专利名称：基于原子力显微镜的任务导向混合模式纳米操作方法
技术领域：
本发明涉及纳米技术领域，具体是一种基于原子力显微镜的纳米操作方法。
背景技术：
纳米科技是21世纪新兴的科研领域。纳米尺度下，物质的物理化学性质都会发生很大的变化。只有对纳米尺度下的物质进行有效地操作，才能研究纳米尺度下物质的各种物理、化学等自然现象，才能研制纳米器件，纳米传感器以及纳米计算机等先进的技术装备。因此，对纳米操作系统的研究是当前国际微纳米科技前沿的一个热点。原子力显微镜是目前开展纳米观测与操作的重要设备之一，其作业方式是控制原子力显微镜的探针运动和施加力进行纳米观测和操作。基于原子力显微镜的纳米操作系统以其应用对象广泛、环境要求低、操作精度高等特点而得到广泛的应用。但目前基于原子力显微镜的纳米操作系统都采用单一的主从操作模式，其操作方式无法根据任务的不同而转换。由于纳米操作面向的环境与对象都很复杂，因此这种单一操作模式纳米操作系统的应用具有很大的局限， 所以开发一种面向不同任务的多种模式纳米操作系统具有十分重要的意义。
发明内容
本发明首次提出了任务导向的概念。以操作任务的对象、路径与目标为依据，判别任务的明确程度。并根据明确程度决策采用何种操作模式；在同一纳米操作系统的硬件构架下，通过修改软件算法，在主控计算机中引入规划层，在原子力显微镜控制器中引入执行层，并利用探针增强作业方法，实现预编程操作模式。该操作模式具有小步距、快速多点定向，操作高效，控制被操作对象位姿的特点。在主从作业模式下，在作用力反馈和扫描图像的辅助下，操作者可以根据科研与加工作业需要进行人机交互式纳米操作，从而可以实现具有传感器信息反馈与可视化图形辅助的纳米作业。该系统采用多模式工作方式，充分利用了系统的软硬件资源。丰富了纳米操作系统的功能，提高了纳米作业的效率。实现方法简单，具有很强的通用性，其设计思想可以被移植到其它纳米操作系统中。所谓纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(lnm——IOOnm)调制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团蔟(几十个原子的聚集体)和纳米微粒；一维调制的纳米多层膜；二维调制的纳米微粒膜(涂层)；以及三维调制的纳米相材料。所述任务导向指主要依靠原子力显微镜获取被操作对象与操作环境的信息。根据拓扑结构，被操作对象可以分为零维纳米结构和一维纳米结构；根据力学属性，被操作对象可以分为刚性体和柔性体；操作路径也可以根据障碍物的多少与分布情况分为简单路径与复杂路径，操作目标也可以根据位姿精度要求与被操作对象最终构形要求分为简单目标与复杂目标；依据以上分类任务导向原则可以表述为对于操作路径复杂，目标复杂的的零维、一维纳米结构应采用主从操作模式，其它情况下应采用预编程操作模式。本发明的具体技术方案为
一种基于原子力显微镜的任务导向混合模式纳米操作方法，对于目标复杂的的零维、一维纳米结构采用主从操作模式，其它情况下应采用预编程操作模式；
所述主从操作模式为操作者将控制命令通过具有力感知功能的输入设备下达到主控计算机，主控计算机将宏观尺度位置坐标转化为纳观尺度位置坐标，并通过以太网传递给原子力显微镜控制器，由控制器将探针的位置信息发送给原子力显微镜完成操作，同时将探针在操作过程中所受的力信号反馈给操作者；
所述预编程模式为主控计算机中设置规划层，所谓规划层是指在主控计算机中通过软件实现的任务规划算法，其主要职能是获取操作者的任务需求，进行任务决策、分解与操作指令的下达，同时向操作者反馈操作结果。原子力显微镜控制器中设置执行层，所谓执行层是在原子力显微镜自带的编程环境下，利用其提供的接口函数实现的原子力显微镜底层硬件控制算法，其主要职能是接受规划层的操作指令并通过驱动装置控制探针运动， 获取传感器提供的传感信号上传给规划层。操作者只需通过人机交互界面提供操作需求， 由规划层求取被操作对象的初始位置与终止位置的水平坐标差和垂直坐标差及初始位置与终止位置的角度差，再将这些差值分解成探针的一系列平动和转动基本操作，将分解后基本操作的起始和终止坐标通过以太网发送给执行层；执行层利用起始和终止坐标作为输入数据，采用原子力显微镜探针增强作业方法进行增强探针的平动操作规划和转动操作规划，并将规划后的探针位置信息向原子力显微镜发送，由原子力显微镜控制探针进行操作。 其中增强探针作业方法是一种通过对原子力显微镜底层硬件进行编程，实现的探针快速、 多点定向作业方法；这种方法可以使探针在某一方向上的实现快速小步距运动，而与该方向垂直的方向上实现多点运动；利用小步距与多点操作效果的累积效应，实现对操作对象的平动与转动操作；
所述主从操作模式中，所述力感知功能的输入设备为力反馈手柄，该设备具有X、Y向水平自由度，通过硬件描述语言DirectX实现与主控计算机的通讯；力反馈手柄输入的坐标为宏观三维空间坐标，主控计算机会根据扫描纳米图像得到操作空间大小，将宏观坐标转换为纳观尺度操作空间坐标，并将坐标信息通过以太网发送给原子力显微镜控制器，以太网通讯协议为TCP/IP协议；原子力显微镜控制器则将得到的坐标信息转换为驱动装置需要的电压信号，经高压放大后驱动探针运动；
操作过程中探针在垂直方向为开环无反馈状态，探针的下压与抬起均需操作者控制； 由于探针与样品间的作用力会随着两者间距离的变化而变化，力反馈函数设计策略如下 α ^ 1时，游戏杆输出力为零；当探针逐渐逼近样品表面，而与样品未接触时，即0<α<1， 游戏杆输出的力逐渐增大，但是增大的速率为线性；当探针与样品接触后，反馈力要随着探针深入样品的距离急剧增大，即-O. 2<α彡0，我们用二次函数增大反馈力的值，利用分段处函数连续以及倒数相同，可以求解出二次函数的系数，距离和力的函数关系如下 =0a >权利要求
1.一种基于原子力显微镜的任务导向混合模式纳米操作方法，其特征在于对于目标复杂的的零维、一维纳米结构采用主从操作模式，其它情况下应采用预编程操作模式；所述主从操作模式为操作者将控制命令通过具有力感知功能的输入设备下达到主控计算机，主控计算机将宏观尺度位置坐标转化为纳观尺度位置坐标，并通过以太网传递给原子力显微镜控制器，由控制器将探针的位置信息发送给原子力显微镜完成操作，同时将探针在操作过程中所受的力信号反馈给操作者；所述预编程模式为主控计算机中设置规划层，原子力显微镜控制器中设置执行层； 操作者只需通过人机交互界面提供操作需求，由规划层求取被操作对象的初始位置与终止位置的水平坐标差和垂直坐标差及初始位置与终止位置的角度差，再将这些差值分解成探针的一系列平动和转动基本操作，将分解后基本操作的起始和终止坐标通过以太网发送给执行层；执行层利用起始和终止坐标作为输入数据，采用原子力显微镜探针增强作业方法进行增强探针的平动操作规划和转动操作规划，并将规划后的探针位置信息向原子力显微镜发送，由原子力显微镜控制探针进行操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述主从操作模式中，所述力感知功能的输入设备为力反馈手柄，该设备具有X、Y向水平自由度，通过硬件描述语言DirectX实现与主控计算机的通讯；力反馈手柄输入的坐标为宏观三维空间坐标，主控计算机会根据扫描纳米图像得到操作空间大小，将宏观坐标转换为纳观尺度操作空间坐标，并将坐标信息通过以太网发送给原子力显微镜控制器，以太网通讯协议为TCP/IP协议；原子力显微镜控制器则将得到的坐标信息转换为驱动装置需要的电压信号，经高压放大后驱动探针运动；操作过程中探针在垂直方向为开环无反馈状态，探针的下压与抬起均需操作者控制； 距离和力的函数关系如下
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述预编程操作模式采用探针增强作业，操作者只要通过交互界面向系统提供操作需求；规划层首先求取增强探针初始位置与终止位置的水平坐标差和垂直坐标差及起始位置与终止位置的角度差，求取方法的公式表述如下
全文摘要
本发明涉及纳米技术领域，公开一种基于原子力显微镜的任务导向混合模式纳米操作方法，本发明首次提出了任务导向的概念，对于目标复杂的零维、一维纳米结构采用主从操作模式，其它情况下应采用预编程操作模式；本发明采用多模式工作方式，充分利用了系统的软硬件资源，丰富了纳米操作系统的功能，提高了纳米作业的效率；通过主从模式可以实现对复杂任务的人工监控操作，操作过程中的力反馈使操作者具有很好的临场感，增强了操作的精度与可靠性。预编程操作模式具有小步距、快速多点定向，高效操作控制被操作对象位姿的特点。两种操作方法的有机结合使该系统在适用范围、操作效能、鲁棒性、稳定性等方面得到很大的提升。
文档编号B82Y40/00GK102485640SQ20101057255
公开日2012年6月6日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者刘志华, 董再励 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所