專利名稱：面向生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于特種機(jī)器人領(lǐng)域，它涉及一種基于顯微視覺伺服的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，是一種能對細(xì)胞、染色體等微米級對象進(jìn)行自動操作的機(jī)器人系統(tǒng)裝置，具體地說是指一種生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中，存在著大量涉及對細(xì)胞、染色體等的顯微操作，如細(xì)胞的分離、撿取、融合、顯微注射，染色體的切割等。對于這類微操作，不但要求定位準(zhǔn)確、操作精度高、一致性好，而且要做到操作時(shí)間短、效率高。目前，微操作都是人工通過顯微操作儀來完成的。在眾多的顯微操作儀中，較有代表性的，較為先進(jìn)的顯微操作儀有日本Nikon公司的NT-88微操作儀、德國Eppendorf公司的5171微操作儀等，這種顯微操作儀大都包括以下幾部分隔振臺、顯微鏡、左微操作臂、右微操作臂、細(xì)胞吸附及基因注射裝置、左遙控操縱手柄、右遙控操縱手柄等。操作人員通過顯微鏡的目鏡觀察和感知細(xì)胞及微操作臂的位姿信息，通過手柄控制左右微操作臂，將人手的動作按照一定的縮放比例傳遞到微操作臂的操作工具(左操作臂上安裝有微吸管，右操作臂上安裝微注射針)，使之對細(xì)胞進(jìn)行操作。左操作臂完成被操作對象的捕捉與固定，右操作臂對被固定住的操作對象進(jìn)行微細(xì)操作(如基因注射、染色體切割等)。其操作方式是由操作人員根據(jù)顯微監(jiān)視目鏡輸出的圖像通過遙控操縱手柄來遙控微操作臂的運(yùn)動，操作人員的大腦、手、遙控手柄、微操作臂、顯微鏡及操作者的眼睛等構(gòu)成了一個(gè)大的“控制閉環(huán)”，即由操作人員去感知和處理信息，通過顯微鏡、遙控手柄及微操作臂來傳遞與放大位移與力。這種顯微操作儀只有一個(gè)位比(位移縮放比例)的傳遞，沒有任何控制器、沒有任何傳感器(顯微鏡除外)，沒有任何“智能”。作業(yè)質(zhì)量易受操縱者個(gè)人技術(shù)、精神狀態(tài)及心理、情緒的影響。作業(yè)時(shí)間長、效率低成本高，精度一致性差，細(xì)胞成活率低，國內(nèi)外對自動化程度較高的微操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究也取得了一定的進(jìn)展。南開大學(xué)張建勛等發(fā)明了一種微操作機(jī)器人(專利號97121702.5)，該發(fā)明提出了一種由計(jì)算機(jī)規(guī)劃與管理的、計(jì)算機(jī)視覺圖象輔助控制的微操作機(jī)器人。該微操作系統(tǒng)的顯微視覺沒有形成伺服，顯微圖象處理及微操作過程不同步。也就是說，由于細(xì)胞在培養(yǎng)液里不是固定不動的，顯微視覺部分提供的細(xì)胞的位置不是實(shí)時(shí)的，微操作手所要操作細(xì)胞的位置可能與顯微視覺提供的細(xì)胞位置不一致；微操作機(jī)器人沒有自動避障功能，左右微操作工具易碰撞致碎；左右微操作手均采用傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動絲杠及導(dǎo)軌方式，精度難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于顯微視覺伺服控制的，具有自動避障功能的、自動化程度更高的高精度微操作機(jī)器人系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種面向生物醫(yī)學(xué)的微操作機(jī)器人系統(tǒng)包括顯微鏡、左微操作手、右微操作手、左操作工具、右操作工具、左手伺服控制器、右手伺服控制器、攝像頭、圖象處理卡、計(jì)算機(jī)、細(xì)胞吸附裝置、基因注射裝置、隔振平臺，左右操作工具分別安裝在左右微操作手上，左右微操作手由左右伺服控制器控制，并與計(jì)算機(jī)連接構(gòu)成微操作機(jī)器人。攝像頭裝于顯微鏡上，通過圖像處理卡與計(jì)算機(jī)連接，向計(jì)算機(jī)輸入操作現(xiàn)場圖像信息，計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的圖像信息計(jì)算出左右操作工具及被操作對象之間的相對位置關(guān)系，從而解算出左右微操作手的控制指令，并通過伺服控制器分別對左、右微操作手進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃和實(shí)時(shí)控制。
所述的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，左微操作手由微型直流伺服直線電機(jī)驅(qū)動，右微操作手由壓電陶瓷驅(qū)動。
所述的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，由顯微鏡、攝像頭、圖象處理卡、主控計(jì)算機(jī)及左右手伺服控制器構(gòu)成顯微視覺伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)。
所述的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)也與細(xì)胞吸附裝置及基因注射裝置連接，控制左右操作工具自動完成對細(xì)胞的吸附、固定、注射操作。
所述的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，現(xiàn)場操作圖像信息經(jīng)由顯微鏡、攝像頭、圖像處理卡，實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)的監(jiān)視器上，并同時(shí)存儲在計(jì)算機(jī)的硬盤上。計(jì)算機(jī)在規(guī)劃和控制左右微操作手的運(yùn)動時(shí)，運(yùn)用自動避障功能確保左右微操作手不碰撞。
本發(fā)明的微操作機(jī)器人系統(tǒng)有如下特點(diǎn)1、本發(fā)明將顯微視覺作為反饋控制源參與伺服控制，形成視覺伺服反饋全局閉環(huán)控制系統(tǒng)。
2、本發(fā)明可將細(xì)胞操作過程的動態(tài)圖像實(shí)時(shí)再現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的監(jiān)視器上，而且同時(shí)將整個(gè)操作過程或靜態(tài)圖片存儲在計(jì)算機(jī)的硬盤上。
3、本系統(tǒng)具有自動避障功能，不會造成微吸管、微玻璃針及細(xì)胞間的碰撞，因而對細(xì)胞損傷小，消耗品成本降低。
4、操作員通過監(jiān)視屏、鍵盤和鼠標(biāo)便可完成對微操作機(jī)器人系統(tǒng)的監(jiān)視、干預(yù)、被操作細(xì)胞的選取及操作位置的確定等，無須直接輸入操作參數(shù)。操作員既可以用鼠標(biāo)遙控微操作機(jī)器人，也可以通過機(jī)器人運(yùn)動操縱按鈕手動完成細(xì)胞的顯微操作。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
圖中1.隔振平臺2.顯微鏡3.左微操作手4.細(xì)胞吸附裝置5.右微操作手6.基因注射裝置7.左手伺服控制器8.攝像頭9.右手伺服控制器10.圖像處理卡11.計(jì)算機(jī)12.左操作工具13.右操作工具具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
請參見圖1所示，本發(fā)明的一種面向生物醫(yī)學(xué)的微操作機(jī)器人系統(tǒng)包括顯微鏡2、左微操作手3、右微操作手5，左操作工具12(微吸管)、右操作工具13(微注射針)、左手伺服控制器7、右手伺服控制器9、攝像頭8、圖象處理卡10、計(jì)算機(jī)11、細(xì)胞吸附裝置4及基因注射裝置6、隔振平臺1等組成?？赏瓿杉?xì)胞的切割、融合、注射，染色體的切割、撿取等顯微操作。
左右操作工具12、13分別安裝在左右微操作手3、5上，左微操作手3、5是由微型直流伺服直線電機(jī)驅(qū)動的三自由度直角坐標(biāo)式運(yùn)動平臺，右微操作手5是由壓電陶瓷驅(qū)動的柔性鉸鏈并聯(lián)機(jī)構(gòu)。左右微操作手3、5由左右伺服控制器7、9控制，兩伺服控制器不但能對微操作手發(fā)送控制命令，還可以通過微操作手上的位移傳感器接受它們的運(yùn)動位移信息。兩伺服控制器7、9還與計(jì)算機(jī)11連接；攝像頭8裝于顯微鏡2上，通過圖像處理卡10與計(jì)算機(jī)11連接，向計(jì)算機(jī)11輸入操作現(xiàn)場圖像信息，計(jì)算機(jī)11根據(jù)輸入的圖像信息計(jì)算出左操作工具12、右操作工具13及被操作對象之間的相對位置關(guān)系，從而解算出左右微操作手3、5的控制指令，并通過伺服控制器分別對左、右微操作手3、5進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃和實(shí)時(shí)控制。計(jì)算機(jī)的作用包括實(shí)時(shí)顯示顯微操作圖像信息、存儲動靜態(tài)圖像、對微操作手進(jìn)行軌跡規(guī)劃和運(yùn)動規(guī)劃、與操作人員進(jìn)行交互等。
本發(fā)明的微操作系統(tǒng)采取了視覺大閉環(huán)、驅(qū)動器加傳感器局部反饋的策略，來對左微操作手3、右微操作手5及細(xì)胞的相對位姿進(jìn)行控制。即在操作過程中，顯微鏡2下的場景(細(xì)胞、吸管12、注射針13及其它景象)通過攝像頭8和圖像采集卡10進(jìn)入主控計(jì)算機(jī)11，并在計(jì)算機(jī)11的監(jiān)視器上顯示。操作員根據(jù)監(jiān)視器上觀察到的景象，利用鼠標(biāo)選定被操作細(xì)胞及注射針13最終的操作位置。圖像處理卡10及計(jì)算機(jī)11對采集到的圖像進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)計(jì)算出被選定細(xì)胞、吸管12、注射針13的相對位姿信息，由主控計(jì)算機(jī)11解算出左微操作手3、右微操作手5的各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)控制參數(shù)，對左右微操作手3和5進(jìn)行軌跡規(guī)劃和任務(wù)規(guī)劃。并將控制指令傳送給左微操作手控制器7和右微操作手控制器9，從而實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞的顯微操作。一旦可實(shí)施細(xì)胞吸附及基因顯微注射操作，主控計(jì)算機(jī)11將控制細(xì)胞吸附裝置4和基因注射裝置6，自動完成細(xì)胞的吸附固定及基因注射。
本發(fā)明的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生物醫(yī)學(xué)工程中顯微操作的自動化、智能化。系統(tǒng)具有自動避障功能，定位精度高，工作空間大，操作效率高，人機(jī)交互界面友好等特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種面向生物醫(yī)學(xué)的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括顯微鏡(2)、左微操作手(3)、右微操作手(5)、左操作工具(12)、右操作工具(13)、左手伺服控制器(7)、右手伺服控制器(9)、攝像頭(8)、圖象處理卡(10)、計(jì)算機(jī)(11)、細(xì)胞吸附裝置(4)、基因注射裝置(6)、隔振平臺(1)，左右操作工具(12、13)分別安裝在左右微操作手(3、5)上，左右微操作手(3、5)由左右伺服控制器(7、8)控制，并與計(jì)算機(jī)(11)連接，構(gòu)成微操作機(jī)器人；攝像頭(8)裝于顯微鏡(2)上，通過圖像處理卡(10)與計(jì)算機(jī)(11)連接，向計(jì)算機(jī)(11)輸入操作現(xiàn)場圖像信息，計(jì)算機(jī)(11)根據(jù)輸入的圖像信息計(jì)算出左右操作工具(12、13)及被操作對象之間的相對位置關(guān)系，從而解算出左右微操作手(3、5)的控制指令，并通過伺服控制器分別對左、右微操作手(3、5)進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃和實(shí)時(shí)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于左微操作手(3)由微型直流伺服直線電機(jī)驅(qū)動，右微操作手(5)由壓電陶瓷驅(qū)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于由顯微鏡(2)、攝像頭(8)、圖象處理卡(10)、主控計(jì)算機(jī)(11)及左右手伺服控制器(7、9)構(gòu)成顯微視覺伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算機(jī)(11)也與細(xì)胞吸附裝置(4)及基因注射裝置(6)連接，控制左右操作工具(12、13)自動完成對細(xì)胞的吸附、固定、注射操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于現(xiàn)場操作圖像信息經(jīng)由顯微鏡(2)、攝像頭(8)、圖像處理卡(10)，實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)(11)的監(jiān)視器上，并同時(shí)存儲在計(jì)算機(jī)(11)的硬盤上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算機(jī)(11)在規(guī)劃和控制左右微操作手(3、5)的運(yùn)動時(shí)，運(yùn)用自動避障功能確保左右微操作手(3、5)不碰撞。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種面向生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括左右操作工具分別安裝在左右微操作手上，左右微操作手由左右伺服控制器控制，并與計(jì)算機(jī)連接，構(gòu)成微操作機(jī)器人；攝像頭裝于顯微鏡上，通過圖像處理卡與計(jì)算機(jī)連接，并向計(jì)算機(jī)輸入操作現(xiàn)場圖像信息，計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的圖像信息計(jì)算出左右操作工具及被操作對象之間的相對位置關(guān)系，從而解算出左右微操作手的控制指令，并通過伺服控制器分別對左、右微操作手進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃和實(shí)時(shí)控制。本發(fā)明的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了生物醫(yī)學(xué)工程中顯微操作的自動化、智能化。系統(tǒng)具有自動避障功能，定位精度高，工作空間大，操作效率高，人機(jī)交互界面友好等特點(diǎn)。
文檔編號B25J7/00GK1418761SQ0215533
公開日2003年5月21日 申請日期2002年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月10日
發(fā)明者畢樹生, 宗光華, 李旭東, 趙瑋, 于靖軍 申請人:北京航空航天大學(xué)