摘 要

用显微注射将外源物质注入卵细胞等是基础生物学、医学研究的重要手段，也是一种应用最广泛的细胞显微操作方法。但这需要实验员长时间的练习且保持熟练的操作技能才能完成，即便如此也会因为人手的抖动等不稳定因素的存在造成每次的量化标准不同，重复性比较差，所以我们希望这些操作能够由机器自动化完成。

本文提出了一种混合驱动式的微小型机器人的结构，该机器人基于尺蠖蠕动式驱动原理实现平面的移动和旋转，通过音圈马达实现纵向的移动。并且对机器人的运动轨迹进行了规划研究，用机器人搭载针尖，通过上层控制软件控制信号源发出电流信号，驱动微小机器人按预定的轨迹运动，实现针尖的校准。

关键词：显微注射，微小机器人，运动轨迹，针尖校准

Abstract

Microinjection of exogenous substances into oocytes is an important means of basic biology and medical research, and is also the most widely used cell micromanipulation method. However, it takes a long time for the experimenter to practice and maintain proficient operation skills. Even so, the existence of unstable factors such as shaking of hands will cause different quantitative standards and poor repeatability each time. Therefore, we hope that these operations can be completed automatically by the machine.

In this thesis, a hybrid driven micro robot structure is proposed. The robot realizes plane movement and rotation based on inchworm peristaltic driving principle, and longitudinal movement through voice coil motor. And the trajectory of the robot is planned and studied. The robot carries the needle tip, and the upper control software controls the signal source to send the current signal, and drives the micro robot to move according to the predetermined trajectory to achieve the calibration of the needle tip.

Keywords: Microinjection, microrobot, trajectory

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2研究目的及意义 1

1.3国内外研究现状 1

1.4课题研究内容及预期目标 2

第 2 章 显微操作平台设计 4

2.1 引言 4

2.2机器人视觉系统 4

2.2.1全局视觉子系统 5

2.2.2局部视觉子系统 5

2.3 机器人驱动系统 6

2.4 微小机器人本体及运动原理 7

2.4.1轨道的轨迹规划 7

2.4.2 平面运动模块 7

2.4.3纵向运动模块 10

第 3 章 校准算法设计 11

3.1清晰度评价函数 11

3.2 方案选择 12

3.3基于OpenCV的图像采集 13

3.4自动识别针尖位置 14

3.5人机交互系统软件 15

第4章 总结 17

参考文献 18

致谢 20

1. 绪论
   1. 研究背景

在微操作实验中，当操作对象的尺寸达到微米级时，通常需要通过显微镜用人眼观察操作过程，而手动操作的方式不仅要求操作人员具备扎实的微操作技术，但同时也需要操作者的心理素质、经验、劳动强度等。在此基础上，微操作实验存在着难度大、耗时长等缺点。实验操作人员进行微操作实验研究需要经过长期的专业培训。实验成本很高，成功率普遍较低，制约了微操作领域的发展。目前，仍有许多科研机构采用手工操作进行微操作实验。操作重复性差、效率低，同时，在实际应用环境中，手工操作可能不能满足高精度实验的要求。因此，提高微操作系统的自动化程度已迫在眉睫。

1.2研究目的及意义

目前，由于我国缺乏自主研发微操作装置的技术，大多数科研机构需要购买国外昂贵的半自动或自动微操作实验设备进行微操作研究，如德国的Eppendorf、日本的Olympus等，因此，开发一套具有核心竞争力的微操作系统，不仅对提高微操作的成功率和可重复性，实现手工难以完成的高精度微操作任务具有重要的现实意义，同时也要打破国外的技术垄断，促进我国生物医学工程、精密制造工程等领域的发展。

1.3国内外研究现状

国外对微操作自动化的研究起步较早。在各个领域，美国、日本、欧洲等国家都开发了各种优秀的微操作系统，在世界上处于领先地位。

欧洲部分国家的8所大学与飞利浦等两家公司合作开发了微型系列机器人系统机器人本体，主要由微型机械手模块和移动定位模块两部分组成。该机器人的运动分辨率为10nm，最大运动速度为3cm/s，在多个机器人的协调下，可以实现复杂的微操作任务。麻省理工学院开发了一种纳米级操作的微操作系统，具有高集成度的特点。该系统主要由纳米步行机器人本体、控制驱动系统、扫描隧道显微镜系统和通信系统组成。其中，机器人本体采用三根压电陶瓷管作为机器人的支撑脚，根据微动原理在操作平台上实现全方位运动。机器人的最大运动速度为20毫米/秒，分辨率为10纳米。同时，系统定位模块有两种定位系统：全球尺度定位系统和原子尺度定位系统。全球尺度定位系统的定位分辨率为5μm，原子尺度定位系统达到纳米级。日本电力通信大学青山研究小组开发了一种基于尺蠖运动原理的微操作机器人系统。该系统通过电磁铁和压电驱动器的配合来实现机器人的运动。机器人的物理尺寸为34m×34mm×18mm，最大单步位移为4.5μm，最大运动速度为2.25mm/s^[1]。

在我国，微操作系统的研究始于20世纪90年代，主要集中在高校和科研机构。南开大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学等高校在国家的大力支持下，先后开展了微操作系统的研究工作。研究内容主要集中在机械机构、驱动方式、视觉系统等方面，目前已经取得了一定的科研成果，但由于受国内精密装配水平、制造水平等条件的制约，大部分研究成果还只是在实验室阶段，还没有完成能够实现产业化。

南开大学机器人与信息自动化研究所1993年开始微操作系统的研究，1996年研制出我国第一台应用于生物工程领域的微操作系统样机^[2]。在此基础上，开发了nkty-Mr系列微操作系统。吉林大学对微视觉伺服控制系统进行了研究。系统的宏运动模块由混合式步进电机和滚珠丝杠组成。它具有运动行程大、控制精度高等优点。微运动模块由实验室研制的压电直线驱动器驱动，具有响应速度快、定位精度高等优点。在细胞运行的背景下，课题组先后开展了基于定义评价函数的自动聚焦、图像融合、显微视觉伺服控制等微操作系统关键技术研究，实现了细胞定位、抓取、跟踪等微操作任务南京科技大学的其他研究人员开发了一套数字细胞显微注射机器人系统。系统采用微流体输送的方法，将电池自动倾斜输送到输送管，然后进入注射针。同时，吸收针吸收细胞，最后在吸收针和注射针的配合下完成细胞注射。北京航空航天大学开发了一套压电陶瓷驱动的生物工程微操作系统^[2]，可以在全球摄像机的作用下实现视觉闭环反馈功能；华中科技大学黄新汉等人开发了一套基于多机械手的微动装配机器人系统，该系统由机械手和微动视觉伺服协调配合控制，完成了亚毫米级微动零件的精密装配任务，实现了重复定位准确度为±1μm^[2]。