微機械電氣系統(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)這一前沿技術主要涵蓋以下研究專題：①集成化微型儀器與傳感器；②微加工與測試技術；③微操作系統。

微操作系統作為MEMS研究領域的一個重要分支受到各發達國家的高度重視，紛紛投入大量資金進行微操作機器人系統的研究，現已研制出多種各具特色的微操作機器人實驗樣機系統。

自1993年起，在國家自然科學基金資助下，北京航空航天大學開始從事微操作機器人的研究，研究內容主要集中于各單元技術。經過幾年的技術儲備，研究重點開始由各單元技術轉向系統集成及應用，如微操作系統的數學模型、微動仿生機構綜合理論、基于圖像的視覺伺服理論、精細微操作系統的光-機-電集成設計方法等，并把生物工程作為微操作機器人系統的主要應用領域。

把生物工程作為微操作機器人的應用領域，目的可以解釋為2點：①從應用層面說，目標相當明確地界定在“面向生物工程”上，如細胞操作、基因轉移、染色體切割等，希望給下一世紀中國的“綠色革命”帶來推動作用。②從技術層面說，定位在基于顯微視覺全局閉環的計算機伺服自動協調作業上。長遠觀之，其相關技術與微加工、微電子、顯微醫學等可觸類旁通。

1、微動并聯機器人

“微動并聯機器人的研制”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、控制系統及周邊輔助設備的實驗平臺，并重點圍繞微操作機器人的機構選型、誤差分析、顯微視覺及系統標定等方面做了較深入的研究。具體闡述如下：

(1) 通過對國內外微動機構的分析與綜合，設計出了創意獨特、兩級解耦的串并聯微動機器人，這在微動機器人領域尚屬首例。

此串并聯微動機器人有六個自由度,由上(3RPS機構)、下(3RRR機構)兩機構并聯串接而成，它具有上下機構運動解耦，運動學、動力學及誤差分析簡便，控制成本低，加速度大，可完成粗調、細調2種功能等特點。其具體技術指標如下：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行器位姿的影響，我們利用矢量分析的方法建立了串并聯機構結構參數誤差與位姿誤差的數學模型，分析了各項結構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計、加工及安裝有普遍指導意義的結論。

(3) 對壓電陶瓷驅動器的驅動特性、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驗。

(4) 提出了對實驗環境的若干改進措施。

2、面向生物工程的微操作機器人系統

大多數工業機器人是按照給定的程序做簡單重復的動作(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整能力(即自我實時標定及補償能力)。因此微操作機器人必須與其它儀器設備組合成一套光機電高度集成的系統，方能進行顯微操作。

北京航空航天大學機器人研究所正在研制的用于細胞操作的微操作機器人系統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、人機交互接口等。

本系統采用全局閉環控制方法，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。系統的具體運作方式解釋如下：活體細胞或染色體懸浮在培養液內，左右微操作機器人對稱地安裝在顯微鏡機架上，毛細玻璃管與毛細玻璃針等操作工具作為機器人的末端執行器(毛細玻璃管用于捕捉與固定細胞，毛細玻璃針用于細胞的切割、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整到顯微鏡的焦平面內。左機器人完成活體細胞的捕捉與固定，右機器人完成切割、注射等精細操作。整個操作過程都在顯微視覺的監視下完成，即圖像處理單元實時地處理分析采集的圖像信息(如細胞、玻璃管、玻璃針之間的相對位姿，細胞核在細胞內的位置等)，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胞進行追蹤、捕捉、注射、轉移等，直至完成整個操作過程。在進行顯微注射時，外源基因或染色體或蛋白質的注射量的多少也是在顯微視覺及注射裝置的共同監控下完成的。整個操作過程通過顯微鏡、攝像頭、監視器實時再現出來，供科研人員進行分析研究。在出現意外的情況下，操作者可根據圖像信息，通過人機交互接口對系統進行遙控操作。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，對微動并聯機構的型綜合問題進行了較深入的研究，并給出了幾種并聯機構型綜合的新方法。

(2) 選用Delta三自由度并聯機構作為微操作機器人機構，并結合微操作的特點，對其進行了運動學分析、工作空間優化、誤差分析及動態特性分析。作為微操作系統的核心部分，微操作機器人機構應具有外形小、工作可達域相對較大、驅動精細、有很高的定位精度與精度穩定性、良好的動態特性等特點。Delta微動并聯機構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研的基礎上，總結出了一些對構筑微操作機器人系統有指導意義的設計原則。它不單適用于面向生物工程的微操作機器人系統，對構筑其它應用領域的微操作機器人系統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，使顯微操作自動化程度及操作精度大大提高。操作者只需用鼠標輕輕一點被操作對象(細胞、染色體等)，系統將自動完成顯微操作,如基因注射、細胞切割等。

(5) 機械加工、裝配精度低于系統綜合精度的特點導致了系統標定的困難性，而各子系統向參考坐標系轉換的誤差，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定的復雜性。本課題針對視覺伺服控制的微操作機器人系統的特性，提出新穎的欠參數標定法。