專利名稱：一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺(tái)及方法，屬于遙納操作技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近幾十年來，隨著微/納米技術(shù)的快速發(fā)展和對(duì)微系統(tǒng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)微型化、功能集成化的不斷需求，高效、靈敏、適應(yīng)性強(qiáng)的納米操作系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。但傳統(tǒng)的操作方式由于受到納米尺度的尺寸效應(yīng)等因素的影響使得傳統(tǒng)操作方式難以適應(yīng)納米尺度構(gòu)件操作技術(shù)的發(fā)展需求，具有虛擬現(xiàn)實(shí)功能的遙納操作逐漸走上舞臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)納米操作的研究，基于原子力顯微鏡(AFM)的操作系統(tǒng)最為成熟，但是由于缺乏操作過程的實(shí)時(shí)圖像信息使得系統(tǒng)具有操作效率低、靈活性差等缺點(diǎn)；基于SEM的操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)的操作圖像反饋信息，并且操作對(duì)象不受樣品臺(tái)影響等優(yōu)點(diǎn)，因此基于SEM的納米操作系統(tǒng)是功能較為完善的系統(tǒng)，是很有發(fā)展前途的一項(xiàng)技術(shù)。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(zhǔn)確性和成功率等綜合性能的有效的操作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的納米操作系統(tǒng)對(duì)納米粒子或構(gòu)件進(jìn)行操作缺乏操作過程實(shí)時(shí)的圖像信息，系統(tǒng)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(tái)及實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互的方法。一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺(tái)，它包括掃描電子顯微鏡、納米定位器、操作探針、樣品臺(tái)、觸覺主手、納米定位控制器、上位機(jī)和樣本腔體，所述樣本腔體內(nèi)設(shè)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(shè)置有操作探針，操作探針的末端與樣品臺(tái)的臺(tái)面相接觸；所述樣品臺(tái)固定安裝在樣本腔體的內(nèi)側(cè)壁上；該樣品臺(tái)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(nèi)，該掃描電子顯微鏡用于采集操作探針針尖所在區(qū)域的圖像；所述觸覺主手通過USB接口與上位機(jī)連接，上位機(jī)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(nèi)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(jī)的圖像信息輸入端；上位機(jī)將圖像信息處理后發(fā)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(hào)輸出端連接上位機(jī)的主手位置信息信號(hào)輸入端；上位機(jī)的位置控制指令信號(hào)輸出端連接納米定位控制器的位置控制指令信號(hào)輸入端;納米定位控制器的位置信號(hào)輸出端連接納米定位器的位置信號(hào)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(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，該控制方法為:步驟一、在上位機(jī)上，在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺主手的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3Ds MAX和OpenGL開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境；步驟二、將納米線放置在樣品臺(tái)上，然后通過碰撞檢測(cè)算法對(duì)虛擬環(huán)境中的操作探針的位置和其所在的虛擬環(huán)境進(jìn)行碰撞檢測(cè):首先應(yīng)用層次包圍盒法在操作探針外設(shè)置包圍盒，若操作探針的包圍盒未與納米線和樣品臺(tái)未發(fā)生碰撞則不做判斷；若操作探針的包圍盒發(fā)生碰撞，則開始進(jìn)入碰撞檢測(cè)循環(huán)序列當(dāng)中:碰撞檢測(cè)循環(huán)序列納米操作碰撞檢測(cè)分為:操作探針與樣品臺(tái)之間的納米操作碰撞檢測(cè)、納米線與樣品臺(tái)之間的納米操作碰撞檢測(cè)及操作探針與納米線之間的納米操作碰撞檢測(cè)三部分； 操作探針與樣品臺(tái)之間的納米操作碰撞檢測(cè)為:先判斷操作探針的包圍盒與樣品臺(tái)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作；若是，則繼續(xù)判斷操作探針與樣品臺(tái)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作；若是，則將檢測(cè)到碰撞的反饋力反饋給上位機(jī)；納米線與樣品臺(tái)之間的納米操作碰撞檢測(cè)為:應(yīng)用層次包圍球法在納米線外設(shè)置包圍球；先判斷納米線的層次包圍球與樣品臺(tái)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作；若是，則繼續(xù)判斷納米線與樣品臺(tái)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作；若是，則將檢測(cè)到碰撞的反饋力反饋給上位機(jī)；操作探針與納米線之間的納米操作碰撞檢測(cè)為:先由上位機(jī)采集通過掃描電子顯微鏡獲得的操作探針的幾何參數(shù)，建立操作探針的錐體模型，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)填充適合錐體的包圍球結(jié)構(gòu)，執(zhí)行操作探針的包圍球結(jié)構(gòu)與納米線的包圍球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測(cè):先判斷操作探針的包圍盒與納米線是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作；若是，則，采用疊前球心排列的方法對(duì)操作探針和納米線進(jìn)行骨骼球填充，執(zhí)行操作探針的骨骼球與納米線的骨骼球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測(cè)，若否，則不做任何動(dòng)作；若是則將檢測(cè)到碰撞的反饋力反饋給上位機(jī)；步驟三、上位機(jī)通過力覺渲染算法和Chia3d力覺渲染引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)步驟二的操作探針與樣品臺(tái)之間的納米操作碰撞檢測(cè)、納米線與樣品臺(tái)之間的納米操作碰撞檢測(cè)及操作探針與納米線之間的納米操作碰撞檢測(cè)所獲得的反饋力的力覺渲染，并將渲染后的反饋力的數(shù)據(jù)反饋到觸覺主手，實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明的目的是在SM的操作環(huán)境下，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、觸覺設(shè)備與納米操作系統(tǒng)相結(jié)合，使操作者通過上位機(jī)可以感受到納米操作過程的實(shí)時(shí)力覺反饋，并且利用相關(guān)軟件開發(fā)的虛擬操作環(huán)境實(shí)現(xiàn)納米操作過程的三維可視化，從而確保納米操作的實(shí)時(shí)性、靈活性和準(zhǔn)確性。有益效果:
1.本發(fā)明基于開發(fā)的虛擬納米操作環(huán)境，通過虛擬納米操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)際納米操作過程的預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上控制實(shí)際納米操作平臺(tái)進(jìn)行單步隨動(dòng)或離線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)加入了觸覺反饋設(shè)備提供納米操作過程的實(shí)時(shí)力覺反饋，增強(qiáng)了操者的感知能力；2.本發(fā)明所開發(fā)的虛擬納米操作環(huán)境是三維的，通過軟件開發(fā)的虛擬操作環(huán)境可實(shí)現(xiàn)納米操作過程的操作環(huán)境的實(shí)時(shí)三維可視化，克服了 SEM圖像是二維的缺點(diǎn)，從而確保了三維納米操作過程的準(zhǔn)確性和可視化；3.本發(fā)明首先操縱虛擬現(xiàn)實(shí)觸覺設(shè)備主手來控制虛擬納米操作從手的運(yùn)動(dòng)，操作成功后再通過串口控制實(shí)際納米操作探針的運(yùn)動(dòng)，從而大大地提高了納米操作的成功率，確保了操作平臺(tái)的安全，在SEM環(huán)境下進(jìn)行納米操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)際納米操作過程圖像的實(shí)時(shí)反饋；4.本發(fā)明應(yīng)用具有力覺臨場(chǎng)感的新型遙納操作系統(tǒng)，虛擬環(huán)境中的納米操作實(shí)現(xiàn)后通過串口控制實(shí)際納米操作過程，實(shí)現(xiàn)納米操作的遠(yuǎn)距離控制，即遙操作，可完成遠(yuǎn)程納米操作、受力信息反饋、實(shí)驗(yàn)校正，操作簡(jiǎn)單，降低平臺(tái)成本的同時(shí)提高了操作的成功率。


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(tái)的結(jié)構(gòu)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(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互方法的方法流程圖
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一:下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)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(tái)，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(tái)4、觸覺主手Omega.35、納米定位控制器6、上位機(jī)7和樣本腔體8，所述樣本腔體8內(nèi)設(shè)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(shè)置有操作探針3，操作探針3的末端與樣品臺(tái)4的臺(tái)面相接觸；所述樣品臺(tái)4固定安裝在樣本腔體8的內(nèi)側(cè)壁上；該樣品臺(tái)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(nèi)，該掃描電子顯微鏡I用于采集操作探針3針尖所在區(qū)域的圖像；所述觸覺主手Omega.35通過USB接口與上位機(jī)I連接，上位機(jī)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(nèi)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(jī)7的圖像信息輸入端；上位機(jī)7將圖像信息處理后發(fā)送位置與力控制信息至觸覺主手Omega.35 ；觸覺主手Omega.35的主手位置信息信號(hào)輸出端連接上位機(jī)7的主手位置信息信號(hào)輸入端；上位機(jī)7的位置控制指令信號(hào)輸出端連接納米定位控制器6的位置控制指令信號(hào)輸入端；納米定位控制器6的位置信號(hào)輸出端連接納米定位器2的位置信號(hào)輸入端。
具體實(shí)施方式
二:下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式所述的納米定位器2是采用Attocube實(shí)現(xiàn)的。
具體實(shí)施方式
三:下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式所述的所述納米定位控制器6是采用ANC150實(shí)現(xiàn)的。
具體實(shí)施方式
四:下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)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(tái)實(shí)現(xiàn)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(jī)7上，在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺主手Omega.35的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3Ds MAX和OpenGL開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境；步驟二、將納米線放置在樣品臺(tái)4上，然后通過碰撞檢測(cè)算法對(duì)虛擬環(huán)境中的操作探針3的位置和其所在的虛擬環(huán)境進(jìn)行碰撞檢測(cè):首先應(yīng)用層次包圍盒法在操作探針3外設(shè)置包圍盒，若操作探針3的包圍盒未與納米線和樣品臺(tái)4未發(fā)生碰撞則不做判斷；若操作探針3的包圍盒發(fā)生碰撞，則開始進(jìn)入碰撞檢測(cè)循環(huán)序列當(dāng)中:碰撞檢測(cè)循環(huán)序列納米操作碰撞檢測(cè)分為:操作探針3與樣品臺(tái)4之間的納米操作碰撞檢測(cè)、納米線與樣品臺(tái)4之間的納米操作碰撞檢測(cè)及操作探針3與納米線之間的納米操作碰撞檢測(cè)三部分；操作探針3與樣品臺(tái)4之間的納米操作碰撞檢測(cè)為:先判斷操作探針3的包圍盒與樣品臺(tái)4是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作；若是，則繼續(xù)判斷操作探針3與樣品臺(tái)4是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作；若是，則將檢測(cè)到碰撞的反饋力反饋給上位機(jī)7 ；納米線與樣品臺(tái)4之間的納米操作碰撞檢測(cè)為:應(yīng)用層次包圍球法在納米線外設(shè)置包圍球；先判斷納米線的包圍球與樣品臺(tái)4是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作；若是，則繼續(xù)判斷納米線與樣品臺(tái)4是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作；若是，則將檢測(cè)到碰撞的反饋力反饋給上位機(jī)7 ；操作探針3與納米線之間的納米操作碰撞檢測(cè)為:先由上位機(jī)7采集通過掃描電子顯微鏡I獲得的操作探針3的幾何參數(shù)，建立操作探針3的錐體模型，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)填充適合錐體的包圍球結(jié)構(gòu)，執(zhí)行操作探針3的包圍球結(jié)構(gòu)與納米線的包圍球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測(cè):先判斷操作探針3的包圍盒與納米線是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作；若是，則，采用疊前球心排列的方法對(duì)操作探針3和納米線進(jìn)行骨骼球填充，執(zhí)行操作探針3的骨骼球與納米線的骨骼球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測(cè)，若否，則不做任何動(dòng)作；若是則將檢測(cè)到碰撞的反饋力反饋給上位機(jī)7 ；步驟三、上位機(jī)7通過力覺渲染算法和Chia3d力覺渲染引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)步驟二的操作探針3與樣品臺(tái)4之間的納米操作碰撞檢測(cè)、納米線與樣品臺(tái)4之間的納米操作碰撞檢測(cè)及操作探針3與納米線之間的納米操作碰撞檢測(cè)所獲得的反饋力的力覺渲染，并將渲染后的反饋力的數(shù)據(jù)反饋到觸覺主手Omega.35，實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互。
具體實(shí)施方式
五:下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式四的進(jìn)一步說明，本實(shí)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(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，步驟一中，在上位機(jī)7上，在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺主手Omega.3的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3Ds MAX和OpenGL開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境的具體實(shí)現(xiàn)方法為:在3DsMax中通過管型工具繪制三維管型模型，通過軟件導(dǎo)出功能導(dǎo)出該管型模型的3ds文件待Chai3d調(diào)用；Chai3d程序調(diào)用管型模型的3ds文件，并將其屬性設(shè)置為骨骼模型；用OpenGL函數(shù)直接繪制導(dǎo)出的3ds文件中的頂點(diǎn)形成網(wǎng)格，并生成網(wǎng)格模型，通過編輯實(shí)現(xiàn)幾何的形變，得到虛擬三維納米操作環(huán)境。
具體實(shí)施方式
六:下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式四的進(jìn)一步說明，本實(shí)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(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，步驟三中的力覺渲染算法為:將操作探針3的骨骼球和納米線的骨骼球作為原子，將樣品臺(tái)4看成一個(gè)無限大的平面，通過計(jì)算原子與無限大平面和原子之間的作用力來進(jìn)行力覺渲染。本發(fā)明的工作原理:本發(fā)明基于掃描電子顯微鏡SEM和納米定位器，通過力覺反饋主手控制所開發(fā)的三維虛擬納米操作環(huán)境中的操作從手-納米定位器，根據(jù)平臺(tái)所提供的虛擬力覺反饋信息和三微虛擬及二維實(shí)際視覺信息進(jìn)行虛擬納米操作，在虛擬操作成功后，通過串口控制實(shí)際納米操作平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，提高了納米操作的成功率。該平臺(tái)避免了高成本、難加工、適應(yīng)性差的納米力覺傳感器的使用，降低了操作成本。通過具有力覺臨場(chǎng)感的納米操作方法可實(shí)現(xiàn)高效、靈活、穩(wěn)定的可視化三維納米操作，有利于納米操作的實(shí)用化。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺設(shè)備Omega.3的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3DsMAX和OpenGL實(shí)現(xiàn)開發(fā)虛擬納米操作環(huán)境。虛擬納米操作對(duì)象(以納米線為代表)和操作探針3采用3DsMax與骨骼填充方法進(jìn)行建模。在3DsMax中通過管型工具繪制三維管型模型，通過軟件導(dǎo)出功能導(dǎo)出該管型模型的3ds文件待Chai3d調(diào)用。由Chai3d程序調(diào)用建好的管型3ds模型，并將其屬性設(shè)置為骨骼模型。骨骼的作用在于方便計(jì)算操作點(diǎn)與物體各個(gè)部分的碰撞檢測(cè)，并通過骨骼球之間力鍵的作用產(chǎn)生形變，為虛擬納觀力的加載提供了便利條件。用OpenGL函數(shù)直接繪制導(dǎo)出的3ds文件中的頂點(diǎn)形成網(wǎng)格并生成網(wǎng)格模型，通過編輯實(shí)現(xiàn)幾何的形變。從而實(shí)現(xiàn)虛擬三維視覺的動(dòng)態(tài)交互。三維視覺動(dòng)態(tài)交互模型如圖2所示。通過碰撞檢測(cè)算法對(duì)虛擬環(huán)境中的操作探針3 (與實(shí)際平臺(tái)的觸覺主手Omega.3對(duì)應(yīng))的位置和虛擬環(huán)境進(jìn)行碰撞檢測(cè)，然后通過力覺渲染算法和Chia3d力覺渲染引擎實(shí)現(xiàn)力覺渲染后反饋到觸覺設(shè)備Omega.3實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互。在納米操作過程中加入力覺臨場(chǎng)感的人機(jī)交互操作方法，增加納米操作過程的可控性，降低平臺(tái)的操作成本。針對(duì)本控制系統(tǒng)中的納米線單一模型，碰撞檢測(cè)算法基于虛擬的骨骼球模型，采用層次包圍盒法實(shí)現(xiàn)。操作探針3與納米線的碰撞檢測(cè)判斷一般情況下均為動(dòng)態(tài)模型檢測(cè)，其判斷要更為復(fù)雜，使判斷難度大大增加。因此將納米操作的碰撞檢測(cè)分為操作探針3與樣品臺(tái)4、納米線與樣品臺(tái)4及操作探針3與納米線之間三部分，分別進(jìn)行碰撞檢測(cè)然后進(jìn)行整合。整合流程圖如圖3所示。首先將操作探針3加入包圍盒判斷，若操作探針3的包圍盒未發(fā)生碰撞則無任何深入判斷；若判斷出與樣品臺(tái)4(平面)或納米線(有向包圍盒)發(fā)生碰撞，則開始進(jìn)入碰撞檢測(cè)循環(huán)序列當(dāng)中。這時(shí)若檢測(cè)到是樣品臺(tái)4，執(zhí)行操作探針3與樣品臺(tái)4的碰撞檢測(cè)算法；若檢測(cè)到是納米線，這時(shí)操作探針3將劃分為包圍球結(jié)構(gòu)來與納米線的包圍球結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞檢測(cè)。由于納米線的包圍盒與樣品臺(tái)4的碰撞檢測(cè)算法占系統(tǒng)資源較少，它們始終在進(jìn)行包圍盒與平面的碰撞檢測(cè)判斷，但不做任何動(dòng)作，僅當(dāng)操作探針3與納米線發(fā)生了碰撞才更深入的檢測(cè)納米線的層次包圍球與平面的碰撞檢測(cè)。操作探針3的幾何參數(shù)通過SEM下已經(jīng)獲得，并建好了錐體模型，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)填充適合錐體的包圍球結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)操作探針3與納米線之間的相交檢測(cè)。本發(fā)明根據(jù)操作探針3的具體情況和試驗(yàn)比較結(jié)果，最后采用疊前球心排列的方法對(duì)操作探針3進(jìn)行骨骼球填充，這種方法既不像按直徑排列，遺漏很多填充空間；也不像疊后球心排列，具有較為麻煩的排列順序和較大的運(yùn)算量。力覺渲染算法將操作探針3和納米線的骨骼球看作原子，將操作樣品臺(tái)4看成一個(gè)無限大的平面，通過計(jì)算原子與無限大平面和原子之間的作用力來進(jìn)行力覺渲染。納米線形變的力鍵表達(dá)通過將納米線內(nèi)部的力鍵看作彈簧，而力鍵的值就相當(dāng)于彈簧的彈性系數(shù)與拉伸關(guān)系的乘積。當(dāng)力鍵平衡發(fā)生變化時(shí)，力鍵產(chǎn)生恢復(fù)平衡狀態(tài)的能量，球體將受到力鍵的反作用力。由于其它外力力鍵將再次達(dá)到平衡，產(chǎn)生形變效果。虛擬納米操作成功后，再控制實(shí)際的納米操作平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)納米操作過程的預(yù)測(cè)預(yù)演。虛擬預(yù)測(cè)預(yù)演系統(tǒng)可控制實(shí)際納米操作過程的單步隨動(dòng)或離線運(yùn)動(dòng)。在SEM的真空干燥操作環(huán)境下進(jìn)行納米操作，可實(shí)現(xiàn)實(shí)際納米操作過程圖像的實(shí)時(shí)反饋。虛擬環(huán)境中的納米操作實(shí)現(xiàn)后，通過串口控制實(shí)際納米操作過程，實(shí)現(xiàn)納米操作的遠(yuǎn)距離控制，即遙操作。本發(fā)明不局限于上述實(shí)施方式，還可以是上述各實(shí)施方式中所述技術(shù)特征的合理組合。
權(quán)利要求
1.一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺(tái)，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(tái)(4)、觸覺主手(5)、納米定位控制器(6)、上位機(jī)(7)和樣本腔體(8)， 所述樣本腔體(8)內(nèi)設(shè)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(shè)置有操作探針(3)，操作探針(3)的末端與樣品臺(tái)(4)的臺(tái)面相接觸；所述樣品臺(tái)(4)固定安裝在樣本腔體(8)的內(nèi)側(cè)壁上；該樣品臺(tái)(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(nèi)，該掃描電子顯微鏡(I)用于采集操作探針(3 )針尖所在區(qū)域的圖像； 所述觸覺主手(5 )通過USB接口與上位機(jī)(7 )連接，上位機(jī)(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(nèi)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(jī)(7)的圖像信息輸入端； 上位機(jī)(7)將圖像信息處理后發(fā)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(hào)輸出端連接上位機(jī)(7)的主手位置信息信號(hào)輸入端; 上位機(jī)(7)的位置控制指令信號(hào)輸出端連接納米定位控制器(6)的位置控制指令信號(hào)輸入端； 納米定位控制器(6)的位置信號(hào)輸出端連接納米定位器(2)的位置信號(hào)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)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(tái)的操作方法，其特征在于:所述納米定位器(2)是采用Attocube實(shí)現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)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(tái)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(shí)現(xiàn)的。
4.關(guān)于權(quán)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(tái)實(shí)現(xiàn)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(jī)(7)上，在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺主手(5)的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3DsMAX和OpenGL開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境； 步驟二、將納米線放置在樣品臺(tái)(4)上，然后通過碰撞檢測(cè)算法對(duì)虛擬環(huán)境中的操作探針(3)的位置和其所在的虛擬環(huán)境進(jìn)行碰撞檢測(cè): 首先應(yīng)用層次包圍盒法在操作探針(3)外設(shè)置包圍盒，若操作探針(3)的包圍盒未與納米線和樣品臺(tái)(4)未發(fā)生碰撞則不做判斷； 若操作探針(3)的包圍盒發(fā)生碰撞，則開始進(jìn)入碰撞檢測(cè): 碰撞檢測(cè)分為:操作探針(3)與樣品臺(tái)(4)之間的納米操作碰撞檢測(cè)、納米線與樣品臺(tái)(4)之間的納米操作碰撞檢測(cè)及操作探針(3)與納米線之間的納米操作碰撞檢測(cè)三部分；操作探針(3)與樣品臺(tái)(4)之間的納米操作碰撞檢測(cè)為:先判斷操作探針(3)的包圍盒與樣品臺(tái)(4)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作； 若是，則繼續(xù)判斷操作探針(3)與樣品臺(tái)(4)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作； 若是，則將檢測(cè)到碰撞的反饋力反饋給上位機(jī)(7);納米線與樣品臺(tái)(4)之間的納米操作碰撞檢測(cè)為:應(yīng)用層次包圍球法在納米線外側(cè)設(shè)置包圍球； 先判斷納米線的包圍球與樣品臺(tái)(4)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作； 若是，則繼續(xù)判斷納米線與樣品臺(tái)(4)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作； 若是，則將檢測(cè)到碰撞的反饋力反饋給上位機(jī)(7); 操作探針(3)與納米線之間的納米操作碰撞檢測(cè)為: 先由上位機(jī)(7 )采集通過掃描電子顯微鏡(I)獲得的操作探針(3 )的幾何參數(shù)，建立操作探針(3)的錐體模型，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)填充適合錐體的包圍球結(jié)構(gòu)，執(zhí)行操作探針(3)的包圍球結(jié)構(gòu)與納米線的包圍球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測(cè):先判斷操作探針(3)的包圍盒與納米線是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動(dòng)作； 若是，則，采用疊前球心排列的方法對(duì)操作探針(3)和納米線進(jìn)行骨骼球填充，執(zhí)行操作探針(3)的骨骼球 與納米線的骨骼球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測(cè)，若否，則不做任何動(dòng)作； 若是則將檢測(cè)到碰撞的反饋力反饋給上位機(jī)(7)； 步驟三、上位機(jī)(7)通過力覺渲染算法和Chia3d力覺渲染引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)步驟二的操作探針(3)與樣品臺(tái)(4)之間的納米操作碰撞檢測(cè)、納米線與樣品臺(tái)(4)之間的納米操作碰撞檢測(cè)及操作探針(3)與納米線之間的納米操作碰撞檢測(cè)所獲得的反饋力的力覺渲染，并將渲染后的反饋力的數(shù)據(jù)反饋到觸覺主手(5 )，實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互。
5.根據(jù)權(quán)利要求4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(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，其特征在于，步驟一中，在上位機(jī)(7)上，在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺主手的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3DsMAX和OpenGL開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境的具體實(shí)現(xiàn)方法為: 在3DsMax中通過管型工具繪制三維管型模型，通過軟件導(dǎo)出功能導(dǎo)出該管型模型的3ds文件待Chai3d調(diào)用；Chai3d程序調(diào)用管型模型的3ds文件，并將其屬性設(shè)置為骨骼模型；用OpenGL函數(shù)直接繪制導(dǎo)出的3ds文件中的頂點(diǎn)形成網(wǎng)格，并生成網(wǎng)格模型，通過編輯實(shí)現(xiàn)幾何的形變，得到虛擬三維納米操作環(huán)境。
6.根據(jù)權(quán)利要求4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(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，其特征在于，步驟三中的力覺渲染算法為:將操作探針(3)的骨骼球和納米線的骨骼球作為原子，將樣品臺(tái)(4)看成一個(gè)無限大的平面，通過計(jì)算原子與無限大平面和原子之間的作用力來進(jìn)行力覺渲染。
全文摘要
一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)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(tái)及方法。它解決了目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的納米操作系統(tǒng)對(duì)納米粒子或構(gòu)件進(jìn)行操作缺乏操作過程實(shí)時(shí)的圖像信息，系統(tǒng)的操作效率低、靈活性差的問題。該平臺(tái)包括掃描電子顯微鏡、納米定位器、操作探針、樣品臺(tái)、觸覺主手Omega.3、納米定位控制器、上位機(jī)和樣本腔體；在VC++2008環(huán)境下，開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境；通過碰撞檢測(cè)算法進(jìn)行碰撞檢測(cè)；上位機(jī)對(duì)所獲得反饋力進(jìn)行力覺渲染，并反饋到觸覺主手Omega.3，實(shí)現(xiàn)虛擬力覺交互。本發(fā)明適用于遙納操作技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G06F3/01GK103092346SQ201310012630
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者榮偉彬, 李東潔, 鄒宇, 肖萬哲, 孫立寧 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)