器連接電腦進(jìn)行控制其轉(zhuǎn)速。
[0008]本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是:微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置用于顯微注射的操作方法，它包括以下步驟:
[0009]A.調(diào)整顯微鏡視野中心與環(huán)狀支撐軌道的中心重合，并調(diào)節(jié)慢速高精度微納米操作機(jī)器人以及快速高精度微納米操作機(jī)器人使其上的微操作器均指向視野中心；
[0010]B.操作用于固定細(xì)胞的快速高精度微納米操作機(jī)器人用其上的吸管固定探針固定住細(xì)胞并將其移動(dòng)至視野中心，然后釋放該細(xì)胞，控制快速高精度微納米操作機(jī)器人將吸管固定探針沿豎直Z軸方向抬高；
[0011]C.控制快速高精度微納米操作機(jī)器人安裝臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使快速高精度微納米操作機(jī)器人沿環(huán)狀支撐軌道運(yùn)動(dòng)，選擇特定的方向，使該細(xì)胞的細(xì)胞核處于吸管固定探針的最遠(yuǎn)端，然后控制快速高精度微納米操作機(jī)器人重新固定細(xì)胞；
[0012]D.控制慢速高精度微納米操作機(jī)器人使其上的注射探針沿豎直Z軸方向抬高；
[0013]E.控制慢速高精度微納米操作機(jī)器人安裝臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使注射探針和吸管固定探針相直對(duì)的位置上；
[0014]F.控制慢速高精度微納米操作機(jī)器人調(diào)整注射探針的位置并進(jìn)行注射。
[0015]有益效果:(I)本發(fā)明通過(guò)設(shè)置環(huán)狀導(dǎo)軌不僅能夠?qū)崿F(xiàn)操作末端的360度的旋轉(zhuǎn)，而且能保證操作器末端始終處于顯微鏡視野范圍內(nèi)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，同時(shí)造價(jià)低廉。
[0016](2)本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有的單微納米操作機(jī)器人系統(tǒng)，可設(shè)置的多種微納米操作機(jī)器人配合使用使其能夠完成復(fù)雜的任務(wù)。
[0017](3)利用本發(fā)明所述的操作方法可以自主選擇注射角度，選擇細(xì)胞外壁離細(xì)胞核位置較近的位置進(jìn)行注射，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，避免了傳統(tǒng)人工操作調(diào)整細(xì)胞位置的繁瑣，減小對(duì)于被注射細(xì)胞的傷害提高注射成功率。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明環(huán)狀導(dǎo)軌以及安裝底座的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為圖2的仰視圖；
[0021]其中，1-環(huán)狀支撐軌道、2-彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)、3-安裝臺(tái)、4-驅(qū)動(dòng)電機(jī)、5-外驅(qū)動(dòng)齒輪、6-外從動(dòng)齒輪、7-外從動(dòng)齒輪、8-慢速高精度壓電陶瓷致動(dòng)器、9-慢速高精度微納米操作機(jī)器人、10-安裝架、11-微操作器、12-快速高精度微納米操作機(jī)器人、13-快速高精度步進(jìn)電機(jī)致動(dòng)器、14-注射探針、15-吸管固定探針。

【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)施例1，參見(jiàn)附圖1，微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置，它包括:慢速高精度微納米操作機(jī)器人9、快速高精度微納米操作機(jī)器人12以及微操作器11 ;慢速高精度微納米操作機(jī)器人9、快速高精度微納米操作機(jī)器人12以及微操作器11的底部均通過(guò)安裝臺(tái)3安裝于環(huán)狀支撐軌道I ;
[0023]參見(jiàn)附圖2、3，環(huán)狀支撐軌道I的內(nèi)環(huán)為光滑面，外環(huán)具有齒圈；安裝臺(tái)3的一端設(shè)有彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)2，彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)2處設(shè)有內(nèi)光滑導(dǎo)輪7 ;在彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)2相對(duì)側(cè)的安裝臺(tái)3上設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)4、外驅(qū)動(dòng)齒輪5以及外從動(dòng)齒輪6，外驅(qū)動(dòng)齒輪5與驅(qū)動(dòng)電機(jī)4的輸出軸連接；安裝臺(tái)3通過(guò)其上的外驅(qū)動(dòng)齒輪5以及外從動(dòng)齒輪6與環(huán)狀支撐軌道I的外環(huán)嚙合，并通過(guò)其上的內(nèi)光滑導(dǎo)輪7與環(huán)狀支撐軌道I的內(nèi)環(huán)夾緊；
[0024]驅(qū)動(dòng)電機(jī)4由控制器連接電腦進(jìn)行控制其轉(zhuǎn)速。
[0025]慢速高精度微納米操作機(jī)器人9以及快速高精度微納米操作機(jī)器人12的數(shù)量可根據(jù)需求設(shè)置；每個(gè)微納米操作機(jī)器人都具有三個(gè)方向的自由度，慢速高精度微納米操作機(jī)器人9完成需要高精度的平穩(wěn)的操作(如DNA注射)，快速高精度微納米操作機(jī)器人12完成要求速度高但是精度稍低的操作(如分選細(xì)胞、細(xì)胞固定等)。多個(gè)不同或者相同微納米操作機(jī)器人也可同時(shí)運(yùn)動(dòng)協(xié)同完成任務(wù)，比如DNA注射，一個(gè)速度高但是精度稍低快速微納米操作機(jī)器人的實(shí)施高速篩選細(xì)胞，選中后固定，再用另外一個(gè)精度高速度慢的慢速高精度微納米操作機(jī)器人實(shí)施DNA注射。
[0026]慢速高精度微納米操作機(jī)器人9處設(shè)有三個(gè)自由度方向的慢速高精度壓電陶瓷致動(dòng)器8 ;快速高精度微納米操作機(jī)器人12處設(shè)有三個(gè)自由度方向的快速高精度步進(jìn)電機(jī)致動(dòng)器13 ;微操作器11通過(guò)微操作器安裝架10安裝于慢速高精度微納米操作機(jī)器人9和快速高精度微納米操作機(jī)器人12上。慢速高精度微納米操作機(jī)器人9上安裝的微操作器11為注射探針14 ;快速高精度微納米操作機(jī)器人12上安裝的微操作器11為吸管固定探針15ο
[0027]實(shí)施例2，微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置用于顯微注射的操作方法，它基于實(shí)施例I所述的微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置，并包括以下步驟:
[0028]Α.調(diào)整顯微鏡視野中心與環(huán)狀支撐軌道I的中心重合，并調(diào)節(jié)慢速高精度微納米操作機(jī)器人9以及快速高精度微納米操作機(jī)器人12使其上的微操作器11均指向視野中心；
[0029]B.操作用于固定細(xì)胞的快速高精度微納米操作機(jī)器人12用其上的吸管固定探針15固定住細(xì)胞并將其移動(dòng)至視野中心，然后釋放該細(xì)胞，控制快速高精度微納米操作機(jī)器人12將吸管固定探針15沿豎直方向抬高為50 μπι(避免后面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中傷害視野中心的目標(biāo)細(xì)胞)；
[0030]C.控制快速高精度微納米操作機(jī)器人12安裝臺(tái)3上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)4，使快速高精度微納米操作機(jī)器人12沿環(huán)狀支撐軌道I運(yùn)動(dòng)，(此時(shí)由于微量吸管針尖處于視野中心，所以微量吸管針尖將一直處于視野中心周?chē)粫?huì)移出視野范圍)選擇特定的方向，使該細(xì)胞的細(xì)胞核處于吸管固定探針15的最遠(yuǎn)端，然后控制快速高精度微納米操作機(jī)器人12重新固定細(xì)胞；
[0031]D.控制慢速高精度微納米操作機(jī)器人9使其上的注射探針14沿豎直方向抬高為50 μ m ；
[0032]E.控制慢速高精度微納米操作機(jī)器人9安裝臺(tái)3上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)4，使注射探針14和吸管固定探針15相直對(duì)的位置上；
[0033]F.控制慢速高精度微納米操作機(jī)器人9調(diào)整注射探針14的位置并進(jìn)行注射。
【權(quán)利要求】
1.微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置，它包括:慢速高精度微納米操作機(jī)器人(9)、快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)以及微操作器(11);其特征在于，所述慢速高精度微納米操作機(jī)器人(9)、所述快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)以及所述微操作器(11)的底部均通過(guò)安裝臺(tái)(3)安裝于環(huán)狀支撐軌道(I); 所述環(huán)狀支撐軌道(I)的內(nèi)環(huán)為光滑面，外環(huán)具有齒圈；所述安裝臺(tái)(3)的一端設(shè)有彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)(2)，所述彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)(2)處設(shè)有內(nèi)光滑導(dǎo)輪(7);在所述彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)(2)相對(duì)側(cè)的所述安裝臺(tái)(3)上設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)(4)、外驅(qū)動(dòng)齒輪(5)以及外從動(dòng)齒輪(6)，所述外驅(qū)動(dòng)齒輪(5)與所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)⑷的輸出軸連接；所述安裝臺(tái)(3)通過(guò)其上的所述外驅(qū)動(dòng)齒輪(5)以及所述外從動(dòng)齒輪(6)與所述環(huán)狀支撐軌道(I)的外環(huán)嚙合，并通過(guò)其上的內(nèi)光滑導(dǎo)輪(7)與所述環(huán)狀支撐軌道(I)的內(nèi)環(huán)夾緊； 所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)(4)由控制器連接電腦進(jìn)行控制其轉(zhuǎn)速。
2.如權(quán)利要求1所述的微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置，其特征在于，所述慢速高精度微納米操作機(jī)器人(9)處設(shè)有三個(gè)自由度方向的慢速高精度壓電陶瓷致動(dòng)器(8);所述快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)處設(shè)有三個(gè)自由度方向的快速高精度步進(jìn)電機(jī)致動(dòng)器(13);所述微操作器(11)通過(guò)微操作器安裝架(10)安裝于所述慢速高精度微納米操作機(jī)器人(9)和所述快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)上。
3.如權(quán)利要求2所述的微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置，其特征在于，所述慢速高精度微納米操作機(jī)器人(9)上安裝的所述微操作器(11)為注射探針(14);所述快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)上安裝的所述微操作器(11)為吸管固定探針(15)。
4.微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置用于顯微注射的操作方法，它基于如權(quán)利要求3所述的微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置，并包括以下步驟: A.調(diào)整顯微鏡視野中心與環(huán)狀支撐軌道(I)的中心重合，并調(diào)節(jié)慢速高精度微納米操作機(jī)器人(9)以及快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)使其上的微操作器(11)均指向視野中心； B.操作用于固定細(xì)胞的所述快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)用其上的吸管固定探針(15)固定住細(xì)胞并將其移動(dòng)至視野中心，然后釋放該細(xì)胞，控制所述快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)將所述吸管固定探針(15)沿豎直方向抬高； C.控制所述快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)安裝臺(tái)(3)上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(4)，使所述快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)沿環(huán)狀支撐軌道(I)運(yùn)動(dòng)，選擇特定的方向，使該細(xì)胞的細(xì)胞核處于所述吸管固定探針(15)的最遠(yuǎn)端，然后控制所述快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)重新固定細(xì)胞； D.控制慢速高精度微納米操作機(jī)器人(9)使其上的注射探針(14)沿豎直方向抬高； E.控制所述慢速高精度微納米操作機(jī)器人(9)安裝臺(tái)(3)上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(4)，使所述注射探針(14)和所述吸管固定探針(15)相直對(duì)的位置上； F.控制所述慢速高精度微納米操作機(jī)器人(9)調(diào)整所述注射探針(14)的位置并進(jìn)行注射。
5.如權(quán)利要求4所述的微納米操作機(jī)器人協(xié)同操作裝置用于顯微注射的操作方法，其特征在于，所述步驟B中，控制所述快速高精度微納米操作機(jī)器人(12)將所述吸管固定探針(15)沿豎直Z軸方向抬高的高度為50 μ m ;所述步驟D中，控制慢速高精度微納米操作 機(jī)器人(9)使其上的注射探針(14)沿豎直Z軸方向抬高的高度為50 μ m。
【文檔編號(hào)】C12M1/00GK104493825SQ201410593664
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】黃強(qiáng), 王化平, 劉曉明, 石青, 陳少奇, 福田敏男 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)