机器人化纳米操作中任务空间的实时反馈方法研究

纳米科技的最终目标是在原子、分子尺度上，制造具有新颖物理、化学和生物特性的器件和系统，而实现这个目标最为关键的使能技术便是纳米尺度下进行观测、操作和装配的科学方法与相关技术手段。原子力显微镜（AFM：Atomic Force Microscopy）的发明为实现这一目标提供了可行途径，AFM除了能够在常态下实现对原子、分子尺度大小物体的观测，并且由于其超高的分辨率和运动精度，可控、可重复的运动方式，独特的机械力作用机理，任意环境的可适应性而广泛应用于纳米操作。然而AFM的主要功能是进行纳米观测，应用于纳米操作时面临着许多挑战性的难题，尽管随着近十年的深入研究，一些问题已经得到了部分解决，但是缺乏高可信度的实时视觉反馈、无法实现任务空间内探针的精确定位依然阻碍着AFM纳米操作的效率。以目前最为先进的AFM纳米操作方法—增强现实技术为例，尽管该技术可以为操作者提供实时的视觉反馈，但是这种视觉反馈并不代表纳米操作场景的真实变化，而是根据离线模型计算得到的一种图形仿真，因而视觉反馈是否可信取决于模型的准确程度，然而受纳米尺度下各种非线性力的影响，如毛细力、范德华力、静电力等等，很难建立完全精确的物理模型，模型误差将导致错误的视觉反馈并引起纳米操作的失败。此外，受PZT非线性和温漂的影响，基于AFM的纳米操作还缺乏在任务空间内对探针进行精确定位的能力，导致操作过程中AFM探针无法有效接触到纳米物体，使得机器人学中“从A点运动到B点”最为基本的任务难以实现，这些缺点都严重阻碍着AFM纳米操作的效率和效果。本论文针对上述问题，以机器人学中的感知、决策、行为理论和监控方法为基础，具体开展了以下几方面的工作： 1、视觉反馈缺乏可信度是基于增强现实AFM纳米操作面临的主要问题，由于操作者无法对视觉反馈可信度作出评断，经常会在错误视觉反馈的指引下进行无效的纳米操作，从而浪费大量的时间，降低了AFM纳米操作的效率。为了克服上述问题，本文在研究信息诊断与反馈理论基础上，提出了基于Kalman滤波的视觉反馈可信度在线监控方法，实现了视觉反馈错误的实时检测，避免了无效纳米操作的发生，提高了AFM纳米操作的效率。 2、错误视觉反馈被检测出后，需要对其修正以保证纳米操作任务的成功完成。然而传统修正方法需要中断纳米操作进行重新扫描成像，这往往需要耗费几分钟的时间，严重降低了AFM纳米操作的效率。针对该问题，本文提出一种基于局部扫描的在线修正方法，通过扫描轨迹的优化，该方法能够对真实纳米操作结果进行实时感知，从而不需要中断纳米操作就能实现错误视觉反馈的修正，并使得整个修正过程对于操作者透明。这保证了实时可视监控信息的真实性，显著提升了AFM纳米操作的效率。 3、PZT非线性和随机漂移是影响AFM探针精确定位的主要因素，针对该问题本文提出了一种基于路标的探针定位方法，其核心思想是不再采用距离为测度方式进行探针位置描述，而是将作业区域的特定形貌特征定义为参考路标，通过探针对特征形貌的主动感知实现基于路标地图的探针定位，有效消除PZT非线性和随机漂移引起的定位误差，提高探针在任务空间内的定位精度。 4、研究了机器人化纳米操作系统任务空间实时反馈的构建技术，具体包括高灵敏度纳米操作力的感知方法，系统结构误差的产生原因和补偿策略，面向探针实时运动控制的系统结构设计，系统的软硬件实现方案等内容，并利用该实验平台开展了大量实验研究，验证了本论文所提出理论方法的正确性，同时演示性地组建了基于单根CNT和DNA的纳电子器件，实验结果表明AFM纳米操作的效率和效果得到了极大提升。本文的研究工作丰富了基于AFM的机器人化纳米操作理论，为基于AFM的纳米制造技术发展提供了具有一定指导意义的理论方法和研究途径。