用于控制移動裝置的操作裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于控制移動裝置的操作裝置，尤其是涉及用于控制微定位裝置的移動裝置的操作裝置，尤其是涉及用于控制顯微操縱器的移動裝置的操作裝置，以及控制該移動裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微定位裝置用于精確移動的使用者控制執(zhí)行，其位置精度可在幾十納米到幾微米范圍。只要需要精確定位元件就要使用它們。顯微操縱器包括該微定位裝置，該微定位裝置的移動裝置可與工具連接。通過該工具的精確定位，可在微結(jié)構(gòu)上實行精確的操作。該微結(jié)構(gòu)可以是人造的，如基于芯片的微系統(tǒng)和納米系統(tǒng)，或可以是生物的，例如活細胞。本發(fā)明的操作裝置為實驗室設(shè)備，并應(yīng)用于實驗室，特別是應(yīng)用于精密加工實驗室、半導(dǎo)體實驗室和生物或醫(yī)學(xué)實驗室。
[0003]用于控制顯微操縱器的移動以通過工具操作生物細胞的已知的操作裝置由德國漢堡的艾本德股份公司以“傳遞者(TransferMan) NK2”為名稱進行銷售。該操作裝置是為工作程序開發(fā)的，在該工作程序中需要通過操作裝置實現(xiàn)毛細管的比例移動。該比例移動尤其適于卵胞漿內(nèi)單精子注射(ICSI)，將胚胎干細胞(ES細胞)轉(zhuǎn)移到囊胚和/或早期胚胎(八細胞階段)，以及適于其他需要精確控制所使用的工具的移動的工作技術(shù)。使用者通過在最大可能的輸入?yún)^(qū)域內(nèi)擺動操縱桿控制顯微操縱器的移動，其中輸入?yún)^(qū)域通常是一個錐形區(qū)域或者立體角，該錐形區(qū)域或者立體角的點或原點為操縱桿的支點。立體角通常對應(yīng)于直錐。
[0004]在比例操縱桿控制模式中，即通過比例控制的控制規(guī)則進行控制的情況，該工具直接跟隨使用者的控制移動。工具沿X軸移動或改變的位置dx與使用者令操縱桿沿X’軸移動的dX’對應(yīng)成正比。這用數(shù)學(xué)式可表達為:
[0005]dX ?dX’，或 dX = c*dX’，
[0006]其中c為常數(shù)。
[0007]對于給定的常數(shù)C，最大可能的輸入?yún)^(qū)域?qū)?yīng)于工具的最大移動范圍。如果使用者想要將工具移動超過最大移動范圍，該已知的操作裝置提供一種設(shè)施，該設(shè)施通過按下該操作裝置上的按鈕來關(guān)閉操縱桿和移動裝置之間的比例控制。當(dāng)按鈕被按下，該移動裝置的位置不會改變，特別是當(dāng)使用者移動操縱桿而該按鈕被按下時，該移動裝置的位置不改變。如果使用者現(xiàn)在想要將該工具移動超出最大的移動范圍，在到達操縱桿的最大輸入?yún)^(qū)域的終點時，通過按下按鈕，使用者將該比例控制關(guān)閉，保持該按鈕按下，在反方向移動該操縱桿，并通過釋放該按鈕恢復(fù)該比例控制，從而使用者能夠以常見的方式通過比例控制使該工具進一步以希望的方式越過上面提到的最大前述移動范圍。恢復(fù)的過程可由使用者根據(jù)需要重復(fù)多次以將該工具移動一段想要的距離。
[0008]通常，當(dāng)操縱細胞時，該工具首先必須移動相對長的距離來接近該細胞，該距離在毫米范圍內(nèi)；在實際中，這通常通過工作在不同的分辨率的光學(xué)顯微鏡來觀察。接近該細胞，特別是離該細胞有幾個細胞直徑的距離時，也就是說離細胞壁幾微米或幾十微米時，該使用者操作必須特別小心，以除了其他事情外，不會對極其寶貴的細胞造成意外傷害。在接近該細胞時精確的控制是必須的。在已知的操作裝置中，如所描述的，通過重復(fù)操作該操縱桿來首先接近該細胞。盡管如此，該反復(fù)的移動有時會不方便。此外，該控制思想似乎相對缺乏彈性。該反復(fù)的操縱桿移動也增加了對操作裝置的機械壓力。
[0009]文檔JP2003245882-A屬于不同的技術(shù)領(lǐng)域，描述了一種在汽車或半導(dǎo)體行業(yè)使用的操縱機械臂的控制桿。該文檔描述了該機械臂操作裝置具有位置控制區(qū)、速度控制區(qū)以及在位置控制區(qū)和速度控制區(qū)之間的滯后區(qū)，如果該控制桿通過比例和動態(tài)控制之間的過渡點，則該機械臂操作裝置可保持傳統(tǒng)的控制形式以防止該機械臂的操作突然改變。使用者釋放該控制桿之后，彈簧機構(gòu)令該控制桿返回控制桿的中心位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供靈活的操作裝置，特別是用于處理生物細胞的操作裝置，以及提供靈活和方便地控制移動裝置的方法。
[0011]本發(fā)明的目的通過權(quán)利要求1的操作裝置和權(quán)利要求16的方法來實現(xiàn)。特別是優(yōu)選的改進為從屬權(quán)利要求的主題。
[0012]本發(fā)明的有益效果是移動裝置的控制很靈活，因為通過在輸入?yún)^(qū)內(nèi)的可移動元件的適當(dāng)?shù)囊苿樱梢允褂弥辽賰煞N的不同的控制規(guī)則，特別是控制模式。此外，使用者不需要手動改變控制規(guī)則，使用者在兩種控制規(guī)則之間以直觀的方式來完成這個改變，當(dāng)使用者將可移動元件從第一輸入?yún)^(qū)移入第二輸入?yún)^(qū)時，該改變自動發(fā)生。
[0013]該可移動元件可以是可以由使用者操作的可移動元件，例如操縱桿桿、滑動調(diào)節(jié)器，搖軸元件，軌跡球等等。在這種情況下，可移動元件可以是輸入裝置的組成部分。盡管如此，可移動元件也可能不是輸入裝置的組成部分，例如，可移動元件是使用者的指尖。這樣，該輸入裝置可包括，例如，輸入?yún)^(qū)，該輸入?yún)^(qū)作為觸摸感應(yīng)條，表面或空間，如觸摸板或觸摸屏，使用者的指尖可在該輸入?yún)^(qū)內(nèi)移動。指派給指尖的位置值由輸入裝置進行檢測。該輸入?yún)^(qū)可以是觸敏的，或者可以通過光學(xué)測量非接觸地獲取可移動元件的位置值。特別是，本發(fā)明的操作裝置允許移動的直觀單手控制，從而使用者的一個手保持自由并可用于其他移動。
[0014]就本說明書而言，位置值為物理參數(shù)變化的一般術(shù)語，使用該位置值可以描繪可移動元件的位置和/或移動。位置涉及位置變量，如x，y，z或涉及角度，如下面所述。移動表示速度以及潛在表示相對于一個位置變量的加速度。位置值可以是標(biāo)量值或向量值。位置值可涉及一個或多個維度，以及因此包含至少一個值，優(yōu)選包含多個值。位置值包含至少一個絕對或相對位置已知數(shù)，如在笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)中的變量x，y和/或z，或在極坐標(biāo)系的半徑和角度α和/或在球面坐標(biāo)系統(tǒng)中的半徑和立體角β，X，或僅僅這些參數(shù)的變化，即相對位置，這些參數(shù)的變化稱為位置變化?？蛇x地或另外，對于該位置已知數(shù)，該位置值可以可選地或另外包括該坐標(biāo)的速度，即位置數(shù)據(jù)的位置隨時間的變化率vx，vy，vz，vR，V α，νβ，vx?？蛇x地或另外，該位置值可以可選地或另外包括該坐標(biāo)的速度，即位置數(shù)據(jù)的速度隨時間的位置變化率ax，ay，az，aR，aa，af3，ax。這些參數(shù)可采用正值或負(fù)值，從而能夠明確地描繪可移動元件的方向。特別地，該輸入裝置能夠令可移動元件在一個、兩個或三個維度移動并獲知該可移動元件在一個、兩個或三個維度的移動。此外，該輸入信號可包含時間信息。
[0015]第一控制規(guī)則和第二控制規(guī)則通常是不同的。第一控制規(guī)則優(yōu)選用于實施比例控制。優(yōu)選地，或獨立地，第二控制規(guī)則用于實施動態(tài)控制。兩個術(shù)語在說明書的上下文中說明。第一控制規(guī)則和第二控制規(guī)則均也可以涉及比例控制或都涉及動態(tài)控制，差別優(yōu)選為系數(shù)c不同，例如，第一比例系數(shù)Cl用于第一控制規(guī)則，而第二比例系數(shù)c2用于第二控制規(guī)則，其中c2與Cl不相等。
[0016]第一控制規(guī)則就本發(fā)明而言是控制裝置提供的規(guī)范，根據(jù)該第一控制規(guī)則可變輸出信號在控制裝置中根據(jù)可變輸入信號來獲得。與此無關(guān)，輸入信號總是取決于位置值，從而輸出信號也總是取決于位置值。根據(jù)可存儲在該控制設(shè)備中的表格，該規(guī)范可以由數(shù)學(xué)函數(shù)，數(shù)字和/或模擬電路和/或輸出到輸入信號的固定賦值和/或為該目的所需的值給出。通過這些控制規(guī)則，例如根據(jù)第一控制規(guī)則實施比例控制或根據(jù)第二控制規(guī)則實施動態(tài)控制是可能的。
[0017]在比例控制下，由移動裝置做出的位置的變化，特別是位移的變化，與可移動元件執(zhí)行的位置的變化成正比。在比例控制下，控制設(shè)備的輸出信號的形成是為了實現(xiàn)由移動裝置執(zhí)行的位置變化，特別是位移的變化，與可移動元件執(zhí)行的位置的變化成正比。
[0018]比例控制的優(yōu)點是可以由使用者完成移動裝置的非常精確的移動。特別地，使用特別大的縮小，即使用小系數(shù)C，可實現(xiàn)操縱器的工具位置的微調(diào)，這特別適合于細胞操作。細胞操作包括連同顯微注射和顯微解剖的顯微操作，即使用微工具抓取和轉(zhuǎn)移細胞，微工具在其他地方被簡單稱為工具，例如稱為毛細管。
[0019]位置的改變可稱為確定位置的參數(shù)，如笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)的x，y和/或z坐標(biāo)，和/或極坐標(biāo)系統(tǒng)或球坐標(biāo)系統(tǒng)的角坐標(biāo)。
[0020]操作裝置的可移動元件例如可實施位置的改變，和/或該位置的改變可適當(dāng)?shù)孬@得。該可移動元件例如能夠沿一維平移(例如，X軸)，或者能夠繞X軸旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，可移動元件能夠在兩個維度移動，例如，平行于x-y平面平移或至少繞X軸和I軸旋轉(zhuǎn)?？梢苿釉材軌蛟谌齻€維度移動，例如，在χ-y-z坐標(biāo)系統(tǒng)的空間平移和/或至少繞坐標(biāo)系統(tǒng)的X軸，y軸和/或z軸旋轉(zhuǎn)?？赡軆H使用沿X，y和/或z軸的距離，或者僅使用繞這些軸的角度。盡管如此，也可能距離和角度都使用，也就是說，例如，將距離和角度用于要移動的和旋轉(zhuǎn)的可移動元件，以及用于要測量的相應(yīng)參數(shù)。
[0021]優(yōu)選由移動裝置如顯微操縱器的工具移動的被移動元件來精確實施這種位置的變化，如X，y或z坐標(biāo)，或者繞這些軸旋轉(zhuǎn)的角度的變化，這些X，y或z坐標(biāo)或者繞這些軸旋轉(zhuǎn)的角度變化對應(yīng)于可移動元件的位置變化。例如，可移動元件沿X軸平移的位置變化相應(yīng)地導(dǎo)致移動裝置的被移動元件沿X軸或沿不同的坐標(biāo)系統(tǒng)(x’，y’，z’)的X’軸做平移運動。作為另一個示例，可移動元件繞X軸的旋轉(zhuǎn)位置的變化相應(yīng)地導(dǎo)致移動裝置的被移動元件繞X軸或繞不同坐標(biāo)系統(tǒng)(X’ ,f ,Z )的X’軸做旋轉(zhuǎn)運動。
[0022]也可能以及優(yōu)選由移動裝置如顯微操縱器的工具移動的元件，根據(jù)對應(yīng)于可移動元件的位置變化類型的位置變化，實施不同類型的位置變化。例如，可移動元件沿X軸的平移位置變化能夠使得被移動元件沿I或Z軸的平移位置變化?？梢苿釉豖軸的平移位置變化也能夠使得被移動元件繞軸(X，y或Z軸，或其他軸)的旋轉(zhuǎn)位置變化。
[0023]位置參數(shù)的選擇不是比例控制的關(guān)鍵，比例關(guān)系存在于這些位置參數(shù)之間。對比例控制，重要的是由移動裝置移動的元件的位置變化dP2與使用者操作的輸入裝置的可移動元件的位置變化dPl成正比，其可由數(shù)學(xué)式表達，例如:
[0024]dP2 ?dPl 或 dP2 = c*dPl，
[0025]其中c為常數(shù)。變量dPl，dP2可表示位移的變化或角度的變化。dPl能夠與位移變化關(guān)聯(lián)，而dP2能夠同時與角度關(guān)聯(lián)，反之亦然。
[0026]與比例控制相反，動態(tài)控制下由移動裝置保持的速度V取決于可移動元件采用的相對位置P_rel。這意味著V為P_rel的函數(shù):
[0027]V = V (P_rel)。
[0028]動態(tài)控制的優(yōu)點是:通過提高速度，雖然是以受(速度)控制的方式，然而被移動元件仍然能夠更快地覆蓋較長的距離，因此比起傳統(tǒng)方式更方便，因為在傳統(tǒng)方式中，為了覆蓋相同的距離，無論輸入方式是什么，都需要可移動元件的反復(fù)移動，需要