[发明专利]基于ROS的智能液滴生成系统

说明书

本发明属于液滴生成技术领域，具体为基于ROS的智能液滴生成系统。本发明基于ROS的智能液滴生成系统，包括主控计算机、流体驱动单元、流体传感器件、液滴芯片和图像感知单元；通过ROS的话题‑消息方式处理各部分之间的通讯，在保证性能的同时提供较强的可扩展性。通过对液滴的数字化监控与流速的实时反馈调节对冲外部因素造成的液滴尺寸偏差，提高了液滴生成的精度与稳定性。同时将液滴生成的整个过程自动化，用户无需手动进行调节，仅需要输入目标直径即可获得相应的液滴，显著节约试错成本，大大降低了液滴制备的操作门槛。

技术领域

本发明属于液滴生成技术领域，具体涉及基于ROS操作系统的智能液滴生成系统。

背景技术

微流控技术被广泛应用于液滴生成系统。其原理是通过扰动两相之间的界面张力使其相界面失稳，令一相突破界面张力以液滴形式进入到另一相当中。影响液滴尺寸的因素包括流体粘度、界面张力、两相流速等等。在常规操作当中，一般通过手动调节注射泵的转速间接控制液体流速来实现对液滴尺寸的调节。然而，通过肉眼观察和手动控制难以达到理想的调控精度，且液滴生成效果依赖于使用者的经验和仪器操作水平。除此以外，随着时间的推移，微流控管道产生的形变与阻塞会改变流体的实际流速，导致生成的液滴发生相应变化，使得最终获得的产品尺寸不一。而通过对液滴图像的实时捕获与处理，可以将粒径观察分辨率提高到微米级别；把流速修正因子反馈给注射泵则可以实现液滴尺寸的在线自动调节，从而有效对冲因管道形变或阻塞产生的偏差，提高液滴生成的稳定性。

ROS（Robot Operating System）是用于编写机器人软件的高度灵活可扩展的操作系统。它不仅提供了硬件的底层抽象和驱动接口，还自带大量工具包与库文件方便开发者进行调试。ROS系统将各个硬件抽象为节点，节点间通过话题-消息方式进行通讯。通过ROS构建的智能液滴生成系统可以方便地实现感知层和控制层之间的信息交互。同时系统具有高度可扩展性，能够适配包括注射泵、恒压泵在内的各种流体驱动装置以及各类传感器件，而不必对软件进行大规模改动。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题的一个或多个，提供一种基于ROS的智能液滴生成系统。用户仅需要输入目标液滴大小即可生成液滴，而无需对流速进行手动调节。

本发明提供的基于ROS的智能液滴生成系统，包括主控计算机、流体驱动单元、流体传感器件、液滴芯片和图像感知单元；其中：

所述流体驱动单元，用于驱动生成液滴的油相和水相；流体驱动单元包括控制器与流体驱动执行机构；其中，控制器与主控计算机通过串口连接，实时向主控计算机传输流体驱动状态，接收来自主控计算机运行指令并向执行机构发送驱动信号；流体驱动执行机构接受控制器发送的指令，对流体进行驱动；

所述流体传感器件，用于实时监控流体流量与液路压力等信息；

所述微流控液滴芯片，用于生成液滴并提供观察场所；

所述图像感知单元，包括显微镜和用于采集显微图像的高速照相机，用于对芯片中的液滴进行成像并采集，并将采集的信息传输给主控计算机；主控计算机中配置的ROS将图像信息抽象为图像感知节点，获取相机帧并传输给ROS图像处理节点；

所述主控计算机配置有ROS系统、图像处理程序以及反馈调节算法；主控计算机通过ROS的话题-消息方式处理各单元之间的通讯，通过图像处理程序对于图像感知单元传输的图形数据进行图像处理，并通过反馈调节算法实时调整流体参数以获取符合尺寸要求的液滴。

本发明中，所述反馈调节算法以液滴期望大小与当前液滴大小之差为优化目标，通过ROS的话题-消息机制以固定的时间间隔向流体驱动单元发出指令，调节油相、水相的流速。

本发明中，所述流体驱动单元执行机构为微量注射泵、恒压泵或蠕动泵中的一种。

本发明中，所述流体传感器件包括流量计和压力传感器；流量计将液路中的流量信息通过串口传输至主控计算机；压力传感器实时检测液路压力，并将该压力信息通过串口传输至主控计算机。