针对压电微操作器的迟滞非线性补偿问题, 采用Prandtl-Ishlinskii(PI)法建立了描述微操作器迟滞非线性特性的迟滞模型, 并设计其前馈控制器。首先通过将系统逆补偿输出线性化, 设计混合灵敏度H∞控制器, 使系统具有较好的动静态特性。其次搭建了由多自由度微动平台和末端柔性操作臂构成的压电微操作器系统, 并进行一系列测控实验。结果表明,基于PI逆模型的前馈控制可以较好地补偿压电微操作器的迟滞非线性, 在最大输出位移125 μm的情况下, 最大迟滞非线性率由21.7%降低至7.4%。同时混合灵敏度H∞控制能以较小的相对控制误差实现对不同类型和频率的参考轨迹跟踪, 甚至微操作器动力学参数发生变化时, 仍然具有较好的控制效果, 证实了所提出控制器的可行性。

微球透镜配合传统光学显微镜可以采集到衍射极限以下的超分辨光学图像, 为了精确控制微球透镜在样品表面的位置, 同时扩大超分辨成像范围, 提出了一种控制微球透镜的方法, 结合多轴微动平台实现微球透镜的精确定位与成像扫描操作。通过光学仿真分析了微球透镜超分辨成像效果, 并对精密微动平台进行了运动学分析。为了提高超分辨成像效果, 将微球透镜浸没于液体介质中, 并对在液体中运动的微球透镜进行力学分析。通过实验, 清晰分辨出130 nm(～λ/4)的蓝光光碟条纹间隙, 证明了微球透镜具有超分辨成像能力, 结果表明, 微球透镜可以在传统光学显微镜的基础上进一步提高约3.52倍的放大倍数。通过控制微球透镜以5×10-6 m/s的速度在液体中按“S”型轨迹移动, 实现了对一个视场内样品的超分辨成像, 此控制方法可以精确控制微球透镜的运动, 通过扫描的方式可以扩大微球透镜的观测范围, 提高观测速度。

为了研究涡旋相位编码的径向矢量高斯光束经过高数值孔径物镜之后的聚焦特性, 采用RICHARDS和WOLF提出的矢量积分理论和数值模拟方法, 对聚焦场的特征进行了理论分析和模拟实验验证, 取得聚焦场分布随涡旋相位物理参量之间的数据关系。结果表明, 当单个涡旋相位编码于径向矢量高斯光束时, 在聚焦场能够获得2维的径向和纵向分量;当双涡旋相位对称地编码于径向高斯矢量光束时, 聚焦场会出现两个光学暗点,此光学暗点处的折射率低于周围环境的折射率。这一结果对提高光学微操控的灵活性, 以及对双微粒的捕获与操控是有帮助的。

基于液滴的转移方法可实现微操作任务中微对象的拾取, 锥形操作探针则常作为一种毛细力微操作执行工具。主要研究在空气冷凝模式下锥形探针端面的液滴形成。建立了微液滴形成的数学模型, 主要包括初始液滴的形成、液滴的合并和液滴的移动, 研究了影响操作液滴的关键参数, 分析表明: 过冷度决定最小液滴半径。对单液滴的生长机制进行理论分析, 并通过数值求解的方法模拟了锥形操作探针端面的液滴形成。搭建实验测试平台, 实验研究了微尺度下锥形微操作探针端面的液滴形成。实验结果表明: 在空气冷凝模式下, 操作探针端面能够形成微液滴。经过初始液滴的形成, 液滴的合并和移动等过程最终可形成稳定的微液滴, 且不同锥顶角下液滴的形成呈现多样化。

为了提高微操作平台的操作空间和动态性能，基于响应面法对一种新型微操作平台进行了多目标优化设计。采用中心组合设计方法选取仿真试验点，根据试验点建立平台的参数化几何模型，应用软件ANSYS对平台进行静力学和模态分析得到其固有频率、位移放大倍数和最大应力的响应值。根据所得的仿真试验数据，采用最小二乘法和显著性检验建立反映平台性能指标的二阶多项式响应面模型。最后，计算了反映响应面拟合度的评价指标，验证了所建响应面模型的精确性。以微操作平台的放大倍数和固有频率为优化目标，强度为约束，建立了平台的多目标优化模型，采用多目标遗传算法对平台进行优化得到Pareto解集。从Pareto解集可知，固有频率与放大倍数之间是相互冲突的，故需权衡固有频率和放大倍数从Pareto解集选取最优解。比较优化前后平台的各性能指标可知，平台的固有频率增大了35.58 %，放大倍数增大了2.33 %，最大应力减小了38.97 %，证明了提出的优化方法的有效性。

为实现对亚毫米微小构件稳定夹取及可靠释放等操作,研制了一种复合式微夹持器。采用有限元软件分析了微夹持器的机构及动力特性。应用MEMS体硅工艺将静电梳齿驱动与气动吸放集成构成复合式驱动,气动吸放的引入改善了微夹持器的操作性能,S形柔性梁结构的设计将梳齿驱动的直线运动转化成末端夹爪的转动实现了夹持操作。两种不同尺寸的微夹持器,有效扩展了微夹持器的夹持范围。根据微夹持器的操作控制需求,设计了微夹持器静电驱动控制系统以及气压控制系统。在80 V的驱动电压下,微夹持器末端夹爪位移可达25 μm。针对100～200 μm的小球进行了微操作实验,实验结果表明,静电梳齿驱动结合真空吸附能够使夹取操作更加稳定,基于闭环控制的气路正压力能有效克服小球与夹爪之间的粘附力,实现可靠的释放操作。微夹持器基本满足100～200 μm微小构件的操作需求。

为使夹持器小型集成化且夹持力可控,采用体硅加工技术研制了一种基于单晶硅的、具有微力检测功能的新型四臂式MEMS微夹持器。以压阻检测技术为基础,利用MEMS侧面压阻刻蚀工艺将力传感器集成在微夹持器的夹持臂末端,实现夹持力的微力检测。采用有限元软件分析,微夹持器机构和传感器弹性体,并通过S型柔性梁结构的设计将梳齿驱动的直线运动转化为夹持臂末段的转动,然后结合四臂式的末段结构,有效地扩展夹持器的夹持范围。利用硅玻璃键合技术实现夹持臂的电隔离,通过施加80 V电压,夹持臂的单臂运动范围为25 μm,夹持器的夹持范围为30~130 μm。实验标定出传感器的最大量程在1 mN以上,分辨率为3 μN,可以实现夹持力的有效反馈。

研制出了尺寸为30 mm×30 mm×50 mm的压电陶瓷驱动的球基微驱动器样机,并对该微驱动器进行动力学分析以及微型轴孔装配的实验研究.建立了微驱动器金属球空间坐标关系,分析了球基微驱动器的动力学特征,并建立了其动力学模型.采用龙格-库塔法计算出了微驱动器的动力学参数,并利用MATLAB的SIMULINK模块搭建了微驱动器的仿真模型,并对其进行了动力学仿真分析.研制出了球基微驱动器样机,并在此基础上,集成微夹持器形成微操作器,对微驱动器性能进行了实验测试,并开展了Φ180 μm微型轴与Φ200 μm微型孔之间的精密微装配实验研究.最后,分析了微驱动器金属球质量、驱动信号频率、以及金属球与微驱动单元摩擦块接触表面摩擦系数对其性能的影响.实验结果表明:该球基微驱动器的转动分辨率为0.000 1°,转动定位精度为0.000 5°,微驱动器最大工作频率为1 200 Hz.实验结果验证了逆转振动模型的正确性,由该微驱动器所集成的微操作器,完全可以满足对微小元器件的微米级操作与装配等精密作业的要求.

针对视觉延迟的问题,提出采用改进的Smith预估器(MSP)来改善视觉伺服系统的控制品质.在对基于位置的动态"look-and-move"视觉伺服系统特性分析的基础上,建立了基于MSP视觉伺服系统的结构,同时建立了视觉伺服系统的分时模型.在微操作机器人平台上进行了点到点、抗干扰和微齿轮的跟踪抓取实验.结果表明,与只有PID控制器的视觉伺服系统相比,带MSP的视觉伺服系统具有更好的控制品质.克服了由于图像采集、传输和处理导致的视觉伺服延迟而严重影响控制系统的品质局限,并克服了传统方法通过减小系统增益来增强系统的鲁棒性,但同时降低了系统响应特性的缺点.