專利名稱：用于生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)，具體地說，它涉及一種用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中，完成細(xì)微操作的微操作機器人系統(tǒng)。
在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中，存在著大量涉及對染色體、細(xì)胞內(nèi)器官、細(xì)胞體等的細(xì)微、精密操作，如細(xì)胞的分離、融合、受精，染色體的切割，細(xì)胞的注射等等。這類操作都是在微米或亞微米級的微觀空間內(nèi)進(jìn)行的細(xì)微操作，故稱其為微操作。對于這類操作，不但要求定位準(zhǔn)確、操作精度高、一致性好，而且要做到操作時間短、效率高。目前，微操作都是由人工通過操作微操作工具(Micromanipulator System)來進(jìn)行的。在眾多的微操作工具中，較有代表性的，較為先進(jìn)的微操作工具當(dāng)數(shù)日本NIKON CORPORATION研制生產(chǎn)的Diaphot 300 with NT-88 Micromanipulator System微操作系統(tǒng)。這種微操作系統(tǒng)大都有如下組成顯微鏡，操作臺，分別由左、右手操作控制的液壓三自由度左、右驅(qū)動機構(gòu)，左、右側(cè)微操作工具(微型切割刀、微型注射器等等)，左、右三自由度執(zhí)行機構(gòu)；分別控制和固定左、右微操作工具的左、右三自由度執(zhí)行機構(gòu)分別放置于顯微鏡和操作臺的兩側(cè)，左、右驅(qū)動機構(gòu)分別與左、右三自由度執(zhí)行機構(gòu)連接，并在人的左、右手控制下驅(qū)動左、右三自由度執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行微操作?，F(xiàn)有微操作系統(tǒng)存在的主要不足有系統(tǒng)實為一套人工操作裝置，對使用者要求較高，要培養(yǎng)一個合格的操縱者，需要很多的時間和費用；并且作業(yè)質(zhì)量易受操縱者個人技術(shù)、工作狀態(tài)及心理、情緒影響，精度及一致性差；由于人工直接操作，即使是熟練的操縱者，其成功率也很低，作業(yè)成本高，工作時間長，影響細(xì)胞或微生物等的成活率，增加了后續(xù)工作的難度。
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種由計算機規(guī)劃與管理的、高精度、高效率，高一致性的，計算機視覺圖象輔助閉環(huán)控制的微操作機器人系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明主要包括顯微鏡1、操作臺2、左側(cè)微操作工具3、右側(cè)微操作工具4、左三自由度執(zhí)行機構(gòu)5、右三自由度執(zhí)行機構(gòu)6、左驅(qū)動機構(gòu)7、右驅(qū)動機構(gòu)8和計算機9；左側(cè)微操作工具和右側(cè)微操作工具分別置于左三自由度執(zhí)行機構(gòu)和右三自由度執(zhí)行機構(gòu)之上，左驅(qū)動機構(gòu)和右驅(qū)動機構(gòu)分別驅(qū)動左三自由度執(zhí)行機構(gòu)和右三自由度執(zhí)行機構(gòu)，左驅(qū)動機構(gòu)和右驅(qū)動機構(gòu)分別由微電機組成。在上述計算機控制的微操作機器人系統(tǒng)中，攝象裝置10裝于顯微鏡的第三目鏡上，攝象裝置通過圖象采集模塊11與計算機連接，向計算機輸入操作現(xiàn)場的圖象信息，計算機的輸出端通過控制箱12分別與左驅(qū)動機構(gòu)和右驅(qū)動機構(gòu)連接，構(gòu)成計算機視覺圖象輔助的，可人機對話的，由計算機規(guī)劃和控制的微操作系統(tǒng)。
在本發(fā)明中，可裝有自動調(diào)焦機構(gòu)13。與顯微鏡上的調(diào)焦裝置配合的調(diào)焦機構(gòu)與計算機的輸出端連接，受計算機控制，自動調(diào)整圖象的清晰度，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的主要優(yōu)點是實現(xiàn)了生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域和其他類似領(lǐng)域(微電子、微制造等)中微操作的自動化、智能化；使得微米及亞微米級的微操作具有大范圍運動(目標(biāo)搜尋)、高精度細(xì)微作業(yè)的特點；微操作作業(yè)的一致性好、質(zhì)量優(yōu)、效率高。
本發(fā)明附圖的圖面說明如下

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例的方框圖。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述在本發(fā)明中，左三自由度執(zhí)行機構(gòu)5上加有控制注吸操作(微注射器的注射或吸取動作)的左F自由度(第四自由度)執(zhí)行機構(gòu)，左F自由度執(zhí)行機構(gòu)通過左F自由度驅(qū)動機構(gòu)與計算機9的輸出端連接并受計算機控制；右三自由度執(zhí)行機構(gòu)6上加有控制注吸操作的右F自由度執(zhí)行機構(gòu)，右F自由度執(zhí)行機構(gòu)通過右F自由度驅(qū)動機構(gòu)與計算機的輸出端連接并受計算機控制。操作臺2上置有二自由度(x，y)執(zhí)行機構(gòu)，以控制操作臺的水平移動，二自由度執(zhí)行機構(gòu)通過二自由度驅(qū)動機構(gòu)與計算機的輸出端連接并受計算機控制。
本發(fā)明的實施例結(jié)構(gòu)如圖1所示，左側(cè)微操作工具3和右側(cè)微操作工具4為微型刀、微型注射器或微型捕捉器等微型工具。顯微鏡1為倒置顯微鏡。系統(tǒng)的方框圖如圖2所示，計算機9為裝有規(guī)劃、控制和管理程序的微型計算機(Pentium 166)，其作為系統(tǒng)的中心智能管理單元。彩色CCD攝象裝置10通過圖象采集塊11接于微機的PC總線接口上。由多軸運動控制模塊14、左功率驅(qū)動單元15、右功率驅(qū)動單元16和調(diào)焦機構(gòu)功率單元17構(gòu)成功率單元，置于控制箱12中；多軸控制模塊的輸入端接于微機的PC總線接口上，多軸控制模塊的三組輸出端分別接給左驅(qū)動機構(gòu)7、右驅(qū)動機構(gòu)8和調(diào)焦機構(gòu)13提供控制功率的左功率驅(qū)動單元15、右功率驅(qū)動單元16功率單元17。左驅(qū)動機構(gòu)、右驅(qū)動機構(gòu)和調(diào)焦機構(gòu)分別由高精度步進(jìn)電機組構(gòu)成。在圖2中，18為顯示器，用于提供人機對話界面和作業(yè)現(xiàn)場信息。
權(quán)利要求
1.一種用于生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機器人，包括顯微鏡、操作臺、左側(cè)微操作工具、右側(cè)微操作工具、左三自由度執(zhí)行機構(gòu)、右三自由度執(zhí)行機構(gòu)、左驅(qū)動機構(gòu)和右驅(qū)動機構(gòu)；左側(cè)微操作工具和右側(cè)微操作工具分別置于左三自由度執(zhí)行機構(gòu)和右三自由度執(zhí)行機構(gòu)之上，左驅(qū)動機構(gòu)和右驅(qū)動機構(gòu)分別驅(qū)動左三自由度執(zhí)行機構(gòu)和右三自由度執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于上述左驅(qū)動機構(gòu)和右驅(qū)動機構(gòu)分別由微電機構(gòu)成，并與計算機一起組成微操作機器人系統(tǒng)；在該系統(tǒng)中，攝像裝置裝于顯微鏡的第三目鏡上，攝像裝置通過圖象采集模塊與計算機連接，向計算機輸入操作現(xiàn)場圖象信息，計算機的輸出端通過控制箱分別與左驅(qū)動機構(gòu)和右驅(qū)動機構(gòu)連接，構(gòu)成計算機視覺圖象輔助的、可人機對話的、由計算機規(guī)劃和控制的微操作系統(tǒng)。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機器人，其特征在于有一個與顯微鏡上的調(diào)焦裝置配合的調(diào)焦機構(gòu)與計算機的輸出端連接，受計算機控制自動調(diào)整圖象的清晰度，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的用于生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機器人，其特征在于操作臺上置有二自由度(x，y)執(zhí)行機構(gòu)，控制操作臺的水平移動，二自由度執(zhí)行機構(gòu)通過二自由度驅(qū)動機構(gòu)與計算機的輸出端連接并受計算機控制。
4.按照權(quán)利要求3所述的用于生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機器人，其特征在于左三自由度執(zhí)行機構(gòu)上加有控制注吸操作(微注射)的左F自由度(第四自由度)執(zhí)行機構(gòu)，左F自由度執(zhí)行機構(gòu)通過左F自由度驅(qū)動機構(gòu)與計算機的輸出端連接并受計算機控制；右三自由度執(zhí)行機構(gòu)上加有控制注吸操作(微注射)的右F自由度執(zhí)行機構(gòu)，右F自由度執(zhí)行機構(gòu)通過右F自由度驅(qū)動機構(gòu)與計算機的輸出端連接并受計算機控制。
5.按照權(quán)利要求2所述的用于生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機器人，其特征在于左側(cè)微操作工具和右側(cè)微操作工具為微型刀、微型注射器或微型捕捉器等微型工具；顯微鏡為倒置顯微鏡；計算機為裝有規(guī)劃、控制和管理程序的微型計算機(Penetium 166)，作為系統(tǒng)的中心智能管理單元；彩色CCD攝像裝置通過圖象采集模塊接于微機的PC總線接口上；由多軸運動控制模塊、左功率驅(qū)動單元、右功率驅(qū)動單元和調(diào)焦機構(gòu)功率單元構(gòu)成總功率單元，置于控制箱中，多軸控制模塊的輸入端接于微機的PC總線接口上，多軸控制模塊的三組輸出端分別接給左驅(qū)動機構(gòu)、右驅(qū)動機構(gòu)和調(diào)焦機構(gòu)提供控制功率的左功率驅(qū)動單元、右功率驅(qū)動單元和調(diào)焦機構(gòu)功率單元；左驅(qū)動機構(gòu)、右驅(qū)動機構(gòu)和調(diào)焦機構(gòu)分別由高精度步進(jìn)電機組構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中完成細(xì)微操作的特型機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括顯微鏡,操作臺,左、右微操作工具,左、右執(zhí)行機構(gòu),微電機組構(gòu)成的左、右驅(qū)動機構(gòu),攝象裝置和用于控制、規(guī)劃、管理的計算機。本發(fā)明的主要優(yōu)點是:實現(xiàn)了生物醫(yī)學(xué)工程等需要細(xì)微操作領(lǐng)域中的微操作自動化、智能化;系統(tǒng)在微米、亞微米級定位操作精度高,有效操作空間大,目標(biāo)搜尋快。
文檔編號A61B17/32GK1182662SQ9712170
公開日1998年5月27日 申請日期1997年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月15日
發(fā)明者張建勛, 盧桂章, 李彬, 李慶誠, 張蕾, 黃亞樓 申請人:天津市南開太陽高技術(shù)發(fā)展有限公司