[发明专利]用于实现细胞操作的微纳执行系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种微动穿刺机构技术领域，尤其是一种用于实现细胞操作的微纳执行系统。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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z_d和实际位移z的差值，定义为位移误差e，即

e＝z_d-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K_P＞0，积分系数K_I＞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。