用于实现细胞操作的微纳执行系统技术方案

本发明专利技术所公开的一种用于实现细胞操作的微纳执行系统，包括底座、安装于底座上的位移传感器、位移放大机构；位移放大机构包括动作件和设置于动作件上的微动伸缩装置，动作件上设置有位移部，位移部上设置有穿刺件，微动伸缩装置伸长驱动动作件发生动作以使位移部发生位移，位移传感器的感应头与位移部位置对应，且微动伸缩装置与位移部之间呈正交状态。其利用压电陶瓷进行微动横向伸缩两驱动柔性铰链发生动作后促使位移部发生微动纵向位移，且位移部的纵向位移来驱动穿刺件实现纵向微动，同时位移传感器用于监测穿刺件进行位移的距离，以便于操作者进行控制穿刺件进行位移的距离。

【技术实现步骤摘要】
用于实现细胞操作的微纳执行系统
本专利技术涉及一种微动穿刺机构
，尤其是一种用于实现细胞操作的微纳执行系统。
技术介绍
传统技术中，对于细胞等的穿刺一般采用玻璃微针手动方式进行穿刺动作，然而手动根本无法控制穿刺距离，从而在做实验过程中导致实验失败率较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述技术的不足而设计的一种具备鲁棒控制的用于实现细胞操作的微纳执行系统。本专利技术所设计的用于实现细胞操作的微纳执行系统，包括底座、安装于底座上的位移传感器、位移放大机构；位移放大机构包括动作件和设置于动作件上的微动伸缩装置，动作件上设置有位移部，位移部上设置有穿刺件，微动伸缩装置伸长驱动动作件发生动作以使位移部发生位移，位移传感器的感应头与位移部位置对应，且微动伸缩装置与位移部之间呈正交状态。利用Bouc-Wen模型构建位移放大机构的动力学模型，Bouc-Wen模型考虑了迟滞非线性效应，因此能够生动刻画位移放大机构的动力学特性，其动力学表示如下其中，u是微动伸缩装置的激励电压，m是位移放大机构的质量，b是位移放大机构的阻尼系数，k是位移放大机构的刚度系数，是微动伸缩装置的压电系数，ρ是迟滞项，ζ1，ζ2，ζ3分别是三个迟滞系数，f扰动为系统的扰动项，z、分别是位移部的位移、速度和加速度。对(1)式进行变换，得将迟滞项和扰动项都视为系统的未知项，将(3)式的后两项进行合并因此，(3)式可以重新书写为微动伸缩装置伸长驱动动作件发生动作以使位移部发生位移，位移传感器采集位移部发生的位移z，以实现闭环控制。利用位移误差作为衡量位移部运动精确性的直接指标，将期望位移zd和实际位移z的差值，定义为位移误差e，即e＝zd-z(6)为了深入挖掘位移误差在时间刻度上所蕴含的丰富信息，构建一种比例积分微分型位移误差指标其中，比例系数KP＞0，积分系数KI＞0。为了实现对位移部的精确运动控制，构建如下的鲁棒控制器，作为微动伸缩装置的激励电压其中，增益β＞0，指数0＜α＜1，sig(ψ)α＝|ψ|αsign(ψ)，符号函数sign(ψ)的定义如下未知项ΔH的构成非常复杂，其无法通过构建数学模型或测量的方式直接求得。可以肯定的是，未知项ΔH是一个随时间呈现连续变化的物理量。因此，引入高等数学中关于连续函数的一个性质，关于自变量x的连续函数f(x)。当自变量x发生微小变动，例如，自变量从x变化为x-Δx，当Δx→0的时候，函数f(x)≈f(x-Δx)。从求解过程中可以知道，尽管这种求解过程存在误差，但是通过缩小自变量的变化幅值，可以提高求解的精度。将其引入到对未知项ΔH的求解之中。ΔH(t)≈ΔH(t-Δt)(9)其中，Δt为时间间隔，它也等于计算机运行的步长；ΔH(t)为ΔH在t时刻的值，ΔH(t-Δt)为ΔH在t-Δt时刻的值。通过(5)式，可以求得ΔH(t-Δt)其中，z(t-Δt)、分别是位移部的位移、速度和加速度在t-Δt时刻的值。将(8)式和(10)式合并，可以得到微动伸缩装置的激励电压为作为优选，位移传感器包括激光位移传感器，激光位移传感器的感应头发出的射线与位移部接触。作为优选，位移传感器包括机械接触式位移传感机，机械接触式的感应头的感应接触头与位移部接触。作为优选，动作件包括第一支撑块、第二支撑块、设置于第一支撑块两端的至少一个第一柔性铰链以及设置于第二支撑块两端的至少一个第二柔性铰链，微动伸缩装置的两端分别与第一支撑块和第二支撑块触碰；第一柔性铰链与第二柔性铰链相互对称设置，且第一柔性铰链与第二柔性铰链之间通过连接块连接；第一柔性铰链与第二柔性铰链均包括中间块和设于中间块两端的弹性片，且两弹性片相互错位设置，并位于中间块的边角位置；一弹性片与连接块连接，另一弹性片与支撑块连接。作为优选，第一柔性铰链上的弹性片具体设置结构：与第一支撑块连接的弹性片位于中间块上端左侧边角位置，与连接块连接的弹性片位于中间块下端右侧边角位置。作为优选，第二柔性铰链上的弹性片具体设置结构：与第二支撑块连接的弹性片位于中间块下端左侧边角位置，与连接块连接的弹性片位于中间块上端右侧边角位置。作为优选，还包括安装于底座上的锁紧机构，锁紧机构对微动伸缩装置进行横向定位，锁紧机构包括固定于底座上的锁紧板、设于锁紧板上的锁紧座、位置相互对应的第一锁紧块和第二锁紧块，锁紧座位于连接块旁侧，第一锁紧块和第二锁紧块位于两连接块之间，且锁紧座上设置有螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有锁紧螺杆，锁紧螺杆的螺杆端面与第一锁紧块顶端抵触，压电陶瓷被锁紧定位在第一锁紧块和第二锁紧块之间。作为优选，位移部包括位移块，位移块两端分别与两连接块连接，位移块上或靠近锁紧座的连接块上设置有凸块，凸块的位置与位移传感器的感应头位置对应。作为优选，穿刺件包括玻璃微针，连接块上设置有安装块，安装块上固定有固定板，固定板上插接固定玻璃微针。作为优选，微动伸缩装置包括压电陶瓷，压电陶瓷的两端均设置有定位孔，第一支撑块和第二支撑块上均设置有螺纹孔，定位孔与螺纹孔位置对应，螺纹孔内螺纹连接有定位螺杆，定位螺杆的光杆部分别插入定位孔内。本专利技术所设计的用于实现细胞操作的微纳执行系统，其利用压电陶瓷进行微动横向伸缩两驱动柔性铰链发生动作后促使位移部发生微动纵向位移，且位移部的纵向位移来驱动穿刺件实现纵向微动，同时位移传感器用于监测穿刺件进行位移的距离，以便于操作者进行控制穿刺件进行位移的距离。附图说明图1是实施例1的整体结构示意图(一)；图2是实施例1的整体结构示意图(二)；具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例：如图1和图2所示，本实施例所描述的用于实现细胞操作的微纳执行系统，包括底座1、安装于底座1上的位移传感器3、位移放大机构2；位移放大机构2包括动作件20和设置于动作件20上的微动伸缩装置21，动作件20上设置有位移部207，位移部207上设置有穿刺件5，微动伸缩装置21伸长驱动动作件发生动作以使位移部207发生位移，位移传感器3的感应头与位移部207位置对应，且微动伸缩装置21与位移部207之间呈正交状态，微动伸缩装置优选地采用压电陶瓷，而动作件采用如下结构：动作件20包括第一支撑块200、第二支撑块201、设置于第一支撑块200两端的至少一个第一柔性铰链202以及设置于第二支撑块201两端的至少一个第二柔性铰链203，微动伸缩装置21的两端分别与第一支撑块200和第二支撑块201触碰；第一柔性铰链20本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于实现细胞操作的微纳执行系统，其特征在于，包括底座、安装于底座上的位移传感器、位移放大机构；位移放大机构包括动作件和设置于动作件上的微动伸缩装置，动作件上设置有位移部，位移部上设置有穿刺件，微动伸缩装置伸长驱动动作件发生动作以使位移部发生位移，位移传感器的感应头与位移部位置对应，且微动伸缩装置与位移部之间呈正交状态；/n将期望位移z

【技术特征摘要】
1.一种用于实现细胞操作的微纳执行系统，其特征在于，包括底座、安装于底座上的位移传感器、位移放大机构；位移放大机构包括动作件和设置于动作件上的微动伸缩装置，动作件上设置有位移部，位移部上设置有穿刺件，微动伸缩装置伸长驱动动作件发生动作以使位移部发生位移，位移传感器的感应头与位移部位置对应，且微动伸缩装置与位移部之间呈正交状态；
将期望位移zd和实际位移z的差值，定义为位移误差e，即
e＝zd-z
构建一种比例积分微分型位移误差指标



其中，比例系数KP＞0，积分系数KI＞0；
作用于微动伸缩装置的激励电压为



其中，增益β＞0，指数0＜α＜1，m是位移放大机构的质量，b是位移放大机构的阻尼系数，k是位移放大机构的刚度系数，是微动伸缩装置的压电系数，sig(ψ)α＝|ψ|αsign(ψ)，符号函数sign(ψ)的定义如下



Δt为时间间隔，它也等于计算机运行的步长；z(t-Δt)、分别是位移部的位移、速度和加速度在t-Δt时刻的值。


2.根据权利要求1所述的用于实现细胞操作的微纳执行系统，其特征在于，位移传感器包括激光位移传感器，激光位移传感器的感应头发出的射线与位移部接触。


3.根据权利要求1所述的用于实现细胞操作的微纳执行系统，其特征在于，位移传感器包括机械接触式位移传感机，机械接触式的感应头的感应接触头与位移部接触。


4.根据权利要求1所述的用于实现细胞操作的微纳执行系统，其特征在于，动作件包括第一支撑块、第二支撑块、设置于第一支撑块两端的至少一个第一柔性铰链以及设置于第二支撑块两端的至少一个第二柔性铰链，微动伸缩装置的两端分别与第一支撑块和第二支撑块触碰；
第一柔性铰链与第二柔性铰链相互对称设置，且第一柔性铰链与第二柔性铰链之间通过连接块连接；第一柔性铰链与第二柔性铰链均包括中间块和设于中间块两端的弹性...

【专利技术属性】
技术研发人员：马金玉，余胜东，
申请(专利权)人：温州职业技术学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33