一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺及實現虛擬力覺交互的方法技術

一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺及實現虛擬力覺交互的方法，涉及一種基于顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺及方法。它解決了目前國內外普遍采用的納米操作系統對納米粒子或構件進行操作缺乏操作過程實時的圖像信息，系統的操作效率低、靈活性差的問題。該平臺包括掃描電子顯微鏡、納米定位器、操作探針、樣品臺、觸覺主手Omega.3、納米定位控制器、上位機和樣本腔體；在VC++2008環境下，開發虛擬三維納米操作環境；通過碰撞檢測算法進行碰撞檢測；上位機對所獲得反饋力進行力覺渲染，并反饋到觸覺主手Omega.3，實現虛擬力覺交互。本發明專利技術適用于遙納操作技術領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種基于顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺及方法，屬于遙納操作

技術介紹
近幾十年來，隨著微/納米技術的快速發展和對微系統產品的結構微型化、功能集成化的不斷需求，高效、靈敏、適應性強的納米操作系統具有廣闊的應用前景。但傳統的操作方式由于受到納米尺度的尺寸效應等因素的影響使得傳統操作方式難以適應納米尺度構件操作技術的發展需求，具有虛擬現實功能的遙納操作逐漸走上舞臺。目前國內外對納米操作的研究，基于原子力顯微鏡(AFM)的操作系統最為成熟，但是由于缺乏操作過程的實時圖像信息使得系統具有操作效率低、靈活性差等缺點；基于SEM的操作系統具有實時的操作圖像反饋信息，并且操作對象不受樣品臺影響等優點，因此基于SEM的納米操作系統是功能較為完善的系統，是很有發展前途的一項技術。但在該方面的研究剛剛開始，目前還處于探索階段。到目前為止，在納米尺度的操作還沒有找到兼顧效率、靈活性、準確性和成功率等綜合性能的有效的操作方法。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對目前國內外普遍采用的納米操作系統對納米粒子或構件進行操作缺乏操作過程實時的圖像信息，系統的操作效率低、靈活性差的問題，提供。一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺，它包括掃描電子顯微鏡、納米定位器、操作探針、樣品臺、觸覺主手、納米定位控制器、上位機和樣本腔體，所述樣本腔體內設置有納米定位器，納米定位器位于樣本腔體的底部；所述納米定位器上設置有操作探針，操作探針的末端與樣品臺的臺面相接觸；所述樣品臺固定安裝在樣本腔體的內側壁上；該樣品臺用于放置納米線；所述掃描電子顯微鏡固定安裝在樣本腔體上方居中的位置上，該掃描電子顯微鏡的鏡頭朝向樣本腔體內，該掃描電子顯微鏡用于采集操作探針針尖所在區域的圖像；所述觸覺主手通過USB接口與上位機連接，上位機通過串口與納米定位控制器連接；納米定位控制器通過通訊線與樣本腔體內的納米定位器連接；掃描電子顯微鏡的圖像信息輸出端連接上位機的圖像信息輸入端；上位機將圖像信息處理后發送位置與力控制信息至觸覺主手；觸覺主手的主手位置信息信號輸出端連接上位機的主手位置信息信號輸入端；上位機的位置控制指令信號輸出端連接納米定位控制器的位置控制指令信號輸入端;納米定位控制器的位置信號輸出端連接納米定位器的位置信號輸入端。一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺實現虛擬力覺交互的方法，該控制方法為:步驟一、在上位機上，在VC++2008環境下，利用觸覺主手的配套二次開發軟件Chia3d，聯合3Ds MAX和OpenGL開發虛擬三維納米操作環境；步驟二、將納米線放置在樣品臺上，然后通過碰撞檢測算法對虛擬環境中的操作探針的位置和其所在的虛擬環境進行碰撞檢測:首先應用層次包圍盒法在操作探針外設置包圍盒，若操作探針的包圍盒未與納米線和樣品臺未發生碰撞則不做判斷；若操作探針的包圍盒發生碰撞，則開始進入碰撞檢測循環序列當中:碰撞檢測循環序列納米操作碰撞檢測分為:操作探針與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測、納米線與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測及操作探針與納米線之間的納米操作碰撞檢測三部分； 操作探針與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測為:先判斷操作探針的包圍盒與樣品臺是否發生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則繼續判斷操作探針與樣品臺是否發生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機；納米線與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測為:應用層次包圍球法在納米線外設置包圍球；先判斷納米線的層次包圍球與樣品臺是否發生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則繼續判斷納米線與樣品臺是否發生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機；操作探針與納米線之間的納米操作碰撞檢測為:先由上位機采集通過掃描電子顯微鏡獲得的操作探針的幾何參數，建立操作探針的錐體模型，根據現有數據填充適合錐體的包圍球結構，執行操作探針的包圍球結構與納米線的包圍球結構之間的碰撞檢測:先判斷操作探針的包圍盒與納米線是否發生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則，采用疊前球心排列的方法對操作探針和納米線進行骨骼球填充，執行操作探針的骨骼球與納米線的骨骼球結構之間的碰撞檢測，若否，則不做任何動作；若是則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機；步驟三、上位機通過力覺渲染算法和Chia3d力覺渲染引擎實現對步驟二的操作探針與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測、納米線與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測及操作探針與納米線之間的納米操作碰撞檢測所獲得的反饋力的力覺渲染，并將渲染后的反饋力的數據反饋到觸覺主手，實現虛擬力覺交互。本專利技術的優點是:本專利技術的目的是在SM的操作環境下，將虛擬現實技術、觸覺設備與納米操作系統相結合，使操作者通過上位機可以感受到納米操作過程的實時力覺反饋，并且利用相關軟件開發的虛擬操作環境實現納米操作過程的三維可視化，從而確保納米操作的實時性、靈活性和準確性。有益效果:1.本專利技術基于開發的虛擬納米操作環境，通過虛擬納米操作，實現實際納米操作過程的預測，在預測結果的基礎上控制實際納米操作平臺進行單步隨動或離線運動，同時加入了觸覺反饋設備提供納米操作過程的實時力覺反饋，增強了操者的感知能力；2.本專利技術所開發的虛擬納米操作環境是三維的，通過軟件開發的虛擬操作環境可實現納米操作過程的操作環境的實時三維可視化，克服了 SEM圖像是二維的缺點，從而確保了三維納米操作過程的準確性和可視化；3.本專利技術首先操縱虛擬現實觸覺設備主手來控制虛擬納米操作從手的運動，操作成功后再通過串口控制實際納米操作探針的運動，從而大大地提高了納米操作的成功率，確保了操作平臺的安全，在SEM環境下進行納米操作，實現實際納米操作過程圖像的實時反饋；4.本專利技術應用具有力覺臨場感的新型遙納操作系統，虛擬環境中的納米操作實現后通過串口控制實際納米操作過程，實現納米操作的遠距離控制，即遙操作，可完成遠程納米操作、受力信息反饋、實驗校正，操作簡單，降低平臺成本的同時提高了操作的成功率。附圖說明圖1為一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺的結構示意圖；圖2為一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺實現虛擬力覺交互方法的方法流程圖具體實施例方式具體實施方式一:下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺，它包括掃描電子顯微鏡1、納米定位器2、操作探針3、樣品臺4、觸覺主手Omega.35、納米定位控制器6、上位機7和樣本腔體8，所述樣本腔體8內設置有納米定位器2，納米定位器2位于樣本腔體8的底部；所述納米定位器2上設置有操作探針3，操作探針3的末端與樣品臺4的臺面相接觸；所述樣品臺4固定安裝在樣本腔體8的內側壁上；該樣品臺4用于放置納米線；所述掃描電子顯微鏡I固定安裝在樣本腔體8上方居中的位置上，該掃描電子顯微鏡I的鏡頭朝向樣本腔體8內，該掃描電子顯微鏡I用于采集操作探針3針尖所在區域的圖像；所述觸覺主手Omega.35通過USB接口與上位機I連接，上位機I通過串口與納米定位控制器6連接；納米定位控制器6通過通訊線與樣本腔體8內的納米定位器2連接；掃描電子顯微鏡I的圖像信息輸出端連接上位機7的圖像信息輸入端；上位機7將圖像信息處理后發送位置與力控制信息至觸覺主本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺，其特征在于：它包括掃描電子顯微鏡（1）、納米定位器（2）、操作探針（3）、樣品臺（4）、觸覺主手（5）、納米定位控制器（6）、上位機（7）和樣本腔體（8），所述樣本腔體（8）內設置有納米定位器（2），納米定位器（2）位于樣本腔體（8）的底部；所述納米定位器（2）上設置有操作探針（3），操作探針（3）的末端與樣品臺（4）的臺面相接觸；所述樣品臺（4）固定安裝在樣本腔體（8）的內側壁上；該樣品臺（4）用于放置納米線；所述掃描電子顯微鏡（1）固定安裝在樣本腔體（8）上方居中的位置上，該掃描電子顯微鏡（1）的鏡頭朝向樣本腔體（8）內，該掃描電子顯微鏡（1）用于采集操作探針（3）針尖所在區域的圖像；所述觸覺主手（5）通過USB接口與上位機（7）連接，上位機（7）通過串口與納米定位控制器（6）連接；納米定位控制器（6）通過通訊線與樣本腔體（8）內的納米定位器（2）連接；掃描電子顯微鏡（1）的圖像信息輸出端連接上位機（7）的圖像信息輸入端；上位機（7）將圖像信息處理后發送位置與力控制信息至觸覺主手（5）；觸覺主手（5）的主手位置信息信號輸出端連接上位機（7）的主手位置信息信號輸入端；上位機（7）的位置控制指令信號輸出端連接納米定位控制器（6）的位置控制指令信號輸入端；納米定位控制器（6）的位置信號輸出端連接納米定位器（2）的位置信號輸入端。...

【技術特征摘要】
1.一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺，其特征在于:它包括掃描電子顯微鏡(1)、納米定位器(2)、操作探針(3)、樣品臺(4)、觸覺主手(5)、納米定位控制器(6)、上位機(7)和樣本腔體(8)， 所述樣本腔體(8)內設置有 納米定位器(2)，納米定位器(2)位于樣本腔體(8)的底部; 所述納米定位器(2)上設置有操作探針(3)，操作探針(3)的末端與樣品臺(4)的臺面相接觸；所述樣品臺(4)固定安裝在樣本腔體(8)的內側壁上；該樣品臺(4)用于放置納米線.所述掃描電子顯微鏡(I)固定安裝在樣本腔體(8)上方居中的位置上，該掃描電子顯微鏡(I)的鏡頭朝向樣本腔體(8 )內，該掃描電子顯微鏡(I)用于采集操作探針(3 )針尖所在區域的圖像； 所述觸覺主手(5 )通過USB接口與上位機(7 )連接，上位機(7 )通過串口與納米定位控制器(6)連接；納米定位控制器(6)通過通訊線與樣本腔體(8)內的納米定位器(2)連接；掃描電子顯微鏡1)的圖像信息輸出端連接上位機(7)的圖像信息輸入端； 上位機(7)將圖像信息處理后發送位置與力控制信息至觸覺主手(5)； 觸覺主手(5)的主手位置信息信號輸出端連接上位機(7)的主手位置信息信號輸入端; 上位機(7)的位置控制指令信號輸出端連接納米定位控制器(6)的位置控制指令信號輸入端； 納米定位控制器(6)的位置信號輸出端連接納米定位器(2)的位置信號輸入端。2.根據權利要求1所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺的操作方法，其特征在于:所述納米定位器(2)是采用Attocube實現的。3.根據權利要求1所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺的操作方法，其特征在于:所述納米定位控制器(6)是采用ANC150實現的。4.關于權利要求1所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺實現虛擬力覺交互的方法，其特征在于:該控制方法為: 步驟一、在上位機(7)上，在VC++2008環境下，利用觸覺主手(5)的配套二次開發軟件Chia3d，聯合3DsMAX和OpenGL開發虛擬三維納米操作環境； 步驟二、將納米線放置在樣品臺(4)上，然后通過碰撞檢測算法對虛擬環境中的操作探針(3)的位置和其所在的虛擬環境進行碰撞檢測: 首先應用層次包圍盒法在操作探針(3)外設置包圍盒，若操作探針(3)的包圍盒未與納米線和樣品臺(4)未發生碰撞則不做判斷； 若操作探針(3)的包圍盒發生碰撞，則開始進入碰撞檢測: 碰撞檢測分為:操作探針(3)與樣品臺(4)之間的納米操作碰撞檢測、納米線與樣品臺(4)之間的納米操作碰撞檢測及操作探針(3)與納米線之間的納米操作碰撞檢測三部分；...

【專利技術屬性】
技術研發人員：榮偉彬，李東潔，鄒宇，肖萬哲，孫立寧，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：