[發(fā)明專利]納米操作機(jī)器人前饋控制方法、介質(zhì)、電子設(shè)備及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210116457.3
• 申請(qǐng)日: 2022-02-07
• 公開（公告）號(hào): CN114654460A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張略;楊湛;楊利濤;何子良;陳濤;孫立寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16;G06T1/00;G06T7/73;G06T5/00;G06T7/136;G06T7/187
• 代理公司: 蘇州市中南偉業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32257
• 代理人: 王廣浩

本發(fā)明公開了一種納米操作機(jī)器人前饋控制方法，包括：控制納米操作機(jī)器人分別在X軸和Y軸方向上運(yùn)動(dòng)；通過掃描電鏡獲取納米操作機(jī)器人上碳納米管的尖端圖像，得到碳納米管尖端的運(yùn)動(dòng)軌跡作為納米操作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡；根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡得到偏移量，并根據(jù)偏移量和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系構(gòu)建線性誤差模型；在納米操作機(jī)器人沿目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過掃描電鏡實(shí)時(shí)獲取納米操作機(jī)器人上碳納米管的尖端圖像以得到納米操作機(jī)器人的當(dāng)前位移，根據(jù)當(dāng)前位移得到當(dāng)前壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的伸長(zhǎng)量，并根據(jù)線性誤差模型計(jì)算當(dāng)前偏移量，調(diào)節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的電壓對(duì)當(dāng)前偏移量進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高精度的納米操作機(jī)器人前饋控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種納米操作機(jī)器人前饋控制方法、介質(zhì)、電子設(shè)備及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

納米操作機(jī)器人前饋控制系統(tǒng)，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)納米操作機(jī)器人的精確控制，具有跨尺度，高精度，高穩(wěn)定性的有點(diǎn)，用戶可以通過調(diào)整電壓信號(hào)的升降的方向和速度的快慢來實(shí)現(xiàn)納米操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)方向的控制，一般由驅(qū)動(dòng)板卡或信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)由放大器對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)納米擦操作機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于壓電陶瓷固有的遲滯非線性，以及雙軸耦合帶來的誤差，使得納米操作機(jī)器人的定位精度以及軌跡精度降低，本專利使用PI逆模型對(duì)精確運(yùn)動(dòng)階段進(jìn)行控制，同時(shí)借助于顯微視覺。

從上世紀(jì)80年代開始，隨著顯微技術(shù)的不斷發(fā)展，多種基于顯微視覺的微納操作系統(tǒng)不斷地涌現(xiàn)出來。微納操作系統(tǒng)大致可分為以下幾類：基于光學(xué)顯微鏡(OpticalMicroscope)和微動(dòng)平臺(tái)的顯微操作系統(tǒng)；基于掃描探針顯微鏡(Scanning ProbeMicroscope)的納米操作系統(tǒng)；基于電子顯微鏡(Electron Microscope)和微納操作平臺(tái)的微納操作系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)等。其中基于光學(xué)顯微鏡的操作系統(tǒng)使用光學(xué)顯微鏡為視覺反饋手段，利用三維微動(dòng)平臺(tái)對(duì)細(xì)胞等微小物體進(jìn)行移動(dòng)和操作。例如，1997年著名的克隆羊“多莉”誕生過程中就使用了基于光學(xué)顯微鏡的顯微注射技術(shù)。但是由于光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，一般認(rèn)為可見光的波長(zhǎng)在380nm到780nm之間，因此其分辨率受到很大限制。在需要達(dá)到更高的操作精度時(shí)，基于掃描探針顯微鏡和電子顯微鏡的微納操作系統(tǒng)顯現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。其中，掃描探針顯微鏡可以是原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)或掃描隧道顯微鏡(STM)，基于掃描探針顯微鏡的納米操作平臺(tái)通常可以直接進(jìn)行原子級(jí)別的操作，例如1990年IBM公司利用STM將數(shù)個(gè)原子排列成“IBM”字樣，開創(chuàng)了納米尺度下對(duì)單原子進(jìn)行操作的先驅(qū)。而AFM由于對(duì)觀測(cè)環(huán)境有更低的要求，可以觀測(cè)不導(dǎo)電樣品，并擁有直接觀測(cè)原子或分子的能力，通過測(cè)量探針懸臂梁形變等還可以得到力反饋，因此得到了較為廣泛的研究。密西根州立大學(xué)席寧教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于原子力顯微鏡的實(shí)時(shí)圖像反饋操作系統(tǒng)。該團(tuán)隊(duì)對(duì)納米棒在推動(dòng)力下的微觀行為進(jìn)行了研究和建模，然后基于該模型，該系統(tǒng)在AFM的基礎(chǔ)上，利用實(shí)時(shí)交互力反饋來更新圖像實(shí)現(xiàn)視覺反饋，使操作人員可以感受到力反饋和納米環(huán)境的變化。

在微納操作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程中，由于機(jī)械裝配誤差、本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)等原因，會(huì)產(chǎn)生直線度誤差，具體表現(xiàn)為在單軸運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在另一個(gè)軸上產(chǎn)生位移分量，這將導(dǎo)致操作平臺(tái)產(chǎn)生軌跡誤差和末端位置誤差。因此，對(duì)于直線度誤差的補(bǔ)償方法具有非常重要的研究?jī)r(jià)值。Choi J P等人為了減小機(jī)床重復(fù)加工過程中的誤差，利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)加工誤差進(jìn)行測(cè)量，并用多項(xiàng)式擬合位置誤差，補(bǔ)償后機(jī)械加工誤差小于10μm。