[发明专利]纳米操作机器人前馈控制方法、介质、电子设备及系统

说明书

本发明公开了一种纳米操作机器人前馈控制方法，包括：控制纳米操作机器人分别在X轴和Y轴方向上运动；通过扫描电镜获取纳米操作机器人上碳纳米管的尖端图像，得到碳纳米管尖端的运动轨迹作为纳米操作机器人的运动轨迹；根据运动轨迹得到偏移量，并根据偏移量和压电陶瓷驱动器的伸长量之间的关系构建线性误差模型；在纳米操作机器人沿目标轨迹运动时，通过扫描电镜实时获取纳米操作机器人上碳纳米管的尖端图像以得到纳米操作机器人的当前位移，根据当前位移得到当前压电陶瓷驱动器的伸长量，并根据线性误差模型计算当前偏移量，调节压电陶瓷驱动器的电压对当前偏移量进行补偿。本发明可以实现实时、高精度的纳米操作机器人前馈控制。

技术领域

本发明涉及驱动控制技术领域，特别涉及一种纳米操作机器人前馈控制方法、介质、电子设备及系统。

背景技术

纳米操作机器人前馈控制系统，主要用于实现对纳米操作机器人的精确控制，具有跨尺度，高精度，高稳定性的有点，用户可以通过调整电压信号的升降的方向和速度的快慢来实现纳米操作机器人运动方向与运动方向的控制，一般由驱动板卡或信号发生器产生驱动信号，经由放大器对驱动信号进行放大，对纳米擦操作机器人进行驱动，由于压电陶瓷固有的迟滞非线性，以及双轴耦合带来的误差，使得纳米操作机器人的定位精度以及轨迹精度降低，本专利使用PI逆模型对精确运动阶段进行控制，同时借助于显微视觉。

从上世纪80年代开始，随着显微技术的不断发展，多种基于显微视觉的微纳操作系统不断地涌现出来。微纳操作系统大致可分为以下几类：基于光学显微镜(OpticalMicroscope)和微动平台的显微操作系统；基于扫描探针显微镜(Scanning ProbeMicroscope)的纳米操作系统；基于电子显微镜(Electron Microscope)和微纳操作平台的微纳操作系统以及混合系统等。其中基于光学显微镜的操作系统使用光学显微镜为视觉反馈手段，利用三维微动平台对细胞等微小物体进行移动和操作。例如，1997年著名的克隆羊“多莉”诞生过程中就使用了基于光学显微镜的显微注射技术。但是由于光的波长较长，一般认为可见光的波长在380nm到780nm之间，因此其分辨率受到很大限制。在需要达到更高的操作精度时，基于扫描探针显微镜和电子显微镜的微纳操作系统显现出更大的优势。其中，扫描探针显微镜可以是原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)或扫描隧道显微镜(STM)，基于扫描探针显微镜的纳米操作平台通常可以直接进行原子级别的操作，例如1990年IBM公司利用STM将数个原子排列成“IBM”字样，开创了纳米尺度下对单原子进行操作的先驱。而AFM由于对观测环境有更低的要求，可以观测不导电样品，并拥有直接观测原子或分子的能力，通过测量探针悬臂梁形变等还可以得到力反馈，因此得到了较为广泛的研究。密西根州立大学席宁教授团队开发了基于原子力显微镜的实时图像反馈操作系统。该团队对纳米棒在推动力下的微观行为进行了研究和建模，然后基于该模型，该系统在AFM的基础上，利用实时交互力反馈来更新图像实现视觉反馈，使操作人员可以感受到力反馈和纳米环境的变化。

在微纳操作平台的运动过程中，由于机械装配误差、本身的机械结构等原因，会产生直线度误差，具体表现为在单轴运动时会在另一个轴上产生位移分量，这将导致操作平台产生轨迹误差和末端位置误差。因此，对于直线度误差的补偿方法具有非常重要的研究价值。Choi J P等人为了减小机床重复加工过程中的误差，利用三坐标测量仪对加工误差进行测量，并用多项式拟合位置误差，补偿后机械加工误差小于10μm。