本發(fā)明涉及精密器械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種納米級分辨率、微米級受控運動的微電極推進器及控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微推進裝置是精密器械中常用的重要部件之一，以生理研究領(lǐng)域為例，其中微電極推進器是一種典型的生理研究儀器，其是生理、藥理、尤其是細胞水平級研究的必備基本儀器之一。

通常，細胞直徑平均10-20微米，微電極直徑一般為5微米，要將5微米的微電極刺入10-20微米的細胞中，并停留在細胞適當(dāng)位置進行電生理現(xiàn)象的研究，也就是在碰到細胞后的移動量不能超過10微米，超過的話，微電極尖端就會離開目標(biāo)細胞。可見對微電極的推進器要求受控精度很高。當(dāng)然對其分辨率(也就是每個脈沖所移動的最小單位)要求在納米級。

除納米級的分辨率、微米級的受控運動外，還進一步要求微電極在被夾持運動時，在400倍顯微鏡下觀察，沒有明顯的抖動。也就是說，對微推進器的運動直線性具有非常嚴格的要求，如果微推進器直線性比較差，將會在微電極刺入細胞時將細胞攪爛。

目前的微電極推進器主要包括有兩種類型：手動推進器和馬達推進器，其中手動推進器通過手動操作實現(xiàn)推進，推進運動精度雖然也可以做得很高，但是手動設(shè)備雖然簡單，則精度和自動化就差；馬達推進器設(shè)備雖然精度和自動化都好但體積龐大，價格昂貴，而且一般都為專用儀器，不能通用。

因此，如何提供一種推進精度高，體積小且一體化，可方便的連接在原有的手動立體定位儀上使之升級為微米級的微推進裝置，是本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種納米級分辨率、微米級受控運動的微電極推進器，包括殼體以及固定連接所述殼體的馬達，所述殼體具有內(nèi)腔，所述殼體的內(nèi)腔內(nèi)設(shè)置有減速器、螺桿組件和夾持部件；

所述螺桿組件包括螺桿和與所述螺桿螺紋配合的螺套，所述螺桿通過軸承支撐于所述殼體的內(nèi)腔，所述螺套軸向滑設(shè)于所述殼體內(nèi)腔，并且與所述殼體軸向運動二終點限位；

所述螺套的外端部固定連接所述夾持部件的安裝座；

所述馬達的輸出軸通過所述減速器連接所述螺桿。

可選的，還包括波紋減震管，所述波紋減震管的兩端部分別固定連接所述減速器的輸出軸和所述螺桿的內(nèi)端部。

可選的，還包括導(dǎo)套，所述導(dǎo)套的外壁固定于所述殼體的內(nèi)腔，所述螺套通過滾動部件與所述殼體的內(nèi)腔壁接觸滑動，導(dǎo)套的周壁開設(shè)有沿軸向延伸的滑槽，所述滾動部件設(shè)置于所述滑槽內(nèi)部。

可選的，所述滾動部件為至少二個滾珠軸承，各所述滾珠軸承的外圈與所述滑槽的二側(cè)壁抵靠固定，所述螺套通過各所述滾珠軸承的內(nèi)部滾珠與所述殼體滾動接觸。

可選的，支撐所述螺桿的軸承的外側(cè)面通過彈簧件抵靠所述導(dǎo)套的內(nèi)端面。

可選的，所述殼體包括第一軸段和第二軸段，所述減速器和支撐所述螺桿的軸承均設(shè)置于所述第一軸段的內(nèi)腔，所述導(dǎo)套固定于所述第二軸段的內(nèi)腔。

可選的，還包括聯(lián)軸器，所述馬達的輸出軸通過所述聯(lián)軸器連接所述減速器的動力輸入軸；所述馬達為步進電機，所述步進電機的外殼固定連接所述殼體。

可選的，還包括電機固定套，所述電機固定套包括法蘭部和套筒部，所述步進電機的殼體通過螺栓連接所述法蘭部，所述殼體的內(nèi)端部固定套設(shè)于所述套筒部的內(nèi)部，且兩者周向密封。

此外，本發(fā)明還提供了一種微電極推進器的控制系統(tǒng)，包括上述任一項所述的微電極推進器，包括以下部件：

輸入部件，用于輸入微電極推進器的控制指令；

控制器，接收所述控制指令，并根據(jù)所述控制指令驅(qū)動所述微電極推進器的馬達轉(zhuǎn)動。

可選的，所述控制器內(nèi)預(yù)設(shè)有補償模塊，所述補償模塊預(yù)存有用于補償馬達轉(zhuǎn)動誤差和所述微電極推進器中其它運動鏈所產(chǎn)生的誤差的脈沖補償量，并根據(jù)所述控制指令計算馬達轉(zhuǎn)動的理論脈沖量，將脈沖補償量和理論脈沖量之和作為控制馬達轉(zhuǎn)動的脈沖量；所述控制器內(nèi)部還具有顯示模塊，將用于顯示微電極推進器各部件當(dāng)前工作數(shù)據(jù)參數(shù)。

本文中的微電極推進器大大提高了微電極推進器的控制精度和分辨率這樣分辨率和精度完全能夠滿足微電極刺入細胞的運動要求?？刂葡到y(tǒng)以單片機為核心的控制部分使推進器受控，并可以補償減速器等運動鏈的間隙誤差。本文中的微推進器系統(tǒng)大大提高了微推進器的控制精度和分辨率。并且由于微推進器小巧、一體，只需增加一連接件，就可以輕易與目前簡易的立體定位儀相連接，將手動的立體定位儀升級成為頂級精度的微電極推進裝置。

因本文中的控制系統(tǒng)是在具有以上技術(shù)效果的微電極推進器的基礎(chǔ)上實施的，故該控制系統(tǒng)也具有微電極推進器的上述技術(shù)效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實施例中微電極推進器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為微電極推進器處于推出狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為導(dǎo)套滑槽內(nèi)部兩軸承的布置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明一種實施例中安裝有微電極推進器的整體系統(tǒng)示意圖。

其中，圖1至圖4中各部件與附圖標(biāo)記之間的一一對應(yīng)關(guān)系如下所示：

第一軸段1、導(dǎo)套2、螺桿3、螺套4、第二軸段5、內(nèi)襯6、波紋減震管7、減速器8、軸承9、彈簧墊圈10、彈簧件11、安裝座12、夾持部13、固定套14、墊圈15、連接部件17、馬達18、第一限位部件19、第二限位部件20；

立體定位儀100、支架101、控制器200。

具體實施方式

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

請參考圖1、圖2和圖4，圖1為本發(fā)明一種實施例中微推進裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為微電極推進器處于推出狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明一種實施例中安裝有微電極推進器的整體系統(tǒng)示意圖。

本發(fā)明提供了一種納米級分辨率、微米級受控運動的微電極推進器，本微電極推進器可以通過連接件安裝于立體定位儀100等部件上，立體定位儀100上的手動調(diào)節(jié)現(xiàn)在作為位置粗調(diào)，并與控制器200連接組成試驗所需的試驗系統(tǒng)。立體定位儀100通過支架101支撐于實驗臺或者地面上。本文以微電極推進器應(yīng)用于細胞刺入實驗為例進行介紹技術(shù)方案，當(dāng)然本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本文中的微電極推進器還可以方便的設(shè)計其他領(lǐng)域的連接器后應(yīng)用于其他具體領(lǐng)域，并不局限于本文所述領(lǐng)域。

本文中所提供的微電極推進器包括殼體以及固定連接殼體的馬達18，殼體一般為中空管狀結(jié)構(gòu)，具有內(nèi)腔馬達18的殼體固定于殼體的一端部。馬達18為提供運動動力的一種動力部件，可以為電機，也可以為液壓等形式的其他部件。本文以馬達18為步進電機為例進行繼續(xù)介紹技術(shù)方案。

通常馬達18殼體的連接端部為法蘭結(jié)構(gòu)，殼體的端部安裝有固定套，固定套14包括法蘭部和套筒部，步進電機的殼體通過螺栓連接法蘭部，殼體的內(nèi)端部固定套設(shè)于套筒部的內(nèi)部，且兩者周向密封。步進電機和殼體之間還可以增加墊圈15。

本文中殼體內(nèi)腔中還進一步設(shè)置有減速器8、螺桿組件和夾持部件。螺桿組件包括螺桿3和與螺桿3螺紋配合的螺套4，螺桿3具有設(shè)置有外螺紋的桿段，螺套4為筒狀結(jié)構(gòu)，筒內(nèi)壁設(shè)置有與螺桿3的外螺紋部相配合的內(nèi)螺紋部。螺桿3設(shè)置于螺套4的內(nèi)部。

螺桿3通過軸承支撐于殼體的內(nèi)腔，即殼體的內(nèi)腔壁設(shè)置有軸承9座，軸承9固定安裝于軸承座。軸承9與螺桿3之間還可以設(shè)置內(nèi)襯6。

螺套4周向滑設(shè)于殼體內(nèi)腔，并且與殼體周向限位，也就是說，螺套4可相對于殼體軸向滑動，但是螺套4和殼體周向不能相對轉(zhuǎn)動。這樣，螺桿3轉(zhuǎn)動時，在內(nèi)螺紋部和外螺紋部的作用下，螺套4可相對螺桿3前后移動。

螺套4的外端部固定連接夾持部件的安裝座，本文中所述的夾持部件主要作用是夾持微電極等工具。夾持部件具有安裝座12和夾持部13，夾持部13用于夾持工具，安裝座12用于與螺套4配合固定。

需要說明的是，本文將靠近馬達18的一端定義為內(nèi)，遠離馬達18的一側(cè)定義為外，僅是為了描述技術(shù)方案的簡潔。

本發(fā)明中的馬達18輸出軸通過減速器8連接螺桿3，具體地，馬達輸出軸可以通過連接部件17連接減速器8輸入軸。減速器8的具體結(jié)構(gòu)及減速比可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境具體設(shè)置，減速器8為該領(lǐng)域比較成熟的產(chǎn)品，本文不做詳細介紹，這并不影響本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員對本文技術(shù)方案的理解。

以步距角18度的步進電機，20個脈沖走一圈，螺桿3螺距0.5mm為例，馬達18直接帶動螺桿3轉(zhuǎn)動時，一個脈沖即分辨率為25um(微米)。本發(fā)明中馬達18與螺桿3之間連接有減速器8，以減速器8的減速比為1：100為例，本文中的微電極推進器一個脈沖的分辨率可達0.25um，即250納米，4個脈沖走1um。

從以上實施例可以看出，本文中的微電極推進器大大提高了微電極推進器的控制精度和分辨率，這樣分辨率和精度完全能夠滿足微電極刺入細胞的運動要求。

微電極比較重要的指標(biāo)是穩(wěn)定度，即在400倍放大鏡下觀察，微電極不能有任何方向的偏擺。

進一步地，本文中的微電極推進器還設(shè)置有波紋減震管7，波紋減震管7的兩端部分別固定連接減速器的輸出軸和螺桿3的內(nèi)端部。波紋減震管7可以吸收掉步進電機和減速器8運行震動，有利于微電極運動的穩(wěn)定性。

請參考圖3圖3為導(dǎo)套滑槽內(nèi)部兩軸承的布置結(jié)構(gòu)示意圖。該設(shè)計為使導(dǎo)套不至于隨螺桿的轉(zhuǎn)動而在徑向有抖動。

上述各實施例中，微電極推進器還包括導(dǎo)套2，導(dǎo)套2的外壁固定于殼體的內(nèi)腔，螺套4通過滾動部件與殼體的內(nèi)腔壁接觸滑動，導(dǎo)套2的周壁開設(shè)有沿軸向延伸的滑槽，滾動部件設(shè)置于滑槽內(nèi)部。滾動部件可以為滾珠軸承16，滾珠軸承16的數(shù)量可以為兩個，螺套4通過滾珠軸承的各滾珠與第二軸段5的內(nèi)壁滾動接觸。

螺套4徑向設(shè)置有滾珠軸承16，滾珠軸承16與滑槽的側(cè)壁即軸承限定于滑槽內(nèi)部，滾珠軸承16可以有利于螺套4沿著滑槽軸向滑動。有利于保證螺套4直線運行精度。并且螺套4通過軸承16向前滑動阻力比較小。

上述各實施例中，微電極推進器還可以包括第一限位部件19和第二限位部件20，第一限位部件19和第二限位部件20分別設(shè)置于滑槽內(nèi)壁的前后兩端部；當(dāng)滾珠軸承抵靠第一限位部件19時，螺套4位于左終點，當(dāng)滾珠軸承抵靠第二限位部20件時，螺套4位于右終點。一旦軸承碰到限位開關(guān)，使限位開關(guān)的導(dǎo)電體通過軸承接地，微處理器即命令電機停止原先轉(zhuǎn)向運轉(zhuǎn)，只能接受反向運轉(zhuǎn)的指令。工藝上可以用海綿雙面膠一面粘貼一塊導(dǎo)電體引出到微處理器，一面粘貼在滑槽軸向端面。海綿雙面膠對接觸軸承有彈性緩沖，保證與導(dǎo)電體接觸可靠。

上述各實施例中，支撐螺桿3的軸承9的外側(cè)面通過彈簧件11抵靠所述導(dǎo)套2的內(nèi)端面。波紋減震管7與軸承9之間還可以設(shè)置有彈簧墊圈10。

為了便于微電極推進器各部件的安裝，尤其是殼體內(nèi)腔中各部件的安裝和拆卸，本文中的微電極推進器還進一步進行了如下改進。

上述各實施例中的殼體可以進一步包括第一軸段1和第二軸段5，減速器8和支撐螺桿3的軸承均設(shè)置于第一軸段1的內(nèi)腔，導(dǎo)套2固定于第二軸段5的內(nèi)腔。其中第一軸段1和第二軸段5可以可拆卸連接。

上述實施例中的微電極推進器在進行安裝時，可以先組裝馬達18、減速器8，然后再組裝第一軸段1，進而繼續(xù)組裝螺桿3、螺套4、導(dǎo)套2，最后將第二軸段5套裝于組裝好的導(dǎo)套2的外部。

該安裝方式比較快速，并且維修拆卸也比較方便。

上述各實施例中的微電極推進器還進一步包括聯(lián)軸器，馬達18的輸出軸通過聯(lián)軸器連接減速器8的動力輸入軸。

為了實現(xiàn)機械的自動化操作，本文還提供了一種控制系統(tǒng)。微電極推進器的控制系統(tǒng)除包括上述微電極推進器外，還包括輸入部件和控制器200，輸入部件用于輸入微電極推進器的控制指令，即可以夾持部件向前運動的位移?？刂破?00接收該控制指令，并根據(jù)該控制指令驅(qū)動微電極推進器的馬達18轉(zhuǎn)動。

當(dāng)然，增加減速器8難免會增加傳動鏈中的間隙，給精度帶來一定的影響，即馬達18轉(zhuǎn)動預(yù)定圈數(shù)時，螺桿3的實際位置與理論位移不一致。為了克服上述缺陷，本文進一步設(shè)置如下。

控制器200內(nèi)部可以預(yù)設(shè)有補償模塊，所述補償模塊預(yù)存有用于補償馬達18轉(zhuǎn)動誤差和微電極推進器中其它運動鏈所產(chǎn)生的誤差的脈沖補償量，并根據(jù)所述控制指令計算馬達18轉(zhuǎn)動的理論脈沖量，將脈沖補償量和理論脈沖量之和作為控制馬達18轉(zhuǎn)動的脈沖量。

其他運動鏈包括聯(lián)軸器、減速器等傳動各部件。

控制器200可以為微電腦，步進電機的運動和顯示可以利用微電腦實現(xiàn)，可以事先用被動式光柵儀來試驗微電極推進器，在順向運行轉(zhuǎn)逆向運行過程，測量出誤差(一般為負尺寸)然后在微電腦中將該誤差轉(zhuǎn)換為脈沖的補償量。例如，測量出來的理論值負了1um，那么在程序中加入這樣一條指令：凡是轉(zhuǎn)向(包括啟動)先給出4個脈沖，讓步進電機多轉(zhuǎn)1um再顯示和計數(shù)，以此方法將間隙補償?shù)簟?/p>

另外，控制器200內(nèi)部還具有顯示模塊，將用于顯示微電極推進器各部件當(dāng)前工作數(shù)據(jù)參數(shù)。工作數(shù)據(jù)參數(shù)包括電機的轉(zhuǎn)動速度、螺套的位移量等參數(shù)。

本文中的微推進器大大提高了微電極推進器的控制精度和分辨率這樣分辨率和精度完全能夠滿足微電極刺入細胞的運動要求?？刂葡到y(tǒng)以單片機為核心的控制部分使推進器受控，并可以補償減速器等運動鏈的間隙誤差。本文中的微推進器系統(tǒng)大大提高了微推進器的控制精度和分辨率。并且由于微推進器小巧、一體，只需增加一連接件，就可以輕易與目前簡易的立體定位儀相連接，將手動的立體定位儀升級成為頂級精度的微電極推進裝置。

因本文中的控制系統(tǒng)是在具有以上技術(shù)效果的微電極推進器的基礎(chǔ)上實施的，故該控制系統(tǒng)也具有微電極推進器的上述技術(shù)效果。

以上對本發(fā)明所提供的一種納米級分辨率、微米級受控運動的微電極推進器及控制系統(tǒng)進行了詳細介紹。本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。