CN113416628A - 一种基于模块化的宏微结合细胞夹持平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于模块化的宏微结合细胞夹持平台，包括三自由度电动位移平台、Z型连接件、夹持器底座、可拆卸夹持末端和夹持探针；夹持器底座包括基体、压电陶瓷驱动器、桥型位移放大机构、L型杠杆放大机构、平行四边形机构；Z型连接件与三自由度电动位移平台连接；夹持器底座与Z型连接件连接；可拆卸夹持末端与夹持器底座连接；可拆卸夹持末端安装有夹持探针；压电陶瓷驱动器安装在桥型位移放大机构中；桥型位移放大机构的上方相对称的设置有L型杠杆放大机构，每个L型杠杆放大机构的外侧均连接有平行四边形机构；使用时，通过宏动模块实现细胞在X、Y、Z三个方向上的移动。通过微动模块实现对细胞的精准夹持与释放。
Description
技术领域
本发明属于细胞夹持领域，特别是涉及一种模块化宏微结合的四自由度细胞夹持平台。
背景技术
随着科技的进步，微纳米技术在生物医学应用、微操作、微组装和许多其他领域都有着重要作用。其中，面向细胞的夹持操作领域主要利用电热变形实现细胞夹持的目的。但是，如何利用压电陶瓷驱动器输出力大、体积小、快速响应、刚度高的优点对细胞进行夹持操作还存在着很大的不足。另外，在所设计的细胞夹持器通常是固定的，无法在细胞夹持后，对细胞进行大范围、持续性的移动，以实现对单个细胞进行分离的目的。并且，目前的细胞夹持器，加持末端固定，无法根据不同的细胞灵活调整不同的加持末端，夹持尖端难以更换等问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于模块化的宏微结合细胞夹持平台，该细胞夹持平台具有可更换末端执行器接口、制造成本低等特点。具有较大的夹持范围和移动范围，能够实现对细胞夹持、分离和释放操作。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于模块化的宏微结合细胞夹持平台，包括宏动模块和微动模块，宏动模块包括三自由度电动位移平台和Z型连接件，微动模块包括夹持器底座、可拆卸夹持末端和夹持探针，所述三自由度电动位移平台包括X向直线电机、Y向直线电机和Z向直线电机，夹持器底座包括基体、压电陶瓷驱动器、桥型位移放大机构、L型杠杆放大机构、平行四边形机构；
所述Z型连接件与三自由度电动位移平台通过螺栓连接；所述夹持器底座与Z型连接件通过螺栓连接；所述可拆卸夹持末端与夹持器底座通过螺栓连接；所述可拆卸夹持末端安装有夹持探针并通过预紧螺栓进行预紧固定；所述压电陶瓷驱动器通过预紧螺栓安装在所述桥型位移放大机构中，压电陶瓷驱动器的中心线与所述桥型位移放大机构的横向中心线重合；所述桥型位移放大机构设有可移动的左侧横梁和右侧横梁，所述左侧横梁与右侧横梁的上部之间和下部之间均通过四连杆机构相连，每个四连杆机构内的各连杆均通过柔性铰链Ⅰ连接；桥型位移放大机构的上方左右相对称的设置有所述L型杠杆放大机构，每个L型杠杆放大机构的外侧均连接有所述平行四边形机构；所述L型杠杆放大机构由柔性铰链Ⅱ、柔性铰链Ⅲ、柔性铰链Ⅳ与L型刚性连杆组成，L型杠杆放大机构通过柔性铰链Ⅱ与下方的桥型位移放大机构相连，L型杠杆放大机构通过柔性铰链Ⅲ与基体连接；每个所述平行四边形机构由刚性杆和四个柔性铰链Ⅴ组成，并且通过柔性铰链Ⅳ与L型杠杆放大机构连接；在所述平行四边形机构的输出端设有与平行四边形机构相互垂直的连接梁；所述连接梁上设有能够连接不同可拆卸夹持末端的螺纹孔和定位销；所述平行四边形机构通过柔性铰链Ⅴ与基体连接。
进一步的，所述三自由度电动位移平台、Z型连接件组成宏动模块，夹持器底座、可拆卸夹持末端、夹持探针共同组成微动模块，所述微动模块和宏动模块通过Z型连接件相互连接，保证微动模块与宏动模块的同步运动。
进一步的，所述微夹持器底座为沿所述桥型位移放大机构纵向轴线左右对称的结构。
进一步的，所述平行四边形机构的输出端和输入端分别设置在远离和靠近所述基体的端部。
进一步的，所述Z型连接件和夹持器底座均设有定位孔。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明采用三自由度电动位移平台作为宏观模块，可以通过微动模块与宏动模块的同步运动，实现细胞在X、Y、Z三个方向的移动，完成细胞的分离。在夹持器底座部分采用一体成型结构，不需要贵重材料，制作成本低，并且采用对称结构设计可以使夹持器底座结构紧凑。采用压电陶瓷驱动器作为夹持器底座的驱动方式，可以明显降低微夹持器底座整体质量和运动惯量。采用平行四边形机构实现钳口沿X轴方向运动，能够避免由于夹持分力引起在夹持物体的过程中是物体产生松动，能够提高夹持器底座的稳定性和精度。采用桥型位移放大机构、L型杠杆放大机构与平行四边形机构三级放大机构，使夹持器底座具有较大张合量，能够实现更大的夹持范围。采用可拆卸的夹持末端，能够快速的更换不同的夹持末端，满足对不同细胞的夹持需求，并且能够方便的更换损坏的夹持探针。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的三自由度电动位移平台；
图3为本发明的Z型连接件结构示意图；
图4为本发明的夹持器底座结构示意图；
图5为本发明的桥型位移放大机构的结构示意图；
图6为本发明的L型杠杆放大机构结构示意图；
图7为本发明的平行四边形机构结构示意图；
图8为本发明的左可拆卸加持末端结构示意图；
图9为本发明的右可拆卸加持末端结构示意图；
图10为本发明的夹持探针结构示意图；
附图标记：1-三自由度电动位移平台，101-X向直线电机，102-Y向直线电机，103-Z向直线电机，2-Z型连接件，3-夹持器底座，301-基体，302-压电陶瓷驱动器，303-预紧螺栓，304-桥型位移放大机构，305-L型杠杆放大机构，306-平行四边形机构，307-定位销，308-下方四连杆机构，309-左侧横梁，310-上方四连杆机构，311-柔性铰链Ⅰ，312-右侧横梁，313-柔性铰链Ⅱ，314-柔性铰链Ⅲ，315-柔性铰链Ⅳ，316-柔性铰链Ⅳ，317-柔性铰链Ⅴ，4-可拆卸夹持末端，5-可拆卸夹持末端，6-夹持探针。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1～图10，一种基于模块化的宏微结合细胞夹持平台，总体分为宏动模块和微动模块两部分。宏动模块具体包括三自由度电动位移平台1、Z型连接件2，微动模块具体包括夹持器底座3，可拆卸夹持末端4、可拆卸夹持末端5、夹持探针6。
三自由度电动位移平台包括X向直线电机101、Y向直线电机102和Z向直线电机103；微动模块通过Z型连接件和三自由度电动位移平台1连接，通过控制三自由度电动位移平台不同方向的电机转动，实现微动模块在X、Y、Z三个方向的移动。
在微动模块中，桥型位移放大机构304分布在夹持器底座的下侧，设有与Y轴平行的两个可动的左侧横梁309、右侧横梁312和连接两个横梁的下方四连杆机构308、上方四连杆机构310，下方四连杆机构308和上方四连杆机构310内的连杆都采用柔性铰链Ⅰ311连接形成，在下方四连杆机构308、上方四连杆机构310的外侧各设有一个桥型位移放大机构的输出端；在下方四连杆机构308的输出端与基体301连接；在左侧横梁309和右侧横梁312之间设有压电陶瓷驱动器302，压电陶瓷驱动器302通过预紧螺栓303固定在桥型位移放大机构304上。L型杠杆放大机构305由柔性铰链Ⅱ313、柔性铰链Ⅲ314、柔性铰链Ⅳ315和刚性杆组成，L型杠杆放大机构305通过下侧柔性铰链Ⅱ313与桥型位移放大机构中上方四连杆机构310的输出端相连。平行四边形机构306由柔性铰链Ⅳ316、柔性铰链Ⅴ317和刚性连接杆组成，平行四边形机构306通过柔性铰链Ⅳ316与L型杠杆放大机构305相连，通过柔性铰链Ⅴ317与基体301相连。平行四边形机构的输出端上设有与平行四边形机构相垂直的连接梁，连接梁末端设有可连接不同夹持末端的螺纹孔。可拆卸夹持末端4、可拆卸夹持末端5与细胞夹持底座3通过螺栓连接。夹持探针6与可拆卸夹持末端4、可拆卸夹持末端5连接，并通过预紧螺栓对可拆卸夹持末端进行预紧，使可拆卸夹持末端发生弹性变形进行连接与固定。
本发明采用宏微结合的设计思想，通过将宏动模块和微动模块结合，使细胞能够快速、稳定的进行宏观距离上的移动，以及对单个细胞的分离。在微动模块中，夹持器底座采用对称结构，使夹持器底座结构紧凑。为了保证夹持器底座的加工精度，基体301、桥型位移放大机构304、两个L型杠杆放大机构305、两个平行四边形机构306、定位销307和全部柔性铰链采用线切割一体成型结构。在夹持器底座末端设有定位销和螺纹孔，实现与可拆卸夹持末端的准确连接与固定。另外，采用可拆卸加持末端，能够方便、快速的更换损坏的夹持探针。
具体的，本发明的工作原理如下：
请参阅图1～图10，本发明在使用时，微动模块与宏动模块通过Z型连接件连接，保证微动模块与宏动模块进行同步运动，通过控制三自由度电动位移平台X、Y、Z方向上的电机转动，实现微动模块整体在X、Y、Z三个方向上的移动。在微动模块中，当在压电陶瓷驱动器302的两端施加驱动电压时，压电陶瓷驱动器302将伸长。压电陶瓷驱动器302驱动桥型位移放大机构304中的左侧横梁309和右侧横梁312，上方四连杆机构310的输出端向下方平移，桥型位移放大机构304将压电陶瓷驱动器302的输出位移进行放大，并通过柔性铰链Ⅱ，带动L型杠杆放大机构305运动，L型杠杆放大机构305将压电陶瓷驱动器302的输出位移进一步放大，并且通过柔性铰链Ⅳ，带动平行四边形机构306运动，通过柔性梁带动夹持器底座实现X向的运动，从而通过可拆卸夹持末端4、可拆卸夹持末端5带动两个夹持探针6在X向的闭合，实现对细胞的夹持。当撤掉压电陶瓷驱动器302两端的驱动电压后，压电陶瓷驱动器302将恢复至原长，夹持器底座在柔性铰链弹性力的作用下回到原位置，从而可拆卸夹持末端4、可拆卸夹持末端5带动两个夹持探针6也会到原位置，实现对细胞的释放。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于模块化的宏微结合细胞夹持平台，其特征在于，包括宏动模块和微动模块，宏动模块包括三自由度电动位移平台和Z型连接件，微动模块包括夹持器底座、可拆卸夹持末端和夹持探针，所述三自由度电动位移平台包括X向直线电机、Y向直线电机和Z向直线电机，夹持器底座包括基体、压电陶瓷驱动器、桥型位移放大机构、L型杠杆放大机构、平行四边形机构；
所述Z型连接件与三自由度电动位移平台通过螺栓连接；所述夹持器底座与Z型连接件通过螺栓连接；所述可拆卸夹持末端与夹持器底座通过螺栓连接；所述可拆卸夹持末端安装有夹持探针并通过预紧螺栓进行预紧固定；所述压电陶瓷驱动器通过预紧螺栓安装在所述桥型位移放大机构中，压电陶瓷驱动器的中心线与所述桥型位移放大机构的横向中心线重合；所述桥型位移放大机构设有可移动的左侧横梁和右侧横梁，所述左侧横梁与右侧横梁的上部之间和下部之间均通过四连杆机构相连，每个四连杆机构内的各连杆均通过柔性铰链Ⅰ连接；桥型位移放大机构的上方左右相对称的设置有所述L型杠杆放大机构，每个L型杠杆放大机构的外侧均连接有所述平行四边形机构；所述L型杠杆放大机构由柔性铰链Ⅱ、柔性铰链Ⅲ、柔性铰链Ⅳ与L型刚性连杆组成，L型杠杆放大机构通过柔性铰链Ⅱ与下方的桥型位移放大机构相连，L型杠杆放大机构通过柔性铰链Ⅲ与基体连接；每个所述平行四边形机构由刚性杆和四个柔性铰链Ⅴ组成，并且通过柔性铰链Ⅳ与L型杠杆放大机构连接；在所述平行四边形机构的输出端设有与平行四边形机构相互垂直的连接梁；所述连接梁上设有能够连接不同可拆卸夹持末端的螺纹孔和定位销；所述平行四边形机构通过柔性铰链Ⅴ与基体连接。
2.根据权利要求1所述一种基于模块化的宏微结合细胞夹持平台，其特征在于，微动模块和宏动模块之间通过Z型连接件相互连接，保证微动模块与宏动模块的同步运动。
3.根据权利要求1所述一种基于模块化的宏微结合细胞夹持平台，其特征在于，所述微夹持器底座为沿所述桥型位移放大机构纵向轴线左右对称的结构。
4.根据权利要求1所述一种基于模块化的宏微结合细胞夹持平台，其特征在于，所述平行四边形机构的输出端和输入端分别设置在远离和靠近所述基体的端部。
5.根据权利要求1所述一种基于模块化的宏微结合细胞夹持平台，其特征在于，所述Z型连接件和夹持器底座均设有定位孔。
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