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一种多自由度细胞姿态角的调控方法

阅读：599发布：2021-02-26

IPRDB可以提供一种多自由度细胞姿态角的调控方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种多自由度细胞姿态角的调控方法，属于机器人辅助技术领域，实现了自动化控制，解决了单细胞手术过程中多自由度细胞姿态角的控制，提高了操作精度和实验数据的可靠性。本发明包括：步骤(1)通过CCD相机采集细胞图像，通过图像处理算法识别出目标细胞的姿态角；步骤(2)产生对偶光镊，对偶光镊作用到目标细胞上，使得目标细胞旋转；步骤(3)通过细胞像平面外旋转算法获得下一帧图像间隔时对偶光镊相对于目标细胞的位置；步骤(4)重新分配光镊位置，使得目标细胞旋转到新的姿态角；步骤(5)判断目标细胞是否旋转到期望位置，若是，则结束；若否，则继续进行步骤(3)。，下面是一种多自由度细胞姿态角的调控方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种多自由度细胞姿态角的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过CCD相机采集细胞图像，通过图像处理算法识别出目标细胞的姿态角；

(2)产生对偶光镊，对偶光镊作用到目标细胞上，使得目标细胞旋转；

(3)通过细胞像平面外旋转算法获得下一帧图像间隔时对偶光镊相对于目标细胞的位置；

(4)重新分配光镊位置，使得目标细胞旋转到新的姿态角；

(5)判断目标细胞是否旋转到期望位置，若是，则结束；若否，则继续进行步骤(3)。

2.根据权利要求1所述的多自由度细胞姿态角的调控方法，其特征在于，所述调控方法中所述目标细胞的旋转精度小于2度。

3.根据权利要求1或2所述的多自由度细胞姿态角的调控方法，其特征在于，步骤(1)通过特征提取实时获取目标细胞在像平面外的姿态角。

4.根据权利要求1或2所述的多自由度细胞姿态角的调控方法，其特征在于，步骤(1)所述目标细胞的旋转角度计算公式为其中，θ为旋转角度，R表示细胞半径，(x,y,z)表示特征点坐标，P1代表第i-1帧图像特征点位置坐标，P2代表第i帧图像特征点位置坐标。

5.根据权利要求1所述的多自由度细胞姿态角的调控方法，其特征在于，步骤(2)中，所述对偶光镊关于目标细胞的中心在显微镜像平面外对称设置，通过改变两束光镊相对于目标细胞的位置来调整细胞姿态角。

6.根据权利要求1所述的多自由度细胞姿态角的调控方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)通过鲁棒自适应控制策略不依赖于细胞旋转动力学模型参数，提供控制系统鲁棒性。

7.根据权利要求1或6所述的多自由度细胞姿态角的调控方法，其特征在于，步骤(3)中细胞旋转控制算法设计结合细胞姿态角控制动力学方程，设计基于视觉反馈的控制策略实现显微镜像平面外细胞姿态角精确控制，所述动力学方程为：其中和分别是细胞位置坐标和角速度；m是细胞的质量，是相对于惯性坐标系的转动惯量。

8.根据权利要求7所述的多自由度细胞姿态角的调控方法，其特征在于，细胞在单光镊捕获作用下存在平动和转动耦合情况。

说明书全文

一种多自由度细胞姿态角的调控方法

技术领域

[0001] 本发明属于机器人辅助技术领域，尤其涉及一种多自由度细胞姿态角的调控方法。

背景技术

[0002] 细胞的姿态角控制在生物医学和基础研究中具有广泛的应用，如细胞注射技术，细胞内组织的活检，细胞器提取与修复等。在胚胎细胞极体提取实验中，就需要定位胚胎细胞的姿态角，这样显微镜才能捕捉到待提取的细胞极体位点，同时也可以避免对细胞内其他不相关部位的损伤。综合看来，细胞姿态角控制是细胞操作过程中的一项关键技术。

[0003] 现有技术中通常通过电磁场方法，介电电泳方法，流体法，微机电方法，光镊等方法实现细胞的姿态角控制，但是目前的这些技术方法普遍采用开环手动方法实现，存在操作精度低，实验可重复性差的缺陷和不足；另外，由于在开环环境中进行操作，容易对生物样品造成污染，会导致实验数据可靠性变得非常低；有一些报道是利用光镊进行像平面内单自由度细胞姿态角控制。随着对操作精度和复杂度要求的提高，很有必要开发一套控制系统实现多自由度细胞姿态角自动化操作。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种多自由度细胞姿态角的调控方法，实现了自动化控制，提高了操作精度和实验数据的可靠性。

[0005] 为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种多自由度细胞姿态角的调控方法，包括以下步骤：

[0007] (1)通过CCD相机采集细胞图像，通过图像处理算法识别出目标细胞的姿态角；

[0008] (2)产生对偶光镊，对偶光镊作用到目标细胞上，使得目标细胞旋转；

[0009] (3)通过细胞像平面外旋转算法获得下一帧图像间隔时对偶光镊相对于目标细胞的位置；

[0010] (4)重新分配光镊位置，使得目标细胞旋转到新的姿态角；

[0011] (5)判断目标细胞是否旋转到期望位置，若是，则结束；若否，则继续进行步骤(3)。

[0012] 以上所述步骤中，所述目标细胞的旋转精度小于2度。

[0013] 步骤(1)通过特征提取实时获取目标细胞在像平面外的姿态角；所述目标细胞的旋转角度计算公式为

[0014]

[0015]

[0016] 其中，θ为旋转角度，R表示细胞半径，(x，y，z)表示特征点坐标，P1代表第i-1帧图像特征点位置坐标，P2代表第i帧图像特征点位置坐标。

[0017] 步骤(2)中，所述对偶光镊关于目标细胞的中心在显微镜像平面外对称设置，通过改变两束光镊相对于目标细胞的位置来调整细胞姿态角。

[0018] 步骤(3)中通过鲁棒自适应控制策略，控制参数不依赖于细胞旋转动力学模型参数，提高控制系统鲁棒性。

[0019] 本发明的有益效果：本发明提供了一种多自由度细胞姿态角的调控方法，建立一套微米级机器人辅助光镊控制系统，细胞像平面外旋转操控可以实现自动化控制，解决了单细胞手术过程中多自由度细胞姿态角的控制的问题，提高了操作精度和复杂度，加快了单细胞层面细胞姿态角操控的速率，保证实验数据和实验结果的可靠性，保证了实验数据和实验结果的可靠性。

附图说明

[0020] 图1为多自由度细胞姿态角的调控方法的流程图。

[0021] 图2为通过提取特征点二维位置坐标重构细胞姿态角模型，其中，a为显微镜获得的特征点二维位置坐标，b为推导细胞的三维位置信息。

[0022] 图3为利用对偶光镊进行像平面外细胞旋转控制示意图。

[0023] 图4为单光镊施加给细胞的捕获力和力矩以及相应的坐标系统。

[0024] 图5为利用对偶光镊进行显微镜像平面外细胞旋转控制过程；其中，a为t＝0s时细胞的姿态角θ＝0，b为t＝0.25s时细胞旋转θ＝10°后的位姿，c为t＝2s时细胞旋转θ＝25°后的位姿，d为t＝5s时细胞旋转θ＝30°后的位姿。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

[0026] 如图1所示一种多自由度细胞姿态角的调控方法，包括以下步骤

[0027] (1)通过CCD相机采集细胞图像，通过图像处理算法识别出目标细胞的姿态角；

[0028] (2)产生对偶光镊，对偶光镊作用到目标细胞上，使得目标细胞旋转；

[0029] (3)通过细胞像平面外旋转算法获得下一帧图像间隔时对偶光镊相对于目标细胞的位置；

[0030] (4)重新分配光镊位置，使得目标细胞旋转到新的姿态角；

[0031] (5)判断目标细胞是否旋转到期望位置，若是，则结束；若否，则接着进行步骤(3)。

[0032] 以上所述步骤中，步骤(1)中像平面外细胞姿态角提取，为了设计基于视觉反馈的控制策略，自主实现细胞姿态角控制，就必须要实时获取到细胞的姿态角信息。拟采用如图2所示的细胞像平面外姿态角提取技术。利用以下公式，可得到在采样时间T内细胞在显微镜像平面外旋转的角度。

[0033]

[0034]

[0035] 其中，θ为旋转角度，R表示细胞半径，(x，y，z)表示特征点坐标，P1代表第i-1帧图像特征点位置坐标，P2代表第i帧图像特征点位置坐标。

[0036] 通过特征提取实时获取目标细胞在像平面外的姿态角。

[0037] 步骤(2)中，通过改变两束光镊相对于目标细胞的位置来调整细胞姿态角。图3为利用对偶光镊进行像素平面外细胞旋转控制的示意图，细胞在对偶光镊的作用下，产生转动。

[0038] 所述对偶光镊关于目标细胞的中心在显微镜像平面外对称设置。

[0039] 步骤(3)和(4)中，通过鲁棒自适应控制策略不依赖于细胞旋转动力学模型参数，提供控制系统鲁棒性。

[0040] 建立光镊捕获细胞像平面外旋转动力学模型，首先以基于光镊捕获细胞广义动力学方程为基础，在如图4所示的坐标系统下，细胞在单光镊捕获作用下受到光捕获力和力矩为：

[0041] FCM＝R(t)Fb+Fd (3)

[0042] TCM＝R(t)Tb+u(t)×FCM+R(t)Tr (4)

[0043] 其中Fb和Tb是在体坐标系o-xyz下光镊施加给细胞的力和力矩；FCM和TCM是在惯性坐标系O-XYZ下光镊施加在细胞上面的力和力矩；Fd和Tr分别表示平动和转动的粘滞阻力，分别与细胞的速度和角速度ω(t)成线性关系；是体坐标系和惯性坐标系的变换矩阵。

[0044] 进一步可以得出广义的细胞动力学运动方程：

[0045]

[0046]

[0047] 其中和分别是细胞位置坐标和角速度；m是细胞的质量，是相对于惯性坐标系的转动惯量；从广义动力学模型可以看出，细胞在单光镊捕获作用下存在着平动和转动耦合情况。

[0048] 细胞旋转控制算法设计，结合细胞姿态角控制动力学方程(5)和(6)，设计基于视觉反馈的控制策略实现显微镜像平面外细胞姿态角精确控制。

[0049] 1)多自由度细胞旋转控制动力学模型。利用T矩阵数值计算方法标定出光镊施加在捕获细胞上的力和力矩与其相对于细胞的坐标关系，得到利用对偶光镊进行多自由度细胞像平面外旋转控制动力学模型。

[0050]

[0051] 其中，I是细胞的转动惯量，K是对偶光镊的旋转刚度，dr是旋转粘滞阻力系数，θ是细胞在像平面外的旋转角度(角位移)。

[0052] 2)视觉反馈控制算法设计。利用图2所示的角度提取算法，建立了细胞旋转控制算法。

[0053]

[0054] 其中θd是期望的角度，是角度误差，θr是定义的参考向量，Λ是常数。

[0055] 鲁棒自适应控制策略如下：

[0056]

[0057] 其中是实际参数δ的估计值，按照如下更新规律更新：

[0058]

[0059] 其中Kd和Γ正定常数对角阵。

[0060] 图5为利用对偶光镊进行显微镜像平面外细胞旋转的控制过程。图5a为t＝0s时，其实细胞的姿态角θ＝0。图5b为在对偶光镊的作用下，在t＝0.25s时细胞旋转θ＝10°后的位姿。图5c为在对偶光镊的作用下，在t＝2s时细胞旋转θ＝25°后的位姿。图5d为在对偶光镊的作用下，在t＝5s时，最终旋转θ＝30°后细胞的位姿。

[0061] 所述方法中所述目标细胞的旋转精度小于2度。

[0062] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

标题	发布/更新时间	阅读量
代码读取器的视觉反馈-专利编号CN105740746A	2020-05-13	774
视觉反馈手功能训练仪-专利编号CN110464599A	2020-05-13	275
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视觉反馈显示-专利编号CN101681218B	2020-05-11	323
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触摸屏选择视觉反馈-专利编号CN102937843A	2020-05-14	561
视觉反馈激光扫描系统-专利编号CN108957737A	2020-05-12	326
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