[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于显微镜的虚拟力反馈遥纳操作平台及方法，属于遥纳操作技术领域。

背景技术

近几十年来，随着微/纳米技术的快速发展和对微系统产品的结构微型化、功能集成化的不断需求，高效、灵敏、适应性强的纳米操作系统具有广阔的应用前景。但传统的操作方式由于受到纳米尺度的尺寸效应等因素的影响使得传统操作方式难以适应纳米尺度构件操作技术的发展需求，具有虚拟现实功能的遥纳操作逐渐走上舞台。

目前国内外对纳米操作的研究，基于原子力显微镜（AFM）的操作系统最为成熟，但是由于缺乏操作过程的实时图像信息使得系统具有操作效率低、灵活性差等缺点；基于SEM的操作系统具有实时的操作图像反馈信息，并且操作对象不受样品台影响等优点，因此基于SEM的纳米操作系统是功能较为完善的系统，是很有发展前途的一项技术。但在该方面的研究刚刚开始，目前还处于探索阶段。到目前为止，在纳米尺度的操作还没有找到兼顾效率、灵活性、准确性和成功率等综合性能的有效的操作方法。

发明内容

本发明的目的是针对目前国内外普遍采用的纳米操作系统对纳米粒子或构件进行操作缺乏操作过程实时的图像信息，系统的操作效率低、灵活性差的问题，提供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。

一种基于扫描电子显微镜的虚拟力反馈遥纳操作平台，它包括扫描电子显微镜、纳米定位器、操作探针、样品台、触觉主手、纳米定位控制器、上位机和样本腔体，

所述样本腔体内设置有纳米定位器，纳米定位器位于样本腔体的底部；

所述纳米定位器上设置有操作探针，操作探针的末端与样品台的台面相接触；所述样品台固定安装在样本腔体的内侧壁上；该样品台用于放置纳米线；

所述扫描电子显微镜固定安装在样本腔体上方居中的位置上，该扫描电子显微镜的镜头朝向样本腔体内，该扫描电子显微镜用于采集操作探针针尖所在区域的图像；

所述触觉主手通过USB接口与上位机连接，上位机通过串口与纳米定位控制器连接；纳米定位控制器通过通讯线与样本腔体内的纳米定位器连接；

扫描电子显微镜的图像信息输出端连接上位机的图像信息输入端；

上位机将图像信息处理后发送位置与力控制信息至触觉主手；

触觉主手的主手位置信息信号输出端连接上位机的主手位置信息信号输入端；

上位机的位置控制指令信号输出端连接纳米定位控制器的位置控制指令信号输入端；

纳米定位控制器的位置信号输出端连接纳米定位器的位置信号输入端。

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，该控制方法为：

步骤一、在上位机上，在VC++2008环境下，利用触觉主手的配套二次开发软件Chia3d，联合3Ds MAX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上，然后通过碰撞检测算法对虚拟环境中的操作探针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外设置包围盒，若操作探针的包围盒未与纳米线和样品台未发生碰撞则不做判断；

若操作探针的包围盒发生碰撞，则开始进入碰撞检测循环序列当中：

碰撞检测循环序列纳米操作碰撞检测分为：操作探针与样品台之间的纳米操作碰撞检测、纳米线与样品台之间的纳米操作碰撞检测及操作探针与纳米线之间的纳米操作碰撞检测三部分；

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

若是，则继续判断操作探针与样品台是否发生碰撞，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；

纳米线与样品台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设置包围球；

先判断纳米线的层次包围球与样品台是否发生碰撞，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；

操作探针与纳米线之间的纳米操作碰撞检测为：

先由上位机采集通过扫描电子显微镜获得的操作探针的几何参数，建立操作探针的锥体模型，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：先判断操作探针的包围盒与纳米线是否发生碰撞，若否，则不做任何动作；