斑马鱼是一类典型的有脊椎模式动物,因为具有与人类基因相似、繁殖周期短、体外生长、胚胎及幼鱼通体透明等优点,近几十年以来一直是生命科学家们研究的重要对象之一,在生物遗传学、发育学、毒理学等方向具有十分重要的研究价值。然而,研究斑马鱼幼鱼特定器官发育机理或研发新式药剂时,通常需要把外源物质(如分子化合物、生物药剂等)精准导入到该特定器官,这一过程通常是由经过长时间专门训练的生命科学实验人员通过手动显微注射来完成的。手动显微注射耗时长、效率低,而且实验结果的一致性很差,不同经验的操作人员显微注射的结果可能完全不同。虽然面向生命科学的显微操作系统(包括显微注射、显微成像、显微手术等)已经得到了科研工作者的广泛关注,以细胞或胚胎为对象的显微注射系统甚至已经商业化,但是对斑马鱼幼鱼这种具有自主意识和行为、不规则外形、复杂内部结构的对象还没有成熟的显微操作方案。本文围绕着面向斑马鱼幼鱼显微操作系统的关键技术问题,进行了深入且富有创新性的研究,提出了一套完整的实现方案和新颖的设计方法。本文的主要内容可以归纳为:针对斑马鱼幼鱼显微操作系统这一全新概念,结合生命科学领域的具体需求,本文提出了该类操作系统的实现方案和关键技术指标。根据不同的实验任务,本文提出了斑马鱼幼鱼二维姿态控制、三维姿态控制和位姿控制方案,幼鱼柔顺捕捉技术,以及幼鱼内部器官三维定位方法。与传统的人工斑马鱼幼鱼心脏显微注射相比,本文所研发的系统完成一次心脏显微注射平均只需要150秒,且最终心脏的注射成功率和成活率不低于有经验的操作人员得到的结果。同时,所设计的系统方案和关键技术算法具有应用到其它器官注射如肾脏注射、肝脏注射等的可能。针对斑马鱼幼鱼显微操作系统中的视觉反馈问题,在传统计算机视觉算法的基础上,本文进一步分析了显微成像中视野小、景深浅的特点,提出了一整套显微操作系统中的关键计算机视觉算法,包括大范围注射针尖端自动定位算法、吸持针尖端管口位置精确定位方法、显微成像下针尖的三维定位算法、斑马鱼幼鱼内部器官三维定位算法等,与传统的计算机视觉中的算法不同,这些算法更多关注显微定位策略,可以解决在显微成像条件下存在图像反馈缺失或图像反馈不完整的问题。针对斑马鱼幼鱼显微操作系统中的幼鱼姿态控制问题,本文提出了基于显微注射针、显微滚转针和底部旋转机构的三维姿态控制方案,并将方案中的二维平面旋转过程构建成了切换系统的模型,在一类广义切换信号——具有不稳定子系统的模态依赖驻留时间切换信号下,设计了名义系统的镇定控制器,该控制器采用多组PD控制器参数组合的方式,可以有效降低传统只采用1组PD控制器控制的保守性。另外,为了实现斑马鱼幼鱼绕身体轴的滚转运动,自行研制了一套4自由度显微操作手,与常见的平动显微操作手相比,增加了悬臂滚转轴的自由度。利用该自由度,根据斑马鱼幼鱼滚转轴的角度度量算法,实现了斑马鱼幼鱼的滚转控制。针对斑马鱼幼鱼显微操作系统中的柔顺捕捉控制问题,本文提出了基于切换策略的模型预测控制的设计方法,并对吸持针尖端捕捉幼鱼卵黄这一动态过程进行分析,发现其模型会根据吸入的幼鱼表皮多少而发生变化,这主要是因为当幼鱼表皮被吸入过多时,吸入的血液循环以及表皮韧性会倾向于继续向内伸展。因此,我们根据幼鱼表皮吸入的长度,将这一过程建模成了切换线性系统模型,并根据实验数据和生命科学实验的特殊要求(即,不会过多吸入幼鱼身体造成损伤,也不会因为吸入部分过少致使幼鱼掉落),对每个线性子系统的状态和控制进行了合理的约束。在模态依赖驻留时间切换信号下,对柔顺吸持这一过程设计了名义镇定控制器,并给出了能够保证名义系统稳定的模态依赖驻留时间的多个切换准则。最后,本文对所提出的关键算法进行了实际验证,在特定的实验条件(如斑马鱼幼鱼年龄、身体尺寸、吸持针口径等)下,给出了所提出的广义切换信号下的镇定控制器应用在实际系统中时需要额外考虑的细节和一种简化的实现方式。同时,对系统不同算法和整体运行的性能指标(如算法稳定性、成功率、成活率等)进行了详细分析,并给出了改进方案。