專(zhuān)利名稱:基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米尺度下的感知、操作和加工技術(shù)，具體地說(shuō)是一種基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
納米科學(xué)技術(shù)是新興的科研領(lǐng)域。納米尺度下的操作與加工是納米科技的重要組成部分。只有在可操作的前提下，才能研究納米尺度下物質(zhì)的各種物理、化學(xué)等自然特性，才能研制納米器件，納米傳感器以及納米計(jì)算機(jī)等先進(jìn)的技術(shù)裝備。因此，納米操作是當(dāng)前國(guó)際微納米科技前沿研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但是現(xiàn)有的用于納米技術(shù)研究的設(shè)備基本是基于SPM(掃描探針顯微鏡，為納米觀測(cè)系統(tǒng)的一種；如掃描隧道顯微鏡STM或原子力顯微鏡AFM)機(jī)理的設(shè)備?，F(xiàn)有的這類(lèi)設(shè)備(如SPM)僅僅用于納米尺度下樣品形貌的觀察，缺乏有效的實(shí)時(shí)力、位置傳感器信息反饋和人機(jī)交互能力，因而在進(jìn)行納米操作的時(shí)候只能進(jìn)行離線規(guī)劃，不能進(jìn)行人機(jī)交互方式的操作。由于納米尺度下被觀測(cè)操作對(duì)象的許多特性未知，許多物理現(xiàn)象無(wú)參考模型，因而有意義的納米操作只能依靠人工介入。所以具有實(shí)時(shí)的力、位置反饋下的人機(jī)交互操作對(duì)納米科技的研究與發(fā)展具有特別重要的意義。
國(guó)外一些科研機(jī)構(gòu)有過(guò)在納米觀測(cè)系統(tǒng)上嵌入Haptic裝置(是一種人機(jī)交互用多自由度機(jī)電裝置)，以實(shí)現(xiàn)可基于人機(jī)交互的納米操作方式的想法，但是其采用的Haptic裝置的價(jià)格常常在2萬(wàn)美金以上，比如SENSABLE公司的PHANTOMPremium 6DOF裝置的價(jià)格為8萬(wàn)美金，瑞士ForceDimension公司的Delta 3-DOF裝置為8.5萬(wàn)美金，如此昂貴的價(jià)格大大阻礙了具有力覺(jué)感知納米操作方法的廣泛應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)納米尺度的人機(jī)交互操作功能，本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉的，具有實(shí)時(shí)力、位置反饋功能的，可人機(jī)交互的基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法。它是在納米觀測(cè)系統(tǒng)上嵌入游戲桿裝置(Haptic裝置的一鐘，價(jià)格低廉，幾十美金左右)，以實(shí)現(xiàn)可基于人機(jī)交互的納米操作方式。
本發(fā)明技術(shù)方案如下以觸覺(jué)裝置游戲桿作交互接口，將人通過(guò)游戲桿發(fā)出的運(yùn)動(dòng)信息經(jīng)操作計(jì)算機(jī)、通過(guò)以太網(wǎng)傳送給控制計(jì)算機(jī)中SPM控制單元，由SPM控制單元控制SPM的探針運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米尺度下物品進(jìn)行操作；來(lái)自SPM的各種信息作為反饋信號(hào)經(jīng)控制計(jì)算機(jī)中SPM控制單元、通過(guò)以太網(wǎng)傳送給存有控制程序的操作計(jì)算機(jī)，控制程序?qū)?lái)自SPM的各種信息轉(zhuǎn)化為力信號(hào)放大后，通過(guò)游戲桿反饋給操作者，實(shí)現(xiàn)在納米尺度下人們對(duì)樣品表面形貌的觸覺(jué)感知；其中所述控制程序流程為，首先初始化，然后四個(gè)線程同時(shí)開(kāi)始工作，其中線程1為游戲桿力感輸出模塊，線程2為等待消息并且執(zhí)行消息對(duì)應(yīng)的響應(yīng)模塊，線程3為用于socket間的相互通信模塊，線程4為屏幕顯示界面的動(dòng)態(tài)更新模塊；其中線程2通過(guò)消息隊(duì)列與游戲桿對(duì)探針的控制模塊通訊。
本發(fā)明納米尺度下觸覺(jué)交互接口的技術(shù)原理SPM用于掃描成像時(shí)，根據(jù)SPM種類(lèi)的不同，可以利用不同的信號(hào)來(lái)進(jìn)行成像。例如當(dāng)為STM時(shí)，利用隧道電流或者閉環(huán)控制Z向的電壓進(jìn)行成像；當(dāng)為AFM時(shí)，可以根據(jù)誤差信號(hào)、激光光斑左右信號(hào)、閉環(huán)控制Z向的電壓信號(hào)進(jìn)行成像。本發(fā)明針對(duì)操作者需要感知的不同種類(lèi)的信號(hào)，通過(guò)控制程序(見(jiàn)圖5)切換，將不同種類(lèi)的相互作用的信息經(jīng)模型轉(zhuǎn)換(將誤差信號(hào)、激光光斑左右信號(hào)或閉環(huán)控制Z向的電壓信號(hào)等轉(zhuǎn)為力信號(hào))后放大后，通過(guò)游戲桿反饋給操作者。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.感知信息豐富。采用本發(fā)明可利用各種信息作為反饋信號(hào)，豐富操作者感知納米尺度下樣品表面各種形貌信息的思想。
2.成本低。本發(fā)明采用游戲桿作為SPM的觸覺(jué)反饋裝置，游戲桿是市場(chǎng)上常見(jiàn)的一種機(jī)電裝置，它價(jià)格低廉，常常只有幾十美金。
3.軟件開(kāi)發(fā)方便。本發(fā)明由windows為其提供了強(qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)包--DirectX(硬件描述語(yǔ)言，用于開(kāi)發(fā)基于windows的程序，實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)硬件的直接控制)，這樣本發(fā)明可以很方便的為SPM開(kāi)發(fā)出價(jià)格低廉的觸覺(jué)接口程序。
4.應(yīng)用廣泛。由于本發(fā)明具有成本低、軟件開(kāi)發(fā)方便的特點(diǎn)，所以有利于推動(dòng)人機(jī)交互式納米操作系統(tǒng)的普及，推動(dòng)納米尺度下加工、制造、裝配業(yè)的發(fā)展。
圖1為本發(fā)明系統(tǒng)原理圖。
圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中游戲桿的原理圖。
圖3為本發(fā)明接口探針位置視覺(jué)反饋的實(shí)現(xiàn)原理圖。
圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中反饋力F隨著x的變化曲線(保護(hù)探針的策略)。
圖5為本發(fā)明控制程序流程圖。
圖5-1為圖5控制程序中線程1具體流程圖。
圖5-2為圖5控制程序中線程2具體流程圖。
圖5-3為圖5控制程序中線程3具體流程圖。
圖5-4為圖5控制程序中線程4具體流程圖。
圖5-5為圖5控制程序一個(gè)實(shí)施例界面圖。
圖6為圖5控制程序中游戲桿控制探針運(yùn)動(dòng)模塊具體流程圖。
圖6-1為圖6的探針X，Y向運(yùn)動(dòng)控制模塊具體流程圖。
圖6-2為圖6的探針Z向運(yùn)動(dòng)控制模塊具體流程圖。
圖7為圖5-2的力反饋函數(shù)模塊流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明以作為觸覺(jué)裝置的、低價(jià)位的游戲桿1(本實(shí)施例采用游戲桿裝置)作交互接口，將人通過(guò)游戲桿1發(fā)出的運(yùn)動(dòng)信息(X，Y，Z位置控制信號(hào))經(jīng)操作計(jì)算機(jī)2、通過(guò)以太網(wǎng)傳送給控制計(jì)算機(jī)3中SPM控制單元，由SPM控制單元控制SPM的探針運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米尺度下物品進(jìn)行操作；來(lái)自SPM的各種信息作為反饋信號(hào)經(jīng)控制計(jì)算機(jī)3中SPM控制單元、通過(guò)以太網(wǎng)傳送給存有控制程序的操作計(jì)算機(jī)2，控制程序?qū)?lái)自SPM的各種信息轉(zhuǎn)化為力信號(hào)，放大后，通過(guò)游戲桿1反饋給操作者，實(shí)現(xiàn)在納米尺度下人們對(duì)樣品表面形貌的觸覺(jué)感知。
其所述控制程序具體流程見(jiàn)圖5，首先初始化，在初始化階段，系統(tǒng)完成工作為1)變量賦初值包括各個(gè)線程所用到的變量；2)游戲桿初始化一是起始位置初始化；二是游戲桿種類(lèi)設(shè)定，坐標(biāo)關(guān)系設(shè)定；三是將Joystick的硬件產(chǎn)生的中斷消息定義為高優(yōu)先級(jí)中斷；3)Socket端口初始化源IP地址設(shè)定，目標(biāo)IP地址設(shè)定，通訊協(xié)議設(shè)定，傳輸方式設(shè)定，本發(fā)明采用UDP協(xié)議及點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸方式，保證操作的實(shí)時(shí)性；然后四個(gè)線程同時(shí)開(kāi)始工作，其中線程1為游戲桿力感輸出模塊，線程2為等待消息并且執(zhí)行消息對(duì)應(yīng)的響應(yīng)模塊，線程3為用于socket間的相互通信模塊，線程4為屏幕顯示界面的動(dòng)態(tài)更新模塊；其中參見(jiàn)圖5-1，線程1具體流程為在來(lái)自硬件的中斷(每10ms產(chǎn)生一次)的情況下，先判斷是否有中斷產(chǎn)生，有中斷產(chǎn)生則根據(jù)線程2的感知知信息種類(lèi)消息取出用戶需要感知的信息量，將該信號(hào)進(jìn)行去噪濾波處理，然后至力反饋函數(shù)模塊進(jìn)行放大；再判斷放大后的值是否超過(guò)最大值，若超過(guò)，將該值等于所允許最大值，然后通過(guò)游戲桿將X、Y向二維力輸出，返回是否有中斷產(chǎn)生的判斷；若不超過(guò)最大值，則直接通過(guò)游戲桿將X、Y向二維力輸出。
參見(jiàn)圖5-2，線程2的具體工作流程為接收消息，并將消息分發(fā)到對(duì)應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)；當(dāng)感知信息種類(lèi)消息到來(lái)的時(shí)候，根據(jù)消息的種類(lèi)確定需要提出的信息種類(lèi)，并將該種類(lèi)信息作為公用變量傳遞給線程1；當(dāng)刻畫(huà)操作消息到來(lái)時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的刻畫(huà)操作函數(shù)；當(dāng)操作納米棒消息到來(lái)時(shí)，程序?qū)?zhí)行相應(yīng)的推動(dòng)納米棒操作函數(shù)；當(dāng)操作納米顆粒消息到來(lái)的時(shí)候，執(zhí)行相應(yīng)得推動(dòng)納米顆粒操作函數(shù)；當(dāng)收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)消息時(shí)，如果操作者同意發(fā)送數(shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)，如果不同意，則等待下一次網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)消息的到來(lái)；從游戲桿控制探針運(yùn)動(dòng)模塊得到游戲桿的位置坐標(biāo)后，首先將其轉(zhuǎn)換位屏幕坐標(biāo)，如果不是操作納米棒，至是操作納米顆粒的判斷，是操作納米棒時(shí)，根據(jù)納米棒管的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算其運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)；是操作納米顆粒時(shí)，計(jì)算出納米顆粒新的位置坐標(biāo)，如果不是進(jìn)行納米顆粒，至是否進(jìn)行納米刻畫(huà)判斷，如果是進(jìn)行納米刻畫(huà)，再判斷納米刻畫(huà)進(jìn)行標(biāo)志位是否置1，如果沒(méi)有置1，程序等待下一次游戲桿位置消息的到來(lái)，如果納米刻畫(huà)進(jìn)行標(biāo)志位置1，則將當(dāng)前游戲桿的坐標(biāo)存入鏈表。
參見(jiàn)圖5-3，線程3具體流程為首先判斷線程3是否結(jié)束，若結(jié)束則終止該線程；否則，判斷是否有數(shù)據(jù)從SPM控制單元傳來(lái)，有數(shù)據(jù)傳來(lái)時(shí)判斷數(shù)據(jù)是否正確，在數(shù)據(jù)正確的情況下存入二進(jìn)制文件中，返回重新判斷線程3是否結(jié)束；在數(shù)據(jù)沒(méi)傳來(lái)、數(shù)據(jù)不正確情況下分別直接返回重新判斷線程3是否結(jié)束。
參見(jiàn)圖5-4，線程4具體流程為首先初始化，即設(shè)置象素格式、投影方式、視點(diǎn)，再判斷線程4是否結(jié)束，若沒(méi)結(jié)束則判斷加載位圖否，若加載位圖則根據(jù)位圖重畫(huà)界面，至是否進(jìn)行納米刻畫(huà)的判斷；位圖未加載則直接至是否進(jìn)行納米刻畫(huà)的判斷；進(jìn)行納米刻畫(huà)是將鏈表中存入的點(diǎn)畫(huà)到顯示界面，然后判斷是否進(jìn)行推動(dòng)納米顆粒的操作；不進(jìn)行刻畫(huà)，直接判斷是否進(jìn)行推動(dòng)納米顆粒的操作；進(jìn)行推動(dòng)納米顆粒的操作時(shí)依據(jù)計(jì)算出的原子的新位置來(lái)更新界面，再判斷是否推動(dòng)納米棒；不進(jìn)行推動(dòng)納米顆粒的操作，直接判斷是否推動(dòng)納米棒；是推動(dòng)納米棒操作則要依據(jù)計(jì)算出的棒體的新位置來(lái)更新圖片，將當(dāng)前的圖形界面存儲(chǔ)到內(nèi)存中，以便下次更新內(nèi)存時(shí)用；不是推動(dòng)納米棒操作，直接將當(dāng)前的圖形界面存儲(chǔ)到內(nèi)存中；再判斷是否保存當(dāng)前圖形，保存，則將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)以BMP位圖的格式存儲(chǔ)到硬盤(pán)，將線程1計(jì)算出得Z方向力的大小，根據(jù)線形模型轉(zhuǎn)換為柱狀條的高低，并顯示在界面上；若不是，直接將線程1計(jì)算出得Z方向力的大小，根據(jù)線形模型轉(zhuǎn)換為柱狀條的高低，并顯示在界面上，然后返回線程是否結(jié)束的判斷。
如圖2所述，游戲桿由操作柄4和若干按鈕組成，操作柄4在空間內(nèi)有三個(gè)自由度，其中兩個(gè)是平面自由度，另外一個(gè)是旋轉(zhuǎn)自由度。操作柄具有X、Y方向兩個(gè)平面自由度，操作柄4自身還有一個(gè)自旋自由度。在X，Y方向上可以輸出力，實(shí)現(xiàn)力反饋。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，X，Y方向?qū)ψ孕杂啥锐詈线^(guò)大，本發(fā)明通過(guò)線程2經(jīng)操作柄的X，Y方向及Z方向的兩個(gè)按扭來(lái)控制探針的運(yùn)動(dòng)，操作柄4通過(guò)線程1同時(shí)在X，Y方向給出反饋力。
當(dāng)需要三維力信息時(shí)，在控制程序中線程1解決了X、Y向二維力輸出的同時(shí)，線程4根據(jù)Z方向力的大小控制視覺(jué)顯示界面上的表示Z方向力大小的柱條的高低(柱條越高，Z方向的力越大)。至此，實(shí)現(xiàn)以視覺(jué)和觸覺(jué)相結(jié)合的方式，解決了游戲桿只有二維力信息輸出的不足。第三維的力感知采用視覺(jué)效果參見(jiàn)圖5-5，即在需要三維力信息時(shí)，讓操作者得到第三維力信息。
SPM可以不同種類(lèi)，可以是STM，AFM，摩擦力顯微鏡(Friction ForceMicroscope，F(xiàn)FM)、激光力顯微鏡(Laser Force Microscope，LFM)、靜電力顯微鏡(Electrostatic Force Microscope，EFM)等一系列掃描力顯微鏡(Scanning Force Microscope，SFM)，從中取出各自不同的信號(hào)，則代表不同的表面信息。
通過(guò)控制程序用硬件描述語(yǔ)言DirecX實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲桿的直接控制(參見(jiàn)圖5)，包括游戲桿運(yùn)動(dòng)命令的輸入(線程1中運(yùn)動(dòng)命令如消息隊(duì)列中X向運(yùn)動(dòng)方向、Y向運(yùn)動(dòng)方向、Z向運(yùn)動(dòng)方向)，以及如何將力反饋信息通過(guò)游戲桿輸出(線程2)。
參見(jiàn)圖6，游戲桿對(duì)探針的控制模塊具體流程為在整個(gè)控制程序開(kāi)始階段，進(jìn)行硬件的初始化，包括物理設(shè)備指定，數(shù)據(jù)格式設(shè)定，坐標(biāo)天系設(shè)定，然后查看定時(shí)器時(shí)間是否溢出；若否，則繼續(xù)在此進(jìn)行查詢，若定時(shí)器溢出，則將定時(shí)器歸零，并通過(guò)DirectX函數(shù)獲取游戲桿當(dāng)前的狀態(tài)信息，具體包括X，Y，Z的運(yùn)動(dòng)方向以及速度檔的大??；然后將當(dāng)前的游戲桿狀態(tài)和上各時(shí)刻游戲桿的狀態(tài)作比較，若沒(méi)有變化，則返回定時(shí)器是否溢出處，等待下一次定時(shí)器溢出，若有變化，則根據(jù)新的游戲桿狀態(tài)值至探針X，Y向運(yùn)動(dòng)控制模塊及探針Z向運(yùn)動(dòng)控制模塊，來(lái)控制探針的運(yùn)動(dòng)，確定游戲桿的位置坐標(biāo)，然后返回定時(shí)器是否溢出處，等待定時(shí)器的下一次溢出。
采用本發(fā)明，操作者利用該游戲桿，可以實(shí)現(xiàn)交互式探針動(dòng)作控制；即操作員通過(guò)對(duì)操作手柄的操作(推、拉、刻劃、敲擊等)動(dòng)作，經(jīng)游戲桿裝置的機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)換，在線傳遞到SPM控制探針產(chǎn)生相應(yīng)的三維運(yùn)動(dòng)，在操作過(guò)程中，探針在的動(dòng)態(tài)位置會(huì)顯示在人其交互界面上，參見(jiàn)圖3，具體原理是游戲桿的運(yùn)動(dòng)，控制探針的運(yùn)動(dòng)，探針的運(yùn)動(dòng)位置動(dòng)態(tài)的顯示在人機(jī)交互界面上，這樣操作者就可以獲得一個(gè)動(dòng)態(tài)更新的探針位置，與此同時(shí)，操作過(guò)程中的作用力通過(guò)游戲桿以及界面上表示Z方向作用力大小的柱狀條顯示給操作者。
本發(fā)明解決了游戲桿三維空間運(yùn)動(dòng)Z向?qū)，Y方向強(qiáng)耦合的問(wèn)題，游戲桿對(duì)探針的控制模塊中探針X，Y向運(yùn)動(dòng)控制模塊具體流程如下(參見(jiàn)圖6-1)根據(jù)獲得的游戲桿狀態(tài)信息計(jì)算出游戲桿在X，Y萬(wàn)向上的運(yùn)動(dòng)角α，再根據(jù)游戲桿狀態(tài)信息，獲得操作者設(shè)定的X，Y方向運(yùn)動(dòng)的速度檔。根據(jù)第n時(shí)刻的位置，計(jì)算出n+1時(shí)刻探針的位置。
原理二維游戲桿的運(yùn)動(dòng)僅僅提供運(yùn)動(dòng)的方向角α，人為設(shè)定一個(gè)速度V，則游戲桿在n+1時(shí)刻的水平位置坐標(biāo)為X(n+1)＝X(n)+V×sinα；Y(n+1)＝Y(jié)(n)+V×cosα；其中X(n+1)為n+1時(shí)刻探針的X向運(yùn)動(dòng)位置，X(n)為n時(shí)刻探針的X向運(yùn)動(dòng)位置；Y(n+1)為n+1時(shí)刻探針的Y向運(yùn)動(dòng)位置，Y(n)為n時(shí)刻探針的Y向運(yùn)動(dòng)位置；此時(shí)游戲桿位置的最小變化率為V×sinα，通過(guò)改變V的大小，可以使游戲桿的X向、Y向達(dá)到任意高的分辨率，解決了游戲桿作為納米操作執(zhí)行器時(shí)運(yùn)動(dòng)空間分辨率不足的問(wèn)題。本實(shí)施例具體表現(xiàn)為以游戲桿為方向指示器，利用累加的思想，使游戲桿空間運(yùn)動(dòng)達(dá)到任意的分辨率。當(dāng)游戲桿的運(yùn)動(dòng)空間為-50～50之間時(shí)，其最小變化步長(zhǎng)為1，如果為-100～100，則最小變化步長(zhǎng)為2，以此類(lèi)推。根據(jù)納米操作的需求，在最小變化步長(zhǎng)為1的情況下，壓電陶瓷管需要有-256～256的工作空間，那么游戲桿最小的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致壓電陶瓷管的變化為1×512/100，這顯然不能滿足納米操作的需要，為了達(dá)到-256～256的分辨率，以及當(dāng)納米操作需要更為廣泛的工作空間時(shí)，游戲桿可以滿足納米操作的需要。
由于游戲桿旋轉(zhuǎn)自由度與兩個(gè)平面自由度耦合強(qiáng)烈，如果將該旋轉(zhuǎn)自由度的輸入作為壓電陶瓷管空間一維運(yùn)動(dòng)的控制，那么由于耦合強(qiáng)烈，單方向的運(yùn)動(dòng)控制將不能實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明將Z向運(yùn)動(dòng)的自由度利用游戲桿上現(xiàn)有的兩個(gè)按鍵來(lái)表示，由操作員操作的探針X，Y向運(yùn)動(dòng)控制模塊控制(參見(jiàn)圖6-2)，其流程為；首先設(shè)Kv為Z向運(yùn)動(dòng)的最小變化步長(zhǎng)，其大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)；Vz(n+1)為n+1時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置，Vz(n)為n時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置；判斷按鍵1是否按下，是按下?tīng)顟B(tài)，表示向Z正向運(yùn)動(dòng)，Z向n+1時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置為Z向運(yùn)動(dòng)的最小變化步長(zhǎng)加上n時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置，即Vz(n+1)＝Vz(n)+Kv；判斷按鍵2是否按下；按鍵1沒(méi)按下，則直接判斷按鍵2是否按下；若按鍵2按下，表示向Z負(fù)向運(yùn)動(dòng)，Z向n+1時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置為Z向運(yùn)動(dòng)的最小變化步長(zhǎng)減去n時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置，即Vz(n+1)＝Vz(n)-Kv；返回游戲桿對(duì)探針的控制模塊中定時(shí)器是否溢出處，等待定時(shí)器的下一次溢出；若按鍵2沒(méi)按下，直接返回游戲桿對(duì)探針的控制模塊中定時(shí)器是否溢出處。
由于Z向運(yùn)動(dòng)控制采取累加的思想，本發(fā)明消除了三個(gè)自由度間的強(qiáng)耦合現(xiàn)象。
還有，本發(fā)明建立了距離和反饋力大小的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)探針與樣品的距離改變時(shí)，游戲桿輸出的力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，操作者通過(guò)力可以知道探針和樣品的距離，可以起到保護(hù)探針的目的。
本實(shí)施例設(shè)探針距離樣品表面的初始距離為dits，操作過(guò)程中探針和樣品的實(shí)際距離dpts，其中下標(biāo)i代表初始值(initial)，下標(biāo)p代表實(shí)際值(practice)，下標(biāo)t代表針尖(tip)，下標(biāo)d代表距離(distance)，下標(biāo)s代表樣品(sample)；令x為探針與樣品之間的實(shí)際距離比上探針與樣品之間的初始距離，即x＝dpts/dits，用F代表要輸出的力，游戲桿最大輸出力的值為Fmax；力反饋函數(shù)模塊流程如下(參見(jiàn)圖7)當(dāng)探針與樣品之間的實(shí)際距離與探針與樣品之間的初始距離之比x大于輸出作用力為零的門(mén)限p時(shí)(即x≥p)，游戲桿輸出力為零；否則，x值小于p且大于零時(shí)，設(shè)置力的大小為x乘以一次多項(xiàng)式系數(shù)m，再加上常數(shù)b，否則，判斷x值是否小于等于零且大于等于一次函數(shù)與二次函數(shù)交變的門(mén)限q，如x值是小于等于零且大于等于q，設(shè)置力的大小為ax2+bx+c，否則設(shè)置力的大小為最大輸出力Fmax，另外這里設(shè)定當(dāng)x值為0時(shí)，力的輸出值為最大輸出值Fmax除以K(K為任意正整數(shù))。
在本實(shí)施例中，x≥p時(shí)，游戲桿輸出力為零；當(dāng)探針逐漸逼近樣品表面，而與樣品未接觸時(shí)，即0＜x＜p，游戲桿輸出的力逐漸增大，但是增大的速率為線性；當(dāng)探針與樣品接觸后，反饋力要隨著探針深入樣品的距離急劇增大，即q＜x≤0，本發(fā)明用二次函數(shù)增大反饋力的值，直到游戲桿所能輸出力的最大值，當(dāng)x＜q時(shí)，游戲桿力的輸出保持最大值?？梢缘玫捷敵隽和x的關(guān)系如下令F==0x≥p=mx+n0<x<p=ax2+bx+cq<x≤0=Fmaxx≤q;]]>其中a、b、c與m、n分別為一次多項(xiàng)式和二次多項(xiàng)式的系數(shù)，為了保證力感的平滑，函數(shù)分段處的值應(yīng)該相等，二次函數(shù)和一次函數(shù)在分界處的一次導(dǎo)數(shù)應(yīng)該相等，那么可以得到a、b、c、m、n有如下關(guān)系n＝Fmax/K；m＝-n；c＝n；b＝m；a＝(Fmax-mq-n)/q2；得到反饋力F隨著x的變化曲線如圖4所示，通過(guò)本發(fā)明，可以起到在操作過(guò)程中保護(hù)探針的目的。
本實(shí)施例可以令K＝2，p＝1，q＝-0.1，F(xiàn)max＝1牛頓，求得n＝0.5；m＝-0.5；c＝0.5；b＝-0.5；a＝45；其物理意義是當(dāng)探針的實(shí)際距離大于初始距離時(shí)，游戲桿輸出的力值為0，當(dāng)探針的位置逐漸逼近樣品表面直到接觸到樣品表面時(shí)，游戲桿輸出的力成線形增加，達(dá)到最大值Fmax的一半，當(dāng)探針壓到樣品表面，繼續(xù)向樣品表面前進(jìn)時(shí)，力的增加成二次曲線，很快增加到最大輸出值Fmax，通過(guò)這樣的設(shè)置，探針越是逼近樣品，游戲桿輸出的力越大，移動(dòng)越困難，這樣就減小了探針損壞的機(jī)率，起到保護(hù)探針的目的。
本發(fā)明具有如下技術(shù)特點(diǎn)1.本發(fā)明所述方法可以將幾種無(wú)法感知的微觀作用信號(hào)轉(zhuǎn)換為宏觀力，并通過(guò)游戲桿輸出，使操作員可以實(shí)時(shí)感受到納米環(huán)境中不同種類(lèi)的相互作用，豐富了操作人員對(duì)于納米環(huán)境的感知信息。
2.采用本發(fā)明使反饋力的大小輸出策略可選，除上述可以將誤差信號(hào)、激光光斑左右信號(hào)、閉環(huán)控制信號(hào)等等轉(zhuǎn)換為力信號(hào)作為反饋輸出外，還可以將探針與樣品間的距離作為變量，通過(guò)游戲桿反饋給操作者。這樣探針與樣品的距離越近，則游戲桿輸出的力就越大，移動(dòng)探針就越困難，可以起到保護(hù)探針的目的。
3.在作用力反饋和掃描圖形的輔助下，操作者可以根據(jù)科研與加工作業(yè)需要進(jìn)行人機(jī)交互式納米操作，從而可以實(shí)現(xiàn)具有傳感器信息反饋與可視化圖形輔助的納米作業(yè)。
4.本發(fā)明另外一個(gè)特點(diǎn)就是成本低廉，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有通用性，可以施加在其它SPM家族的顯微鏡上。
5.本發(fā)明將傳統(tǒng)的游戲桿用到納米操作系統(tǒng)中去，成為雙向感知的操作桿，通過(guò)這個(gè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)具有力反饋的交互式納米操作。
6.本發(fā)明率先提出了從AFM采集的操作/掃描過(guò)程中的光電檢測(cè)誤差信號(hào)，光斑左右信號(hào)，閉環(huán)控制的電壓信號(hào)，以及STM的電流信號(hào)、閉環(huán)電壓信號(hào)等放大合適的倍數(shù)后直接通過(guò)游戲桿輸出，讓操作者感受表面形貌不同種類(lèi)的信息。
7.對(duì)于其它SPM家族的探針型顯微鏡，都可以取出其用于成像的信號(hào)，不同種類(lèi)的成像信號(hào)側(cè)重代表不同的表面形貌性質(zhì)。因此，本發(fā)明接口方法適用于任何商用SPM家族的顯微鏡，而不僅僅局限于AFM和STM。
8.本發(fā)明游戲桿在兩個(gè)方向上具有力輸出，解決如果需要三維力信息，如何讓操作者得到第三維力信息的問(wèn)題。
9.本發(fā)明將觸覺(jué)和視覺(jué)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)三維力信息的獲取，借以彌補(bǔ)游戲桿只在兩個(gè)方向上具有力反饋輸出的不足。
10.用游戲桿的兩個(gè)按鍵解決了不能單獨(dú)控制單方向運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。
權(quán)利要求
1.一種基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于以觸覺(jué)裝置游戲桿作交互接口，將人通過(guò)游戲桿發(fā)出的運(yùn)動(dòng)信息經(jīng)操作計(jì)算機(jī)、通過(guò)以太網(wǎng)傳送給控制計(jì)算機(jī)中SPM控制單元，由SPM控制單元控制SPM的探針運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米尺度下物品進(jìn)行操作；來(lái)自SPM的各種信息作為反饋信號(hào)經(jīng)控制計(jì)算機(jī)中SPM控制單元、通過(guò)以太網(wǎng)傳送給存有控制程序的操作計(jì)算機(jī)，控制程序?qū)?lái)自SPM的各種信息轉(zhuǎn)化為力信號(hào)放大后，通過(guò)游戲桿反饋給操作者，實(shí)現(xiàn)在納米尺度下人們對(duì)樣品表面形貌的觸覺(jué)感知。
2.按照權(quán)利要求
1所述基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述控制程序流程為，首先初始化，然后四個(gè)線程同時(shí)開(kāi)始工作，其中線程1為游戲桿力感輸出模塊，線程2為等待消息并且執(zhí)行消息對(duì)應(yīng)的響應(yīng)模塊，線程3為用于socket間的相互通信模塊，線程4為屏幕顯示界面的動(dòng)態(tài)更新模塊；其中線程2通過(guò)消息隊(duì)列與游戲桿對(duì)探針的控制模塊通訊。
3.按照權(quán)利要求
2所述基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述游戲桿力感輸出模塊流程為在來(lái)自硬件的中斷的情況下，先判斷是否有中斷產(chǎn)生，有中斷產(chǎn)生則根據(jù)等待消息、并且執(zhí)行消息對(duì)應(yīng)的響應(yīng)模塊的感知知信息種類(lèi)消息取出用戶需要感知的信息量，將該信號(hào)進(jìn)行去噪濾波處理，然后至力反饋函數(shù)模塊進(jìn)行放大；再判斷放大后的值是否超過(guò)最大值，若超過(guò)，將該值等于所允許最大值，然后通過(guò)游戲桿將X、Y向二維力輸出，返回是否有中斷產(chǎn)生的判斷；若不超過(guò)最大值，則直接通過(guò)游戲桿將X、Y向二維力輸出。
4.按照權(quán)利要求
2所述基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述等待消息并且執(zhí)行消息對(duì)應(yīng)的響應(yīng)模塊流程為先接收消息，并將消息分發(fā)到對(duì)應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)；當(dāng)感知信息種類(lèi)消息到來(lái)的時(shí)候，根據(jù)消息的種類(lèi)確定需要提出的信息種類(lèi)，并將該種類(lèi)信息作為公用變量傳遞給線程1；當(dāng)刻畫(huà)操作消息到來(lái)時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的刻畫(huà)操作函數(shù)；當(dāng)操作納米線消息到來(lái)時(shí)，程序?qū)?zhí)行相應(yīng)的推動(dòng)納米線操作；當(dāng)操作納米顆粒消息到來(lái)的時(shí)候，執(zhí)行相應(yīng)得推動(dòng)納米顆粒操作；當(dāng)收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)消息時(shí)，如果操作者同意發(fā)送數(shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)，如果不同意，則等待下一次網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)消息的到來(lái)；從游戲桿控制探針運(yùn)動(dòng)模塊得到游戲桿的位置坐標(biāo)后，首先將其轉(zhuǎn)換位屏幕坐標(biāo)，如果不是操作納米線，至是操作納米顆粒的判斷，是操作納米線時(shí)，根據(jù)納米線管的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算其運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)；是操作納米顆粒時(shí)，計(jì)算出納米顆粒新的位置坐標(biāo)，如果不是進(jìn)行納米顆粒，至是否進(jìn)行納米刻畫(huà)判斷，如果是進(jìn)行納米刻畫(huà)，再判斷納米刻畫(huà)進(jìn)行標(biāo)志位是否置1，如果沒(méi)有置1，程序等待下一次游戲桿位置消息的到來(lái)，如果納米刻畫(huà)進(jìn)行標(biāo)志位置1，則將當(dāng)前游戲桿的坐標(biāo)存入鏈表。
5.按照權(quán)利要求
2所述基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述用于socket間的相互通信模塊流程為首先判斷本線程是否結(jié)束，若結(jié)束則終止該線程；否則，判斷是否有數(shù)據(jù)從SPM控制單元傳來(lái)，有數(shù)據(jù)傳來(lái)時(shí)判斷數(shù)據(jù)是否正確，在數(shù)據(jù)正確的情況下存入二進(jìn)制文件中，返回重新判斷本線程是否結(jié)束；在數(shù)據(jù)沒(méi)傳來(lái)、數(shù)據(jù)不正確情況下分別直接返回重新判斷本線程是否結(jié)束。
6.按照權(quán)利要求
2所述基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述屏幕顯示界面的動(dòng)態(tài)更新模塊流程為首先初始化，即設(shè)置象素格式、投影方式、視點(diǎn)，再判斷本線程是否結(jié)束，若沒(méi)結(jié)束則判斷加載位圖否，若加載位圖則根據(jù)位圖重畫(huà)界面，至是否進(jìn)行納米刻畫(huà)的判斷；位圖末加載則直接至是否進(jìn)行納米刻畫(huà)的判斷；進(jìn)行納米刻畫(huà)是將鏈表中存入的點(diǎn)畫(huà)到顯示界面，然后判斷是否進(jìn)行推動(dòng)納米顆粒的操作；不進(jìn)行刻畫(huà)，直接判斷是否進(jìn)行推動(dòng)納米顆粒的操作；進(jìn)行推動(dòng)納米顆粒的操作時(shí)依據(jù)計(jì)算出的原子的新位置來(lái)更新界面，再判斷是否推動(dòng)納米線；不進(jìn)行推動(dòng)納米顆粒的操作，直接判斷是否推動(dòng)納米線；是推動(dòng)納米線操作則要依據(jù)計(jì)算出的棒體的新位置來(lái)更新圖片，將當(dāng)前的圖形界面存儲(chǔ)到內(nèi)存中，以便下次更新內(nèi)存時(shí)用；不是推動(dòng)納米線操作，直接將當(dāng)前的圖形界面存儲(chǔ)到內(nèi)存中；再判斷是否保存當(dāng)前圖形，保存，則將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)以BMP位圖的格式存儲(chǔ)到硬盤(pán)，將線程1計(jì)算出得Z方向力的大小，根據(jù)線形模型轉(zhuǎn)換為柱狀條的高低，并顯示在界面上；若不是，直接將線程1計(jì)算出得Z方向力的大小，根據(jù)線形模型轉(zhuǎn)換為柱狀條的高低，并顯示在界面上，然后返回線程是否結(jié)束的判斷。
7.按照權(quán)利要求
2所述基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述游戲桿對(duì)探針的控制模塊具體流程為在整個(gè)控制程序開(kāi)始階段，進(jìn)行硬件的初始化，包括物理設(shè)備指定，數(shù)據(jù)格式設(shè)定，坐標(biāo)關(guān)系設(shè)定，然后查看定時(shí)器時(shí)間是否溢出；若否，則繼續(xù)在此進(jìn)行查詢，若定時(shí)器溢出，則將定時(shí)器歸零，并通過(guò)DirectX函數(shù)獲取游戲桿當(dāng)前的狀態(tài)信息，具體包括X，Y，Z的運(yùn)動(dòng)方向以及速度檔的大??；然后將當(dāng)前的游戲桿狀態(tài)和上各時(shí)刻游戲桿的狀態(tài)作比較，若沒(méi)有變化，則返回定時(shí)器是否溢出處，等待下一次定時(shí)器溢出，若有變化，則根據(jù)新的游戲桿狀態(tài)值至探針X，Y向運(yùn)動(dòng)控制模塊及探針Z向運(yùn)動(dòng)控制模塊，來(lái)控制探針的運(yùn)動(dòng)，確定游戲桿的位置坐標(biāo)，然后返回定時(shí)器是否溢出處，等待定時(shí)器的下一次溢出。
8.按照權(quán)利要求
7所述基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述探針X，Y向運(yùn)動(dòng)控制模塊流程如下根據(jù)獲得的游戲桿狀態(tài)信息計(jì)算出游戲桿在X，Y方向上的運(yùn)動(dòng)角α，再根據(jù)游戲桿狀態(tài)信息，獲得操作者設(shè)定的X，Y方向運(yùn)動(dòng)的速度檔。根據(jù)第n時(shí)刻的位置，計(jì)算出n+1時(shí)刻探針的位置。
9.按照權(quán)利要求
7所述基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述探針X，Y向運(yùn)動(dòng)控制模塊流程為；判斷按鍵1是否按下，是按下?tīng)顟B(tài)，表示向Z正向運(yùn)動(dòng)，Z向n+1時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置為Z向運(yùn)動(dòng)的最小變化步長(zhǎng)加上n時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置，即Vz(n+1)＝Vz(n)+Kv；判斷按鍵2是否按下；按鍵1沒(méi)按下，則直接判斷按鍵2是否按下；若按鍵2按下，表示向Z負(fù)向運(yùn)動(dòng)，Z向n+1時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置為Z向運(yùn)動(dòng)的最小變化步長(zhǎng)減去n時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置，即Vz(n+1)＝Vz(n)-Kv；返回游戲桿對(duì)探針的控制模塊中定時(shí)器是否溢出處，等待定時(shí)器的下一次溢出；若按鍵2沒(méi)按下，直接返回游戲桿對(duì)探針的控制模塊中定時(shí)器是否溢出處；其中Kv為Z向運(yùn)動(dòng)的最小變化步長(zhǎng)，其大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)；Vz(n+1)為n+1時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置，Vz(n)為n時(shí)刻探針的運(yùn)動(dòng)位置。
10.按照權(quán)利要求
3所述基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述力反饋函數(shù)模塊流程如下當(dāng)探針與樣品之間的實(shí)際距離與探針與樣品之間的初始距離之比x大于輸出作用力為零的門(mén)限p時(shí)，游戲桿輸出力為零；否則，x值小于p且大于零時(shí)，設(shè)置力的大小為x乘以一次多項(xiàng)式系數(shù)m，再加上常數(shù)b，否則，判斷x值是否小于等于零且大于等于一次函數(shù)與二次函數(shù)交變的門(mén)限q，如x值是小于等于零且大于等于q，設(shè)置力的大小為ax2+bx+c，否則設(shè)置力的大小為最大輸出力Fmax；其中a、b、c為二次多項(xiàng)式的常系數(shù)。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種基于掃描探針顯微鏡的低價(jià)位觸覺(jué)交互接口的實(shí)現(xiàn)方法。它以觸覺(jué)裝置游戲桿作交互接口，將人通過(guò)游戲桿發(fā)出的運(yùn)動(dòng)信息經(jīng)操作計(jì)算機(jī)、通過(guò)以太網(wǎng)傳送給控制計(jì)算機(jī)中SPM控制單元，由SPM控制單元控制SPM的探針運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米尺度下物品進(jìn)行操作；來(lái)自SPM的各種信息作為反饋信號(hào)經(jīng)控制計(jì)算機(jī)中SPM控制單元、通過(guò)以太網(wǎng)傳送給存有控制程序的操作計(jì)算機(jī)，控制程序?qū)?lái)自SPM的各種信息轉(zhuǎn)化為力信號(hào)放大后，通過(guò)游戲桿反饋給操作者，實(shí)現(xiàn)在納米尺度下人們對(duì)樣品表面形貌的觸覺(jué)感知。感知信息豐富。本發(fā)明可用各種信息作為反饋信號(hào)，豐富操作者感知納米尺度下樣品表面各種形貌信息的思想；它價(jià)格低，開(kāi)發(fā)方便，應(yīng)用廣泛。
文檔編號(hào)G01Q30/00GKCN1900687SQ200510046916
公開(kāi)日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2005年7月22日
發(fā)明者董再勵(lì), 劉連慶, 田孝軍, 焦念東 申請(qǐng)人:董再勵(lì)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan