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微機械電氣系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems，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(tǒng)。

微操作系統(tǒng)作為MEMS研究領域的一個重要分支受到各發(fā)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(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)［1］。

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(nèi)容主要集中于各單元技術。經(jīng)過幾年的技術儲備，研究重點開始由各單元技術轉向系統(tǒng)集成及應用，如微操作系統(tǒng)的數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)的計算機伺服自動協(xié)調(diào)作業(yè)上。長遠觀之，其相關技術與微加工、微電子、顯微醫(yī)學等可觸類旁通。

1微動并聯(lián)機器人［2］

“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(tǒng)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(nèi)外微動機構的分析與綜合，設計出了創(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)、下(3RRR機構)兩機構并聯(lián)串接而成［2］，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(diào)、細調(diào)2種功能等特點。其具體技術指標如下：外形尺寸為100mm×100mm×100mm，工作空間為40μm×40μm×24μm，運動分辨率為0.2μm。

(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)機構結構參數(shù)誤差與位姿誤差的數(shù)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(jīng)驗。

(4)提出了對實驗環(huán)境的若干改進措施。

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(tǒng)，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(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。