本发明专利技术公开了一种细胞显微注射装置，包括连接杆、与连接杆连接的封装器、固定在封装器内的压电驱动器、显微注射针，还包括注入器和轮毂式柔顺机构，注入器的两端分别与封装器和轮毂式柔顺机构连接，显微注射针与轮毂式柔顺机构固连；所述的轮毂式柔顺机构上设有用以将轴向振动传递至显微注射针的簧片型柔顺单元。本发明专利技术能够减小了显微注射装置中针头的横向振动，减小细胞穿刺的过程中细胞的损伤。减小细胞穿刺的过程中细胞的损伤。减小细胞穿刺的过程中细胞的损伤。
【技术实现步骤摘要】
一种细胞显微注射装置及其鲁棒阻抗控制方法
[0001]本专利技术涉及精密控制
以及生物医学工程领域，特别是涉及一种细胞显微注射装置及其鲁棒阻抗控制方法。
技术介绍
[0002]显微注射技术是在高倍倒置显微镜下，操纵显微操作器来控制显微注射针进行细胞或早期胚胎操作的技术，广泛应用于药物开发、体外受精、生物克隆、转基因等领域。显微注射技术的核心在于高效率、低损伤地进行细胞或早期胚胎穿刺。由于人工穿刺成功率、效率低的原因，穿刺过程开始向自动化发展。自动穿刺技术广泛采用压电驱动器驱动显微注射针完成穿刺过程。但研究表明，压电信号会引发针尖振动，导致细胞变形，其中横向振动相较于轴向振动对细胞变形产生的影响更大。过大的细胞变形会压迫并改变细胞内部细胞器的相对位置，进而对细胞产生损伤。
[0003]目前，在结构上，柔顺导向机构可以有效地抑制显微注射针尖的横向振动。柔顺机构主要依靠机构中柔性构件的变形来实现机构的主要运动和功能，因其高分辨率、高精度等优点广泛应用于精密传动领域。柔顺导向机构是对运动进行导向的柔顺机构，对输入位移具有导向作用，故可以有效抑制针尖的横向振动，进而减小细胞的损伤。因此，目前自动穿刺技术下细胞损伤的程度很大程度上取决于柔顺机构的结构设计。柔顺机构可分为集中式柔顺机构和分布式柔顺机构，区别在于前者柔顺段应力集中分布，后者柔顺段应力分散分布；柔顺机构根据其结构形式还可以分为空间柔顺机构、平面柔顺机构等。目前应用于微注射器的柔顺机构广泛采用平面集中型柔顺机构，具有以下问题：
[0004](1)疲劳问题：疲劳问题是柔顺机构失效的一大原因，尤其对于采取高频振动策略进行穿刺的柔顺导向机构更需要考虑这一问题。集中型柔顺机构固有的应力集中问题更容易使机构产生疲劳失效。
[0005](2)刚度问题：柔顺机构的横向振动大小原理上取决于横向刚度，平面机构只能通过增大厚度来增大垂直于平面方向的刚度，这会导致各方向刚度的耦合，无法使柔顺机构达到一个理想的刚度比例。
[0006](3)寄生运动问题：平面机构周向不对称，无法消除输入造成的周向耦合误差，导致横向寄生运动的产生，机械效率与传动精度降低。
[0007]此外，在自动穿刺过程中，由于细胞膜的高弹性，穿刺过程的几何非线性以及细胞内部环境复杂的特点，导致了细胞穿刺的失败或者穿刺过程中细胞损伤较大，为了提高细胞穿刺的成功率以及穿刺后细胞的存活率，需要在更短的位移以及时间内刺破细胞，这对穿刺力和穿刺速度往往具有很高的要求，故细胞穿刺中需要进行力、位控制。现有应用于细胞穿刺的力、位控制需要在两种不同控制律之间进行切换，而这可能会导致整个系统的不稳定性，进而导致收敛时间较长，无法在高频率振动情况下进行力、位跟随控制；压电驱动器的迟滞、摩擦等扰动也对现有的力、位控制提出了很大的挑战，这些外界干扰大大增加了稳态力误差和稳态位置误差。所以，现有的力、位控制系统存在收敛时间长、不稳定以及稳
态误差较大的弊端，不能很好地应用于细胞穿刺，尤其是目前更具发展前景的高频振动穿刺。
技术实现思路
[0008]专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种细胞显微注射装置，该细胞显微注射装置基于轮毂式柔顺机构的导向作用，能够减小了显微注射装置中针头的横向振动，减小细胞穿刺的过程中细胞的损伤。同时，本专利技术还提供一种鲁棒阻抗控制方法，更易于完成对细胞穿刺力、位置的控制，提高了控制系统的稳定性。
[0009]技术方案：一种细胞显微注射装置，包括连接杆、与连接杆连接的封装器、固定在封装器内的压电驱动器、显微注射针，还包括注入器和轮毂式柔顺机构，注入器的两端分别与封装器和轮毂式柔顺机构连接，显微注射针与轮毂式柔顺机构固连；所述的轮毂式柔顺机构上设有用以将轴向振动传递至显微注射针的簧片型柔顺单元。
[0010]有益效果：本专利技术与现有技术相比具有优点：采用分布式柔顺机构，可以增加轴向与横向的刚度比，从而减小装配误差、加工误差等各种误差引起的横向振动，根本上规避了横向振动损伤细胞，从而提高了细胞穿刺的成功率。
[0011]进一步的，轮毂式柔顺机构具有两个同心的空心圆柱体，两个空心圆柱体的端面通过若干簧片型柔顺单元进行连接，且若干簧片型柔顺单元沿两空心圆柱体的周向均匀分布。相比与平面型柔顺机构，减小了寄生运动。
[0012]进一步的，显微注射针的针尖头部弯折角度为0
°
，防止产生附加横向振动。
[0013]进一步的，注入器内部设有呈“L”型的孔道，孔道的一端口设于注入器的侧面，显微注射针贯穿柔顺机构并插入孔道的另一端口。通过孔道的设置实现向细胞注射液体。
[0014]进一步的，位于轮毂式柔顺机构外表面的固定夹头，固定夹头与连接杆的一端限位活动连接，通过调整固定夹头与连接杆的位置，对于固定在封装器的压电驱动器产生预紧力作用。
[0015]进一步的，孔道与显微注射针接口处安装有密封圈，防止液体泄漏。
[0016]本专利技术还提供了上述细胞显微注射装置的鲁棒阻抗控制方法的技术方案：
[0017]在显微注射针的底部安装有微力传感器，在压电驱动器内部集成有位移传感器，采用一个控制器同时调节所述显微注射针的穿刺力和位置；该控制器的控制系统中具有显微注射针的控制环，显微注射针的控制环为位置变量x，当显微注射针的针尖与被注射对象接触时，产生接触力f，f与理想接触力f
d
进行作差得到接触力误差e
f
，e
f
作为阻抗模型的输入，得到响应的位置误差e
p
，反馈到显微注射针的控制环，调整位置输入，使得显微注射针的位置以及显微注射针与环境的接触力满足预定的理想轨迹；其中，阻抗模型中设计滑模函数进行自适应控制补偿以减小外界扰动的影响。
[0018]进一步的，阻抗模型的动力学方程为：
[0019][0020]其中，m
i
是虚拟有效质量，b
i
是虚拟有效阻尼系数，k
i
是虚拟有效刚度系数，k
f
是外力系数，e
p
是位置误差，e
f
是力误差,是对位置误差进行时间求导得到的速度误差，是对位置误差进行时间二次求导得到的加速度误差。
[0021]进一步的，稳态位置误差和稳态接触误差的解析表达为：
[0022][0023]其中，k
i
是虚拟有效刚度系数，k
f
是外力系数，用以调整力误差e
f
的权重，是外部环境有效刚度系数，f
d
是理想所需力，x
d
是理想所需位移，x
e
是没有相互作用力时环境的平衡位置，e
pss
是稳态位置误差，e
fss
是稳态力误差,n为根据阻抗模型变化的系数。
[0024]进一步的，所给出的位移
‑
时间参考信号斜率k以及所给出的力
‑
时间信号的最大值f...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种细胞显微注射装置，包括：连接杆(1)、与连接杆(1)连接的封装器(2)、固定在封装器(2)内的压电驱动器(3)、显微注射针(7)，其特征在于，还包括注入器(4)和轮毂式柔顺机构(5)，注入器(4)的两端分别与封装器(2)和轮毂式柔顺机构(5)连接，显微注射针(7)与轮毂式柔顺机构(5)固连；所述的轮毂式柔顺机构(5)上设有用以将轴向振动传递至显微注射针(7)的簧片型柔顺单元(52)。2.根据权利要求1所述的细胞显微注射装置，其特征在于，所述的轮毂式柔顺机构(5)具有两个同心的空心圆柱体，两个空心圆柱体的端面通过若干簧片型柔顺单元(52)进行连接，且若干簧片型柔顺单元(52)沿两空心圆柱体的周向均匀分布。3.根据权利要求1所述的细胞显微注射装置，其特征在于，显微注射针(7)的针尖头部弯折角度为0
°
。4.根据权利要求1所述的细胞显微注射装置，其特征在于，所述的注入器(4)内部设有呈“L”型的孔道(42)，孔道(42)的一端口设于注入器(4)的侧面，显微注射针(7)贯穿柔顺机构(5)并插入孔道(42)的另一端口。5.根据权利要求1所述的细胞显微注射装置，其特征在于，还包括位于轮毂式柔顺机构(5)外表面的固定夹头(6)，固定夹头(6)与连接杆(1)的一端限位活动连接。6.根据权利要求4所述的细胞显微注射装置，其特征在于，所述孔道(42)与显微注射针(7)接口处安装有密封圈。7.一种根据权利要求1至6中任一项所述的细胞显微注射装置的鲁棒阻抗控制方法，其特征在于，在显微注射针(7)的底部安装有微力传感器，在压电驱动器(3)内部集成有位移传感器，采用一个控制器同时调节所述显微注射针(7)的穿刺力和位置；该控制器的控制系统中具有显微注射针的控制环，显微注射针的控制环为位置变量x，当显微注射针的针尖与被注射对象接触时，产生接触力f，f与理想接触力f
d
进行作差得到接触力误差e
...
【专利技术属性】
技术研发人员：段榆洲，凌杰，朱玉川，陈龙，郑述峰，张洺铭，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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