基于微型機(jī)器人的顯微注射系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

秦傳波，曾軍英，田聯(lián)房，曹路

?

基于微型機(jī)器人的顯微注射系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

秦傳波1，曾軍英1，田聯(lián)房2，曹路1

（1. 五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2. 華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

針對(duì)傳統(tǒng)顯微注射操作中手動(dòng)操作難度大、成本高等問題，設(shè)計(jì)了一種基于微型機(jī)器人的低成本顯微注射系統(tǒng). 首先，介紹三自由度微型機(jī)器人、信號(hào)控制器和功率放大器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理. 其次，分析機(jī)器人在平面和垂直方向的運(yùn)動(dòng)性能. 在驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，平面尺蠖式蠕動(dòng)速度可達(dá)步；在驅(qū)動(dòng)信號(hào)高于時(shí)，步進(jìn)分辨率小于步；垂直方向運(yùn)動(dòng)最大范圍，最小分辨率達(dá)，滿足實(shí)際要求. 最后，設(shè)計(jì)了顯微針對(duì)插、蝦卵細(xì)胞吸附固定實(shí)驗(yàn)和蝦卵細(xì)胞注射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，本文方案操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性強(qiáng)，顯微注射成功率達(dá)88%.

細(xì)胞顯微注射；微型機(jī)器人；壓電陶瓷；音圈馬達(dá)

細(xì)胞顯微注射自動(dòng)化是當(dāng)前生物基因工程技術(shù)的重點(diǎn)研究方向. 由于生物細(xì)胞的直徑通常在范圍內(nèi)，其操作精度遠(yuǎn)超人類生理極限，因此研發(fā)適用于生物工程領(lǐng)域的低成本、高精度微小型自動(dòng)化機(jī)器人，對(duì)于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞顯微注射自動(dòng)化的推廣具有重大的實(shí)用價(jià)值. 目前，微型機(jī)器人按驅(qū)動(dòng)方式可分為微電機(jī)驅(qū)動(dòng)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng).

國(guó)外學(xué)者因研究起步較早，已經(jīng)取得較好的研究成果. 如文獻(xiàn)[1]采用四組壓電陶瓷致動(dòng)器和兩個(gè)U型電磁鐵設(shè)計(jì)了一款完整約束機(jī)器人，精度達(dá)，但未解決顯微針在垂直方向的運(yùn)動(dòng)，且旋轉(zhuǎn)空間要求大. 文獻(xiàn)[2]可實(shí)現(xiàn)三自由度顯微針運(yùn)動(dòng)控制，結(jié)合機(jī)器視覺和PID算法，實(shí)現(xiàn)了人類精子的固定和吸取動(dòng)作，但是實(shí)驗(yàn)條件成本高，要求高精密電機(jī)驅(qū)動(dòng)X-Y轉(zhuǎn)換工作臺(tái). 文獻(xiàn)[3]將視覺監(jiān)控和微執(zhí)行器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)固定細(xì)胞的顯微注射. 文獻(xiàn)[4]則使用壓電驅(qū)動(dòng)超聲波細(xì)胞注射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了批量斑馬卵細(xì)胞的注射. 在國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[5]研發(fā)出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)細(xì)胞注射微操機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)80%，但設(shè)備成本相對(duì)高，不利于推廣. 文獻(xiàn)[6]首創(chuàng)了微流體數(shù)字化驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化細(xì)胞注射系統(tǒng)，但未研發(fā)出可供推廣應(yīng)用的微小機(jī)器人. 文獻(xiàn)[7]使用微力傳感器采集細(xì)胞注射過程中的受力情怳，并結(jié)合機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞顯微注射，但其傳感器不容易安裝和測(cè)試. 可以看到，壓電陶瓷因其小型輕便、輸出力大、反應(yīng)靈敏、精度高等特點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外科研工作者的青睞. 壓電驅(qū)動(dòng)并結(jié)合機(jī)器視覺和微小型機(jī)器人是當(dāng)前顯微注射的主流研究方向，鑒于其存在研發(fā)成本高、可重復(fù)性較差、不易推廣等缺點(diǎn)，本文提出一種基于微操機(jī)器人的自動(dòng)化顯微注射系統(tǒng)[8]：三自由度微型操作機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱微操機(jī)器人），它主要由壓電陶瓷、電流線圈混合驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了針對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的可變頻驅(qū)動(dòng)控制板和信號(hào)功率放大器.

1 自動(dòng)化顯微注射系統(tǒng)

顯微注射系統(tǒng)實(shí)物如圖1-a，主要由多孔徑倒置顯微鏡平臺(tái)、微操機(jī)器人、平面鐵磁板、模擬信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、兩組全局?jǐn)z相機(jī)、可編程電源和差分式氣泵等構(gòu)成. 微操機(jī)器人由壓電陶瓷、電流線圈和音圈馬達(dá)混合驅(qū)動(dòng)，顯微操作針安裝在音圈馬達(dá)裝置上. 系統(tǒng)框圖見圖1-b.

a. 顯微注射系統(tǒng)實(shí)物圖 b. 顯微注射系統(tǒng)框圖

1.1 三自由度混合式驅(qū)動(dòng)微操作機(jī)器人

考慮到顯微操作空間以及精度的要求，微操機(jī)器人設(shè)計(jì)為小尺寸：，從結(jié)構(gòu)上分為平面行走和縱向微動(dòng)模塊. 如圖2-a，壓電陶瓷型號(hào)為NEC AE0505D08F，工作電壓，最大位移. 微型機(jī)器人可完成3個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)：直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)彎和垂直方向（顯微針移動(dòng)），通過模擬信號(hào)發(fā)生器，分別調(diào)整壓電陶瓷上的電壓、電流線圈的電流強(qiáng)度與相位，驅(qū)動(dòng)微操機(jī)器人前后運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)；而通過操作可編程電源改變音圈馬達(dá)的電流，則可實(shí)現(xiàn)微操作工具（吸持針或注射針）在垂直方向的上下位移調(diào)整.

圖2 微小型注射機(jī)器人

平面行走模塊主要部件為：一對(duì)壓電陶瓷、2個(gè)線圈、2個(gè)U形導(dǎo)磁鐵芯、1對(duì)金屬薄簧片、前/中/后向機(jī)身部件. U形導(dǎo)磁鐵芯安裝在前后機(jī)身上，其4個(gè)支點(diǎn)用作微操機(jī)器人的支撐腳，線圈纏繞在鐵芯中間位置，通電時(shí)使其吸附在鐵磁性面板上. 后機(jī)身與中間機(jī)身通過兩片易形變的銅材質(zhì)薄簧片銜接，且在銜接下方各形成一個(gè)直角的凹槽，在兩側(cè)凹槽內(nèi)分別固定一個(gè)層積式壓電陶瓷元件. 中間機(jī)身和前向機(jī)身由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，確保整個(gè)機(jī)器人處于同一工作平面且以尺蠖蠕動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)微位移. 縱向微動(dòng)模塊為改進(jìn)的線性音圈馬達(dá)，如圖2-b所示，尺寸為，由電流線圈、2塊永久磁鐵、2片薄銅簧片、塑料動(dòng)板和基座構(gòu)成. 磁鐵安裝在動(dòng)板內(nèi)置孔內(nèi)，豎直嵌套在線圈兩端；線圈則安裝在基座上；動(dòng)板和基座經(jīng)由薄銅簧片連接，由線圈產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)音圈馬達(dá)在豎直方向上運(yùn)動(dòng). 縱向微動(dòng)模塊主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)注射針在豎直方向的移動(dòng)，并使被注射細(xì)胞的質(zhì)心和注射針尖處于同一水平線上. 改進(jìn)的縱向微動(dòng)模塊克服了傳統(tǒng)導(dǎo)軌軸承傳動(dòng)產(chǎn)生的非線性等缺點(diǎn).

1.2 模擬驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器和功率放大器

信號(hào)發(fā)生器負(fù)責(zé)傳輸微操機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)：選用32通道模擬輸出卡NI PCI-6723，精度13位，峰值，電流最大值. 一個(gè)微操機(jī)器人需要4組驅(qū)動(dòng)信號(hào)：2組正弦波信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，2組方波信號(hào)為線圈提供電流. 一般細(xì)胞顯微注射需要3個(gè)機(jī)器人協(xié)作完成，本方案最多可驅(qū)動(dòng)8個(gè)微操機(jī)器人.

a. 功率放大器 b. 放大電路板

微操機(jī)器人在平面做尺蠖式蠕動(dòng)需要分別將前后半機(jī)身輪流吸附在鐵磁板上. 吸附功能由流經(jīng)電流線圈的電流調(diào)節(jié)控制. 工作條件要求產(chǎn)生矩形波驅(qū)動(dòng)電流最大值為，為此設(shè)計(jì)了一塊電流調(diào)節(jié)板卡（為獨(dú)立板卡，便于安裝和管理），設(shè)定通過電流線圈的電流工作范圍為.

2 微型操作機(jī)器人性能分析

該微操機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)和垂直方向的顯微工具（吸持針和注射針）移動(dòng). 平面運(yùn)動(dòng)是指在平面鐵磁板上前后直線運(yùn)動(dòng)、左右轉(zhuǎn)彎和原地旋轉(zhuǎn). 垂直方向的顯微針移動(dòng)是指通過設(shè)置可編程電源，改變音圈馬達(dá)的電流，控制顯微工具在上下方向的微移動(dòng).

2.1 平面運(yùn)動(dòng)控制及精度分析

平面運(yùn)動(dòng)基本原理：微操機(jī)器人需要同一頻率的壓電陶瓷工作電壓和電流線圈中的電流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，并控制模擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需運(yùn)動(dòng)方式調(diào)整電流、電壓的相位關(guān)系和各自的幅度，電流信號(hào)使機(jī)器人機(jī)身在平面鐵磁板上處于吸附或自由狀態(tài)，由電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)前后機(jī)身的推進(jìn)、拉伸和擠壓，分階段實(shí)現(xiàn)整體機(jī)身的蠕動(dòng). 微型操作機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖4-a，PZ_L和PZ_R表示左右兩側(cè)的壓電陶瓷，F(xiàn)L、FR、BL和BR表示前后兩組U形磁鐵所形成的4個(gè)支撐點(diǎn)，水平支撐點(diǎn)間為電流線圈. 圖4-b表示微操機(jī)器人處于階段1（前進(jìn)狀態(tài)），前端電流線圈斷電而后端通電，將后半機(jī)身吸附在鐵磁板上，同時(shí)，在兩側(cè)壓電陶瓷加正弦波正相電壓，使其伸長(zhǎng)，拉伸薄銅簧片，推動(dòng)前半機(jī)身向前運(yùn)動(dòng)；階段2為前端電流線圈通電而后端斷電，將前半機(jī)身吸附固定在鐵磁板上而釋放后半機(jī)身，同時(shí)，壓電陶瓷加正弦波負(fù)相電壓，使機(jī)身收縮，拖動(dòng)后半機(jī)身向前運(yùn)動(dòng). 如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)直線方向尺蠖蠕動(dòng).

a. 靜止?fàn)顟B(tài) b. 直線前進(jìn)狀態(tài) c. 右轉(zhuǎn)彎狀態(tài) d. 原地右旋轉(zhuǎn)狀態(tài)

同理，微操機(jī)器人實(shí)現(xiàn)機(jī)身左/右轉(zhuǎn)彎時(shí)，只需對(duì)兩側(cè)壓電陶瓷施加相位不同的電壓信號(hào). 工作原理與前進(jìn)的方式類似，如圖4-c所示右轉(zhuǎn)彎狀態(tài). 左右兩側(cè)壓電陶瓷工作電壓相位相同，但左側(cè)正弦波峰值遠(yuǎn)大于右側(cè). 同理，如果要實(shí)現(xiàn)機(jī)身原地旋轉(zhuǎn)，對(duì)于左右兩側(cè)的壓電陶瓷施加峰值不同且反相的電壓信號(hào)，同時(shí)減小電流線圈電流，即可實(shí)現(xiàn)相對(duì)的原地旋轉(zhuǎn)，如圖4-d所示原地右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)工作電壓相反，且左側(cè)壓電陶瓷正弦波峰值遠(yuǎn)大于右側(cè).

a. 前進(jìn) b. 原地左旋轉(zhuǎn) c. 右轉(zhuǎn)彎 d. 電流波形

由于壓電陶瓷和機(jī)械結(jié)構(gòu)的不一致以及平面摩擦力的變化，導(dǎo)致主微操機(jī)器人平面行走時(shí)存在理論偏差. 課題組使用最小二乘進(jìn)行補(bǔ)償[9]. 由圖6-a知，工作頻率為，壓電陶瓷正弦波峰值電壓，當(dāng)步行步時(shí)，補(bǔ)償前偏差位移高達(dá)，補(bǔ)償后，前進(jìn)步時(shí)，其位移偏移量為左右. 用間隔的透明測(cè)微尺測(cè)量測(cè)定位移與頻率的關(guān)系. 移動(dòng)10步的距離為6.5格，每格代表，即其速度為步. 前進(jìn)步時(shí)，其位移偏移量為左右，線性精度大大提高. 平面運(yùn)動(dòng)位移與信號(hào)頻率關(guān)系密切. 信號(hào)幅度不變，頻率越大，工作周期越小，施加在壓電陶瓷上的時(shí)間短，每個(gè)周期蠕動(dòng)的距離越小. 反之，工作頻率越低，施加在壓電陶瓷上的時(shí)間長(zhǎng)，每個(gè)周期蠕動(dòng)的距離越大. 由于器件、機(jī)械結(jié)構(gòu)和摩擦力的影響，曲線并非嚴(yán)格線性關(guān)系. 當(dāng)工作頻率超過時(shí)，步進(jìn)精度小于測(cè)微尺1格，即步進(jìn)精度可小于步.

a. 平面移動(dòng)補(bǔ)償前后偏移量對(duì)比 b. 垂直位移與電流關(guān)系

2.2 垂直方向上顯微工具移動(dòng)分析

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：PC機(jī)一臺(tái)（含開發(fā)程序）；Olympus Ix71顯微鏡平臺(tái)；模擬信號(hào)控制器NI PCI- 6723；功率放大器；微操機(jī)器人；成年蝦卵若干（直徑約）；器皿；差分式氣泵；光學(xué)位移傳感器；鍛針儀器；硬質(zhì)中性玻璃管若干（內(nèi)徑，壁厚，管長(zhǎng)）；顯微吸持針若干；加工長(zhǎng)度為、針尖直徑為注射針若干.

在國(guó)際市場(chǎng)的發(fā)展過程中，一些企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到預(yù)算管理的重要性，并試圖建立許多預(yù)算管理機(jī)制。切實(shí)的到企業(yè)中運(yùn)營(yíng)和實(shí)施，而預(yù)算管理不僅對(duì)預(yù)算本身有著很高的需求，而且還需要有完善的監(jiān)管機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)有效管理。在預(yù)算管理機(jī)制實(shí)施的過程中，我國(guó)企業(yè)主要關(guān)注預(yù)算工作的細(xì)節(jié)和內(nèi)容，對(duì)預(yù)算管理的監(jiān)督體系缺乏了解，使得企業(yè)預(yù)算管理不可能實(shí)現(xiàn)全面有效的落實(shí)。

3.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作

系統(tǒng)通過PC端交互界面產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)、運(yùn)動(dòng)方向和實(shí)時(shí)視頻跟蹤. 交互界面在XP系統(tǒng)VC 2005下開發(fā)，內(nèi)嵌基于Open CV的視頻采集模塊. 通過3個(gè)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)方案效果，即系統(tǒng)調(diào)焦驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞姿態(tài)調(diào)整與吸附、細(xì)胞刺穿實(shí)驗(yàn). 以下實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率均為，細(xì)胞直徑，吸持針尖針直徑，注射針尖直徑.

3.2.1 系統(tǒng)對(duì)焦驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

顯微鏡能否對(duì)焦準(zhǔn)確是實(shí)驗(yàn)的前提，通過縱向模塊微調(diào)顯微針位移可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦. 完成對(duì)焦后，為了確定吸持針和注射針處在同一水平面上，課題組設(shè)計(jì)了顯微針對(duì)插實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其位置的正確性，即注射針的針尖能否正確刺入吸持針的針頭內(nèi)徑. 圖7-a為調(diào)焦后準(zhǔn)備對(duì)刺，顯微針針端的距離約，驅(qū)動(dòng)微操機(jī)器人直線前進(jìn)，經(jīng)幾個(gè)步長(zhǎng)后，初步接觸，如圖7-b所示. 如果刺偏則通過旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向功能進(jìn)行調(diào)整. 圖7-c和圖7-d分別展示了注射針準(zhǔn)確刺入吸持針和退針的情景. 該實(shí)驗(yàn)表明2種針不但對(duì)焦成功而且基本保持在同一個(gè)水平面上，可以進(jìn)行細(xì)胞吸附及細(xì)胞注射實(shí)驗(yàn).

a. 對(duì)刺調(diào)焦準(zhǔn)備 b. 對(duì)刺接觸 c. 對(duì)刺成功 d. 顯微針退針

3.2.2 細(xì)胞吸附實(shí)驗(yàn)

細(xì)胞固定是細(xì)胞注射的關(guān)鍵. 在實(shí)驗(yàn)中借助三端口差分式氣泵實(shí)現(xiàn)細(xì)胞注射，其中兩個(gè)端口通過軟管插入裝有純凈水的器皿，另一端口經(jīng)軟管接微操機(jī)器人的顯微針. 吸附細(xì)胞時(shí)，出氣端口氣壓小于抽氣端口氣壓，在接有吸附針的第3個(gè)端口形成一個(gè)抽氣的負(fù)壓差，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞吸附；注射細(xì)胞時(shí)，抽氣端口氣壓小于出氣端口氣壓，在接有注射針的第3個(gè)端口形成一個(gè)出氣的正壓，將物質(zhì)注入細(xì)胞. 驅(qū)動(dòng)微操機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)到距離蝦卵質(zhì)心約處，如圖8-a所示，圓形黑色物體為蝦卵（非活體）. 接著控制機(jī)器人通過前后、轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作微調(diào)，使顯微吸持針和卵細(xì)胞的質(zhì)心基本處于同一水平直線上，如圖8-b，然后啟動(dòng)氣泵，產(chǎn)生負(fù)壓，引導(dǎo)流體運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卵細(xì)胞吸附，如圖8-c，蝦卵吸附在吸持針針端上，吸持針系自行打磨，顯微下略顯粗糙，直徑為. 圖8-d展示卵細(xì)胞的釋放，改變氣泵的開關(guān)，產(chǎn)生正壓，在吸持針末端的卵細(xì)胞瞬間離開吸持針末端，因而CCD采集到模糊影像.

a. 準(zhǔn)備吸附細(xì)胞 b. 吸附細(xì)胞過程 c. 穩(wěn)定吸附細(xì)胞 d. 釋放細(xì)胞過程

3.2.3 細(xì)胞刺穿實(shí)驗(yàn)

當(dāng)細(xì)胞吸附固定后，則進(jìn)行細(xì)胞注射. 細(xì)胞注射過程基本分為4個(gè)階段：準(zhǔn)備、接觸、穿刺與注射和退針. 通過差分氣泵產(chǎn)生負(fù)壓，經(jīng)由連通軟管的吸持針，吸附和固定蝦卵，圖9-a為準(zhǔn)備階段，左側(cè)吸附固定蝦卵，處于靜止?fàn)顟B(tài). 通過微操機(jī)器人左右轉(zhuǎn)彎和自身旋轉(zhuǎn)，調(diào)整注射針方向，使得針和卵細(xì)胞質(zhì)心連成一條成線，然后驅(qū)動(dòng)微操機(jī)器人直線步進(jìn)，運(yùn)動(dòng)至接觸階段，如圖9-b，即注射針前進(jìn)到蝦卵的邊緣位置初步接觸注射對(duì)象. 減少前進(jìn)步長(zhǎng)，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)微操機(jī)器人前進(jìn)，進(jìn)入穿刺階段，由于無(wú)生命的蝦卵外殼較硬、形變不明顯，故在吸持針的針端處因注射針的推進(jìn)僅產(chǎn)生輕微的形變，如圖9-c所示. 此時(shí)，打開注射針端的氣泵產(chǎn)生正壓，將注射針內(nèi)基因物質(zhì)注射入細(xì)胞（穿刺與注射的姿態(tài)相同）. 隨后驅(qū)動(dòng)微操機(jī)器人后退，實(shí)現(xiàn)撤針，如圖9-d所示. 在相同實(shí)驗(yàn)條件下，重復(fù)細(xì)胞注射實(shí)驗(yàn)50次，成功44次，成功率為88%. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)性強(qiáng).

a. 準(zhǔn)備階段 b. 接觸階段 c. 穿刺與注射 d. 退針階段

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于壓電陶瓷、電流線圈和音圈馬達(dá)混合驅(qū)動(dòng)的微操機(jī)器人注射系統(tǒng)，分析了機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法、工作原理和工作性能，并使用蝦卵和注射針在該系統(tǒng)進(jìn)行顯微針對(duì)插、細(xì)胞吸附和細(xì)胞注射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)，易于培訓(xùn)和推廣. 此外，本設(shè)計(jì)可按實(shí)驗(yàn)需求，安裝多路信號(hào)驅(qū)動(dòng)板和功率放大器，以驅(qū)動(dòng)多個(gè)機(jī)器人.

[1]FUCHIWAKI O. Insect-sized holonomic robots for precise, omnidirectional, and flexible microscopic processing: Identification, design, development, and basic experiments [J]. Precision Engineering, 2013, 37(1): 88-106.

[2] LU Zhe, ZHANG Xuping, LEUNG C, et al. Robotic ICSI (intracytoplasmic sperm injection) [J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2011, 58(7): 2102-2108.

[3] ZHANG Yi, TAN Kokkiong, YANG Hongyu. Vision-servo system for automated cell injection [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(1): 231-238.

[4] HUANG Haibo, JAMES K M, SUN Dong. A new piezo-driven ultrasonic cell microinjection system [C]// Proceeding of IEEE International Conference on Information and Automation (ICIA), Harbin: IEEE, 2010: 18-23.

[5] 孫明竹. 面向復(fù)雜作業(yè)的微操作機(jī)器人系統(tǒng)視覺反饋與定位研究[D]. 天津：南開大學(xué)，2009.

[6] 田桂中，侯麗雅，章維一. 顯微注射中細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2009, 20(4): 500-503.

[7] CHEN Hungyi, SHI Mingchang. Visual control of an automatic manipulation system by microscope and pneumatic actuator [J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2013, 10(1): 215-218.

[8] 張勤，杜啟亮，吳志斌，等. 面向顯微操作的混合驅(qū)動(dòng)式微小型機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 機(jī)器人，2012, 34(6): 737-747.

[9] 藍(lán)雪松，杜啟亮，秦傳波，等. 基于驅(qū)動(dòng)量補(bǔ)償?shù)膲弘娦臀⑿C(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制[J]. 壓電與聲光，2013, 35(2): 237-240.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

Micro Injection System Design and Experiments Based on the Micro-Robot Automated Microinjection

QINChuan-bo, ZENGJun-ying, TIANLian-fang, CAOLu

(1. School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. School of Automation Science & Engineering, South China University of Technology,Guangzhou 510640, China)

In light of the operation difficulty and the high cost of traditional manual microinjection, a low-cost microinjection system based on micro-robots is designed. The paper first introduces the structure and design principles of micro-robots of three-degrees-of-freedom, signal controllers and power amplifiers. Then it analyses the performance of the robots in the planar and vertical directions. When the driving signal is at, the Inchworm peristaltic stepping speed can be up tostep; when the frequency is higher than, the single step resolution is less thanstep; when the maximum range of vertical movement is, the minimum resolution is up to. Thus the actual requirements can be met. Finally, three experiments on micropipette mutual thorns, cells adsorption and cell injection are designed. Results show that the proposed scheme is simple, reproducible and the microinjection success rate reaches 88%.

cell microinjection; micro robots; piezoelectric ceramic; voice coil motors

1006-7302（2016）02-0041-08

TN391.41

A

2015-11-18

廣東省教育廳青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目（2015KQNCX165）；廣東省教育廳特色創(chuàng)新類項(xiàng)目（2015KTSCX143）；2015年江門市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201501003001556）；五邑大學(xué)青年科研基金資助項(xiàng)目（2015zk10）

秦傳波（1982—），男，安徽宿州人，講師，博士，主要研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與人工智能.