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微機(jī)械電氣系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)這一前沿技術(shù)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(cè)試技術(shù)；③微操作系統(tǒng)。

微操作系統(tǒng)作為MEMS研究領(lǐng)域的一個(gè)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(jī)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(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)［1］。

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(jī)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(chǔ)備，研究重點(diǎn)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(dòng)仿生機(jī)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(jī)-電集成設(shè)計(jì)方法等，并把生物工程作為微操作機(jī)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(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，目的可以解釋為2點(diǎn)：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(dòng)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(jì)算機(jī)伺服自動(dòng)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(dòng)并聯(lián)機(jī)器人［2］

“微動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的研制”課題研制了1臺(tái)六自由度微動(dòng)機(jī)器人，以其為核心建立了一套包括三自由度粗動(dòng)平臺(tái)、顯微視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及周邊輔助設(shè)備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并重點(diǎn)圍繞微操作機(jī)器人的機(jī)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(duì)國內(nèi)外微動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析與綜合，設(shè)計(jì)出了創(chuàng)意獨(dú)特、兩級(jí)解耦的串并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人，這在微動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域尚屬首例。

此串并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人有六個(gè)自由度,由上(3RPS機(jī)構(gòu))、下(3RRR機(jī)構(gòu))兩機(jī)構(gòu)并聯(lián)串接而成［2］，它具有上下機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)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(diǎn)。其具體技術(shù)指標(biāo)如下：外形尺寸為100mm×100mm×100mm，工作空間為40μm×40μm×24μm，運(yùn)動(dòng)分辨率為0.2μm。

(2)為了合理地分配精度，充分評(píng)估各項(xiàng)誤差對(duì)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(jī)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(xiàng)結(jié)構(gòu)誤差對(duì)末端位姿的影響程度，并得出了若干對(duì)微操作機(jī)器人設(shè)計(jì)、加工及安裝有普遍指導(dǎo)意義的結(jié)論。

(3)對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)特性、柔性鉸鏈的機(jī)械性能、微動(dòng)機(jī)器人末端位姿的選擇、微動(dòng)機(jī)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(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。

(4)提出了對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的若干改進(jìn)措施。

2面向生物工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)

大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人是按照給定的程序做簡單重復(fù)的動(dòng)作(如焊接、裝配、搬運(yùn)等)，不需要太強(qiáng)的智能。而對(duì)于微操作機(jī)器人來說，情況就有很大不同。因?yàn)楸徊僮鲗?duì)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(duì)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(jī)器人有很強(qiáng)的自動(dòng)識(shí)別能力和決策能力。同時(shí)，溫度變化、機(jī)械振動(dòng)、噪聲波動(dòng)、機(jī)械蠕變等不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)，以及非線性微動(dòng)特性、傳遞累積誤差的影響，也使得微操作機(jī)器人必須具有很強(qiáng)的自我調(diào)整能力(即自我實(shí)時(shí)標(biāo)定及補(bǔ)償能力)。因此微操作機(jī)器人必須與其它儀器設(shè)備組合成一套光機(jī)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(jī)器人研究所正在研制的用于細(xì)胞操作的微操作機(jī)器人系統(tǒng)包括倒置生物顯微鏡、粗動(dòng)平臺(tái)、左操作手、右操作手、攝像頭、圖像處理單元、控制系統(tǒng)、人機(jī)交互接口等。