视觉伺服控制微机械手的细胞注射研究

　　将微量生物物质注射到细胞中的方法广泛应用于生物遗传学[1], 特别是在体外遗传注射和 DNA 克隆技术[2]。对胚胎、细胞、染色体、DNA 等的操纵在生物技术中起关键作用[3]。

　　细胞注射系统包括微机械手系统、显微镜视觉系统。要完成细胞注射, 系统精度必须达到微米级。细胞注射通常是在显微镜坐标系中完成对机械手末端执行器的控制, 这就要求建立显微镜视觉系统和微机械手系统之间的映射关系, 即上述两个坐标系统的变换关系。采用不同的控制方法, 对坐标变换矩阵的标定精度要求也不同。基于位置的视觉伺服[4], 要求坐标系间有很高的标定精度; 而基于图像的视觉伺服[4], 并不要求对坐标系间进行精确的标定, 因为该方法利用跟踪特征点现有位置与目标位置的坐标差来驱动机械手运动, 在每个样周期后, 不断对坐标差进行调整, 从而消除各坐标系之间的误差。但是如果系统坐标系间的误差较大, 为了保证跟踪轨迹精度, 必须采用小的采样间隔, 这必将影响系统的实时性。所以基于图像的视觉跟踪同样也需要对系统各坐标系位置关系进行标定。

　　与文献[5~7]标定方法不同, 本文利用推导的伺服控制方程计算误差矩阵, 只要机械手在图像空间走一组点, 然后将该组点的位置代入伺服控制方程, 就可以求得误差矩阵, 从而完成对系统坐标间的标定。误差矩阵的应用使误差限定在一个小范围内, 有利于实时控制。基于视觉伺服控制的细胞注射, 深度信息的获得很重要。利用显微镜聚焦—失焦技术[8]获得深度信息, 并将该信息集成到伺服控制方程中, 可以控制细胞、注射针、负压管处于同一平面, 方便细胞注射。为了提高注射针轨迹精度, 注射针针尖采用光学流方法进行跟踪[9]。本文利用纳米驱动平台推动注射器, 通过脉冲控制药液注射量的大小,并对注射泵理论注射量进行了测量, 也对负压泵进行了细胞固定过程的测试。

　　1 误差矩阵推导

　　1.1 深度信息获取

　　对于细胞注射系统, 如果丢失深度信息, 常会产生严重的后果, 致使细胞注射失败。如: 玻璃注射针与载物台相碰, 造成注射针碰断; 注射针不从细胞中间部分穿刺, 造成细胞刺破等。采用聚焦—失焦法是获得深度信息比较理想的方法[8]。图像是否聚焦, 表现为图像的边界或细节部分是否清晰, 可以利用图像边界或细节部分的灰度值变化情况来作为聚焦的判据。这样就可以设计一估计器, 计算某一区域图像的灰度变化之和 F。沿 Z 轴移动, 利用估计器不断计算对应图像的 F 值, 当F 值达到最大 Fmax 时, 该区域就处于焦平面上。用拉普拉斯算子作为估计器可以实现这一目的, 拉普拉斯算子为: