[发明专利]一种基于扫描电子显微镜的虚拟力反馈遥纳操作平台及实现虚拟力觉交互的方法

权利要求书

1.一种基于扫描电子显微镜的虚拟力反馈遥纳操作平台，其特征在于：它包括扫描电子显微镜（1）、纳米定位器（2）、操作探针（3）、样品台（4）、触觉主手（5）、纳米定位控制器（6）、上位机（7）和样本腔体（8），

所述样本腔体（8）内设置有纳米定位器（2），纳米定位器（2）位于样本腔体（8）的底部；

所述纳米定位器（2）上设置有操作探针（3），操作探针（3）的末端与样品台（4）的台面相接触；所述样品台（4）固定安装在样本腔体（8）的内侧壁上；该样品台（4）用于放置纳米线；

所述扫描电子显微镜（1）固定安装在样本腔体（8）上方居中的位置上，该扫描电子显微镜（1）的镜头朝向样本腔体（8）内，该扫描电子显微镜（1）用于采集操作探针（3）针尖所在区域的图像；

所述触觉主手（5）通过USB接口与上位机（7）连接，上位机（7）通过串口与纳米定位控制器（6）连接；纳米定位控制器（6）通过通讯线与样本腔体（8）内的纳米定位器（2）连接；

扫描电子显微镜（1）的图像信息输出端连接上位机（7）的图像信息输入端；

上位机（7）将图像信息处理后发送位置与力控制信息至触觉主手（5）；

触觉主手（5）的主手位置信息信号输出端连接上位机（7）的主手位置信息信号输入端；

上位机（7）的位置控制指令信号输出端连接纳米定位控制器（6）的位置控制指令信号输入端；

纳米定位控制器（6）的位置信号输出端连接纳米定位器（2）的位置信号输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于扫描电子显微镜的虚拟力反馈遥纳操作平台的操作方法，其特征在于：所述纳米定位器（2）是采用Attocube实现的。

3.根据权利要求1所述的一种基于扫描电子显微镜的虚拟力反馈遥纳操作平台的操作方法，其特征在于：所述纳米定位控制器（6）是采用ANC150实现的。

4.基于权利要求1所述的一种基于扫描电子显微镜的虚拟力反馈遥纳操作平台实现虚拟力觉交互的方法，其特征在于：该控制方法为：

步骤一、在上位机（7）上，在VC++2008环境下，利用触觉主手（5）的配套二次开发软件Chia3d，联合3DsMAX和OpenGL开发虚拟三维纳米操作环境；

步骤二、将纳米线放置在样品台（4）上，然后通过碰撞检测算法对虚拟环境中的操作探针（3）的位置和其所在的虚拟环境进行碰撞检测：

首先应用层次包围盒法在操作探针（3）外设置包围盒，若操作探针（3）的包围盒未与纳米线和样品台（4）未发生碰撞则不做判断；

若操作探针（3）的包围盒发生碰撞，则开始进入碰撞检测：

碰撞检测分为：操作探针（3）与样品台（4）之间的纳米操作碰撞检测、纳米线与样品台（4）之间的纳米操作碰撞检测及操作探针（3）与纳米线之间的纳米操作碰撞检测三部分；

操作探针（3）与样品台（4）之间的纳米操作碰撞检测为：先判断操作探针（3）的包围盒与样品台（4）是否发生碰撞，若否，则不做任何动作；

若是，则继续判断操作探针（3）与样品台（4）是否发生碰撞，若否，则不做任何动作；

若是，则将检测到碰撞的反馈力反馈给上位机（7）；

纳米线与样品台（4）之间的纳米操作碰撞检测为：应用层次包围球法在纳米线外侧设置包围球；

先判断纳米线的包围球与样品台（4）是否发生碰撞，若否，则不做任何动作；

若是，则继续判断纳米线与样品台（4）是否发生碰撞，若否，则不做任何动作；

若是，则将检测到碰撞的反馈力反馈给上位机（7）；

操作探针（3）与纳米线之间的纳米操作碰撞检测为：

先由上位机（7）采集通过扫描电子显微镜（1）获得的操作探针（3）的几何参数，建立操作探针（3）的锥体模型，根据现有数据填充适合锥体的包围球结构，执行操作探针（3）的包围球结构与纳米线的包围球结构之间的碰撞检测：先判断操作探针（3）的包围盒与纳米线是否发生碰撞，若否，则不做任何动作；

若是，则，采用叠前球心排列的方法对操作探针（3）和纳米线进行骨骼球填充，执行操作探针（3）的骨骼球与纳米线的骨骼球结构之间的碰撞检测，若否，则不做任何动作；

若是则将检测到碰撞的反馈力反馈给上位机（7）；

步骤三、上位机（7）通过力觉渲染算法和Chia3d力觉渲染引擎实现对步骤二的操作探针（3）与样品台（4）之间的纳米操作碰撞检测、纳米线与样品台（4）之间的纳米操作碰撞检测及操作探针（3）与纳米线之间的纳米操作碰撞检测所获得的反馈力的力觉渲染，并将渲染后的反馈力的数据反馈到触觉主手（5），实现虚拟力觉交互。