一种基于视觉反馈的生物显微操作装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于视觉反馈的生物显微操作装置，属于生物操作仪器技术领域。该装置包括显微图像采集模块、微位移平台、微操作手模块、主控制器和计算机。有别于传统的操作方式，引入了主控制器。在操作的整个过程中，使用本基于视觉的生物显微操作装置，可以在计算机端完成所有的操作，降低了对专业操作人员的依赖程度，使得操作更为简单、便捷，提高了显微操作的自动化程度。结合图像处理技术，可以对不同形状的被操作对象和操作器进行匹配，可以更有效的识别如微吸管、微注射针等工具，提高了操作的成功率。

A biological micromanipulator based on visual feedback

The invention discloses a biological micro manipulation device based on visual feedback, belonging to the technical field of biological operation instruments. The device includes image acquisition module, micro displacement platform, micro controller and main computer module, hand. Different from the traditional mode of operation, the main controller is introduced. In the process of operation, the use of the bio micromanipulation equipment based on vision, can complete all the operations in the computer terminal, to reduce the dependence of the professional staff, making the operation more simple and convenient, and improve the degree of automation of micro manipulation. Combined with the image processing technology, it can match the manipulated objects and operators in different shapes, and can effectively identify the tools such as micropipette, micro injection needle and so on, and improve the success rate of operation.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物操作仪器
，属于一种使用视觉反馈的显微操作装置，可以对细胞、染色体等目标进行操作和装配作业。
技术介绍
在生物医学工程领域和科研中，存在着大量涉及对细胞、染色体等的显微操作，如单精子注射，胚胎移植前抽取单细胞遗传学诊断，细胞的分离、显微注射、染色体的切割等，这些生物医学实验均涉及对细胞的观察和显微操作，对于这类工作，不但要求操作的精度要高，准确性好，而且要求操作时间短、效率高等。目前，显微操作都是人工通过显微操作仪器来完成的。这种显微操作设备一般包括括以下几部分，隔震台、显微镜、左微操作臂、右微操作臂，微夹持器(细胞吸附装置、微吸管等)、左操纵手柄、右操纵手柄等。其操作方式主要依靠操作人员观察显微镜目镜，在视野范围内根据观察到的微操作臂的位姿信息和细胞位置图像进行判断，并通过操纵手柄控制左右微操作臂进行作业。利用机械装置对人手的动作进行一定比例的缩放或者利用微电机运动，传递到微操作臂的操作工具(左操作臂上安装有微吸管，右操作臂上安装微注射针)，使之对细胞进行操作。一般来讲，左微操作臂完成被操作对象的捕捉与固定，右微操作臂对被固定住的操作对象进行显微操作(如基因注射，染色体切割等)。这类显微操作仪通常没有任何控制器，没有任何传感器(显微镜除外)。作业质量易受操作者个人技术、精神状态及心理、情绪的影响。作业时间长，效率低，成本高，精度一致性差，细胞成活率低。随着新技术的发展，很多图像设备也引入了生物显微操作领域，如很多新型的显微镜都可配备CCD或CMOS相机，可以将物镜视野内的图像通过相机传送到PC端，这样操作人员可以坐在电脑前，观察大屏幕来进行显微操作，这样做的好处是解放了人眼，使得操作人员不必将眼睛一直以固定的姿势放在目镜前。但是这一类的操作，依然是使用人手控制手柄进行操作，比如要将细胞夹持器向注射器移动较长的一端距离，手只能不断的朝一个方向运动或者不断的转动操作码盘。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供了一种基于视觉反馈的生物显微操作装置，可以实现对细胞进行精密的显微操作。并且引入了一个新的控制方式，有别于传统的细胞显微操作，可以将所有的工作全部在计算机端完成，不用人手通过手柄去控制微操作器，更加简化了操作，提高了准确性和效率。本专利技术的技术方案如下：一种基于视觉反馈的生物显微操作装置，该装置包括显微图像采集模块、微位移平台、微操作手模块、主控制器和计算机。有别于传统的操作方式，引入了主控制器。所述的显微图像采集模块为安装在显微镜侧面的CCD相机，CCD相机作为整个操作装置的反馈源，主要功能为捕捉显微镜物镜视野内的图像，并通过USB线缆传送到计算机端进行采集和处理。所述的微位移平台包括XY水平平台、显微镜调焦电机和手柄控制器，其中XY水平平台托载被操作对象在垂直于物镜的平面上运动，显微镜调焦电机用来调节显微镜的物镜与被操作对象之间的距离，使得CCD相机采集到的图像足够清晰。手柄控制器是当操作装置工作在手动模式时，用来手动调节被操作对象和物镜之间的位置。所述的微操作手模块包括左操作臂、左夹持器、右操作臂、右操作器、左操作臂驱动器、左操作臂手动控制器、右操作臂驱动器和右操作臂手动控制器，左夹持器安装在左操作臂上，用于夹持和固定细胞，右操作装置固定在右操作臂上，用来对细胞进行穿刺、注射等操作，左操作臂、右操作臂分别由左操作臂驱动器、右操作臂驱动器进行驱动，左操作臂驱动器和右操作臂驱动器连接到主控制器上，左操作臂手动控制器和右操作臂的手动控制器连接到主控制器上，由主控制器负责切换手动模式或计算机模式。所述的主控制器为其他几个模块的控制中枢，其相当于显微操作装置和计算机之间的连接桥梁，主控制器负责将装置的传感器信息、手动控制器的脉冲信息等数据传递到计算机，同时将计算机传递过来的数据转换为控制指令，进而操作相关的模块运动，完成操作功能。所述的操作方式为本方案采用了新的控制方式，在主控制器或计算机端选择工作模式为手动模式或计算机模式。手动模式为传统的手工操作方法，而计算机模式则为所有操作全部在计算机端完成。计算机模式下，根据视觉反馈到的距离，通过计算机直接控制显微操作手的长距离移动，进一步解放了人手的操作，而且使得操作更加精确和有效。而且在计算机端的图像处理对要操作的目标进行判断和识别，提高了操作的自动化程度和效率。与现有技术相比较，本专利技术具有如下有益效果：1、本装置根据现有方案的不足进行改进，引入了主控制器，在操作的整个过程中，使用本基于视觉的生物显微操作装置，可以在计算机端完成所有的操作，降低了对专业操作人员的依赖程度，使得操作更为简单、便捷，提高了显微操作的自动化程度。2、使用显微视觉作为反馈，能够直接确定操作器和被操作对象的位置，进而根据它们之间的距离利用主控制器操作机械臂相互精准运动，有别于传统的“观察-操作-再观察-再操作”的落后作业模式，提高了操作效率。3、结合图像处理技术，可以对不同形状的被操作对象和操作器进行匹配，可以更有效的识别如微吸管、微注射针等工具，提高了操作的成功率。附图说明图1为为本专利技术一种基于视觉反馈的生物显微操作装置的结构与组成示意图。图中：1、光源7、左操作臂驱动器13、左手手轮控制器2、左操作臂8、显微摄像机14、微位移平台手柄3、左夹持器9、显微镜15、右手手轮控制器4、微位移平台10、调焦电机16、计算机5、右操作器11、右操作臂驱动器17、操作手控制器6、右操作臂12、微位移平台控制器具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。请参见图1所示，本专利技术为一种基于视觉反馈的生物显微操作装置，包括光源(1)、显微镜(9)、CCD相机(8)、左微操作臂(2)、右微操作臂(6)、计算机(16)、XY微位移平台(4)、左夹持器(3)、右操作装置(5)、主控制器(17)等。在计算机端完成细胞的切割、融合、注射等显微操作。左夹持器(3)为吸管，右操作装置(5)为注射针。CCD相机(8)安装于显微镜(9)镜体的侧面，其相当于整个系统的传感器和反馈装置，捕捉显微镜物镜视野下的图像，通过USB线缆传递到计算机进行处理。左夹持器(3)、右操作装置(5)分别安装在左微操作臂(2)、右微操作臂(6)上，左微操作臂(2)、右微操作臂(6)是由精密步进电机驱动的三自由度直角坐标式运动平台，左微操作臂(2)、右微操作臂(6)分别由左右驱动器控制，两个驱动器主要是对控制器传来的控制信号进行放大，并将左微操作臂(2)、右微操作臂(6)的限位信号传递给主控制器。主控制器是核心部件，其连接左夹持器(3)、右操作装置(5)，并且连接左手手轮控制器(13)、右手手轮控制器(15)，并通过USB连接到计算机上。在主控制器上有切换开关，用来切换装置的工作模式为手动操作模式或计算机操作模式。在手动操作模式时，左、右操作手臂由左、右手手轮控制器控制。在计算机操作模式时，左、右操作手臂由计算机控制。微位移平台模块由XY微位移平台(4)、调焦电机(10)、微位移平台控制器(12)、微位移平台手柄(14)四部分组成，其中微位移平台(4)为平面XY平台，能够托载被操作物做水平面内的运动，其用来调节被观测对象和显微镜物镜之间的位置。调焦电机(10)是当被观测对象和物镜的位置确定后调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视觉反馈的生物显微操作装置，其特征在于：该装置包括显微图像采集模块、微位移平台、微操作手模块、主控制器和计算机；所述的显微图像采集模块为安装在显微镜侧面的CCD相机，CCD相机作为整个操作装置的反馈源，主要功能为捕捉显微镜物镜视野内的图像，并通过USB线缆传送到计算机端进行采集和处理；所述的微位移平台包括XY水平平台、显微镜调焦电机和手柄控制器，其中XY水平平台托载被操作对象在垂直于物镜的平面上运动，显微镜调焦电机用来调节显微镜的物镜与被操作对象之间的距离，使得CCD相机采集到的图像足够清晰；手柄控制器是当操作装置工作在手动模式时，用来手动调节被操作对象和物镜之间的位置；所述的微操作手模块包括左操作臂、左夹持器、右操作臂、右操作器、左操作臂驱动器、左操作臂手动控制器、右操作臂驱动器和右操作臂手动控制器，左夹持器安装在左操作臂上，用于夹持和固定细胞，右操作装置固定在右操作臂上，用来对细胞进行穿刺、注射操作，左操作臂、右操作臂分别由左操作臂驱动器、右操作臂驱动器进行驱动，左操作臂驱动器和右操作臂驱动器连接到主控制器上，左操作臂手动控制器和右操作臂的手动控制器连接到主控制器上，由主控制器负责切换手动模式或计算机模式。...

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉反馈的生物显微操作装置，其特征在于：该装置包括显微图像采集模块、微位移平台、微操作手模块、主控制器和计算机；所述的显微图像采集模块为安装在显微镜侧面的CCD相机，CCD相机作为整个操作装置的反馈源，主要功能为捕捉显微镜物镜视野内的图像，并通过USB线缆传送到计算机端进行采集和处理；所述的微位移平台包括XY水平平台、显微镜调焦电机和手柄控制器，其中XY水平平台托载被操作对象在垂直于物镜的平面上运动，显微镜调焦电机用来调节显微镜的物镜与被操作对象之间的距离，使得CCD相机采集到的图像足够清晰；手柄控制器是当操作装置工作在手动模式时，用来手动调节被操作对象和物镜之间的位置；所述的微操作手模块包括左操作臂、左夹持器、右操作臂、右操作器、左操作臂驱动器、左操作臂手动控制器、右操作臂驱动器和右操作臂手动控制器，左夹持器安装在左操作臂上，用于夹持和固定细胞，右操作装置固定在右操作臂上，用来对细胞进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：余跃庆，张欣，张卓，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11