專利名稱：一種顯微視覺伺服控制的微操作機器人系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于特種機器人領域，具體的是涉及一種顯微視覺伺服控制的微操作機器人系統(tǒng)。
背景技術：
在生物醫(yī)學工程領域中，存在著大量涉及對細胞、染色體等的顯微操作，如細胞的分離、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，較為先進的顯微操作儀有日本Ilikoll 公司的11T-88微操作儀、德國Eppelldorf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)，使之對細胞進行操作。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行微細操作(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成了一個大的“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)質量易受操縱者個人技術、精神狀態(tài)及心理、情緒的影響。作業(yè)時間長、效率低成本高，精度一致性差，細胞成活率低。國內外對自動化程度較高的微操作機器人系統(tǒng)的研究也取得了一定的進展。南開大學張建勛等發(fā)明了一種微操作機器人(專利號97121702.5 )，該發(fā)明提出了一種由計算機規(guī)劃與管理的、計算機視覺圖象輔助控制的微操作機器人。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，由于細胞在培養(yǎng)液里不是固定不動的，顯微視覺部分提供的細胞的位置不是實時的，微操作手所要操作細胞的位置可能與顯微視覺提供的細胞位置不一致；微操作機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)的電機驅動絲杠及導軌方式，精度難以保證。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術的不足，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器人系統(tǒng)。本發(fā)明的技術解決方案如下一種面向生物醫(yī)學的微操作機器人系統(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、計算機、細胞吸附裝置、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，并與計算機連接構成微操作機器人。攝像頭裝于顯微鏡上，通過圖像處理卡與計算機連接，向計算機輸入操作現(xiàn)場圖像信息，計算機根據(jù)輸入的圖像信息計算出左右操作工具及被操作對象之間的相對位置關系，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、右微操作手進行運動規(guī)劃和實時控制。所述的微操作機器人系統(tǒng)，左微操作手由微型直流伺服直線電機驅動，右微操作手由壓電陶瓷驅動。所述的微操作機器人系統(tǒng)，由顯微鏡、攝像頭、圖象處理卡、主控計算機及左右手伺服控制器構成顯微視覺伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)。所述的微操作機器人系統(tǒng)，計算機也與細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胞的吸附、固定、注射操作。所述的微操作機器人系統(tǒng)，現(xiàn)場操作圖像信息經由顯微鏡、攝像頭、圖像處理卡， 實時顯示在計算機的監(jiān)視器上，并同時存儲在計算機的硬盤上。計算機在規(guī)劃和控制左右微操作手的運動時，運用自動避障功能確保左右微操作手不碰撞。本發(fā)明的微操作機器人系統(tǒng)有如下特點
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)明可將細胞操作過程的動態(tài)圖像實時再現(xiàn)在計算機的監(jiān)視器上，而且同時將整個操作過程或靜態(tài)圖片存儲在計算機的硬盤上。3、本系統(tǒng)具有自動避障功能，不會造成微吸管、微玻璃針及細胞間的碰撞，因而對細胞損傷小，消耗品成本降低。4、操作員通過監(jiān)視屏、鍵盤和鼠標便可完成對微操作機器人系統(tǒng)的監(jiān)視、干預、 被操作細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遙控微操作機器人，也可以通過機器人運動操縱按鈕手動完成細胞的顯微操作。


附圖是本發(fā)明的結構框附圖標注隔振平臺1，顯微鏡2，左微操作手3，細胞吸附裝置4，右微操作手5，基因注射裝置6，左手伺服控制器7，攝像頭8，右手伺服控制器9，圖像處理卡10，計算機11，左操作工具12，右操作工具13。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。請參見圖1所示，本發(fā)明的一種面向生物醫(yī)學的微操作機器人系統(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、計算機11、 細胞吸附裝置4及基因注射裝置6、隔振平臺1等組成?？赏瓿杉毎那懈?、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
4是由微型直流伺服直線電機驅動的三自由度直角坐標式運動平臺，右微操作手5是由壓電陶瓷驅動的柔性鉸鏈并聯(lián)機構。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動位移信息。兩伺服控制器7、9還與計算機11連接；攝像頭8裝于顯微鏡2 上，通過圖像處理卡10與計算機11連接，向計算機11輸入操作現(xiàn)場圖像信息，計算機11 根據(jù)輸入的圖像信息計算出左操作工具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進行運動規(guī)劃和實時控制。計算機的作用包括實時顯示顯微操作圖像信息、 存儲動靜態(tài)圖像、對微操作手進行軌跡規(guī)劃和運動規(guī)劃、與操作人員進行交互等。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及細胞的相對位姿進行控制。即在操作過程中，顯微鏡2 下的場景(細胞、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進入主控計算機11，并在計算機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，利用鼠標選定被操作細胞及注射針13最終的操作位置。圖像處理卡10及計算機11對采集到的圖像進行處理，實時計算出被選定細胞、吸管12、注射針13的相對位姿信息，由主控計算機11解算出左微操作手3、右微操作手5的各關節(jié)的關節(jié)控制參數(shù)，對左右微操作手3和5進行軌跡規(guī)劃和任務規(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，從而實現(xiàn)對細胞的顯微操作。一旦可實施細胞吸附及基因顯微注射操作，主控計算機11將控制細胞吸附裝置4和基因注射裝置6，自動完成細胞的吸附固定及基因注射。本發(fā)明的微操作機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)了生物醫(yī)學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，人機交互界面友好等特點。
權利要求
1. 一種顯微視覺伺服控制的微操作機器人系統(tǒng)，其特征在于該系統(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、計算機、細胞吸附裝置、基因注射裝置、隔振平臺；其中(1)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， 并與計算機連接，構成微操作機器人；攝像頭裝于顯微鏡上，通過圖像處理卡與計算機連接，向計算機輸入操作現(xiàn)場圖像信息，計算機根據(jù)輸入的圖像信息計算出左右操作工具及被操作對象之間的相對位置關系，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、右微操作手進行運動規(guī)劃和實時控制；(2)左微操作手由微型直流伺服直線電機驅動，右微操作手由壓電陶瓷驅動；(3)由顯微鏡、攝像頭、圖象處理卡、主控計算機及左右手伺服控制器構成顯微視覺伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)；(4)計算機也與細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胞的吸附、固定、注射操作；(5)計算機在規(guī)劃和控制左右微操作手的運動時，運用自動避障功能確保左右微操作手不碰撞。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種顯微視覺伺服控制的微操作機器人系統(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，并與計算機連接，構成微操作機器人；攝像頭裝于顯微鏡上，通過圖像處理卡與計算機連接，并向計算機輸入操作現(xiàn)場圖像信息，計算機根據(jù)輸入的圖像信息計算出左右操作工具及被操作對象之間的相對位置關系，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、右微操作手進行運動規(guī)劃和實時控制。本發(fā)明的特點是實現(xiàn)了生物醫(yī)學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，人機交互界面友好等特點。
文檔編號C12M1/00GK102477396SQ20101055355
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權日2010年11月22日
發(fā)明者杜沖 申請人:大連創(chuàng)達技術交易市場有限公司