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微操作机器人系统的研究开发

微操作机器人系统的研究开发 2011： 微机械电气系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)这一前沿技术主要涵盖以下研究专题：①集成化微型仪器与传感器；②微加工与测试技术；③微操作系统。微操作系统作为MEMS研究领域的一个重要分支受到各发达国家的高度重视，纷纷投入大量资金进行微操作机器人系统的研究，现已研制出多种各具特色的微操作机器人实验样机系统。自1993更为复杂，更不稳定。为了提高系统精度应考虑环境因素(振动、噪声、温度等)、参数因素(杆长、关节零位角、柔性铰链的形状尺寸等)、测量因素(传感器的分辨率、非线性及标定设备的精度等)、控制和计算因素(计算机的舍入误差、跟踪控制误差、数学模型的精确程度、控制方案的选取等)、应用因素(安装误差、坐标系的标定误差等)等。(13) 必需简化操作流程。活体细胞或染色体是无规律地漂浮在培养液里，为了使系统自动完成细胞操作，使机器人有规律、按步骤地动作，就必须简化操作流程(与工厂里的自动生产线类似)。有效的解决方法是设计专用的培养器皿或细胞矫正器(Bio-aligner，类似于生产线上的喂料器)，使活体细胞整齐排列并逐个移送到指定位置。(14) 微操作机器人系统对环境要求比较苛刻。有些颗粒或灰尘的体积可能比卵细胞还要大，另外活体细胞的培养对环境的温度湿度也有要求，因此周围环境的质量是不可忽视的。这一点已引起科研工作者的广泛注意。系统的抗振性能也是值得注意的问题之一。系统不但要求机构紧凑、固有频率高，还要将整个系统安装在防振平台上。4、微操作机器人系统的研究热点与难点在微操作系统研究领域，由于其本身精度的要求及微空间内独有的物理法则，微操作机器人系统的研究至今仍存在许多理论和技术难题，主要表现如下：(1) 系统标定事实上单独静态地对微操作系统进行精确标定是行不通的，只有将几何标定与具有自学习功能的智能控制结合起来才能解决标定问题。(2) 显微视觉伺服系统亟待完善就目前来说，多数微操作机器人只有一套显微监视系统，其操作控制方式是由操作者根据显微监视系统输出的图像，通过操纵手柄、指套、键盘等来遥控微操作机器人的运动。这套监视系统通过操作者的眼睛、大脑和手形成一个大的控制闭环，操作者的精神状态、熟练程度影响着整个系统的控制精度和效率，不利于提高整个系统的自动化程度。将显微视觉作为反馈控制源参与微操作机器人的伺服控制，是最佳解决途径之一。图像数据的采集和处理延时一直是实现视觉伺服控制的主要障碍。对于微操作机器人来说，这种现象更为突出。微执行器的细小尺寸及材质、微操作对象的形状逼近性、载体的透光品质、显微镜的光学性能、微操作的高精度要求、外界振动及灰尘的介入等因素，使得图像数据处理的延时更长。因此，为实现视觉实时闭环，提高控制品质与速度，研究视觉控制方案，开发具有系统自标定功能的显微视觉伺服系统是努力的目标。(3) 微操作控制理论需做进一步的探讨微操作机器人系统是一个高度复杂的非线性系统，传递累积误差和超高精度微位姿实时检测的困难，造成建立精确模型设计控制方案和获得准确的手端误差信号进行反馈控制比较困难，所以系统的微运动控制精度也难以保持稳定(鲁棒性差)。尝试新的控制算法是一条可行之路。(4) 微操作机器人可达域与运动分辨率之间的矛盾有待解决受高精度压电驱动单元的短行程和系统机械结构限制，微操作机器人的可达工作空间太小。虽然有些大行程的微动机器人已经出现(如液压式、蠕动式、变异式、模块式、串并联式等典型机器人)，但积累误差、结构复杂、运动分辨率低、控制不便等问题也随之出现。结构紧凑、大可达域、高运动分辨率、整体化结构(Totally monolithic structure)式的微操作机器人是设计者们追求的最高“境界”。(5) 微观世界的物理法则十分复杂在被操作对象的微观世界里，其运动学及力学特性不大服从于现有的一些物理法则，因此有些控制策略也不能机械地挪用到微操作机器人系统中。操作培养液中的细胞，不但要考虑重力作用，还要考虑浮力、流动力、布朗运动、范德华力、静电力等。如果不仔细地研究这些微观世界里的物理现象，很难构造出完美的微操作机器人系统。(6) 迫切需要研究开发新型的微位移及微力传感器为了使微操作机器人系统具有较强的智能，微位移传感器及微力传感器是必不可少的。由于微观世界里的种种条件约束，现有系统中各种微力、微位移、速度、加速度传感器均未能成功地得到应用。5、结语目前，微操作机器人系统尚属初露端倪的阶段，很难一下子弄清它所具有的全部特有性质，有许多问题有待探索。因此在微操作机器人的发展初期，包含着很多机遇，也蕴藏着严峻的挑战。微操作机器人系统应用领域很广，本文论述的一些问题是针对面向生物工程的微操作机器人系统的，有些问题也具有普遍性。参考文献[1] Grace K W.A Six Degree of Freedom Micromanipulator for Ophthalmic Surgery.IEEE International Conference on Robotics and Automation,1993：630～635[2] 国家自然科学基金委员会.国家自然科学基金资助项目研究成果年报——工程与材料科学.北京：科学出版社，1996.[3] Eric Pernette.Robotica,1997，15：417～420(end)

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