具有实时视觉_触觉反馈的纳米操作系统

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1、高技术通讯5""#年!月第!#卷第!期具有实时视觉!触觉反馈的纳米操作系统!刘连庆!!!!焦念东!田孝军!董再励!席宁!王越超!（!中国科学院沈阳自动化研究所机器人重点实验室沈阳!!""!#）（!!中国科学院研究生院北京!"""$%）摘要由于缺乏实时的传感器信息反馈，导致传统的基于原子力显微镜的纳米操作盲目，操作效率和成功率都非常低。为了克服这一问题，设计和实现了一种具有实时视觉和三维触觉反馈的纳米操作系统。当利用该系统进行纳米操作时，操作者不但可以实时感受到探针与被操作物体间的相互作用力，还可以在$&增强现实图像界面中观察到纳米操作场景的变化，

2、并可以在线控制探针的三维运动。这种交互式的操作系统使得纳米操作变得容易可行。纳米刻画实验和多壁碳纳米管的推动实验验证了该系统的有效性和高效率。关键词纳米操作，力反馈，视觉反馈，人机交互，原子力显微镜为了克服这个问题，我们设计了一种具有实时视觉"引言和三维触觉反馈的纳米操作系统。该系统不但可以为操作者提供实时的视觉>触觉反馈，还可以让操作在纳米尺度下进行单个纳米器件的组装已经成者通过?’1(+,装置的操纵杆在线控制探针的三维运为科技研究的一个前沿和热点，目前在机器人意义动，因而可实现具有实时力感与可视图形反馈的人上依靠相互作用进行装配的方法主要有三

3、种：（!）利机交互式纳米操作。用原子力显微镜（’()*+,-).,/*+,.)0,)1/，234）进行操作；（5）利用光镊进行操作；（$）利用双向电泳的方!系统介绍法进行操作。其中利用原子力显微镜进行纳米操作是目前最为广泛应用的一种方法，许多学者对此都该系统由234本体（纳米操作执行器）、信息处作了大量的研究，比如6+*和7+/8/.通过增加234理单元（用于操作信息、传感器反馈信息的传输、转扫描时的负载，验证了表层薄氧化物结构的重组［!］，换和处理）、图像仿真界面（操作场景图形仿真）、具9:;;)等人在常规环境下，通过控制单个<’20微粒有力感

4、觉的探针运动操作机械装置等构成，图!为（直径$"纳米）的推动，证明可以构成任意纳米结系统结构示意图。构［5］等。但是传统的基于234的纳米操作存在一该系统可以完成如下功能：（!）作用力的生成与个问题：在操作过程中缺乏实时的视觉和触觉反馈，感知，即实时采集234系统提供的操作状态传感器只能依靠离线编程来进行操作。操作者完全是在一信号，将其在力的分解模型作用下生成相应的电信种盲目的状态下进行操作，对实际操作过程中所发号，经?’1(+,机电系统转换生成!、"、#三个方向生的情况一无所知，而且操作的每一步都需要进行上的机械力，这种力作用在?’1(+,的操

5、作手柄上，可重新成像验证，这往往需要花费好几分钟的时间，这以使操作员感受到纳米尺度下操作力的存在和大种扫描=规划=操作=扫描的方法显然非常耗费时小（；5）纳米操作环境可视化图形仿真，它由信息处间，而且由于纳米尺度下物体的运动模型难以建立理单元根据234扫描图像和对象的运动学模型生精确，使得复杂操作任务离线编程非常困难，并且会成，并根据操作动作信号实时更新，为操作者提供可产生很大误差，这也使得离线编程的成功率极低，这视化的实时操作图形界面，以辅助操作者进行操作，些都大大阻碍了基于234纳米操作的广泛应用。提高操作效率和操作精度；（$）交互式探针动作

6、控"@#$计划（5""$22H"H"I"；5""522H555!"）资助项目。!男，!%@"年生，博士生；研究方向：机器人化纳米装配；联系人，AB*’+C：CDC+:E0+’F,;（收稿日期：5""GB"HB!5）—$#万方数据—刘连庆等：具有实时视觉7触觉反馈的纳米操作系统制，即操作员通过对操作手柄的操作（推、拉、刻划、检测出被检测样品的表面形貌，其检测原理如图+敲击等）动作，经!"#$%&装置的机电信号转换，在线所示。传递到’()控制探针产生相应的三维运动。图"#$%成像原理图四象限./0检测原理如图1所示。（"）纳米操作系统示意图：左边为’

7、()系统，右边为操作者，系统为操作者提供实时的视觉反馈和触觉反馈，操作者在线控制探针的三维运动；（*）系统信号传递框图图!系统结构示意图我们在系统的图形仿真界面上引入了虚拟现实技术对操作场景进行仿真。我们这里没有采用三维!23!4代表四个光电检测器的输出仿真的办法，而是采用二维平面视图，但是用颜色来图&四象限’()检测原理图弥补第三维，不同的地貌用不同的颜色进行代表，因此，操作者仍然可以得到操作场景的三维信息。’()探针悬臂,探针受三维纳米力作用模型如图4所示。+触觉反馈和视觉反馈的实现设./0的垂直方向和水平方向的输出分别为!"，!#，那么有以

8、下关系式成立：对探针,悬臂受力变形进行分析得到探针与被（!2%!+）&（!1%!4）!"$操作物体相互作用纳米力的大小，放大合适的倍数（