一种六自由度控制操作的显微系统

1.本发明涉及精密机械技术领域，具体而言，尤其涉及一种能够实现六自 由度控制的显微操作机构。


背景技术：

2.转基因动物的出现及克隆羊、牛等的诞生，使得生物技术成为当今世 界自然科学中最为活跃的领域。在生物工程中所取得一系列成就的背后， 离不开实验装备技术的发展与支持。利用微操作系统进行生物工程中的转 基因操作已被证明是一种切实可行的方法。随着生物工程的进一步发展， 对其所需用的微操作系统提出了更高的要求。
3.因而，发展微操作系统，将会对推动生物技术的快速发展起至关重要 的作用。并且，随着生物技术的广泛使用，自动高效的微操作系统将会存 在巨大的市场潜力，极具商业价值。
4.目前，国际上生产显微操作系统的有olympus、nikon、leica、opton、 bio-rad等公司，国内进行微操作系统研究开发的单位有大连理工大学、 北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、清华大学等高校。目前显微操作系 统主要存在有以下一些问题：
5.1、操作难度较大，需要专业人员才能操作，不符合微操作仪器“精 度高、操作简单”的基本思想。
6.2、目前，已应用的微注射系统，都是由二个微动的机械臂组成，只 有三个平移自由度，并要求二臂配合，操作上不够灵活，效率较低。
7.3、缺少转动自由度，因此手指的某些灵巧动作不易实现。
8.要真正实现基因工程，就必须能够进行简单化、自动化的微操作。而 在当前，我国生物显微操作实际使用的基本上是手动或半自动操作的设 备。


技术实现要素：

9.根据上述提出的技术问题，而提供一种操作便捷且动作精度高的六自由 度控制的显微操作机构。
10.本发明采用的技术手段如下：
11.一种六自由度控制操作的显微系统，包括：
12.光学立体显微镜装置，装配在光学立体显微镜装置上用于采集其影像数 据的ccd摄像机，用于ccd摄像机的影像数据以及输出控制动作的操作终端， 设置于光学立体显微镜装置的显示区域的微动台以及以光学立体显微镜装置 的显示区域纵向中心为中心轴轴对称设置两组(根据实际动作需求可设置多 组)六自由度操作机构；
13.上述六自由度操作机构包括：
14.能够实现x、y、z轴的平动的采用高精度螺旋传动的三自由度平动精密 工作台以及能够围绕上述x、y、z轴实现转动的三自由度转动台；
15.其中，x轴、y轴为水平面内相互垂直的的轴，z轴为与上述水平面垂直 的高度方向
的轴；
16.上述三自由度转动台固定在三自由度平动精密工作台的z轴滑块上；
17.上述三自由度转动台包括：α角转动部、β角转动部和γ角转动部；
18.上述α角转动部是绕x轴旋转的转动部，β角转动部是绕y轴旋转的转 动部，γ角转动部是绕z轴旋转的转动部；上述α角转动部固定在β角转动 部的可旋转部分上，上述β角转动部固定在γ角转动部的可旋转部分上，上 述γ角转动部装配于三自由度平动精密工作台的z轴滑动部上；
19.上述α角转动部上固定有机械臂；上述机械臂前端安装有显微操作的工 具；
20.上述α角转动部、β角转动部和γ角转动部的转动结构均为蜗轮-蜗杆传 动，采用三级串联形式，每一级蜗轮的旋转轴线均穿过坐标原点，三级叠加， 则转动就成为如同围绕原点可进行任意方向滚动。
21.进一步的，
22.上述β角转动部包括：连接架11、平导轨12、导轨座13、水平轴承14、 竖直蜗杆10和与竖直蜗杆10相啮合的竖直涡轮9；
23.上述导轨座13与连接板16可拆卸固定连接；平导轨12和导轨座13均 设置有60
°
至90
°
v形槽，v形槽内安装水平轴承14；导轨座13装配于连 接架外侧预设的卡槽中采用可拆卸固定连接为一体；竖直蜗杆10安装于连接 架11内侧的预设的孔中；竖直蜗杆10的上端与驱动其旋转的动力源(精密 步进电机)连接；该动力源工作时，竖直蜗杆10绕着z轴转动，与竖直蜗杆 10相啮合的竖直涡轮9绕着y轴转动；
24.上述α角转动部包括：小蜗轮轴4、小涡轮5、小蜗杆轴22和小蜗杆23；
25.上述竖直涡轮9内侧设置有一个u型槽，其中内部装配通过小蜗轮轴4 转动装配有小涡轮5；u型槽下方设置有圆柱孔，该圆柱孔内转动装配有小蜗 杆23，且小蜗杆23与小涡轮5啮合；小蜗轮轴4的内孔中装配有用于装配 显微工具的锁紧结构；
26.上述小蜗杆轴22与小蜗杆23为一体式设计或者为同步转动装配；
27.小蜗杆轴22的前端与其旋转动力源连接，当该动力源(精密步进电机) 工作时，小蜗杆轴22带动小蜗杆23绕着y轴转动，与小蜗杆23啮合的小蜗 轮5则绕着x轴方向转动；
28.上述γ角转动部，包括：
29.连接架11、平导轨12、导轨座13、水平蜗轮20和水平蜗杆17；
30.上述连接架11、平导轨12、导轨座13固定为一体，且与连接板16固定；
31.上述连接板16与三维平动精密工作台的z轴滑动部固定；水平蜗轮20 装配于连接架11下端；
32.上述水平蜗杆座18为中心预设有圆柱孔的长方体结构，其中水平蜗杆座 18一侧与连接板16可拆卸固定连接；
33.上述水平蜗杆17转动装配于水平蜗杆座18圆柱孔内，且前端与驱动其 转动的动力源(精密步进电机相连)，当其动力源工作时，驱动水平蜗杆17 绕着y轴转动；水平蜗轮20设置于水平蜗杆17侧边，且与其相互啮合装配； 水平蜗杆17绕着y轴转动驱动水平蜗轮20绕着z轴方向转动。
34.采用上述技术方案的本发明，研制了一种能够实现六自由度控制的显微 操作机构。本发明是应用于生物工程显微操作机构中，它不同于一般的操作 设备，它的主体是宏
观的，要适合于操作者的操作；而操作对象是微观的， 一般是亚毫米到亚微米的对象。
35.本发明的显微操作机构具有的六个自由度，并且对显微操作机构的位置 及姿态控制，由相互独立的运动部件来完成。如果要确定微操作机构的某一 位置，可移动与之相对应的x、y、z平动台来完成，要改变微操作机构的某 一姿态，则可操作能分别绕x、y、z轴转过α、β、γ角的三个转动部来完 成。这种六自由度分离工作的方式，方便操作者通过直观判断来改变某一位 置坐标或姿态角度来完成操作机构的定位。
36.本机构从构造原理上讲是一种串联机构，通过采用六级串联的形式实现 显微操作机构的六个自由度。目前对显微操作机构研究的内容有串联机构与 并联机构及串、并联混合机构等三种类型的研究。并联机构虽然具有刚度高 的特点，但其构造复杂，操作过程不直观，对微操作机构的位置及姿态改变 需要多级联动，并且难以获得大的工作域。串、并联混合机构结合了两种机 构的优点，但工作可达域仍不够理想。对于显微操作系统，本身是一个宏观 设备，而其操作对象很是微小，相对于此，设备刚度不是主要矛盾，采用串 联机构可完全达到使用要求。另外，采用串联机构的优点是工作可达域大， 控制灵活，便于调整。
37.在系统构型选定后，需要进行详细的结构设计。结构设计首先需要考虑 的问题是必须满足机构的运动要求，还要考虑重量轻、刚性好、易制造，所 以必须优选一些简单、合理、紧凑、实用的结构型式。工艺性要好，成本要 低，安全可靠性好，外观造型要美观大方。尽可能采用标准件，以提高互换 性，降低成本。尽可能采用模块式结构，以提高通用性，还要便于装配调整 和维修。
38.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
39.1、操作台与机械臂有一定的距离，方便于视觉系统的观察，也有利于机 械臂有一个较大的操作空间。
40.2、六个自由度全部采用精密步进电机驱动，工作过程实现自动化，可获 得较高的操作精度。
41.3、该机构的构造较为简单，操作过程较为简化，便于推广使用，可进行 商业化生产。
42.基于上述理由本发明还可应用在各种微器件间的定位与装配操作等领 域。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下 面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明的六自由度原理示意图。
45.图2为本发明的整理结构示意图。
46.图3为本发明的三个转动部的结构示意图。
47.图4为图3剖视图。
48.图5为竖直涡轮结构示意图。
49.图中：1、机械臂；2、前锁紧螺母；3、前挡圈；4、小蜗轮轴；5、小蜗 轮；6、锁紧套；7、
和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方 式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作 出相应解释。
56.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件， 仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有 特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
57.如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明提供了一种六自由度控制 操作的显微系统，包括：
58.本发明界定接近显示区域纵向中心为内，相反为外；
59.光学立体显微镜a装置，装配在光学立体显微镜装置上用于采集其影像 数据的ccd摄像机b，用于ccd摄像机的影像数据以及输出控制动作的操作 终端c，设置于光学立体显微镜装置的显示区域的微动台d以及以光学立体 显微镜装置的显示区域纵向中心为中心轴轴对称设置两组六自由度操作机构 e；
60.上述六自由度操作机构包括：
61.能够实现x、y、z轴的平动的采用高精度螺旋传动的三自由度平动精密 工作台以及能够围绕上述x、y、z轴实现转动的三自由度转动台；
62.其中，x轴、y轴为水平面内相互垂直的的轴，z轴为与上述水平面垂直 的高度方向的轴；
63.上述三自由度转动台固定在三自由度平动精密工作台的z轴滑块上；
64.上述三自由度转动台包括：α角转动部、β角转动部和γ角转动部；
65.上述α角转动部是绕x轴旋转的转动部，β角转动部是绕y轴旋转的转 动部，γ角转动部是绕z轴旋转的转动部；上述α角转动部固定在β角转动 部的可旋转部分上，上述β角转动部固定在γ角转动部的可旋转部分上，上 述γ角转动部装配于三自由度平动精密工作台的z轴滑动部上；
66.上述α角转动部上固定有机械臂1；上述机械臂1前端安装有显微操作 的工具；
67.上述α角转动部、β角转动部和γ角转动部的转动结构均为蜗轮-蜗杆传 动，采用三级串联形式，每一级蜗轮的旋转轴线均穿过坐标原点，三级叠加， 则转动就成为如同围绕原点可进行任意方向滚动。
68.更为具体的，连接板16是安装在三维平动精密工作台上的。在导轨座 13的右端铣出一个平面，平面上有两个螺纹孔。通过螺栓把导轨座13与连 接板16连成一体。平导轨12与导轨座13上面设计出90
°
v型槽，v型槽里 安装水平轴承14，为减小摩擦，提高机构灵活性，水平轴承14采用高效的 滚珠轴承。导轨座13安装在连接架11外侧的卡槽中，并且通过紧定螺钉(b-2) 把连接架11与导轨座13连成一体。竖直蜗杆10安装在连接架11内侧的孔 中，竖直蜗杆10的上端与精密步进电机相连，当步进电机驱动竖直蜗杆10 的时候，竖直蜗杆10绕着z轴转动。与之相啮合的竖直蜗轮9做绕着y轴转 动。小蜗轮轴4安装在小蜗轮5的内孔中，用来支撑小蜗轮5。
69.如图5所示，竖直蜗轮9外侧有一个u型槽，u型槽的槽宽为23。小蜗 轮5安装在该u型槽内。u型槽的下方有一个直径为φ14的圆柱孔，小锅杆 23安装在该圆柱孔内。在u型槽两侧竖直支撑处加工出直径为φ21，角度是 90
°
的圆锥形孔。小蜗轮轴4连同小蜗轮5一起安装在该圆锥孔内。小蜗轮 5与竖直蜗轮9连接在一起。锁紧套6和锥套7安装在小蜗轮轴4
的内孔中。 机械臂1安装在锁紧套6和锥套7的内孔中。机械臂1的前端安装显微针管 或显微夹钳等显微工具。这样，显微工具与竖直蜗轮9连为一体。当竖直蜗 轮9绕着y轴方向转动时，显微工具也会绕y轴旋转一个β角度。在转动过 程中，为了防止显微工具沿着x轴方向直线移动，我们设计了一套自锁结构。 具体是：小蜗轮轴4的右端有一圆柱凸起靠在竖直蜗轮9的u型槽右外侧， 后锁紧螺母8挡住小蜗轮轴4，使其不能向右直线移动。前挡圈3靠在竖直 蜗轮9的u型槽左外侧，前锁紧螺母2固定住前挡圈3。使小蜗轮轴4不能 向左侧直线移动。左右锥套7分别靠在前锁紧螺母2和后锁紧螺母8内侧的 端面处，这样一整套的自锁机构就设计完成。因为显微工具与小蜗轮轴4同 轴安装在一起，所以，该自锁机构也就锁定了显微工具，在转动时，不会沿 着x轴方向直线移动。
70.小蜗杆23在小蜗轮5的下方，如图4所示，小蜗杆轴22的前端与精密 步进电机相连，当步进电机驱动时，小蜗杆23绕着y轴方向转动，与之啮合 的小蜗轮5则绕着x轴方向转动。因为显微工具与小蜗轮5同轴，所以显微 工具也同样会绕着x轴方向旋转α角度。挡圈24和紧定螺钉(b-10)是为了 防止在转动过程中，小蜗杆23沿着y轴方向直线移动。
71.水平蜗轮20通过盘头螺钉(b-5)安装在连接架11的下端。连接架11、 平导轨12、导轨座13，通过紧定螺钉(b-2)连成一体，然后再通过沉头螺 钉(b-3)把它们与连接板16连成一体。连接板16是安装在三维平动精密工 作台上。水平蜗杆座18是本发明的一个重要设计零件，它的外部是一个长方 体的结构，长方体的外侧靠在连接板16的内侧，并用螺钉固定。它的内部结 构是一个圆柱孔，用来安装水平蜗杆17。水平蜗杆17的前端与精密步进电 机相连，当步进电机驱动时，水平蜗杆17就绕着y轴转动。水平蜗轮20安 装在水平蜗杆17的内侧，它们相互啮合。当水平蜗杆17绕着y轴转动时， 水平蜗轮20就绕着z轴方向转动。水平蜗轮20在竖直蜗轮9的外侧，并用 m3的螺钉把水平蜗轮20和竖直蜗轮9连成一体。因为，显微工具与竖直蜗 轮9是连成一体的，所以，当水平蜗轮20绕着z轴旋转时，显微工具也会绕 着z轴旋转γ角度。
72.间隔套19、轴用弹性挡圈(b-7)和孔用弹性挡圈(b-8)都是用来锁紧 水平蜗杆17，当显微工具转动时，防止水平蜗杆17沿着y轴方向直线移动。 在竖导轨21和竖直蜗轮9上面设计有90
°
的v型槽，在v型槽中安装竖直 轴承15。水平轴承14和竖直轴承15都是高效的滚珠轴承，在蜗轮蜗杆转动 时，提高了机构的灵活性，减少摩擦，提高机构的精度。
73.转动机构以蜗轮－蜗杆传动为基础，采用三级串联形式，每一级蜗轮的 旋转轴线均穿过坐标原点，三级叠加，则转动就成为如同围绕原点可进行任 意方向滚动。对于传动用的蜗轮—蜗杆机构，为了消除蜗轮－蜗杆的侧隙误 差，避免传动的回程误差，采用了孔用弹簧挡圈16和轴用弹簧挡圈17进行 预紧，保证啮合时单侧接触。另外，为减小摩擦，提高机构灵活性，每一级 蜗轮转动均采用高效的滚珠轴承支承。转动机构的驱动方式同样采用精密步 进电机驱动，并可进行手动协调。该机构水平方向(绕z轴)的转角为
±
15
°
， 竖直方向(绕y轴)转角可达0
°
～30
°
，绕机械臂轴线(x轴)可进行
±
90
°ꢀ
的转动。各转轴驱动的步进电机通过软件细分，可使转动有较高的精度。
74.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例
技术方案的范围。