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  在國(guó)家自然科學(xué)基金、863計(jì)劃的資助下,面向生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、顯微圖像處理與深度辨識(shí)、超微量定量注射等方面取得了數(shù)項(xiàng)原創(chuàng)性研究成果,獲天津市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)和國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。該系統(tǒng)中的相關(guān)技術(shù)獲得多項(xiàng)專利成果,ZL200510016296.7:基于顯微圖像處理的微操作工具深度信息提取方法及裝置,Z1200410018840.7:微量注射自動(dòng)控制統(tǒng),ZL031299245:全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器,zL97121702.5:用于生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機(jī)器人.    在國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目資助下,該微操作機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入生命科學(xué)領(lǐng)域的示范性應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化階段,主要應(yīng)用領(lǐng)域包括顯微注射、顯微切割、病理分析等。    基于微操作機(jī)器人的數(shù)字切片掃描系統(tǒng),是針對(duì)生物醫(yī)學(xué)切片數(shù)字化這一應(yīng)用目標(biāo)所構(gòu)建的自動(dòng)化微操作系統(tǒng)。通過掃描拼接的方式,將物理切片掃描生成數(shù)字圖像,可獲得原始切片在各種倍數(shù)物鏡下的所有信息,通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和操作,模擬真實(shí)顯微鏡下的觀察過程。數(shù)字切片突破了顯微鏡視野范圍限制,使用戶以更全面地觀察切片而不丟失細(xì)節(jié);易于檢索和快速瀏覽;便于存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)信息交流,特別適合于醫(yī)學(xué)的遠(yuǎn)程診斷和會(huì)診,以及實(shí)驗(yàn)教學(xué);可整合資源、節(jié)省資金,對(duì)于一些難以取得的切片,可通過數(shù)字化實(shí)現(xiàn)共享,而不用擔(dān)心由于切片破碎、褪色造成的問題。    該系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)包括:    微米級(jí)運(yùn)動(dòng)精度的手自一體的電控顯微鏡載物平臺(tái);    高度并行的數(shù)字切片掃描策略,20分鐘內(nèi)完成1厘米x1厘米大小的數(shù)字切片生成;    海量影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索策略,可實(shí)現(xiàn)切片的平滑瀏覽、無級(jí)放縮;    便捷、高效、友好的操作模式設(shè)計(jì),系統(tǒng)具有很強(qiáng)的易用性    該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo):    1.電動(dòng)載物平臺(tái)規(guī)格參數(shù):      行程:86mmx86mm      重復(fù)定位精度:±2um      最小步距:10um      最大運(yùn)動(dòng)速度:2000um/s      最小運(yùn)動(dòng)速度:1.4um/s      平整度:5um      測(cè)角精度:±2arc/s   2.數(shù)字切片掃描軟件性能及特點(diǎn):      采用連通區(qū)域優(yōu)先的融合軌跡規(guī)劃算法,圖像融合效果佳;      攝像參數(shù)靈活可控,白平衡、曝光、對(duì)焦,可采用軟件托管的自動(dòng)控制同時(shí)支持手動(dòng)設(shè)置;      支持預(yù)設(shè)攝像參數(shù),并可按物鏡倍數(shù)進(jìn)行分組預(yù)設(shè),更換物鏡后,可直接調(diào)用相應(yīng)的預(yù)設(shè)參數(shù);      精確控制微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)定位,重復(fù)定位精度達(dá)到±2μm;   3.數(shù)字切片瀏覽軟件性能及特點(diǎn):      可對(duì)超大圖像進(jìn)行快速加載,并可流暢瀏覽數(shù)字切片。      可拖動(dòng)瀏覽,可使圖像跟隨鼠標(biāo)移動(dòng);      實(shí)時(shí)標(biāo)記局部圖像的相對(duì)位置,實(shí)現(xiàn)縮略圖輔助定位;      圖像逐級(jí)放縮,不損失畫質(zhì);      可對(duì)自選的局部標(biāo)定區(qū)域進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量精度±0.3μm;    物理切片的數(shù)字化,開啟了針對(duì)病理信息數(shù)字化處理的大門,借助于顯微圖蒙處理技術(shù),可以廣泛地應(yīng)用在病理分析、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷、科研教學(xué)等諸多以切片為研究目標(biāo)的在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。    我國(guó),隨著數(shù)字化切片在醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)領(lǐng)域的日益普及,顯微切片自動(dòng)掃描系統(tǒng)的需求量將逐年擴(kuò)大。目前,該系統(tǒng)樣機(jī)已經(jīng)研制成功,正在進(jìn)入市場(chǎng)營(yíng)銷階段。國(guó)內(nèi)外物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域同類產(chǎn)品,主要面向大型醫(yī)療機(jī)構(gòu)和研究所,一般價(jià)格都在40萬(wàn)元人民幣以上。基于微操作機(jī)器人的數(shù)字切片掃描系統(tǒng),由于具有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),可以大幅度降低成本,有效打開中低端市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。    本項(xiàng)目可極大地降低數(shù)字化切片技術(shù)的應(yīng)用門檻，使此項(xiàng)技術(shù)在基層醫(yī)療單位得到更好的推廣應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)病理切片數(shù)字化管理和共享利用水平的提高，有效提升醫(yī)療診斷的服務(wù)水平，可生產(chǎn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

南開大學(xué)機(jī)器人與信息自動(dòng)化研究所從1992年開始研制用于生物工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，完成國(guó)內(nèi)第一臺(tái)樣機(jī)，此后的系列樣機(jī)，均取得較好的應(yīng)用效果。此項(xiàng)成果于1999年獲得國(guó)內(nèi)最早的微操作機(jī)器人系統(tǒng)整體發(fā)明專利，并于2001年12月獲2000年度天津市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，2003年3月獲2002年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。近年來，針對(duì)我國(guó)在生命科學(xué)研究中對(duì)自動(dòng)化精密儀器與設(shè)備的迫切需求，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，機(jī)器人所致力于開發(fā)“面向批量細(xì)胞轉(zhuǎn)基因及克隆操作的顯微注射系統(tǒng)”，該系統(tǒng)具有顯微鏡全局視野

在國(guó)家自然科學(xué)基金、863計(jì)劃的資助下，面向生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、顯微圖像處理與深度辨識(shí)、超微量定量注射等方面取得了數(shù)項(xiàng)原創(chuàng)性研究成果，獲天津市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)和國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。該系統(tǒng)中的相關(guān)技術(shù)獲得多項(xiàng)專利成果，ZL2005 1 0016296.7：基于顯微圖像處理的微操作工具深度信息提取方法及裝置，ZL2004 1 0018840.7：微量注射自動(dòng)控制系統(tǒng)，ZL03 1 29924.5：全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器，ZL97121702.5：用于生物醫(yī)學(xué)工程的

項(xiàng)目的背景及目的 作為特型機(jī)器人的一種，微操作機(jī)器人因其具有系統(tǒng)位移精度高，定位精密，操作精密等特性，將人們的工作空間從宏觀領(lǐng)域拓展到了細(xì)微空間領(lǐng)域。用于生物工程中的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，可以代替人工完成生物實(shí)驗(yàn)中常見的細(xì)胞級(jí)顯微操作（轉(zhuǎn)基因微注射，染色體切割，細(xì)胞分離，細(xì)胞融合等）。 技術(shù)原理與工藝流程 因?yàn)樯锖歪t(yī)學(xué)試驗(yàn)中的顯微操作過程是對(duì)生物細(xì)微體，如生物細(xì)胞、染色體等活性物質(zhì)進(jìn)行顯微操

研究方向：微操作機(jī)器人系統(tǒng)、微納設(shè)計(jì)與加工、生物模式形成與組 織發(fā)育建模。 項(xiàng)目簡(jiǎn)介： 在國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào) 61327802）等資助下，本項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了面向生命科學(xué)的原 位顯微分析與操作儀。研究團(tuán)隊(duì)利用該儀器實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人化的體細(xì)胞 核移植，進(jìn)而將該技術(shù)應(yīng)用于豬克隆流程，成功獲得了克隆豬仔。這 是國(guó)際上首次利用機(jī)器人技術(shù)獲得的克隆豬。 作為一種常用的外源物導(dǎo)入細(xì)胞的方式，細(xì)胞顯微操作技術(shù)廣泛 應(yīng)用于生物工程領(lǐng)域。為了減輕實(shí)驗(yàn)操作者的工作負(fù)擔(dān)，研究者開發(fā) 出自動(dòng)化微操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化胚胎注射、機(jī)器人化單精注射、 機(jī)器人化貼壁細(xì)胞注射等多類微操作。然而，目前自動(dòng)化微操作的操 作過程與手工操作類似，這些操作在保證操作本身高效、高成功率的 同時(shí)，并沒有考慮到微操作對(duì)后續(xù)生物過程（如后續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)）的影 響，因此無法獲得顯著優(yōu)于手工操作的生物結(jié)果。 研究團(tuán)隊(duì)面向生命科學(xué)發(fā)展的迫切需求，研制出具有可視化、微 創(chuàng)化、定點(diǎn)化、定量化功能的，集檢測(cè)分析與操作于一體的原位顯微 分析與操作儀，利用該儀器實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人化的細(xì)胞核移植流程，并通 過分析微操作工具與細(xì)胞接觸過程中的細(xì)胞受力情況，實(shí)現(xiàn)了基于最 小力的細(xì)胞撥動(dòng)與細(xì)胞抽核，保證了細(xì)胞核移植操作過程中細(xì)胞受力 最小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于最小力的細(xì)胞撥動(dòng)與細(xì)胞抽核方法，顯著 減少了細(xì)胞撥動(dòng)過程對(duì)細(xì)胞的傷害；后續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，與人工 操作相比，細(xì)胞后續(xù)發(fā)育率顯著提高,標(biāo)志克隆成功的體外囊胚率從 10%提高到 21%。2017 年 1 月初，研究團(tuán)隊(duì)分四批完成了 510 例核 移植操作,并將這 510 枚克隆胚胎移植到 6 頭母豬體內(nèi)，兩頭母豬順利受孕；4 月底，兩頭受孕母豬產(chǎn)下成活克隆豬 17 頭。 上述研究第一次用后續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)成功率作為評(píng)測(cè)依據(jù)，建立了操 作過程細(xì)胞受力情況與后續(xù)細(xì)胞發(fā)育的聯(lián)系,得出了操作過程細(xì)胞受 力越小，則傷害越小，最終細(xì)胞發(fā)育成功率越高的結(jié)論。該研究對(duì)其 它機(jī)器人化生物操作有借鑒意義。

本項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了面向生命科學(xué)的原位顯微分析與操作儀。研究團(tuán)隊(duì)利用該儀器實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人化的體細(xì)胞核移植，進(jìn)而將該技術(shù)應(yīng)用于豬克隆流程，成功獲得了克隆豬仔。這是國(guó)際上首次利用機(jī)器人技術(shù)獲得的克隆動(dòng)物。 研究團(tuán)隊(duì)面向生命科學(xué)發(fā)展的迫切需求，研制出具有可視化、微創(chuàng)化、定點(diǎn)化、定量化功能的，集檢測(cè)分析與操作于一體的原位顯微分析與操作儀，利用該儀器實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人化的細(xì)胞核移植流程，并通 過分析微操作工具與細(xì)胞接觸過程中的細(xì)胞受力情況，實(shí)現(xiàn)了基于最小力的細(xì)胞撥動(dòng)與細(xì)胞抽核，保證了細(xì)胞核移植操作過程中細(xì)胞受力最小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于最小力的細(xì)胞撥動(dòng)與細(xì)胞抽核方法，顯著減少了細(xì)胞撥動(dòng)過程對(duì)細(xì)胞的傷害；后續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，與人工操作相比，細(xì)胞后續(xù)發(fā)育率顯著提高,標(biāo)志克隆成功的體外囊胚率從10%提高到 21%。2017 年 1 月初，研究團(tuán)隊(duì)分四批完成了 510 例核移植操作,并將這 510 枚克隆胚胎移植到 6 頭母豬體內(nèi)，兩頭母豬順利受孕；4 月底，兩頭受孕母豬產(chǎn)下成活克隆豬 17 頭。 上述研究第一次用后續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)成功率作為評(píng)測(cè)依據(jù)，建立了操作過程細(xì)胞受力情況與后續(xù)細(xì)胞發(fā)育的聯(lián)系,得出了操作過程細(xì)胞受力越小，則傷害越小，最終細(xì)胞發(fā)育成功率越高的結(jié)論。該研究對(duì)其它機(jī)器人化生物操作有借鑒意義。在深度信息提取、顯微視野拓展、超聲振動(dòng)細(xì)胞穿入等方面擁有多項(xiàng)專利。

工業(yè)機(jī)器人是一套自主研制的機(jī)器人設(shè)備，具有兩個(gè)四個(gè)自由度的關(guān)節(jié)臂，采用視覺的方式跟蹤流水線上目標(biāo)物，利用四指夾具通過驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂準(zhǔn)確的抓取目標(biāo)物，將流水線上的產(chǎn)品進(jìn)行裝箱的操作。目前福建已經(jīng)有一家公司已經(jīng)采用了本套設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品加工。操作流程主要包括備料、取料、放料、取件、放件。使用工業(yè)機(jī)器人可以降低廢品率和產(chǎn)品成本，提高了機(jī)床的利用率，降低了工人誤操作帶來的殘次零件風(fēng)險(xiǎn)等，其帶來的一系列效益也十分明顯。

產(chǎn)品詳細(xì)介紹電源：使用9V電池產(chǎn)品重量：742g (26.1oz)產(chǎn)品尺寸: 9.5cm * 3.5cm * 29.8cm外包裝尺寸 26.7 * 14.3 * 6.8cm外包裝重量: 782g響應(yīng)頻率：20 bis 20.000 Hz (+/- 0.5 dB)信噪比：82 dB @ 1 Khz, bei -30dBuTHD：低於0.03％@ 1千赫，-36dBu擴(kuò)大範(fàn)圍：max. +15dB接通電源XLR輸入：48V bei max. 14 mA支援手機(jī)的最大/最小寬度：58~90mm支援iOS and Android的智慧型手機(jī)，也可用於有3.5mm插孔的相機(jī)上使用Saramonic SmartMixer 1臺(tái)，3.5mm插入式電容麥克風(fēng) 2個(gè)，鋁合金手把(海綿握柄) 1隻，鋁合金手機(jī)夾座(可調(diào)大小) 1個(gè)，1/4″螺絲轉(zhuǎn)熱靴底座，mini-XLR to standard-XLR cable included連結(jié)線 1條，3.5mm-3.5mm插頭連結(jié)線 2條

在國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助下，本課題組在2003年成功研制出基于立體視覺的顯微操作裝配工作站，主要用于對(duì)微小物體進(jìn)行操作和微小系統(tǒng)的裝配，已推廣到臺(tái)灣大學(xué)等地區(qū)使用，近年來結(jié)合不同領(lǐng)域用戶實(shí)際需求，不斷改進(jìn)，顯著改善了系統(tǒng)的可靠性、模塊化、靈活性、控制軟件智能化程度，拓寬了本技術(shù)的應(yīng)用范圍，在多種微納器件和系統(tǒng)的集成制造中發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)具有圖像采集、圖像獲取，三維成像、三維測(cè)量、微小系統(tǒng)裝配、微小零件在線修磨等，還可以根據(jù)用戶具體要求定制特殊功能。系統(tǒng)配置可根據(jù)用戶要求選配，一種典型的配置如下：高倍立體顯微成像系統(tǒng)、微操作器、數(shù)控微位移工作臺(tái)、彩色CCD攝像機(jī)、高速圖像采集及立體顯示卡、高分辨率顯示器、微型計(jì)算機(jī)以及可選操縱單元（夾持器、真空吸盤、噴涂裝置等）等。具有動(dòng)靜態(tài)彩色立體成像及顯示。 系統(tǒng)典型技術(shù)參數(shù)如下：光學(xué)分辨率水平方向最高可達(dá)到500nm，深度方向分辨率最高可達(dá)到80nm，立體視覺的深度分辨率為10um，X/Y每軸運(yùn)動(dòng)范圍：50mm，Z軸運(yùn)動(dòng)范圍：25mm，運(yùn)動(dòng)分辨率：1μm(per step)，自動(dòng)引導(dǎo)重復(fù)定位精度：±3μm；具有操作自動(dòng)尋位、自動(dòng)避障功能；有真空吸附與夾鉗式拾取器（操作手）；具有空間位置測(cè)量及相對(duì)距離測(cè)量功能，圖像處理與分析功能、可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、打印等操作。

項(xiàng)目背景及意義 國(guó)內(nèi)外反恐排爆形式日趨嚴(yán)峻，一系列的惡性暴恐事件，對(duì)社會(huì)和國(guó)家造成重大損失。因此，研發(fā)專用于爆炸環(huán)境的應(yīng)急處置特種機(jī)器人，代替人進(jìn)入有爆炸可疑物的危險(xiǎn)場(chǎng)所中，通過場(chǎng)外人員的遙操作實(shí)時(shí)控制，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的搜索、探測(cè)和對(duì)可疑物的處理，減少排爆人員的傷亡。研究基于遙操作技術(shù)的排爆機(jī)器人操作方法，提高機(jī)器人的操作性能，增加排爆的成功率。同時(shí)，機(jī)器人的研制將帶動(dòng)相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域自主創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，提升我國(guó)排爆機(jī)器人裝備在國(guó)際市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)。 項(xiàng)目展示及介紹 本單位開發(fā)的遙操作排爆機(jī)器人由兩部分組成：實(shí)物樣機(jī)和控制系統(tǒng)，樣機(jī)由機(jī)械臂、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、控制箱組成；控制系統(tǒng)由操作人員的控制端和車載機(jī)械臂的執(zhí)行端組成。樣機(jī)機(jī)械臂由4+1個(gè)自由度組成，用于完成可疑爆炸物的抓取；履帶型移動(dòng)平臺(tái)保證排爆機(jī)器人可以安全可靠到達(dá)操作環(huán)境，控制箱是控制排爆機(jī)器人各關(guān)節(jié)的“手柄”，通過控制面板上的旋鈕、按鍵等控件完成排爆任務(wù)。排爆機(jī)器人樣機(jī)是軀干、控制系統(tǒng)是大腦、控制方式是思維策略、通訊方式是神經(jīng)，其中控制系統(tǒng)是本設(shè)備的研究重點(diǎn)。 本套設(shè)備選用國(guó)產(chǎn)控制器作為控制端和車載端的控制核心；選用無線通訊設(shè)備保證機(jī)器人可以在距操作者八百米仍可以正常工作；選用推桿和旋鈕保證操作簡(jiǎn)便，控制可靠。使用上位機(jī)軟件進(jìn)行程序編寫，通訊和控制方式主要是串口和CAN。 項(xiàng)目特點(diǎn)： 遙操作控制 排爆機(jī)器人采用的遙控操作方式，由操作人員在遠(yuǎn)端控制臺(tái)控制機(jī)器人執(zhí)行相關(guān)排爆操作，然后控制信號(hào)經(jīng)遠(yuǎn)距離無線通訊系統(tǒng)傳遞給機(jī)器人機(jī)載接收機(jī)，進(jìn)入控制器，控制機(jī)器人本體的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，通信內(nèi)容包括數(shù)據(jù)、視頻、音頻信息。 遙操作技術(shù)將排爆人員從危險(xiǎn)的環(huán)境中解放出來，對(duì)于保護(hù)排爆人員人身安全具有重要意義。遙操作技術(shù)克服了傳統(tǒng)線纜操作的局限性，可以保證一定的數(shù)據(jù)穿透能力。 多傳感器信息融合 排爆機(jī)器人的工作環(huán)境較為惡劣現(xiàn)場(chǎng)非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化已知空間，在機(jī)身及機(jī)械臂上安裝了較多的傳感器，用于檢測(cè)機(jī)體及外部環(huán)境信息。融合多傳感器采集到的信息，無損、安全傳送給遠(yuǎn)端操作人員，為操作人員提供準(zhǔn)確可靠的現(xiàn)場(chǎng)信息。提高排爆的成功概率。 排爆機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制研究 此部分研究主要包括排爆機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性分析、排爆機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制算法研究等。此部分的研究難點(diǎn)在于機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的實(shí)時(shí)分析和多自由度機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)的精確控制。 主要技術(shù)指標(biāo)：