一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统技术方案

本发明专利技术涉及载人航天空间站科学实验设备，特别涉及一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统。包括空间站科学手套箱及设置于空间站科学手套箱内的微操作机器人系统；微操作机器人系统包括：三维载物台，具有X、Y、Z三轴运动功能；显微视觉系统，设置于三维载物台上，用于对空间生物实验样品的显微观察，并实时输出图像数据；操作机构，用于对空间生物实验样品进行操作；夹持机构，用于对空间生物实验样品进行夹持与移动；吸附与注射机构，与操作机构和夹持机构连接用于提供正压气动力及负压气动力。本发明专利技术具备在轨进行灵巧、精细的多自由度自主操作功能，以达到在空间站进行生命科学实验的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统
本专利技术涉及载人航天空间站科学实验设备，特别涉及一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统。
技术介绍
空间生命科学与生物技术是空间科学中最重要且最具有代表性的研究领域之一，对丰富和深化自然科学知识体系，提高人类医学和生物学认知，指导和推动人类健康和新农业技术发展，服务于科技创新和国民经济建设都具有十分重要的意义。空间生命科学实验设备是开展空间生命科学与生物技术研究的重要组成部分之一，其功能和技术指标决定了空间生命科学与生物技术研究的深度和广度，对实验任务的完成情况和完成能力起着至关重要的作用。微操作实验是生命科学探索的基本方法，通常涉及到对生物细胞的吸持、注射、切割等操作，操作精度要求达到微米级。在地面环境下，目前有成熟的成套商用生物微操作设备，但体积、重量较大，消耗资源较多，难以用于空间站在轨环境。因此，需要为空间站设计一套体积小、重量轻、资源消耗少的微操作系统。另外，由于航天员在轨进行精细操作难度极大，当前世界范围内也没有可借鉴的案例，因此，空间站微操作系统需要具备不依赖于航天员参与的自主操作能力，能自主完成操作过程中的操作对象的固定、吸持，操作工具姿态与位置的调整等动作。根据空间站在轨进行生命科学实验的任务要求，急需设计一套具有自主操作能力的微操作机器人系统，实现在太空微重力环境下的细胞级操作实验。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，该系统具备在轨进行灵巧、精细的多自由度自主操作功能，以达到在空间站进行生命科学实验的目的。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，包括空间站科学手套箱及设置于空间站科学手套箱内的微操作机器人系统；所述微操作机器人系统包括：三维载物台，具有X、Y、Z三轴运动功能；显微视觉系统，设置于三维载物台上，用于对空间生物实验样品的显微观察，并实时输出图像数据；操作机构，用于对空间生物实验样品进行操作；夹持机构，用于对空间生物实验样品进行夹持与移动；吸附与注射机构，与操作机构和夹持机构连接，吸附与注射机构用于为操作机构提供正压气动力及为夹持机构提供负压气动力。所述操作机构包括宏操作臂、微操作器及注射针组件，其中宏操作臂为六自由度运动机构，微操作器设置于宏操作臂的末端；注射针组件设置于微操作器的末端，注射针组件通过所述吸附与注射机构提供的正压气动力对空间生物实验样品进行注射液体。所述微操作器包括依次串联的三个微动滑台组件，具有X、Y、Z三轴平动的自由度。所述夹持机构包括依次连接的X轴滑台组件Ⅱ、Y轴滑台组件Ⅱ、Z轴滑台组件Ⅱ及吸持针组件，其中吸持针组件通过所述吸附与注射机构提供的负压气动力对空间生物实验样品进行捕获及固定。所述夹持机构还包括基座，所述X轴滑台组件Ⅱ设置于基座上。所述吸附与注射机构包括正压注射器和负压注射器，其中正压注射器通过正压气管与所述操作机构连接；所述负压注射器通过负压气管与所述夹持机构连接。所述正压注射器和所述负压注射器内均设有压力传感器。所述显微视觉系统包括显微镜头、镜筒、相机及安装架，其中安装架与所述三维载物台连接，镜筒安装在安装架上；显微镜头设置于镜筒的下端，用于对空间生物实验样品进行成像；相机设置于镜筒的上端，用于接收图像并将其传送到控制器。所述三维载物台包括X轴滑台组件Ⅰ、Y轴滑台组件Ⅰ、Z轴滑台组件Ⅰ、培养皿、底板及立柱，其中X轴滑台组件Ⅰ和立柱设置于底板上，Y轴滑台组件Ⅰ设置于X轴滑台组件Ⅰ上，培养皿设置于Y轴滑台组件Ⅰ上；Z轴滑台组件Ⅰ设置于立柱上，Z轴滑台组件Ⅰ上设有接口板，接口板用于所述显微视觉系统的安装。所述培养皿的底部设有光源。本专利技术的优点及有益效果是：本专利技术更适用于空间站在轨资源约束：空间站对上行系统的重量、体积以及功耗都有严格约束，现有商用的微操作设备，无论重量、体积还是功耗，都不能满足空间站在轨使用要求。本专利技术提出的微操作机器人系统，在极小的空间范围内，集成了操作、移动、显微视觉观察等功能，满足空间站的资源约束要求。本专利技术功能更全面：操作机构采用宏微双驱机器人方法，不但能实现三轴方向的微操作功能，而且通过宏操作机构的灵巧运动能力，也能实现微操作的方位角度调整，更好地满足复杂微操作的需求。本专利技术操作更安全：系统具有视觉伺服与自主操作能力，生物实验过程完全不需要航天员的参与，实验可以在封闭的箱体内进行，既保证了航天员的安全，也保证了空间站舱内环境的安全。附图说明图1为本专利技术一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统的结构示意图；图2为本专利技术中微操作机器人系统的结构示意图；图3为本专利技术中三维载物台的结构示意图；图4为本专利技术中显微视觉系统的结构示意图；图5为本专利技术中操作机构的结构示意图；图6为本专利技术中夹持机构的结构示意图；图7为本专利技术中吸附与注射机构的结构示意图。图中：1为微操作机器人系统，2为空间站科学手套箱，11为三维载物台，111为X轴滑台组件Ⅰ，112为Y轴滑台组件Ⅰ，113为Z轴滑台组件Ⅰ，114为培养皿，115为光源，116为底板，117为立柱，118为接口板，12为显微视觉系统，121为显微镜头，122为镜筒，123为相机，124为安装架，13为操作机构，131为宏操作臂，132为微操作器，133为注射针组件，14为夹持机构，141为X轴滑台组件Ⅱ，142为Y轴滑台组件Ⅱ，143为Z轴滑台组件Ⅱ，144为吸持针组件，145为基座，15为吸附与注射机构，151为正压注射器，152为负压注射器，153为正压气管，154为负压气管。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述。如图1-2所示，本专利技术提供的一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，包括空间站科学手套箱2及设置于空间站科学手套箱2内的微操作机器人系统1；微操作机器人系统1包括：三维载物台11、显微视觉系统12、操作机构13、夹持机构14及吸附与注射机构15，其中三维载物台11，具有X、Y、Z三轴运动功能；显微视觉系统12设置于三维载物台11上，用于对空间生物实验样品的显微观察，并实时输出图像数据；操作机构13用于对空间生物实验样品进行操作；夹持机构14用于对空间生物实验样品进行夹持与移动；吸附与注射机构15与操作机构13和夹持机构14连接，吸附与注射机构15用于为操作机构13提供正压气动力及为夹持机构14提供负压气动力。如图3所示，本专利技术的实施例中，三维载物台11包括X轴滑台组件Ⅰ111、Y轴滑台组件Ⅰ112、Z轴滑台组件Ⅰ113、培养皿114、底板116及立柱117，其中X轴滑台组件Ⅰ111和立柱117设置于底板116上，Y轴滑台组件Ⅰ112设置于X轴滑台组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，包括空间站科学手套箱(2)及设置于空间站科学手套箱(2)内的微操作机器人系统(1)；/n所述微操作机器人系统(1)包括：/n三维载物台(11)，具有X、Y、Z三轴运动功能；/n显微视觉系统(12)，设置于三维载物台(11)上，用于对空间生物实验样品的显微观察，并实时输出图像数据；/n操作机构(13)，用于对空间生物实验样品进行操作；/n夹持机构(14)，用于对空间生物实验样品进行夹持与移动；/n吸附与注射机构(15)，与操作机构(13)和夹持机构(14)连接，吸附与注射机构(15)用于为操作机构(13)提供正压气动力及为夹持机构(14)提供负压气动力。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，包括空间站科学手套箱(2)及设置于空间站科学手套箱(2)内的微操作机器人系统(1)；
所述微操作机器人系统(1)包括：
三维载物台(11)，具有X、Y、Z三轴运动功能；
显微视觉系统(12)，设置于三维载物台(11)上，用于对空间生物实验样品的显微观察，并实时输出图像数据；
操作机构(13)，用于对空间生物实验样品进行操作；
夹持机构(14)，用于对空间生物实验样品进行夹持与移动；
吸附与注射机构(15)，与操作机构(13)和夹持机构(14)连接，吸附与注射机构(15)用于为操作机构(13)提供正压气动力及为夹持机构(14)提供负压气动力。


2.根据权利要求1所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述操作机构(13)包括宏操作臂(131)、微操作器(132)及注射针组件(133)，其中宏操作臂(131)为六自由度运动机构，微操作器(132)设置于宏操作臂(131)的末端；注射针组件(133)设置于微操作器(132)的末端，注射针组件(133)通过所述吸附与注射机构(15)提供的正压气动力对空间生物实验样品进行注射液体。


3.根据权利要求2所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述微操作器(132)包括依次串联的三个微动滑台组件，具有X、Y、Z三轴平动的自由度。


4.根据权利要求1所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述夹持机构(14)包括依次连接的X轴滑台组件Ⅱ(141)、Y轴滑台组件Ⅱ(142)、Z轴滑台组件Ⅱ(143)及吸持针组件(144)，其中吸持针组件(144)通过所述吸附与注射机构(15)提供的负压气动力对空间生物实验样品进行捕获及固定。


5.根据权利要求4所述的用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统，其特征在于，所述夹持机构(14)还包括基座(...

【专利技术属性】
技术研发人员：宛敏红，周维佳，刘晓源，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21