基于微型机器人的自动化显微注射系统关键技术研究

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1、博士学位论文基于微型机器人的自动化显微注射系统关键技术研究作者姓名秦传波学科专业模式识别与智能系统指导教师田联房教授所在学院自动化科学与工程学院论文提交日期2015年6月StudyonKeyTechnologiesofAutomatedMicroinjectionSystemBasedonMicro-robotADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorofEngineeringCandidate：QinChuanBoSupervisor：Prof.TianLian-fangSouthChinaUniversityofTechnologyGuang

2、zhou,China分类号：TP242.3,TP391.4,R318学校代号：10561学号：201110102558华南理工大学博士学位论文基于微型机器人的自动化显微注射系统关键技术研究作者姓名：秦传波指导教师姓名、职称：田联房教授申请学位级别：工学博士学科专业名称：模式识别与智能系统研究方向：机器人、生物工程、图像处理与模式识别论文提交日期：2015年06月08日论文答辩日期：2015年6月8日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：章云委员：王国利毛宗源皮佑国田联房华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所

3、取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含，何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研允做出重女贝献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：益包J文曰期：义巧年《月？曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，艮p:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅（除在保密期内的保密论文外）；学校可以公布学位论文的$部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文

4、。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。本学位论文属于：□保密，在____年解密后适用本授权书。zf不保密，同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览；同意将本人学位论文提交中国学术期刊（光盘版）电子杂志社全文出版和编入CNKI《中国知识资源总库》，传播学位论文的全部或部分内容。(请在以上相应方框内打“V”）日期：曰期：城.〇^电子邮箱：联系地址(含邮编)摘要传统的细胞显微注射依赖操作装置并辅以熟练的手动操作，成本高且操作难度大，要求操作人员需经过长期培训，且具备良好生理条件和稳定心理素质，然而主观上仍无法避免操作过程中的心理波动和生理疲劳，从而导致实验可重复性差和

5、成功率低。为克服人工操作带来的缺点，研究一种体积小、低成本、易操作的小型显微注射微操作机器人(以下简称微操机器人)，代替传统的手动细胞显微注射，实现细胞显微注射的自动化，具有重大研究意义。针对微操机器人自动化细胞注射问题，首先，需要设计一款适合细胞注射的多自由度的微小型机器人；其次，在细胞注射前，要求对注射针运动进行建模与分析，同时实现细胞的位姿调整；最后，通过图像分割方法对细胞注射过程的每个阶段进行分割，使用分割结果来引导微操机器人完成自动化细胞注射操作。因此，针对上述研究步骤，本文从四个方面展开了研究：微操机器人设计、显微针运动分析与非接触式细胞姿态调整、显微注射过程中卵母细胞的细胞

6、质边缘分割、显微注射过程中卵母细胞质和极体与注射针的分割。主要研究内容和创新点如下：1．基于混合驱动的3自由度微操作机器人设计与研究针对传统细胞显微注射中手动操作难度大、重复性差和效率低等问题，研究开发了一套面向细胞操作的混合驱动型微小机器人自动化系统。该系统通过多台微小机器人的协调运动来共同完成对细胞的操作，如注射、切割等，其中的微小机器人装置是基于压电陶瓷和音圈电机混合驱动的原理设计而成，具有1个垂直移动自由度和2个平面转动自由度，从而可实现细胞操作所需要的平面直线行走、左右转向、原地旋转和垂直方向上的显微针微位移运动等基本功能。通过实验证明，该系统具备很高的可行性和有效性。2.注射

7、针运动分析和基于微流体的细胞位姿调整研究针对细胞注射前的两项准备工作，即注射针的运动和细胞位姿调整问题，首先，对显微针进行运动学建模仿真，并对模型参数进行最小二乘辨识，设计了线性二次型最优控制器，实现了显微针在显微视场下位置控制；其次，建立了细胞的受力模型，使用Fluent的动网格技术对微流场及细胞的旋转运动进行了仿真，研究了影响流场的三个因素：微管距离、微管内径、喷射速度，并设计了细胞搬移和姿态调整的方案和装置。3．基于边缘约束水