本发明涉及一种可自动向显微镜放置、取回切片的装置。 技术背景
以往使用显微镜需要由人安装和调整安装切片，通过人眼观察、辨认。随着 计算机技术与数码影像技术的发展，人眼观察、辨认的工作可以由数码摄像系统
采集高分辨率的图像，由计算机对获得的图像进行分析处理、识别，显微镜安装 了自动控制装置，利用计算机控制显微镜扫描，并自动记录扫描数据。使得以前 必须通过人眼观察、辨认的工作，现在全部都可以自动完成。但是一张切片扫描 完成后，还需要人工更换下一个，机器一直需要有人职守。不适应在各种大批量 化验和实验的需要，不适应现代科学技术的要求。

本发明旨在提供一种可自动向显微镜放置、取回切片，使显微镜连续工作的 自动进片装置。
本发明的技术方案是：显微镜的自动进片装置，它具有：可放置多个切片的 切片盒；支撑切片盒并可带动切片盒上下移动的切片盒托架；从切片盒中取出切 片放置到显微镜载物台上或从显微镜载物台上取出切片放置到切片盒中的机械 手。机械手的夹臂从切片盒中取出切片放置到显微镜载物台上，由显微镜的数码 摄像系统采集高分辨率的图像，显微镜的计算机对获得的图像进行分析处理、识 别，并自动记录扫描数据。 一张切片扫描完成后，机械手从显微镜载物台上取出 切片放置到切片盒中，托架带动切片盒向上或向下移动，机械手可取出下一个切 片，送到显微镜进行处理，如此往复，直到显微镜完成切片盒中所有切片的全部 图像采集、分析处理和识别、自动记录数据作业。
一种推荐的实施结构是：所述的机械手安装在可使机械手沿水平的X轴移 动的机械手传动机构上；切片盒托架和显微镜位于机械手传动机构X轴旁的同一 侧。这样机械手取、放切片的操作可在直线移动的过程中完成，而避免复杂的回 转运动。
所述的切片盒托架和显微镜根据需要也可以位于机械手传动机构X轴旁的 不同侧。
从取片到扫描，再到扫描完成后放片的整个过程：机械手传送机构带动机械 手运动到切片盒正前方，机械手旋转下顷，使机械手与切片盒垂直，机械手伸出 到切片盒，机械手夹臂闭合以夹住切片，然后机械手夹着切片缩回，机械手旋转 回水平位置，机械手传送机构移动机械手到显微镜正前方，机械手伸出到载物台， 机械手夹臂松开，切片自动掉落到载物台上，然后机械手縮回。由显微镜进行该 切片的图像采集、分析处理和识别、自动记录数据作业。扫描完成后，机械手又 伸出到载物台，机械手的夹臂闭合夹住切片并縮回，机械手传送机构将机械手运 动到切片盒正前方，机械手旋转，使机械手与切片盒垂直，机械手伸出，切片插 入切片盒插槽，机械手夹臂松开，切片放入切片盒，机械手縮回。切片盒托盘向 上或向下运动，以使机械手可抓取下一个切片并送往显微镜。如此往复，直到显 微镜完成切片盒中所有切片的全部图像采集、分析处理和识别、自动记录数据作 业。
一种推荐的机械手结构是：所述的机械手具有使夹臂沿水平的与X轴垂直 的Y轴移动的进给机构，可以使机械手伸出和縮回。精确控制伸出的距离，可能 够使机械手伸出到载物台和切片盒的适当距离，保证顺利夹取和放置切片。同时 可伸縮的结构也可以縮小体积，使得机械手传送机构带动机械手运动时，不触碰 到其他的零件,有利于整体结构的简化。
特别是：所述的切片盒托架与水平面有一定的倾斜角，放置在托架上切片盒 中的切片，可依靠自身重力，靠着切片盒插槽下侧，插入到切片盒最底部。若使 切片盒垂直与水平面，则无法保证切片一定插入到切片盒插槽底部，而且切片盒 托架上升下降时，切片也有掉出来的可能；若使托架水平，虽然可以保证切片靠 重力插入到切片盒底部，由于切片盒插槽有一定宽度，无法保证所有切片都靠在 插槽的同一侧，若因此而将插槽做窄，则增加了机械手向切片盒放片的难度。因 此综合考虑，采用了使切片盒托架与水平面有一定倾斜角的设计。
为使切片盒中的切片能够有统一的姿态，增加机械手顺利抓取、放置切片的 可靠度，切片盒插槽的开口处设计为喇叭口形状。
由于切片盒托架与水平面有一定的倾斜角，机械手从切片盒抓取切片时又需 要与切片盒垂直、与切片平行，因此机械手装有旋转机构。机械手向显微镜载物 台放置、'夹取切片时，处于水平位置；而向切片盒抓取放置切片时，机械手则需 要旋转一定的角度，保证机械手能够顺利的从切片盒中抓取放置切片。
上述机械手旋转的角度是固定的，机械手只能操作固定位置的切片'为使机
械手可以操作切片盒中的所有切片，我们将切片盒托盘设计为可沿倾斜角上下运 动的结构。当切片盒托盘降到最低位置，机械手旋转下顷，并伸出到切片盒，正 好对的是切片盒中的第一个切片，可对此切片进行操作。若需要操作切片盒中的 某个切片，只需升降切片盒将该切片运动到规定位置即可。
对于切片盒托架而言，机械手可操作的切片位置是固定的，因此切片盒托架 需要上下运动，以使待操作的切片运动到该位置，而运动的精度就显得尤为重要 了，否则可能操作了错误的切片，或者夹不到切片，或者向原本就有切片的插槽 中放切片。因此推荐的实施结构中设计了 2个光电限位开关及刻有等间距细逢的 定位挡板，用于实现托架上下运动的精确定位。
推荐的实施结构中：所述的切片盒托架至少两个切片盒，分别给两台显微镜 提供待检的切片。切片盒愈多，可连续检验的切片总数量愈大。
推荐的实施结构中：所述的机械手前端的机械手夹臂，可以打开和关闭。包 括左右夹臂、安装在左右夹臂之间的弹簧，控制弹簧拉伸的凸轮，驱动凸轮的直 流电机及光电限位开关。通过电机驱动凸轮实现机械手夹臂的打开和关闭。
推荐的实施结构中：所述的特殊设计的显微镜载物台具有切片夹闭合/张开 机构。载物台上有凹槽，可容纳伸出到载物台的机械手夹臂。载物台左侧有拨块， 载物台运动到适当的位置，切片夹就可以被拨块拨开，此时就可以向载物台送片、 取片。机械手放置切片到载物台时，在距离载物台约lmm的高度松幵机械手夹臂， 切片自由掉落到载物台上，较难保证所有的切片都有固定的姿态。因此在载物台 切片夹的右侧设计了一个滚轮，当切片夹闭合时，受片夹闭合力量的驱动，切片 会自动沿着滚轮向里运动，保证切片被片夹夹好。
由于系统设计的目的是要实现24小时无人职守工作，因此显微镜必须能够 自动调焦，而为了提高效率，调焦的时间要尽可能短，因此推荐的实施结构中， 设计了焦面探测系统，利用高精度开关实现显微镜焦面的快速搜索。
特别推荐的实施结构中：所述的托架和至少两台显微镜位于机械手传动机构 X轴旁的同一侧。由一个机械手向至少两台显微镜放置和取出切片，机械手的工 作效率更高，由于2台显微镜公用一套进片系统，成本也更低。
推荐的实施结构中：具有协调控制所述的各部分完成切片安放和取回任务的 计算机。由计算机协调控制各部分的操作，不仅经济易行，而且该计算机还可以 兼顾显微镜的操作控制功能，实现多切片的全部连续显微检验自动化。
进而：为了方便计算机处理数据，每个切片都贴上了条码，进片系统扫描条码，并将条码数据发给计算机，计算机则可以按照条码分别保存扫描数据，方便 日后管理及人工复审。
本发明显微镜的自动进片装置，自动向显微镜放置、取回切片，可以实现大 量切片、2台或更多显微镜24小时无人职守连续工作，完全将人从枯燥的显微检 验中解放出来，大大加快显微检验的速度，特别是整个自动化显微检验过程是在 统一规划的实验条件下完成的，可避免人工操作的偏差。记录数据非常有利于后 期的科学分析研究。

图1为本发明显微镜的自动进片装置一个实施例的系统结构示意图。
图2-1为图1实施例的切片盒托架结构示意图。 图2-2为图1实施例的切片盒托架正面结构示意图。 图2-3为图1实施例的切片盒结构示意图。 图2-4为图1实施例的切片盒局剖结构示意图 图2-5为图1实施例的切片盒放置切片状态结构示意图。 图2-6为普通结构的切片盒放置切片一种状态结构示意图。 图2-7为普通结构的切片盒放置切片又一种状态结构示意图。 图3为图1实施例的机械手传送机构结构示意图。
图4-1为图1实施例的机械手结构示意图。
图4-2为图1实施例的机械手夹臂伸出状态示意图。
图4-3为图1实施例的机械手夹臂张开状态结构示意图。
图4-4为图1实施例的机械手夹臂闭合状态结构示意图。
图4-5为图1实施例的机械手夹臂45度旋转状态结构示意图。
图5为图1实施例的减震结构示意图。
图6-1为图1实施例的载物台结构示意图。
图6-2为图1实施例的载物台切片夹打开状态结构示意图。
图6-3为图1实施例的机械手向载物台送片状态结构示意图。
图7为图1实施例的探测显微镜焦面的高精度开关结构示意图。
图8为图1实施例的进片机构控制原理方框图。
图9为图1实施例的条码扫描仪系统原理方框图。 图10为图1实施例的显微镜系统控制原理方框图。 具体实施方式
实施例，如图1所示，显微镜的自动进片装置，包括：机械手传送机构2， 自动显微镜3、条码阅读器4、高精度开关5，机械手6，切片盒托架7、载物台8 和机体1 。所述的机械手6安装在可使机械手6沿水平的X轴移动的机械手传动 机构2上；切片盒托架7和显微镜3位于机械手传动机构2的X轴旁的同一侧。 这样机械手6取、放切片的操作可在直线移动的过程中完成，而避免复杂的回转 运动。在显微镜3的一侧装有条码阅读器4,在显微镜3的下方装有载物台8及 一探测显微镜焦面的高精度开关5。
切片盒托架7:如附图2-1、 2-2、 2-2、 2-3、 2-4、 2-5所示，切片盒托架 7包括固定机体72和可移动托盘71，在机体72上平行装有丝杠77和直线导轨 78;托盘71的背部装有相应的丝母和滑块；步进电机73驱动丝杠77传动，可带 动托盘71上下移动；切片盒托架7设计为45度倾斜，这样切片能够依靠重力自 动贴靠在切片盒92的底部，姿态统一。
托盘71侧边装有2个光电限位开关76和75，光电限位开关75用于切片盒9 最低位置检测；光电限位开关76用于单个切片位置的定位。在切片盒托盘71的 右侧，安装了定位板74，定位板74上每隔2mm(间隔与切片盒2个切片的距离相 等）开一个宽lmm的细长孔，光电开关发射管和接收管安装在定位板74两侧，当 步进电机73带动托盘71运动时，每当经过细长孔，光电开关发射管的光线才能 直接照射到接收管，接收管才能导通，由此来进行精确定位，保证机械手6能够 准确夹到切片。
如图2-2、 2-3、 2-4和2-5所示，本实施例中托盘71可同时放置3个切片盒 9。每个切片盒9分为50格，可容纳50张切片92，逢10的切片位置都有一个原 点，方便用户计数，快速找到想要找的切片。切片盒9中切片92的插槽91是特 殊设计的形状，插槽91上部为喇叭状的开口，使得机械手6放回切片92到切片 盒9时，即使有较大的偏差范围也能正常放入，整个插槽91上宽下窄，下面的宽 度基本与切片相当，这样可以保证切片92放置在切片盒71时都保持同样的姿态， 使得本发明切片盒托架7上的切片盒9中多个切片92具有统一的倾斜角，机械手
4抓取到的切片92也能保证姿态相同，放置到载物台8时能够更精确。同时，插
槽91底部宽度比切片92厚度略大，切片92放入后上下都贴住盒体，上部喇叭口 起到导向作用，当机械手6放置切片92回切片盒时，切片92可以顺着斜面滑入盒底。
相比较普通长方形插槽，切片放在里面有两种姿态， 一种如图2-6,切片92 底部靠盒低上沿，另一种如图2-7，切片92靠盒底下沿，当机械手6抓取切片92 时，切片92姿态不统一，影响向载物台8放片的精度。插槽91上下等宽，机械 手6放回切92片到控制盒时定位要求高，稍有偏差就会导致切片无法放入。当然 也可以扩大插槽宽度，但也会导致切片放在插槽中的姿态差异更大，陷入两难的 境地。
机械手传送机构2:如附图3、图5所示，机械手传送机构2,包括步进电 机24、皮带轮21、皮带22,直线滚珠花键26、光电限位开关25和连接座27。 步进电机24设置在机械手传送机构2的一端，带动皮带轮21转动，连接座27 设置在皮带22上，直线滚珠花键26穿过连接座27,在整个行程上安装了5个光 电限位开关25,分别安装在"一号显微镜（左限位）"、"切片盒一"、"切片盒二"、 "切片盒三"、"二号显微镜（右限位)"这五个位置。（参见图l及图2-2)。机械 手6安装在连接座27上，工作时，安装在连接座27的机械手6，通过皮带传动， 由直线滚珠花键26导向，实现平稳的X轴方向的移动。
机械手6:如附图4"1、 4-2、 4-3、 4~4、 4-5所示，机械手6设有机械手夹臂 61、伸收机构62和旋转机构63;
伸收机构62:包括步进电机621、齿轮622、齿条623、直线导轨624和光 电开关625。齿条623安装夹臂61上。在工作时，由步进电机621驱动，带动齿 轮622齿条623传动，直线导轨624导向，夹臂61实现Y轴方向的伸出和收回， 在直线导轨624上装有1个光电限位开关625，当Y轴縮回到极限位置时，遮挡 光电开关发射管的光线，光电限位开关625断开，以此位置作为Y轴原点，通过 控制Y轴运动的步长，就可以调整夹臂61伸出到显微镜3或切片盒9的距离， 达到满意的效果。通过夹臂61伸出缩回（Y轴），伸出到显微镜3和切片盒9， 完成送片和取片功能。
夹臂61及夹紧和释放切片机构：如图4-3、 4-4所示，夹臂61包括左夹臂 615和右夹臂616,左夹臂615和右夹臂616之间连接一弹簧612,夹臂61靠弹 簧612拉紧（闭合状态见图44);在夹臂61前端安装一个小型直流电机611,用 于驱动夹臂61张开闭合，直流电机611连接有一凸轮613,直流电机611带动凸
轮613转动，使弹簧612拉开，左夹臂615和右夹臂616向外移动，夹臂61打开； 在夹臂61后端安装1个光电限位开关614,当夹臂61张开到最大位置时，光电 开关发射管的光线被挡住，接收管断开，控制系统检测到机械手夹臂61已经张开 到最大，控制电机611停转。弹簧612、直流电机611、凸轮613和光电限位开关 614组成夹臂的夹紧和释放切片机构。同时还在机械手夹臂61两侧貼了柔软、耐 磨、表面粗糙的材料，确保机械手夹臂61能够抓稳切片。
旋转机构63,如图4~1和4-5所示，由于切片盒9倾斜45度，夹臂61仅水 平方向（Y轴）伸出，无法在切片盒9夹取切片，因此机械手6上还装有旋转机 构63。旋转机构63包括步进电机631、蜗轮632、蜗杆633和光电限位开关634。 蜗轮632与直线导轨架连接。步进电机631驱动，蜗轮632蜗杆633传动，夹臂 61在直线导轨架带动下旋转（W轴旋转)。在水平位置处装有光电限位开关634, 到达限位位置为原点位置,可通过设置步进电机631转动的步数来控制W轴旋转 的角度，使其正好能够与切片盒9成900,保证能够垂直从切片盒中夹9取和放 置切片。
自动进片装置的减展结构：如附图5所示，由于本实施例中有2台显微镜3， 一台显微镜3在送片时，另外一台显微镜3可能正在扫描切片，如果机械手6在 运动时产生较大髏动，图像就会产生抖动，影响扫描结果。为了消除展动，在机 体1的机械手传送机构安装座13与显微镜安装座11之间安装有若干个隔振器12, 同时调整各电机运动速度，避免共振区，取得了良好的避襄效果。
载物台：如附图6"1、 6-2、 &3所示，由于整套系统为全自动化控制，因此要 求切片夹可以自动打开和闭合。载物台8上装有片夹活动爪83、切片夹拨块82、 切片夹固定爪84、滚轮85。
需要打开片夹时，载物台8先运动至图6^1所示位置，之后载物台8相对于切 片夹拨块82向前运动，片夹活动爪83被切片夹拨块82顶开（见图&2),等待 机械手放置切片。机械手放置好切片后，载物台8后退，片夹就能够闭合。为了 保证切片能够放置到规定位置，本发明在片夹右侧设计了一个小的滚轮85 (图 6^2)， 一旦切片放置有偏差，当片夹拨回的时候，受片夹闭合的力量，切片会沿 着滚轮85方向运动，保证切片放置到位。
载物台上设计了2个凹槽86,用于容纳机械手夹臂61,机械手6从载物台8 夹取切片时，载物台Z轴上升，使机械手夹臂61的左夹臂615和右夹臂616沉 入凹槽86，当切片92位于夹臂61中间时停止，以使切片可以稳稳的夹在夹臂61
中间。若无此凹槽86，切片就只能夹在夹臂61的最下面，极容易脱落。当机械 手6从载物台8夹回切片92，向切片盒9放置切片时，切片前端与切片盒9插槽 口一定存在偏差，此时就可通过改变显微镜Z轴上升的高度，调整夹臂61沉入 凹槽96的深浅，而调整切片夹在夹臂62中的位置，以此消除切片前端与切片盒 插槽的偏差。
条形码阅读器4:为方便计算机记录切片数据，显微镜3上安装了条码阅读 器4，每张切片都贴有条码，计算机可以根据条码数据分类保存扫描结果。
高精度开关5:如图7所示，本发明设计目标是为了实现全自动工作，因此 显微镜系统一定要能够自动调焦，然而由于切片的厚度的差异，切片焦面位置差 别较大，要想兼容所有厚度的切片，只有把调焦搜索范围设置的足够宽，才能保 证每张切片都可以自动调焦。然而调焦速度与调焦搜索范围成反比，调焦范围越 宽，则调焦时间越长，增加了切片扫描时间，影响整套系统吞吐量。为了提高调 焦速度，特别设计了利用高精度开关（精度《lum)快速调焦，只需校准一次， 就可以实现快速准确调焦。校准时，放置一个切片92到载物台8，先控制载物台 8上升，上升过程中盖玻片会触碰到高精度开关5，开关接通瞬间电机急停。记录 此位置的Z轴坐标，然后控制电机运转，人眼判别，找到最清晰的图像，记录此 处Z轴坐标，并与前一次Z轴坐标相减，得出一个偏移量。之后针对其他切片， 只要经过高精度开关探测，然后处增上面计算出来的偏移量，就可快速找到焦面。 之所以选择高精度开关，就是为了保证无论哪探测那张切片，开关都在唯一的位 置接通，这样校准时计算出来的偏移量才有意义。高精度开关仍然有一定的偏差， 但经过探测后，调焦搜索范围可以大幅削减，调焦速度和成功率明显提高。
如俯图8所示：本发明进片机构控制（包括：机械手传送机构、切片盒托架、 机械手旋转机构、机械手夹臂开合机构）
X轴：带动整个机械手在一号显微镜、切片盒一、切片盒二、切片盒三、二 号显微镜间移动。
Y轴：控制机械手夹臂伸出、縮回。
Z轴：控制切片盒托架上升下降。
W轴：控制机械手旋转45度和摆回水平位置。
机械手开合电机：控制机械手切片夹臂张开、闭合。
进片机构采用单片机控制，通过运动控制芯片控制电机，实现电机加减速、
位置控制、速度控制等，控制信号送入电机驱动，经驱动后形成电机所需电信号，
驱动电机转动。单片机通过串行通讯连接到计算机，由计算机控制软件控制进片 系统工作。
系统上电后，各轴先执行复位操作，X轴复位到二号显微镜的位置（右侧)， Y轴复位到机械手夹臂缩到最里面的位置，W轴复位到水平位置，Z轴复位到切 片盒托架最低位置，机械手切片夹臂复位到张开位置。上述复位动作，都是通过 单片机检测该轴光电限位开关，限位开关挡住，则到达复位位置。
为了降低系统装配要求，使系统更容易装调，每个限位位置到正确工作位置 都有留有一定的间隙，通过步进电机来补偿，补偿数值存储在硬件E2PEOM中， 可由随时修改。以X轴为例，X轴复位位置在二号显微镜的位置，但在装配上较 难保证光电限位开关被挡住的位置正好是机械手向二号显微镜送片的位置。机械 手夹臂要从载物台上的两个凹槽伸入，稍有偏差，会错过凹槽碰到载物台上，因 此若单纯靠限位开关的安装位置来调整难度很大，为此我们把限位开关装的更靠
右一些，限位开关安装位置与正确工作位置间留有一定间隙，X轴运动到最右侧， 到达限位开关，然后返回向左运动，回到正确工作位置，返回所需的步进电机步 数可由用户设置（存储在E2PROM中），用户可反复修改该数值测试，直到取得 满意的效果。其他各定位位置也都采取类似的做法，既能够降低装配要求，还能 取得满意的定位精度，保证系统可靠工作。
常用的条码扫描阅读器都采用RS232串口与计算机通讯，对于本系统来说， 进片系统占用一个串口、 一套自动显微镜系统也要占用一个串口，每台显微镜配 一个条码阅读器就需要再增加两个串口，而普通计算机仅有2个串口。为此，我 们设计了一个电路（如附图9所示，），增加2个从89C2051单片机来扩展主单片 机串口。 2051与主单片机间用普通I/O线模拟I2C总线，实现主、从单片机间的 通讯，主单片机要扫描条码时，通过I2C发送命令到2052051收到I2C的数据， 再通过串口把命令发送到条码扫描仪；2051获得的条码数据，也是通过I2C发送 给主单片机。（扫描仪接口在进片机电路中，扫描仪安装在显微镜右侧，由于I2C 本身的特点，还可以扩展较多数量的扫描仪。）
如附图10所示，显微镜系统控制，包括：
X轴：显微镜载物台X方向运动。
Y轴：显微镜载物台Y方向运动。
Z轴：调焦。
自动显微镜系统采用单片机控制，通过运动控制芯片控制电机，实现电机加
减速、位置控制、速度控制等，控制信号送入电机驱动，经驱动后形成电机所需 电信号，驱动电机转动。单片机通过串行通讯连接到计算机，由计算机控制软件 控制显微镜工作。
XY轴分别装有一个光电限位，X轴复位位置位于刻度O的位置（载物台上印 有刻度），Y轴复位位置位于刻度52的位置。Z轴限位安装在载物台上升到最高 处的位置，Z轴同时还装有一个高精度开关，高精度开关一旦接通，Z轴就立即停止。
显微镜光源调整电路采用数字电位器控制，单片机发送调光命令到调光电路 板，调光电路设置数字电位器改变阻值，光源亮度随之变化。整个光源亮度分为 200级，显示数字从0〜99，亮度变化2级，数字变化一位，采用数字电位器使得 光源调整更为精确，更换更高分辨率的数字电位器还能取得更高亮度级的光源变 化。