毕树生 宗光华 摘自：中国机械工程 O$
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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。 7Rf${Wv0
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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［1］。 c|%.B2
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自1993年起，在国家自然科学基金资助下，北京航空航天大学开始从事微操作机器人的研究，研究内容主要集中于各单元技术。经过几年的技术储备，研究重点开始由各单元技术转向系统集成及应用，如微操作系统的数学模型、微动仿生机构综合理论、基于图像的视觉伺服理论、精细微操作系统的光-机-电集成设计方法等，并把生物工程作为微操作机器人系统的主要应用领域。 Y9)uy 8c
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把生物工程作为微操作机器人的应用领域，目的可以解释为2点：①从应用层面说，目标相当明确地界定在“面向生物工程”上，如细胞操作、基因转移、染色体切割等，希望给下一世纪中国的“绿色革命”带来推动作用。②从技术层面说，定位在基于显微视觉全局闭环的计算机伺服自动协调作业上。长远观之，其相关技术与微加工、微电子、显微医学等可触类旁通。 I65W ^b4y
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1 微动并联机器人［2］ |?=K '[ 5
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“微动并联机器人的研制”课题研制了1台六自由度微动机器人，以其为核心建立了一套包括三自由度粗动平台、显微视觉系统、控制系统及周边辅助设备的实验平台，并重点围绕微操作机器人的机构选型、误差分析、显微视觉及系统标定等方面做了较深入的研究。具体阐述如下： ?H \K];
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(1) 通过对国内外微动机构的分析与综合，设计出了创意独特、两级解耦的串并联微动机器人，这在微动机器人领域尚属首例。 gwj+~vSfi
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此串并联微动机器人有六个自由度,由上(3RPS机构)、下(3RRR机构)两机构并联串接而成［2］，它具有上下机构运动解耦，运动学、动力学及误差分析简便，控制成本低，加速度大，可完成粗调、细调2种功能等特点。其具体技术指标如下：外形尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，工作空间为40 μm×40 μm×24 μm，运动分辨率为0.2 μm。 _H9.A I
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(2) 为了合理地分配精度，充分评估各项误差对末端执行器位姿的影响，我们利用矢量分析的方法建立了串并联机构结构参数误差与位姿误差的数学模型，分析了各项结构误差对末端位姿的影响程度，并得出了若干对微操作机器人设计、加工及安装有普遍指导意义的结论。 ~.?,*q7
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(3) 对压电陶瓷驱动器的驱动特性、柔性铰链的机械性能、微动机器人末端位姿的选择、微动机器人的控制方式及图像处理等问题，做了较深入的研究，积累了许多有参考价值的经验。 : nZVP_d+
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(4) 提出了对实验环境的若干改进措施。 Tji G!W8
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2 面向生物工程的微操作机器人系统 wJs #rkW
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大多数工业机器人是按照给定的程序做简单重复的动作(如焊接、装配、搬运等)，不需要太强的智能。而对于微操作机器人来说，情况就有很大不同。因为被操作对象十分微小，操作人员不可能十分清楚它们的精确位置，况且外界环境的变化使得它们的相对位置不定，微观世界里的物理法则及力学特性与宏观世界也大相径庭，这就要求机器人有很强的自动识别能力和决策能力。同时，温度变化、机械振动、噪声波动、机械蠕变等不稳定因素扰动，以及非线性微动特性、传递累积误差的影响，也使得微操作机器人必须具有很强的自我调整能力(即自我实时标定及补偿能力)。因此微操作机器人必须与其它仪器设备组合成一套光机电高度集成的系统，方能进行显微操作。 |'B-^? ;
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北京航空航天大学机器人研究所正在研制的用于细胞操作的微操作机器人系统包括倒置生物显微镜、粗动平台、左操作手、右操作手、摄像头、图像处理单元、控制系统、人机交互接口等。 #1-,s.)
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本系统采用全局闭环控制方法，即将显微视觉作为反馈控制源参与伺服控制形成视觉伺服反馈控制系统。系统的具体运作方式解释如下：活体细胞或染色体悬浮在培养液内，左右微操作机器人对称地安装在显微镜机架上，毛细玻璃管与毛细玻璃针等操作工具作为机器人的末端执行器(毛细玻璃管用于捕捉与固定细胞，毛细玻璃针用于细胞的切割、注射等)。首先，在显微视觉伺服的控制下，玻璃管、玻璃针及被操作对象将自动地调整到显微镜的焦平面内。左机器人完成活体细胞的捕捉与固定，右机器人完成切割、注射等精细操作。整个操作过程都在显微视觉的监视下完成，即图像处理单元实时地处理分析采集的图像信息(如细胞、玻璃管、玻璃针之间的相对位姿，细胞核在细胞内的位置等)，并变成控制信号输送给控制器，机器人在控制器的命令下实时地对细胞进行追踪、捕捉、注射、转移等，直至完成整个操作过程。在进行显微注射时，外源基因或染色体或蛋白质的注射量的多少也是在显微视觉及注射装置的共同监控下完成的。整个操作过程通过显微镜、摄像头、监视器实时再现出来，供科研人员进行分析研究。在出现意外的情况下，操作者可根据图像信息，通过人机交互接口对系统进行遥控操作。被操作对象的选取是由操作者通过人机交互接口完成的。 /a}F ;^
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在研制本系统过程中，已取得以下阶段性成果： }w{ 6Ua
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(1) 利用螺旋理论，对微动并联机构的型综合问题进行了较深入的研究，并给出了几种并联机构型综合的新方法。 ,%>]
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(2) 选用Delta三自由度并联机构作为微操作机器人机构，并结合微操作的特点，对其进行了运动学分析、工作空间优化、误差分析及动态特性分析。作为微操作系统的核心部分，微操作机器人机构应具有外形小、工作可达域相对较大、驱动精细、有很高的定位精度与精度稳定性、良好的动态特性等特点。Delta微动并联机构基本迎合了这些要求。它的外形尺寸为100 mm×100 mm×100 m，工作空间约为500 μm×500 μm×400 μm，运动分辨率约为80 nm。 V(hM@ztN
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(3) 在多年探索研究及广泛调研的基础上，总结出了一些对构筑微操作机器人系统有指导意义的设计原则。它不单适用于面向生物工程的微操作机器人系统，对构筑其它应用领域的微操作机器人系统也有一定的参考价值。 s&UuB1
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(4) 将显微视觉作为反馈控制源参与伺服控制形成视觉伺服反馈控制系统，使显微操作自动化程度及操作精度大大提高。操作者只需用鼠标轻轻一点被操作对象(细胞、染色体等)，系统将自动完成显微操作,如基因注射、细胞切割等。 [Yr }:B
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(5) 机械加工、装配精度低于系统综合精度的特点导致了系统标定的困难性，而各子系统向参考坐标系转换的误差，以及由温度、振动、蠕变等因素造成的误差的随机性更加剧了离线标定的复杂性。本课题针对视觉伺服控制的微操作机器人系统的特性，提出新颖的欠参数标定法。 M3m!u[6|
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(6) 本项目拟采用多套智能控制算法，如基于视觉校正的模糊自适应控制方法、基于视觉的模糊预测控制方法，实现基于显微视觉全局闭环的计算机伺服自动协调作业。这些方法在初始模型不精确的情况下，也能保证快速、准确地定位。 PE $sF ]/
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3 值得注意的若干问题 h0m+u}oP_H
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微操作机器人系统的构筑比工业机器人的设计更为复杂，涉及的研究领域也更为广泛。在构筑“面向生物工程的微操作机器人系统”过程中，以下问题应引起特别注意。这些问题可以作为构筑微操作机器人系统的设计准则。 q~esxp
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(1) 莫奢望能构筑一套“万能机器”。由于细胞或染色体是活性的，它的形状颜色各有不同，研制出的微操作机器人系统不可能完成所有的显微操作。部分操作可能更适合于采用电学、化学、甚至手工方法完成。 F|+Q i BO
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(2) 微操作机器人系统的各单元应刚性连接。为了减少积累误差、增强系统抗振能力、减少标定测量次数，系统各单元应以显微镜视野为分布中心刚性地连接一起。 GRM:o)4;#
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(3) 左右微操作手的工作空间应比显微镜的视野大，并且包围它。显微镜的视野是一定的，为了充分利用有限的空间，避免机器人在工作空间边界附近可操作性及灵活性差的情况出现，左右微操作手的工作空间应该比显微镜的视野范围大。系统安装调试时，机器人及相关周边设备应以视野中心分布，保证操作工具的端部与视野中心重合，并在视野内运动操作。这种安装组合方式我们称之为“运动集中型”微操作机器人系统。 _{Q)5ooP
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(4) 微操作机器人的理论工作空间应比其实际工作空间大。数学模型的精确性、驱动器的性能、机构材料的弹性变形等因素的存在，使得微操作机器人的实际可达域要比理论可达域小。在构筑机器人系统时，要特别注意这一点。 `fTH"l1z n
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(5) 微动机构的运动链应尽量短。为了增强抗振能力、减小装配误差、提高结构刚度，系统应尽量减少运动环节。这也是并联机构在微操作领域倍受青睐的原因之一。 t6/w({}j
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(6) 自由度过多得不偿失。理论上讲，机器人自由度越多，其操作灵活性越好。但过多的自由度也意味着控制难度的增加及成本的提高。3个移动自由度足可以应付所有显微操作，况且在微观世界里也不易实现大范围转角。 H( L.k; B
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(7) 对用于细胞操作的微操作机器人来说，其运动速度和加速度尤其重要。对于细胞的注射、切割等显微操作来说，当微注射针或微切割刀切入活体细胞时，需要一定的力方能使细胞膜破裂。如果施加力的速度比较慢，可能导致细胞膜沿工具方向凹陷，直至刺破细胞膜。速度愈慢，凹陷愈深，对活体细胞的损害程度愈大。另外，由于培养液体的粘性及流动性，操作工具的运动使细胞沿同样的方向漂移，要使操作工具尽快捕捉到细胞，它的运动加速度愈大愈好。 _"_
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(8) 在选择微动机构时，应尽量避免球铰出现。主要原因是铰链的加工难度太大，成本太高。 }W2FF
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(9) 设置限位装置是必要的。多数微操作机构是靠材料弹性变形来实现微动的。如果材料的变形超出了弹性极限，便会断裂，因此有必要设置限位机构加以保护。 W|X=R?*ZK
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(10) 应慎重选择显微视觉系统硬件部分。倒置生物显微镜是整个系统中最大最重的设备。它的视野、放大倍率、机械接口、光学性能、抗振能力等都关系着系统的成败。图像处理周期慢与实时运动控制采样周期快的矛盾一直很突出。尽管研究高速图像匹配算法及控制方案是一解决途径，但选择高品质的图像处理硬件(摄像头、图像处理板等)也是必要的。 l tQo_k
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(11) 系统应采用使用简单的人机交互接口。数据手套、遥控手柄、虚拟现实等高级复杂的人机交互接口装置越来越多地应用于机器人系统。但运动链过长引起的积累误差对微操作机器人系统来说是个致命的问题。因此微操作机器人系统人机交互接口的选择不可过分追求复杂、时髦，应以简单、经济、实用为主要目的。如键盘、鼠标、触摸屏等即可。 F9ytU> zh
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(12) 应从整个系统入手提高系统精度，莫将精力过分集中于机构及驱动器上。相对于工业机器人来说，微操作机器人系统的误差来源更为复杂，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。 |ry![\
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(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。 t QR qQ
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(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。 o >wty3l:
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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。 4d x4hBd
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4 微操作机器人系统的研究热点与难点 ^(+ X|t
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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： 0P_=Oy"l-
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(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。 ttP|}|O
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(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。 V; pR w`
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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。 v( 0I Q
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(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。 MnL o{G]
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(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［3］、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”［3］。 K Pi_<LuK
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(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。 =I.uf
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(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。 'G1~
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5 结语 *P01 yW0
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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。 2%?Kc]JY9
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作者简介 #x+7-h i
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毕树生 男，1966年生。北京航空航天大学(北京市 100083)机器人研究所副教授。主要研究领域为微操作机器人系统。发表论文10余篇。 BT^Im=A
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参考文献 6:Hd `
1 Grace K W.A Six Degree of Freedom Micromanipulator for Ophthalmic Surgery.IEEE International Conference on Robotics and Automation,1993：630～635 rff_= (?i
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. n- he|u
3 Eric Pernette.Robotica,1997，15：417～420
