随着医工交叉领域的快速发展,面向各类微小生物的显微操作,包括显微成像与显微注射技术等,在生命科学研究中得到了广泛应用。然而,在很多环境条件和对象状态较为复杂的显微操作实验中,传统显微成像与显微注射技术的性能会严重下降或无法应用。因此,对这些传统方法的不足进行改进以使其有能力处理各类复杂情况是非常必要的。作为一种典型的有脊椎模式生物,斑马鱼在生物学研究中有着广泛的应用;但另一方面,其操作方法也相对复杂。它的独特优势包括:与人的基因相似度高,胚胎和幼鱼阶段身体透明,以及发育速度快。在实验中常常需要借助幼鱼身体透明的特性对其进行成像来观察其发育的变化,从而分析对其使用的药物产生的影响。在高通量研究中,需要对大量的幼鱼进行观察和分析。此外,大多数生物制剂很难从水中直接被斑马鱼幼鱼吸收,因此要采用注射的方式。对于以上两个问题,传统上的人工观察和注射都难以满足效率和准确率的需求,因此开发自动化的成像和注射系统来取代人工方法是非常必要的。尽管近年来已有一些自动化的技术被提出,由于各类无法避免的复杂条件的影响,现有的技术和方案在稳定性和自动化方面仍存在一些不足。具体而言,上述操作中的复杂条件主要包括以下三个方面。一是对象姿态的复杂,相对于可任意旋转的细胞、胚胎等球形对象而言,斑马鱼幼鱼在操作时要考虑不同自由度的控制,还要考虑不同个体之间重叠的情况。二是未知的系统初始状态,包括成像实验中气泵内气体的初始压缩状态以及幼鱼的初始滚转角。三是环境的变化,包括注射实验中水面高度的变化以及幼鱼生命活动造成的干扰。本文围绕这三种复杂条件下自动化斑马鱼幼鱼成像和注射系统中尚未解决的问题,提出了针对性的实现方案。本文的主要内容包括:针对复杂对象姿态下的斑马鱼幼鱼的自动装载问题,本文提出了一种基于微流控技术的幼鱼朝向调整方法,能够将进入微流体芯片的幼鱼逐一调整为尾部向前以供后续操作。此外,考虑到幼鱼在装载时可能出现多条幼鱼聚集的问题,本文提出了一种自动将随机放置的多条斑马鱼幼鱼逐一装载到系统中特定位置的方案。该方案可以识别并分离聚集在一起的多条幼鱼,并能将分离出的单条幼鱼以特定的朝向吸入吸持针中,从而提高了系统中幼鱼自动装载的稳定性。针对另一种在开放式容器内旋转幼鱼的方案,本文通过对幼鱼的受力分析确定了推动其运动的期望轨迹,在视觉反馈的辅助下可以准确将幼鱼旋转到期望角度。针对未知控制系统初始状态下的斑马鱼幼鱼成像系统中幼鱼的自动位姿控制问题,本文首先对气泵控制幼鱼在管道中的运动进行了动力学建模,并针对模型中的不确定性设计了自适应鲁棒控制器将幼鱼准确地移动到期望的观察位置附近。此外,本文提出了一种自动识别幼鱼当前滚转角并将其旋转到期望姿态的方法,从而提高了成像的效率。针对变化环境下的体视显微镜下斑马鱼幼鱼自动注射的接触检测问题,提出了一套稳定的将针尖准确移动到幼鱼表皮上注射位置的方法。考虑到在使用体视显微镜采集图像时,视线存在一定的倾角,使得水面处的折射无法直接忽略,在水深变化的情况下图像坐标系与机械臂坐标系的关系也会发生变化,这给移动针尖到注射部位带来了困难。本文提出了一种自适应标定方法,能够令坐标变换矩阵随水深自动调整。此外,本文提出了一种基于曲线演化的边缘检测方法来检测幼鱼表皮与针尖接触时产生的形变。该方法被用于实现接触检测并取得了良好的成功率和效率。最后,本文对所提出的方案和算法进行了实验验证,通过与传统方法对比各项指标（成功率、效率、误差等）证明了所提出方案和算法在性能上的优势。