微操作系統(tǒng)作為MEMS研究領(lǐng)域的一個重要分支受到各發(fā)達(dá)國家的高度重視，紛紛投入大量資金進(jìn)行微操作機器人系統(tǒng)的研究，現(xiàn)已研制出多種各具特色的微操作機器人實驗樣機系統(tǒng)。 自1993年起，在國家自然科學(xué)基金資助下，北京航空航天大學(xué)開始從事微操作機器人的研究，研究內(nèi)容主要集中于各單元技術(shù)。經(jīng)過幾年的技術(shù)儲備，研究重點開始由各單元技術(shù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成及應(yīng)用，如微操作系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、微動仿生機構(gòu)綜合理論、基于圖像的視覺伺服理論、精細(xì)微操作系統(tǒng)的光-機-電集成設(shè)計方法等，并把生物工程作為微操作機器人系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。 把生物工程作為微操作機器人的應(yīng)用領(lǐng)域，目的可以解釋為2點：①從應(yīng)用層面說，目標(biāo)相當(dāng)明確地界定在“面向生物工程”上，如細(xì)胞操作、基因轉(zhuǎn)移、染色體切割等，希望給下一世紀(jì)中國的“綠色革命”帶來推動作用。②從技術(shù)層面說，定位在基于顯微視覺全局閉環(huán)的計算機伺服自動協(xié)調(diào)作業(yè)上。長遠(yuǎn)觀之，其相關(guān)技術(shù)與微加工、微電子、顯微醫(yī)學(xué)等可觸類旁通。 1、微動并聯(lián)機器人 “微動并聯(lián)機器人的研制”課題研制了1臺六自由度微動機器人，以其為核心建立了一套包括三自由度粗動平臺、顯微視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及周邊輔助設(shè)備的實驗平臺，并重點圍繞微操作機器人的機構(gòu)選型、誤差分析、顯微視覺及系統(tǒng)標(biāo)定等方面做了較深入的研究。具體闡述如下： （1） 通過對國內(nèi)外微動機構(gòu)的分析與綜合，設(shè)計出了創(chuàng)意獨特、兩級解耦的串并聯(lián)微動機器人，這在微動機器人領(lǐng)域尚屬首例。 此串并聯(lián)微動機器人有六個自由度,由上（3RPS機構(gòu)）、下（3RRR機構(gòu)）兩機構(gòu)并聯(lián)串接而成，它具有上下機構(gòu)運動解耦，運動學(xué)、動力學(xué)及誤差分析簡便，控制成本低，加速度大，可完成粗調(diào)、細(xì)調(diào)2種功能等特點。其具體技術(shù)指標(biāo)如下：外形尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，工作空間為40 μm×40 μm×24 μm，運動分辨率為0.2 μm。 （2） 為了合理地分配精度，充分評估各項誤差對末端執(zhí)行器位姿的影響，我們利用矢量分析的方法建立了串并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差與位姿誤差的數(shù)學(xué)模型，分析了各項結(jié)構(gòu)誤差對末端位姿的影響程度，并得出了若干對微操作機器人設(shè)計、加工及安裝有普遍指導(dǎo)意義的結(jié)論。 （3） 對壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動特性、柔性鉸鏈的機械性能、微動機器人末端位姿的選擇、微動機器人的控制方式及圖像處理等問題，做了較深入的研究，積累了許多有參考價值的經(jīng)驗。 （4） 提出了對實驗環(huán)境的若干改進(jìn)措施。 2、面向生物工程的微操作機器人系統(tǒng) 大多數(shù)工業(yè)機器人是按照給定的程序做簡單重復(fù)的動作（如焊接、裝配、搬運等），不需要太強的智能。而對于微操作機器人來說，情況就有很大不同。因為被操作對象十分微小，操作人員不可能十分清楚它們的精確位置，況且外界環(huán)境的變化使得它們的相對位置不定，微觀世界里的物理法則及力學(xué)特性與宏觀世界也大相徑庭，這就要求機器人有很強的自動識別能力和決策能力。同時，溫度變化、機械振動、噪聲波動、機械蠕變等不穩(wěn)定因素擾動，以及非線性微動特性、傳遞累積誤差的影響，也使得微操作機器人必須具有很強的自我調(diào)整能力（即自我實時標(biāo)定及補償能力）。因此微操作機器人必須與其它儀器設(shè)備組合成一套光機電高度集成的系統(tǒng)，方能進(jìn)行顯微操作。 北京航空航天大學(xué)機器人研究所正在研制的用于細(xì)胞操作的微操作機器人系統(tǒng)包括倒置生物顯微鏡、粗動平臺、左操作手、右操作手、攝像頭、圖像處理單元、控制系統(tǒng)、人機交互接口等。 本系統(tǒng)采用全局閉環(huán)控制方法，即將顯微視覺作為反饋控制源參與伺服控制形成視覺伺服反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的具體運作方式解釋如下：活體細(xì)胞或染色體懸浮在培養(yǎng)液內(nèi)，左右微操作機器人對稱地安裝在顯微鏡機架上，毛細(xì)玻璃管與毛細(xì)玻璃針等操作工具作為機器人的末端執(zhí)行器（毛細(xì)玻璃管用于捕捉與固定細(xì)胞，毛細(xì)玻璃針用于細(xì)胞的切割、注射等）。首先，在顯微視覺伺服的控制下，玻璃管、玻璃針及被操作對象將自動地調(diào)整到顯微鏡的焦平面內(nèi)。左機器人完成活體細(xì)胞的捕捉與固定，右機器人完成切割、注射等精細(xì)操作。整個操作過程都在顯微視覺的監(jiān)視下完成，即圖像處理單元實時地處理分析采集的圖像信息（如細(xì)胞、玻璃管、玻璃針之間的相對位姿，細(xì)胞核在細(xì)胞內(nèi)的位置等），并變成控制信號輸送給控制器，機器人在控制器的命令下實時地對細(xì)胞進(jìn)行追蹤、捕捉、注射、轉(zhuǎn)移等，直至完成整個操作過程。在進(jìn)行顯微注射時，外源基因或染色體或蛋白質(zhì)的注射量的多少也是在顯微視覺及注射裝置的共同監(jiān)控下完成的。整個操作過程通過顯微鏡、攝像頭、監(jiān)視器實時再現(xiàn)出來，供科研人員進(jìn)行分析研究。在出現(xiàn)意外的情況下，操作者可根據(jù)圖像信息，通過人機交互接口對系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作。被操作對象的選取是由操作者通過人機交互接口完成的。 在研制本系統(tǒng)過程中，已取得以下階段性成果： （1） 利用螺旋理論，對微動并聯(lián)機構(gòu)的型綜合問題進(jìn)行了較深入的研究，并給出了幾種并聯(lián)機構(gòu)型綜合的新方法。 （2） 選用Delta三自由度并聯(lián)機構(gòu)作為微操作機器人機構(gòu)，并結(jié)合微操作的特點，對其進(jìn)行了運動學(xué)分析、工作空間優(yōu)化、誤差分析及動態(tài)特性分析。作為微操作系統(tǒng)的核心部分，微操作機器人機構(gòu)應(yīng)具有外形小、工作可達(dá)域相對較大、驅(qū)動精細(xì)、有很高的定位精度與精度穩(wěn)定性、良好的動態(tài)特性等特點。Delta微動并聯(lián)機構(gòu)基本迎合了這些要求。它的外形尺寸為100 mm×100 mm×100 m，工作空間約為500 μm×500 μm×400 μm，運動分辨率約為80 nm。 （3） 在多年探索研究及廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了一些對構(gòu)筑微操作機器人系統(tǒng)有指導(dǎo)意義的設(shè)計原則。它不單適用于面向生物工程的微操作機器人系統(tǒng)，對構(gòu)筑其它應(yīng)用領(lǐng)域的微操作機器人系統(tǒng)也有一定的參考價值。 （4） 將顯微視覺作為反饋控制源參與伺服控制形成視覺伺服反饋控制系統(tǒng)，使顯微操作自動化程度及操作精度大大提高。操作者只需用鼠標(biāo)輕輕一點被操作對象（細(xì)胞、染色體等），系統(tǒng)將自動完成顯微操作,如基因注射、細(xì)胞切割等。 （5） 機械加工、裝配精度低于系統(tǒng)綜合精度的特點導(dǎo)致了系統(tǒng)標(biāo)定的困難性，而各子系統(tǒng)向參考坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的誤差，以及由溫度、振動、蠕變等因素造成的誤差的隨機性更加劇了離線標(biāo)定的復(fù)雜性。本課題針對視覺伺服控制的微操作機器人系統(tǒng)的特性，提出新穎的欠參數(shù)標(biāo)定法。 （6） 本項目擬采用多套智能控制算法，如基于視覺校正的模糊自適應(yīng)控制方法、基于視覺的模糊預(yù)測控制方法，實現(xiàn)基于顯微視覺全局閉環(huán)的計算機伺服自動協(xié)調(diào)作業(yè)。這些方法在初始模型不精確的情況下，也能保證快速、準(zhǔn)確地定位。 3、值得注意的若干問題 微操作機器人系統(tǒng)的構(gòu)筑比工業(yè)機器人的設(shè)計更為復(fù)雜，涉及的研究領(lǐng)域也更為廣泛。在構(gòu)筑“面向生物工程的微操作機器人系統(tǒng)”過程中，以下問題應(yīng)引起特別注意。這些問題可以作為構(gòu)筑微操作機器人系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則。 （1） 莫奢望能構(gòu)筑一套“萬能機器”。由于細(xì)胞或染色體是活性的，它的形狀顏色各有不同，研制出的微操作機器人系統(tǒng)不可能完成所有的顯微操作。部分操作可能更適合于采用電學(xué)、化學(xué)、甚至手工方法完成。 （2） 微操作機器人系統(tǒng)的各單元應(yīng)剛性連接。為了減少積累誤差、增強系統(tǒng)抗振能力、減少標(biāo)定測量次數(shù)，系統(tǒng)各單元應(yīng)以顯微鏡視野為分布中心剛性地連接一起。 （3） 左右微操作手的工作空間應(yīng)比顯微鏡的視野大，并且包圍它。顯微鏡的視野是一定的，為了充分利用有限的空間，避免機器人在工作空間邊界附近可操作性及靈活性差的情況出現(xiàn)，左右微操作手的工作空間應(yīng)該比顯微鏡的視野范圍大。系統(tǒng)安裝調(diào)試時，機器人及相關(guān)周邊設(shè)備應(yīng)以視野中心分布，保證操作工具的端部與視野中心重合，并在視野內(nèi)運動操作。這種安裝組合方式我們稱之為“運動集中型”微操作機器人系統(tǒng)。 （4） 微操作機器人的理論工作空間應(yīng)比其實際工作空間大。數(shù)學(xué)模型的精確性、驅(qū)動器的性能、機構(gòu)材料的彈性變形等因素的存在，使得微操作機器人的實際可達(dá)域要比理論可達(dá)域小。在構(gòu)筑機器人系統(tǒng)時，要特別注意這一點。 （5） 微動機構(gòu)的運動鏈應(yīng)盡量短。為了增強抗振能力、減小裝配誤差、提高結(jié)構(gòu)剛度，系統(tǒng)應(yīng)盡量減少運動環(huán)節(jié)。這也是并聯(lián)機構(gòu)在微操作領(lǐng)域倍受青睞的原因之一。 （6） 自由度過多得不償失。理論上講，機器人自由度越多，其操作靈活性越好。但過多的自由度也意味著控制難度的增加及成本的提高。3個移動自由度足可以應(yīng)付所有顯微操作，況且在微觀世界里也不易實現(xiàn)大范圍轉(zhuǎn)角。 （7） 對用于細(xì)胞操作的微操作機器人來說，其運動速度和加速度尤其重要。對于細(xì)胞的注射、切割等顯微操作來說，當(dāng)微注射針或微切割刀切入活體細(xì)胞時，需要一定的力方能使細(xì)胞膜破裂。如果施加力的速度比較慢，可能導(dǎo)致細(xì)胞膜沿工具方向凹陷，直至刺破細(xì)胞膜。速度愈慢，凹陷愈深，對活體細(xì)胞的損害程度愈大。另外，由于培養(yǎng)液體的粘性及流動性，操作工具的運動使細(xì)胞沿同樣的方向漂移，要使操作工具盡快捕捉到細(xì)胞，它的運動加速度愈大愈好。 （8） 在選擇微動機構(gòu)時，應(yīng)盡量避免球鉸出現(xiàn)。主要原因是鉸鏈的加工難度太大，成本太高。 （9） 設(shè)置限位裝置是必要的。多數(shù)微操作機構(gòu)是靠材料彈性變形來實現(xiàn)微動的。如果材料的變形超出了彈性極限，便會斷裂，因此有必要設(shè)置限位機構(gòu)加以保護(hù)。 （10） 應(yīng)慎重選擇顯微視覺系統(tǒng)硬件部分。倒置生物顯微鏡是整個系統(tǒng)中最大最重的設(shè)備。它的視野、放大倍率、機械接口、光學(xué)性能、抗振能力等都關(guān)系著系統(tǒng)的成敗。圖像處理周期慢與實時運動控制采樣周期快的矛盾一直很突出。盡管研究高速圖像匹配算法及控制方案是一解決途徑，但選擇高品質(zhì)的圖像處理硬件（攝像頭、圖像處理板等）也是必要的。 （11） 系統(tǒng)應(yīng)采用使用簡單的人機交互接口。數(shù)據(jù)手套、遙控手柄、虛擬現(xiàn)實等高級復(fù)雜的人機交互接口裝置越來越多地應(yīng)用于機器人系統(tǒng)。但運動鏈過長引起的積累誤差對微操作機器人系統(tǒng)來說是個致命的問題。因此微操作機器人系統(tǒng)人機交互接口的選擇不可過分追求復(fù)雜、時髦，應(yīng)以簡單、經(jīng)濟、實用為主要目的。如鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏等即可。 （12） 應(yīng)從整個系統(tǒng)入手提高系統(tǒng)精度，莫將精力過分集中于機構(gòu)及驅(qū)動器上。相對于工業(yè)機器人來說，微操作機器人系統(tǒng)的誤差來源更為復(fù)雜，更不穩(wěn)定。為了提高系統(tǒng)精度應(yīng)考慮環(huán)境因素（振動、噪聲、溫度等）、參數(shù)因素（桿長、關(guān)節(jié)零位角、柔性鉸鏈的形狀尺寸等）、測量因素（傳感器的分辨率、非線性及標(biāo)定設(shè)備的精度等）、控制和計算因素（計算機的舍入誤差、跟蹤控制誤差、數(shù)學(xué)模型的精確程度、控制方案的選取等）、應(yīng)用因素（安裝誤差、坐標(biāo)系的標(biāo)定誤差等）等。 （13） 必需簡化操作流程。活體細(xì)胞或染色體是無規(guī)律地漂浮在培養(yǎng)液里，為了使系統(tǒng)自動完成細(xì)胞操作，使機器人有規(guī)律、按步驟地動作，就必須簡化操作流程（與工廠里的自動生產(chǎn)線類似）。有效的解決方法是設(shè)計專用的培養(yǎng)器皿或細(xì)胞矯正器（Bio-aligner，類似于生產(chǎn)線上的喂料器），使活體細(xì)胞整齊排列并逐個移送到指定位置。 （14） 微操作機器人系統(tǒng)對環(huán)境要求比較苛刻。有些顆粒或灰塵的體積可能比卵細(xì)胞還要大，另外活體細(xì)胞的培養(yǎng)對環(huán)境的溫度濕度也有要求，因此周圍環(huán)境的質(zhì)量是不可忽視的。這一點已引起科研工作者的廣泛注意。 系統(tǒng)的抗振性能也是值得注意的問題之一。系統(tǒng)不但要求機構(gòu)緊湊、固有頻率高，還要將整個系統(tǒng)安裝在防振平臺上。 4、微操作機器人系統(tǒng)的研究熱點與難點 在微操作系統(tǒng)研究領(lǐng)域，由于其本身精度的要求及微空間內(nèi)獨有的物理法則，微操作機器人系統(tǒng)的研究至今仍存在許多理論和技術(shù)難題，主要表現(xiàn)如下： （1） 系統(tǒng)標(biāo)定事實上單獨靜態(tài)地對微操作系統(tǒng)進(jìn)行精確標(biāo)定是行不通的，只有將幾何標(biāo)定與具有自學(xué)習(xí)功能的智能控制結(jié)合起來才能解決標(biāo)定問題。 （2） 顯微視覺伺服系統(tǒng)亟待完善就目前來說，多數(shù)微操作機器人只有一套顯微監(jiān)視系統(tǒng)，其操作控制方式是由操作者根據(jù)顯微監(jiān)視系統(tǒng)輸出的圖像，通過操縱手柄、指套、鍵盤等來遙控微操作機器人的運動。這套監(jiān)視系統(tǒng)通過操作者的眼睛、大腦和手形成一個大的控制閉環(huán)，操作者的精神狀態(tài)、熟練程度影響著整個系統(tǒng)的控制精度和效率，不利于提高整個系統(tǒng)的自動化程度。將顯微視覺作為反饋控制源參與微操作機器人的伺服控制，是最佳解決途徑之一。 圖像數(shù)據(jù)的采集和處理延時一直是實現(xiàn)視覺伺服控制的主要障礙。對于微操作機器人來說，這種現(xiàn)象更為突出。微執(zhí)行器的細(xì)小尺寸及材質(zhì)、微操作對象的形狀逼近性、載體的透光品質(zhì)、顯微鏡的光學(xué)性能、微操作的高精度要求、外界振動及灰塵的介入等因素，使得圖像數(shù)據(jù)處理的延時更長。因此，為實現(xiàn)視覺實時閉環(huán)，提高控制品質(zhì)與速度，研究視覺控制方案，開發(fā)具有系統(tǒng)自標(biāo)定功能的顯微視覺伺服系統(tǒng)是努力的目標(biāo)。 （3） 微操作控制理論需做進(jìn)一步的探討微操作機器人系統(tǒng)是一個高度復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，傳遞累積誤差和超高精度微位姿實時檢測的困難，造成建立精確模型設(shè)計控制方案和獲得準(zhǔn)確的手端誤差信號進(jìn)行反饋控制比較困難，所以系統(tǒng)的微運動控制精度也難以保持穩(wěn)定（魯棒性差）。嘗試新的控制算法是一條可行之路。 （4） 微操作機器人可達(dá)域與運動分辨率之間的矛盾有待解決受高精度壓電驅(qū)動單元的短行程和系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)限制，微操作機器人的可達(dá)工作空間太小。雖然有些大行程的微動機器人已經(jīng)出現(xiàn)（如液壓式、蠕動式、變異式、模塊式、串并聯(lián)式等典型機器人），但積累誤差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動分辨率低、控制不便等問題也隨之出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)緊湊、大可達(dá)域、高運動分辨率、整體化結(jié)構(gòu)（Totally monolithic structure）式的微操作機器人是設(shè)計者們追求的最高“境界”。 （5） 微觀世界的物理法則十分復(fù)雜在被操作對象的微觀世界里，其運動學(xué)及力學(xué)特性不大服從于現(xiàn)有的一些物理法則，因此有些控制策略也不能機械地挪用到微操作機器人系統(tǒng)中。操作培養(yǎng)液中的細(xì)胞，不但要考慮重力作用，還要考慮浮力、流動力、布朗運動、范德華力、靜電力等。如果不仔細(xì)地研究這些微觀世界里的物理現(xiàn)象，很難構(gòu)造出完美的微操作機器人系統(tǒng)。 （6） 迫切需要研究開發(fā)新型的微位移及微力傳感器為了使微操作機器人系統(tǒng)具有較強的智能，微位移傳感器及微力傳感器是必不可少的。由于微觀世界里的種種條件約束，現(xiàn)有系統(tǒng)中各種微力、微位移、速度、加速度傳感器均未能成功地得到應(yīng)用。 5、結(jié)語 目前，微操作機器人系統(tǒng)尚屬初露端倪的階段，很難一下子弄清它所具有的全部特有性質(zhì)，有許多問題有待探索。因此在微操作機器人的發(fā)展初期，包含著很多機遇，也蘊藏著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。微操作機器人系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域很廣，本文論述的一些問題是針對面向生物工程的微操作機器人系統(tǒng)的，有些問題也具有普遍性。 參考文獻(xiàn) [1] Grace K W.A Six Degree of Freedom Micromanipulator for Ophthalmic Surgery.IEEE International Conference on Robotics and Automation,1993：630～635 [2] 國家自然科學(xué)基金委員會.國家自然科學(xué)基金資助項目研究成果年報——工程與材料科學(xué).北京：科學(xué)出版社，1996. [3] Eric Pernette.Robotica,1997，15：417～420