（机械制造及其自动化专业论文）微操作机器人精确微动移动平台的研究与开发.pdf

摘耍 摘要 平台系统是整套应用于医学上对细胞切割系统中的一部分，使其承载操作臂 精密微动。基于视觉的多自由度微操作平台控制系统是一种图像处理与计算机控 制相结合的一种微操作平台，达到在计算机屏幕中，仅仅通过用鼠标键点击一下 目标点，操作平台上的执行器便会到达目标点。由此可以省去很多用手工不断地 调整平台所带来的麻烦，提高了成功率和效率，并减轻了劳动强度。微动控制平 台系统牵扯的知识面比较广，内容覆盖机械设计，通信，控制，图像处理等领域。 现代医疗和生物工程领域中有越来越多的工作需要对细胞及活性微组织等 操作对象实施各种形式的细微操作。开发面向细胞及微组织的自动化高精度微操 作机器人系统，符合生物工程的发展需要，对国内现代医疗和生物工程的发展具 有重要意义。 本文研究的内容是国家自然科学基金项目“微超声振动切剖机器人系统研 制及微切剖实验研究 的一部分。设计一套微超声振动机器人系统用于细胞切 割。超声振动单元安装在并联机器人的动平台上，压电陶瓷驱动器控制操作针做 高频振动，直到刺破细胞的壁膜，减少穿刺过程中细胞的变形，从而减小对细胞 的损伤。该系统用于牛卵细胞微切割试验，取得很好的效果。本文从实际应用出 发，对于微操作机器人系统中的载物台控制技术作了详细探讨和深入的研究，对 显微控制的研究有一定的实用参考价值。 将超声振动与微动机器人相结合，我们开发了一套细胞微切剖机器人系统。 本文研究精密微动平台的内容是微超声振动切剖机器人系统的一部分，从硬件设 计、运动控制、精度分析三个方向研究了微操作机器人系统中的精密微动平台的 控制技术。 关键字：微动台；图像处理；微机械人系统；细胞切割； 北京t 业人学t 学硕i 学仲论丈 a b s t r a c t c o n t r o l l a b l es y s t e mo fw o r k b e n c hi sap a r to fc e l lc u t t i n gs y s t e mi na r e ao f m e d i c a ls c i e n c ew h i c hb e a r st h ew e i g h to fm e c h a n i c a la r m r e s e a r c ho nc o n t r o l l a b l e s y s t e mo fd u a ld o f sj i g g l ew o r k b e n c hb a s eo nv i s i o ni st h em a i nq u e s t i o no nt h i s a r t i c l e t h ea i mi st h a tw ec o n t r o lam i c r o o p e r a t i o nw o r k b e n c hb yu s i n gc o m p u t e r ， a n da d dt h es y s t e mo fv i s i o nt or e a l i z et h ei n t e n s i o no fp o i n t i n gt h et a r g e tb ym o u s e o nt h ec o m p u t e rs c r e e n ，a n dt h ee x e c u t i n ge q u i p m e n ti nt h ew o r k b e n c hw i l lr e a c ht h e t a r g e tt h r o u g hs o m es p e c i a li m a g em a n i p u l a t i o n t h es y s t e mr e d u c e st r o u b l et h a t w o r k e r sf i n i s ht h e s em i c r o o p e r a t i o n sm o s t l yb yh a n d t h i ss y s t e mr a i s e se f f i c i e n c y a n ds u c c e s s f u lp o s s i b i l i t y t h er a n g eo ft h ek n o w l e d g ei sv e r yw i d e t h i st h e s i s i n v o l v e st h ea r e a so fm e c h a n i c 、e l e c t r o n i c s 、c o m m u n i c a t i o n 、a u t o m a t i o n 、i m a g e m a n i p u l a t i o na n ds oo n t h e r ea r em o r ed i f f e r e n tf o r m m i c r o o p e r a t i o na p p l i c a t i o n t ot h e t i n y o r g a n i z a t i o ni nm o d e r nm e d i c a lt r e a t m e n ta n dl i v i n gc r e a t u r ee n g i n e e r i n g s o i th a s i m p o r t a n tm e a n i n gt od e s i g nh i g ha c c u r a t ea u t o m a t i n gm i c r o o p e r a t i o nr o b o ts y s t e m ， w h i c hc a nm e e tt h ed e v e l o p m e n td e m a n do fl i v i n gc r e a t u r es t u d ya n di m p e lt h e d e v e l o p m e n to fd o m e s t i cm o d e mm e d i c a lt r e a t m e n ta n dl i v i n gc r e a t u r ee n g i n e e r i n g m ys t u d yi sp a r to f t h en a t u r a ls c i e n c e sf u n dp r o je c t d e s i g no fm i c r ou l t r a s o n i c v i b r a t i o nc u t t i n gr o b o ts y s t e ma n dm i c r o c u r i n ge x p e r i m e n t ”an e wu l t r a s o n i c v i b r a t i o nm i c r o m a n i p u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e du s i n gt oc e l lc u t t i n g t h eu l t r a s o n i c v i b r a t i o nu n i ti se q u i p p e di nm o v i n gp l a t f o r mo fp a r a l l e lr o b o t m i c r o - n e e d l ec u t so f f t h ec e l lw a l lb yu l t r a s o n i cv i b r a t i o nw h i c hi sg e n e r a t e db ym u l t i l a y e rp i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r , w h i c hd e c e a s e st h ed e f o r m i t ya n dd a m a g eo fc e l ld u r i n gt h ec u t t i n g 。w e e v a l u a t e dt h ep e r f o r m a n c eo fc u t t i n gb yt h ee x p e r i m e n t s f r o mt h ep r a c t i c e ，t h e m i c r o s c o p ec a r r i e rs y s t e mc o n t r o lt e c h n o l o g yi nm i c r o - o p e r a t i o nr o b o ts y s t e mi s p r o b e d i nd e t a i la n ds t u d i e di nd e e p u n i f y i n gu l t r a s o n i c v i b r a t i o na n d m i c r o - o p e r a t i o nr o b o tt e c h n o l o g yw ed e v e l o p e da nc e l lc u t t i n gm i c r or o b o ts y s t e m m ys t u d yi sp a r to fm i c r ou l t r a s o n i cv i b r a t i o nc u t t i n gr o b o ts y s t e m ih a sr e s e a r c h e d i n t ot h em i c r o s c o p ec a r r i e rs y s t e mc o n t r o lt e c h n o l o g yi nm i c r o o p e r a t i o nr o b o t s y s t e mf r o mh a r d w a r ed e s i g n ，m o t i o nc o n t r o la n dp r e c i s i o na n a l y s i s k e yw o r d ：j i g g l ew o r k b e n c h ；i m a g em a n i p u l a t i o n ；m i c r o m a n i p u l a t i o ns y s t e m ；c e l lc u t t i n g l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：缎日期：2 叠：塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 日期：趔：竺：缪 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 显微操作技术概述 1 1 1 显微操作( m i c r o m a n i p u l a t i o n ) 显微操作是指在光学显微镜或解剖镜的可见视野内，操作者一边观察一 边使用微玻璃针、解剖刀、吸量管等器具，进行手术、解剖、注射等实验 操作。由于最初用于微小生物体的结构解剖，故又称显微手术【1 】。 1 1 2 显微操作技术( m i c r o m a n i p u l a t i o n t e c h n i q u e ) 显微操作技术是指在高倍倒置显微镜下，利用显微操作器 ( m i c r o m a n i p u l a t o r ) ，控制显微注射针在显微镜视野内移动的机械装置， 用来进行细胞或早期胚胎操作的一种方法。 1 1 3 显微操作技术应用 显微操作技术包括细胞核移植、显微注射、嵌合体技术、胚胎移植以 及显微切割等，例如多莉羊就是运用细胞核移植技术而成功的；而转基因 技术指的是将外源基因导入体细胞并能稳定的嵌入宿主动物的生殖细胞染 色体中的一门技术，基因转殖动物被定义为由人为的方式将外源基因引入 体内而引起基因改变的动物，并可将遗传特质传递到接续的每一世代中。 由其显微操作技术应用在基因工程中非常重要，基因工程技术是生物技 术中的核心要素。基因转移是指借助基因工程技术将确定的外源基因导入生物个 体的染色体上的过程。基因转移技术克服了物种间的生殖隔离，实现了物种之间 遗传物质的交换和重组，广泛应用于生命科研各个领域。随着医学水平的发展， 尤其在基因技术方面的迅速发展，现代医疗和生物工程领域中对细胞及活性微组 织的操作越来越多。传统实现细胞微细切割任务的微切割系统有着切面不规则， 切剖质量不高，极易对细胞造成损害的缺点，为此，我们发展了一种用于细胞操 作的超声波振动微切剖系统。 1 1 4 显微操作系统的组成 分为显微镜下操作和解剖镜下操作两类： 北京t 业人学t ! 挪i ! i 7 ：位论文 显微镜下操作的设备包括配有倒相和长焦距物镜的显微镜、显微操作 器、显微工具制作器、自动拉针器、磨针器等。常用的显微操作器有3 种： 机械推动式显微操作器、滑动式显微操作器和液压式显微操作器。拉针器 也有许多种，如垂直重力式电动拉针器、水平弹簧式拉针器和电磁式拉针 器等。显微工具制作器是用来制备微针、微吸管、微刀、微钩等显微工具 的，它由可调电热丝和除去镜台的解剖镜等组合而成，适于针尖的加工。 解剖镜下操作的设备这里所用设备的精密度没有显微镜下使用的高， 可根据研究对象及研究目的自行设计。例如中国科学院发育生物学研究所 设计的解剖镜用显微操作器。适用于两栖类和鱼类等卵子的细胞核移植和 核酸或基因的卵内显微注射等工作。 显微操作用仪器应根据具体的实验材料和实验目的及现有设备来选 择，并注意仪器间的配套。有些在解剖镜下的实验操作不需要特殊的显微 操作装置，可直接用双手持显微工具进行。如手持玻璃针在解剖镜下分离 动物胚胎的卵裂球、分离胚胎组织及进行组织块移植等。 1 2 微操作执行机构 在微动机器人发展方面，微纳米技术及相关技术的迅速发展，开创了 机器人领域的一个新的研究方向微机器人学。微机器人学研究的是微米、 纳米级机器人，包括微型机器人( 即机器人微型化) 和微动机器人( 即其操作对 象和运动范围小型化的机器人) 微动机器人系统，一方面可以完成精细操作， 另外可用来改变常规系统的性能，进行细胞级、亚细胞级的自动操作等。 与微 型机器人相比，微动机器人技术发展较快，因外形尺寸不必很小，它的大部分研 究问题仍属宏观范畴。 1 2 1 微操作执行机构目的和意义 在生物工程中的微操作，应用的十分广泛。在后基因组时代，针对真核细 胞的手术操作仍将是生物工程中研究的热点课题之一，只有进入到细胞乃至完整 的个体，基因的功能才能真正得到体现，因而功能组研究对基因转移等显微手术 的依赖程度比以往任何时候都要高。对只有几微米的细胞来说，关键动作是接近 细胞时的精细微调，要求分辨率达几个微米。而目前这类操作主要是由专门的操 作人员操作一套被称为显微操作仪的装置来进行。操作时，操作人员必须坐在显 微镜前目视操作，容易疲劳，故操作效率和操作对象的成活率都不高。 而成活率不高的关键在于精确的微位移。当今，需要微操作平台，或者说 微操作手的场合越来越多。它已经被广泛应用于生物工程、医疗科学、微型机械 制造超精密加工、集成电路制造、扫描探针显微镜、光纤对接、微型机械零件和 装配、微型机械电子器件加工封装、光学微处理、航空航天等领域。这其中大部 第1 币绪论 分领域的操作是靠人工完成的。有时移动位移精度需要微米级，甚至纳米级，操 作熟练的工人在显微镜下完成这种操作也需要花费很多的时间，导致效率低和成 功率低。因此微动机器人有其在应用方面的现实意义。微动机器入作为微操作系 统的重要组成部分，在精密机械工程，光纤对接和生物工程等领域具有广阔的应 用前景”随着微纳米技术的快速发展，对具有纳米级定位精度的多自由度微动机 器人提出了更高要求”。 1 2 2 国内外相关研究现状及分析 第一国外研究现状 从2 0 世纪8 0 年代末期开始，国外研究人员陆续研究并提出了多种不同结 构的微动机器人，并基于一般机器人理论，针对其样机，进行了相关理论和技术 的初步研究”这些微动机器人一般由机构本体、微驱动装置、检测装置和控制系 统组成。 在医疗应用领域中，2 0 0 1 年9 月5 日，世界上第一台脑外科手术机器人在 伦敦诞生。这台名叫“探路者 的机器人由医生通过计算机控制，它的准确无 误可以减轻病人在手术时的痛苦。 美国m i t 生物仪器实验室研制了一个称作“纳米步行者 的三条腿无线 微型机器人，可在亚原子级的范围内进行操作，它的每条腿由四个压电陶瓷驱 动，在连续的运动速度时，还可以连续使用交替的三角形支撑，能够适应各种条 件。 美国加州大学伯克利分校研制了微型机器人苍蝇，是迄今为止最小的可以 拍打翅膀的机器人，这种机器人苍蝇的翅翼只有3 c m ，重量3 0 0 m g ，大约相当于 蜜蜂大小 日本n a y o g a 大学t o s h i of u k u d o 研制了纳米微机器人，该微机器人 包含3 个单元共1 0 个自由度，可达到纳米级的分辨率 日本东京工业大学的纳米机器人系统：可在显微镜下完成超大规模集成电 路的铝线切割实验。 美国国家标准局的柔性支承压电驱动微调工作台( 分辨率l n m ，行程 5 0 1 tm ，用于航天技术中) 。 加拿大m e g i l l 大学研制的遥控纳米机器人，用于生物操作。( 直线电机、 压电元件驱动的平行铰链机构，最高分辨率为1 0 n m ) 。 美国s a n d i a 实验室研制了用于l i g a 零件装配的实验系统，它由4 d o f a m t i 装配机器人、4 d o f 精密工组台、微动镊子和长工作空间的显微镜组成， 通过遥控操作，可以完成采用l i f g a 技术技工的微型齿轮的抓取和释放操作， 齿轮外径1 0 0 1 tm ，中心孔直径5 0 9m 。 美国华盛顿大学生物机器人研究室研制了用于蛋白晶体操作和处理的微 j 匕mn t m ”7 d , i 细作业系统，升联微动机器人在医疗方的麻用。 奉工f l 研究实验室、东京大学、长l 卅技术科学大学分别研制m 商精度的 六维精密工作台、六自由度微动机构等i i 。 在实际应用中，生物医学应, r l j 的最为广泛。并联微动机器人的高精度，高 稳定性等特点在现代医学，牛物学巾应用广泛”存现代外科手术操作难度大的地 方精确进行，比如颅内和关节等”并联微动机器人手术精确度高，开口小，速度快， 能减少不必要的损害，减轻病人的痛苦且能异地由专家指导进行，使病人学受更 好的医治“如p i 公司的m 2 8 5 0 和n o n a p o d 州h e x a p o d 并联微动机器人在此方面 都有显著应用，直【i 图11 所示： 削1 1p i 公刊 自由度：= l = 联微机器人 f i g l 16 - d o cp a r a l l e l m i c r o r o b o t b y p i 第二我国发展情况 我团高精度微操作系统的研究主要集中在高校和科研机构，虽然已经达到 较高水平，但从总体上说，其生产和应剧还处于起步阶段。我国是在2 0 世纪9 0 年代开始研制高精度微操作系统的。如何提高系统的自动化和智能化的程度，使 操作简单化、自动化，进而实现普及化，是周内u i j ，研究的热点，南开大学、中 固科技大学、巾幽科学院沈阳自动化研究所、北京航空航大人学、哈尔滨工业大 学、广东丁业大学相继，r 展了这力而的研究工作。最近，尤其是基于视觉的微操 作系统也取得了重要的成果： 南丌大学机器人与信息自动化研究所丌发出了一种面对生物医学工程的 微操作机器人系统，可在1 1 0 0 0 r a m 的_ l = 作空间进行微米级的精度操作，解决了 生物医学上转基因注射、染色体切割、细胞融合等人工操作成功率低、效率低下 的问题。包括左右两个可握持工具进行空叫二自由度运动的机械臂、平面两自由 度町控平台以及自动稠焦系统。系统可在显微视觉引导下，由计算机控制，双臂 协调地机械自动或半自动的操作。这套系统针对生物医学工程的细微操作，自上 第1 辛绪论 而下地设计了系统的体系结构、功能模块、控制系统及应用软件，而且，只需要 点击几下鼠标，微操作机器人就会自动为牛肺细胞“打 上一针，之后细胞就会 在1 分钟内完成基因转化。 由机器人研究所孙立宁教授负责的“纳米级微驱动及微操作机器人关键技 术研究”日前通过鉴定，研究突破了微操作机器人多项关键技术，研究成果达到 国际先进水平，申请发明专利1 3 项，已经授权6 项。课题组研制出机构、驱动、 检测、控制于一体的纳米级微驱动机器人系统，解决了机构设计、压电陶瓷建模 与驱动、精密测量系统、控制方法等关键技术，研制出集定位系统、微操作手、 微操作器、微力觉感知、显微视觉、主操纵手、微操作虚拟现实系统为一体的具 有自主知识产权的微操作机器人系统。该项研究总体达到国内领先、国际先进水 平，其中在压电陶瓷的建模与控制等相关理论与技术上有明显创新，压电陶瓷驱 动电源及精密定位控制器主要性能指标居于国际前列。 北京航空航天大学自主机器人及机电系统研究室，正在开发面向生物工程 的微操作系统，其主控计算机通过a d 、d a 转换电路，对压电陶瓷驱动器进 行位置控制。显微镜、c c d 摄像机、图像处理计算机构成视觉观察系统。其微操 作机器人具有的结构特征为：采用串并联型式，可实现运动学两级解耦；压电陶 瓷驱动，可完成粗动和细调两种功能，采用柔性铰链设计型式。其具体技术指标 如下：外形尺寸为1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 m m ，工作空间为4 0 岬4 0 岬2 4 岬， 运动分辨率为0 2 1 1 m 。系统功能：可用于细胞操作、医疗保健、m e m s 中的部 件检测与装配领域中等。 中国科学院沈阳自动化研究所最近研制成功一台纳米操作机器人样机，使 我国纳米微操作技术达到世界先进水平【3 】。在实验室旱，工作人员像操纵游戏机 杠杆一样，操纵纳米操作机器人最终端的机器手。这个比针尖还要细小数百万倍 的机器手只有1 1 0 0 纳米的直径，但是通过原子力显微镜，它的活动被放大上亿 倍后在电脑屏幕上显示了出来。一个物体到了纳米尺度，无论多么精确的显微镜 也不能直接看清楚它的面目；在这种情况下，他们利用一种扫描探针式显微镜， 通过机器人控制技术，使扫描探针( 也就是机器手) 与样品表面轻轻接触，根据 探针与样品表面极其微弱的排斥力的变化，再通过光学或电流原理将其进行放大 和分析后，就可以准确的测定出样品表面的形貌信息和探针所处的位置了。这种 操作系统还实现了力学和视觉的一致。从电脑屏幕上看到，工作人员通过纳米微 操作技术，可以利用合金的探针在一块1 2um ( 微米的单位) 面积的硅基片 上刻出清晰的”c h i n a8 6 3 ”字样，还可以把一个4um 长、l o o n m 粗细( 相当于 1 1 0 0 0 发丝横截面大小) 的碳纳米管准确的移动到一个预先刻好的沟槽里。工作 人员在用手操纵杠杆来推动探针时，还可以感觉到推动纳米物体过程中的力，通 过屏幕也能看到被推的纳米物体在移动。 北京t 、f k 人学t 学硕l j 学f 论文 1 2 3 选题意义 随着医学水平的发展，尤其在基因技术方面的迅速发展，现代医疗和生物工 程领域中对细胞及活性微组织的操作越来越多。传统实现细胞微细切割任务的微 切割系统有着切面不规则，切剖质量不高，极易对细胞造成损害的缺点，为此， 我们发展了一种用于细胞操作的超声波振动微切剖系统。 课题将要研制一套基于超声振动技术的高精度、微损伤、具有较强作业能力 的实现微切剖作业的自动机器人实验系统。实现细胞壁的超声振动穿刺，微组织 切片的制备及微组织多方向、大纵深、大尺度( 亚毫米级) 切割等复杂微切剖作 业任务。对细胞的微切剖操作能否成功，关键在于微操作平台的精度是否能够达 到要求。 而当今，需要微操作平台，或者说微操作手的场合越来越多。它已经被广泛 应用于生物工程、医疗科学、微型机械制造超精密加工、集成电路制造、扫描探 针显微镜、光纤对接、微型机械零件和装配、微型机械电子器件j j n - r 封装、光学 微处理、航空航天等领域。本文致力于微操作平台控制系统的研究。 1 2 4 本文主要研究内容 作为课题的主要工作之一，要对与系统控制相关的各项关键技术进行系统深 入的研究，主要涉及微动机器人的运动学分析和标定，承载机械手臂的微动精密 十字工作台的研制，及控制电路和编写系统控制软件，及步进电机与工作台的精 密连接等方面工作。 第一根据微操作任务的特点，在已有研究成果基础上对设计方案进行改进， 提出微操作机器人微动十字工作台的总体设计方案。 第二对微动机构的位资逆解进行分析，建立微动机器人的运动学模型，为机 器人控制提供了基础。 第三驱动器的精确控制是对微操作系统精度的重要保障，在对各种类型微驱 动器的优缺点进行详细分析的基础上，选用驱动器，通过理论分析和实验，建立 驱动器的闭环控制模型和偏差补偿模型，并进行实验验证，实现了对驱动器的高 精度控制。 第四分析微动精度的给定依据，从而进行总体控制系统的精度可行性分析。 第五根据实际试验要求研究并讨论十字工作台的微动精度问题，提出可行性 分析，从而确定工作台类型。根据精度要求，分析驱动器，确定其类型及具体型 号。 第六驱动器与平台的精密连接，并进行总体精度分析，改善薄弱环节，提高 精度。 第七控制系统的分析与研究，电路及软件控制的研究。 第2 市微撩作执行机觏总体方窠设计 第2 章微操作执行机构总体方案设计 微操作执行机构是整个细胞切割系统中最为重要的一部分，通过微操作执 行机构来实施对细胞壁的切割以及对细胞液的提取与注射。微操作执行机构由两 部分组成，一部分是用于细胞壁切割的切割臂系统，另一部分为用于承载切割臂 移动的微动平台。其主要作用是承载切割臂上的注射针对细胞进行穿刺。基于视 觉的多自由度微操作平台控制系统是一种图像处理与计算机控制相结合的一种 微操作平台。 随着医学的发展，对细胞的研究成为了研究的重点，对只有几微米的细胞 来说，关键动作是接近细胞时的精细微调，要求分辨率达几十纳米【4 】。而目前这 类操作主要是由专门的操作人员操作一套被称为显微操作仪的装置来进行。操作 时，操作人员必须坐在显微镜前目视操作，容易疲劳，故操作效率和操作对象的 成活率都不高。本文微操作平台就是针对这一问题而研究的。使其能在计算机的 控制下精确稳定的到达其指定的位置。微操作平台采用步进电机驱动和精密的两 自由度的移动平台，步进电机是自动控制领域中的主要控制元件之一，它是一种 能将电脉冲转换为角位移的执行机构。也就是说，当步进驱动器接收到一个脉冲 信号，它就驱动步进电机按设定的方向转过一定的角度( 一个步距角) 。我们可 以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时，我们也 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 2 1 微操作执行机构系统构成 微操作执行机构是用于医学中细胞学研究的重要工具和手段，通过微操作 执行机构对显微镜下的各种细胞进行切割与细胞液的提取与注射的研究。从而就 能细胞生物学和分子生物学的方法，通过微操作执行机构，在细胞水平或细胞器 水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质，从而获得新型生物或特种细 胞产品1 5 j 。微操作执行机构的构成从功能上可以分为几大部分，首先为显示部分， 其有两部分构成一为高倍显微镜，二为与显微镜相连的计算机显示屏。其次用于 固定细胞的吸附臂，其功能为固定细胞，用于下一步的操作。再次就是切割臂系 统，来完成对细胞壁的部分切削。另外一部分为细胞液提取与注射系统，用于细 胞液的提取与注射。最后为承载切割臂及细胞液提取与注射系统精密移动的两自 由度微动平台。各个部分都是紧密联系的，整个微操作执行机构系统的构成如图 2 1 所示： 图2 - i 超声切割实验系统 h 9 2 ie q u i p m e n t i n u l 廿- a s o n i c c a t t i n g e x p c n m 舶t 我们所设计的微操作机器人系统。微操作机器人系统由显微镜、高性能p c 机、控制器、切割臂、吸附臂、几部分组成。针对微小生物，显显微镜选用的是 荧光倒置显微镜；控制器是由单片机控制的子模块控制中心，吸附臂和切割臂是 系统操作终端，计算机足控制和计算中心。 根据每部分实现的功能，系统可分为三个功能子系统：吸附臂系统、切割臂 系统和载物台系统。如图2 2 所示 图2 - 2 微操作系统模块国 f i 9 2 - 2 m o d u l e f i g o f m i c r o - o p e r a t i o ns y s m m 根据功能划分，系统可看成由三个子系统组成：吸附臂系统、切割臂系统和 载物台系统，整个系统由p c 机控制，三个子系统的控制 i 三个模块实现。模块 化控制，可以简化单个模块的功能，减轻p c 机负担，加快计算机运算速度，速 度是控制顺利实施的重要保证。划分成子系统后，单个子系统模快功能相对简单。 211 高倍显微镜( 倒置式o l y m p u s i x 7 0 ) 倒置式o l y m p u s i x 7 0 的组成与普通显微镜一样，只不过物镜与照明系 统颠倒，前者在载物台之下。后者在载物台之卜，用于观察培养的活细胞 具有相差物镜。倒置显微镜和放大镜起着同样的作用，就是把近处的微小 物体成放大的像，以供人眼观察。只是显微镜比放大镜可以具有更高的 放大率而已。 2 1 23 一p u u 并联微操作机器臂 微超声振动机器人系统由超声振动单元和一个具有较大作业空间( 满足多方 向、较大尺度细微切剖作业要求) 、高精度、高刚度的3 移动自由度的并联执行 器构成。由微操作机器人的并联执行器带动超声振动系统实现三维空间的运动， 同时在超声激发元件下微操作针对操作对象实施切割作业。 2 1 3 吸附臂系统 根据吸附臂固定细胞的要求，吸附臂的终端由微动机器人加一台显微注射器 构成。微注射器加负压吸附细胞，加正压释放细胞，细胞实验中它的操作过程如 下： 第一对准待吸附细胞，加负压吸附细胞，移动到显微镜视野中间； 第二微调整，将焦距调整到最佳位置，以便进行监控； 第三切割臂的调整与操作； 第四吸附管将已完成操作的细胞移动到其他区域； 第五到合适的范围，上提针头，直到离开细胞； 本控制系统分为压力驱动和控制部分。压力驱动部分主要选用高性能的气控 元件构成，提供正压放开、负压吸入、冲洗、补偿等功能。控制部分由硬件电路 系统和软件系统组成，以单片机为控制核心，通过硬件电路和软件设计，完成自 动吸附所需各功能。细胞本身有弹性，对压力的大小比较敏感，为了使注射器具 有精度高、稳定性好、灵敏度高等特点，设计中应采用高精度传感器，配以精良 的电路设计及软件补偿、模块化监控技术，并全面考虑各项基本要求，在实现功 能、保证精度的前提下努力实现小型化、低成本和低功耗。 吸附臂系统图如图2 3 所示： 图2 - 3 吸附臂系统 f i 9 2 3t h ea d s o r p t i o na r ms y s t e m 2 1 4 细胞液提取与注射系统 此系统主要功能是进行对已经去除一部分细胞壁的细胞进行细胞液的提取 以及对细胞进行微量药物的注射。 2 1 5 切割臂系统 切割臂系统如图所示，实验过程为：p c 机控制切割臂移动超声振动单元到 合适位置，即切割点在聚焦面上且与吸附臂的吸附点连线为细胞直径的位置，输 出超声振动切割实验对象。由于机器人的移动与超声切割不会同时进行这个系 统应用并口复用的方法驱动机器人驱动器和压电陶瓷驱动器。 2 1 6 多自由度微操作平台 多l a 由度微操作平台是一个两自由 度精密微动移动平台。多自由度微操作 平台是细胞切割系统中执行机构的一部 分，其主要功能为承载切割臂以及承载 细胞液提取与注射系统进行精密微动， 基于视觉的多自由度微操作平台控制系 统是整个精密微动平台的移动和切割臂 的操作都是在倒置式显微镜下操作的平 台。倒置式显微镜再与计算机相连，通 过计算机显示屏来显示细胞操作的整个 过程。此前实验室在没有多自由度微操 作平台时，是用人工手动来完成承载切 割臂以及承载细胞液提取与注射系统的 移动，其效率和成功率都是不高的，多 自由度微操作平台可以省去很多用手工 不断地调整平台所带来的麻烦，提高了 细胞操作成功率和效率。如图2 _ 4 所示。 刮2 4 多自由度工作台 h 鲒4 d u a l d o f f sj i g g l e w o r k b e n c h 第2 幸微操作执行机构总体方案设计 2 2 细胞显微操作切割流程图( c e l lc u t t i n gs y s t e mf l o wc h a r t ) 细胞显微操作切割流程图如图2 - 2 所示： 图2 - 5 细胞显微切割流程图 f i 9 2 5c e l lc u t t i n gs y s t e mf l o wc h a r t 2 3 本章小结 本章是对应用于细胞切割系统的微操作机械器人系统的总体概述，对于整个 系统来说，分为显示装置和细胞操作装置。对于细胞操作系统来说，被划分为两 个部分，一个是细胞固定即细胞吸附装置，另一部分为对细胞操作即细胞切割装 置。其中在细胞切割装置中又包括切割机械臂和承载机械臂的精密微动平台。其 中承载机械臂的精密微动平台是本文研究的主要方向，它起着非常重要的作用。 北京t 业人学t 硕l j 学何论丈 第3 章多自由度微操作平台方案设计 3 1 硬件选择 3 1 1 工作台 在选择十字移动平台方面，主要考虑移动时的摩擦问题，在移动平台中有 两种方式，一是滑动摩擦，另一种是滚动摩擦。在考虑到控制台是精密微动的实 验条件时，最为主要的问题是要防止其在低速时产生爬行的问题。而在滑动摩擦 副中从动件在匀速驱动和一定摩擦条件下产生的周期性时停时走或时慢时快的 运动现象。爬行是机械振动中自激振动的一种形式。爬行大多在低速时出现。而 以滚动摩擦的移动平台却能避免这问题。 3 1 2 驱动元件 步进电机是一种离散运动装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。 在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛【3 】。随着全数字式交流 伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应 数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电 机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似( 脉冲串和方向信号) ，但是在 使用性能和应用场合上存在着较大的差异【4 】。 3 1 3 传动元件 在传动过程中，精确微动选择传动元件的关键问题，而滚珠丝杠是将回转运 动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺 母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，由于具有很小的摩擦阻 力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。但在本课题中，由于移动 的最小分辨率要达到微米级的水平，滚珠丝杠难到达此要求。本课题应用了螺旋 测位器的原理，用螺杆进行传动，其螺旋测位器的导程一般0 5 m m ，能够符合其 要求。并且目前在显微镜的微调的元件都是采用这种传动方式。 为了达到对细胞进行操作的高精度，微动平台配备有步进电机和标准r s 2 3 2 接口，配合运动控制器可实现自动控制；高精度滚珠螺杆驱动，重复定位精度好， 寿命长；新型轴端结构，防止螺杆松动，特别适合高速往复使用；导轨采用精密 线性轴承导轨( 两端支撑，中间悬空) ，运动平稳，由于承载微操作针，所以承 载较小。步进电机和滚珠螺杆通过高精度弹性联轴器连接，传动同步且噪音小； 配有手轮，方便调试；两端装有零位和限位开关，方便准确定位和保护微操作平 第3 翠多一f f i 度微操作、1 7f 的拧： 0 系统 台。平台如图l 所示。 3 2 精度分析 这主要是根据操作对象的要求所制定的，一般的动物细胞的大小大约在几 个微米到几十微米之间，考虑到此研制设备( 一般为动物细胞) 的通用性，因此 移动平台的精度在微米级。并考虑到平台需有一定的范围。 精度计算方法 螺旋副的相对运动关系为由公式( 3 - 1 ) ： ，= 芒伊 ( 3 - 1 ) 式中卜一螺旋副移动的距离； 凤螺旋副的导程； 够螺杆和螺母之间的相对转角； 假如工作台采用的p k = 5 m m ，细分电路的细分倍数为1 2 8 ，步进电机驱动器 的步距角为1 8 。由于螺旋副是螺杆固定，螺母移动，所以最小相对转角是通 过螺杆最小转角来控制的。所以x 、y 轴的直线移动最小分辨率为由公式( 3 - 2 ) ： ，=盟缈=一5坚孟02,u，l(3-2)2z2 z1 2 8 1 8 0 3 3 本章小结 本章主要讨论了精密微动平台的总体方案的设计。对方案进行可行性论证， 总体确定精密微动平台系统的框架机构，把其在进行模块化划分，从整体上考虑 承载切割机械臂的精密微动平台的设计思路。本章主要讨论了精密微动平台的结 构构成，以及为满足细胞操作的精度要求。 北京t 业人学t 学硕i j 学化论文 第4 章多自由度微操作平台的控制系统 多自由度微操作平台的控制系统通过几种方案进行对比来选择适合本系统 的控制方案。首先先介绍一下以下几种方案的各自特点。 显微镜载物台的运动通常由步进电机驱动，通过对步进电机的控制可以实现 显微镜载物台两维运动。控制显微镜载物台的运动主要就是对步进电机的控制。 步进电机运动控制系统的上位控制方案一般有专业运动控制p l c 、专用控制系 统、p c 机加运动控制卡和单片机系统，还有直接采用计算机串行口控制步进电 机的方法。 多自由度微操作平台的控制系统最终选择了运动控制卡控制系统。 4 1p i g 控制系统硬件设计原则 许多品牌的p l c 都可选配定位控制模块，有些p l c 的c p u 单元本来就具有运 动控制功能，如松下公司的f p o 。这种方案一般应用在运动过程比较简单、运动 轨迹固定的设备，如送料器、自动焊机等。专用控制系统一般是针对专用设备或 专用行业，比如西门子公司的车床数控系统和铣床数控系统等。这两类控制方法 一般应用于工业设备，不适用于显微镜载物台的控制哺1 。 p c 机加运动控制卡的方案随着p c 的普及用的越来越多，这种方案可充分利 用计算机资源，用于运动过程、机械轨迹都比较复杂，而且柔性比较强的机器设 备，步进电机运动控制卡以高频率脉冲串输出方式，控制伺服步进电机的运动， 能精确地控制所发出的脉冲频率( 电机速度) 、脉冲个数( 电机转角) 及脉冲频 率变化率( 电机加速度) ，它能满足步进电机的各种复杂的控制要求可对电机 进行位置控制、插补驱动、加速减速等控制。这种方法虽然功能齐全，但是成 本较高，在显微镜载物台的控制应用较少。与计算机相配套的单片机控制系统如 图4 - 1 所示： 图4 1 与计算机相配套的单片机控制系统 f i 9 4 1s c mc o n t r o ls y s t e mm a t c h e dw i t hc o m p u t e r 由于显微镜载物台的运动过程、机械轨迹比较简单，基于单片机的步进电机 控制系统广泛应用子高级显微镜的控制中。在对显微镜载物台自动控制要求较高 第4 帚多臼 n 度微操作、p 台的摔制系统 和需要图像采集处理的应用中，一般要求有计算机相配套。因此，计算机相配套 的单片机控制系统常常应用于显微镜图像的自动采集中，计算机通过r s 一2 3 2 串行 口( 或u s b 接口) 与单片机的通信，通信内容包括p c 机送来的步长信号、方向 控制信号及单片机送回给p c 机的应答信掣7 】。通过p c 机的控制程序，能方便的 实现载物台的各种运动组合，c c d 摄像头和图像采集卡组成的图像获取系统将数 字图像采集到计算机中，以实现自动聚焦、图像自动采集处理。 r $ 2 3 2 图4 2 串行口步进电机控制器原理图 f i 9 4 - 2d i a g r a mo fs e r i a li n t e r f a c es t e pm o t o rc o n t r o l l e r 对步进电机也可以通过计算机串行口直接控制，吉林大学辊锻工艺研究所的 隋振、李明哲介绍了一种计算机串行口经二次开发用作步进电机控制器的新方 法。串行口步进电机控制器原理如图4 2 所示。该方法利用计算机向串行口发送 数据产生控制脉冲，实现对步进电机的控制，构成计算机控制步进电机的最小系 统。由于现在计算机的主流配置通常只有一个或两个串行口，要实现三维步进电 机控制需要扩展串行口，这样反而增加了系统的复杂性，不利用显微镜载物台的 三维运动控制【引。 4 2 单片机控制系统硬件设计原则 作为一个工作独立的单片机应用系统，首先要考虑的就是系统的硬件电路的 设计。 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分，一部分是系统扩展，即 当单片机的内部功能单元，如r o m 、r a m 、i o 、定时计数器、中断系统等容 量不能满足应用系统的要求时，就必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计 相容的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示 器、a d 转换器、功率放大器、串行通信口、打印机等，并设计合适的接口电路。 在硬件系统的扩展和配置设计中遵循以下原则： 尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法，为硬件系统的标准化、模 块化打下良好的基础【9 】； 北京t 业人学r 学硕i j 学位论文 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有 适当的余地，以便进行二次开发； 硬件结构应结合应用软件方案进行考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影 响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。 但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来的长， 而且占用c p u 的时间； 整个系统的性能要尽量做到性能匹