專利名稱：一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺及實現(xiàn)虛擬力覺交互的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺及方法，屬于遙納操作技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近幾十年來，隨著微/納米技術(shù)的快速發(fā)展和對微系統(tǒng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)微型化、功能集成化的不斷需求，高效、靈敏、適應性強的納米操作系統(tǒng)具有廣闊的應用前景。但傳統(tǒng)的操作方式由于受到納米尺度的尺寸效應等因素的影響使得傳統(tǒng)操作方式難以適應納米尺度構(gòu)件操作技術(shù)的發(fā)展需求，具有虛擬現(xiàn)實功能的遙納操作逐漸走上舞臺。目前國內(nèi)外對納米操作的研究，基于原子力顯微鏡(AFM)的操作系統(tǒng)最為成熟，但是由于缺乏操作過程的實時圖像信息使得系統(tǒng)具有操作效率低、靈活性差等缺點；基于SEM的操作系統(tǒng)具有實時的操作圖像反饋信息，并且操作對象不受樣品臺影響等優(yōu)點，因此基于SEM的納米操作系統(tǒng)是功能較為完善的系統(tǒng)，是很有發(fā)展前途的一項技術(shù)。但在該方面的研究剛剛開始，目前還處于探索階段。到目前為止，在納米尺度的操作還沒有找到兼顧效率、靈活性、準確性和成功率等綜合性能的有效的操作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前國內(nèi)外普遍采用的納米操作系統(tǒng)對納米粒子或構(gòu)件進行操作缺乏操作過程實時的圖像信息，系統(tǒng)的操作效率低、靈活性差的問題，提供一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺及實現(xiàn)虛擬力覺交互的方法。一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺，它包括掃描電子顯微鏡、納米定位器、操作探針、樣品臺、觸覺主手、納米定位控制器、上位機和樣本腔體，所述樣本腔體內(nèi)設置有納米定位器，納米定位器位于樣本腔體的底部；所述納米定位器上設置有操作探針，操作探針的末端與樣品臺的臺面相接觸；所述樣品臺固定安裝在樣本腔體的內(nèi)側(cè)壁上；該樣品臺用于放置納米線；所述掃描電子顯微鏡固定安裝在樣本腔體上方居中的位置上，該掃描電子顯微鏡的鏡頭朝向樣本腔體內(nèi)，該掃描電子顯微鏡用于采集操作探針針尖所在區(qū)域的圖像；所述觸覺主手通過USB接口與上位機連接，上位機通過串口與納米定位控制器連接；納米定位控制器通過通訊線與樣本腔體內(nèi)的納米定位器連接；掃描電子顯微鏡的圖像信息輸出端連接上位機的圖像信息輸入端；上位機將圖像信息處理后發(fā)送位置與力控制信息至觸覺主手；觸覺主手的主手位置信息信號輸出端連接上位機的主手位置信息信號輸入端；上位機的位置控制指令信號輸出端連接納米定位控制器的位置控制指令信號輸入端;納米定位控制器的位置信號輸出端連接納米定位器的位置信號輸入端。
一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺實現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，該控制方法為:步驟一、在上位機上，在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺主手的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3Ds MAX和OpenGL開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境；步驟二、將納米線放置在樣品臺上，然后通過碰撞檢測算法對虛擬環(huán)境中的操作探針的位置和其所在的虛擬環(huán)境進行碰撞檢測:首先應用層次包圍盒法在操作探針外設置包圍盒，若操作探針的包圍盒未與納米線和樣品臺未發(fā)生碰撞則不做判斷；若操作探針的包圍盒發(fā)生碰撞，則開始進入碰撞檢測循環(huán)序列當中:碰撞檢測循環(huán)序列納米操作碰撞檢測分為:操作探針與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測、納米線與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測及操作探針與納米線之間的納米操作碰撞檢測三部分； 操作探針與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測為:先判斷操作探針的包圍盒與樣品臺是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則繼續(xù)判斷操作探針與樣品臺是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機；納米線與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測為:應用層次包圍球法在納米線外設置包圍球；先判斷納米線的層次包圍球與樣品臺是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則繼續(xù)判斷納米線與樣品臺是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機；操作探針與納米線之間的納米操作碰撞檢測為:先由上位機采集通過掃描電子顯微鏡獲得的操作探針的幾何參數(shù)，建立操作探針的錐體模型，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)填充適合錐體的包圍球結(jié)構(gòu)，執(zhí)行操作探針的包圍球結(jié)構(gòu)與納米線的包圍球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測:先判斷操作探針的包圍盒與納米線是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則，采用疊前球心排列的方法對操作探針和納米線進行骨骼球填充，執(zhí)行操作探針的骨骼球與納米線的骨骼球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測，若否，則不做任何動作；若是則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機；步驟三、上位機通過力覺渲染算法和Chia3d力覺渲染引擎實現(xiàn)對步驟二的操作探針與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測、納米線與樣品臺之間的納米操作碰撞檢測及操作探針與納米線之間的納米操作碰撞檢測所獲得的反饋力的力覺渲染，并將渲染后的反饋力的數(shù)據(jù)反饋到觸覺主手，實現(xiàn)虛擬力覺交互。本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明的目的是在SM的操作環(huán)境下，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)、觸覺設備與納米操作系統(tǒng)相結(jié)合，使操作者通過上位機可以感受到納米操作過程的實時力覺反饋，并且利用相關(guān)軟件開發(fā)的虛擬操作環(huán)境實現(xiàn)納米操作過程的三維可視化，從而確保納米操作的實時性、靈活性和準確性。有益效果:
1.本發(fā)明基于開發(fā)的虛擬納米操作環(huán)境，通過虛擬納米操作，實現(xiàn)實際納米操作過程的預測，在預測結(jié)果的基礎(chǔ)上控制實際納米操作平臺進行單步隨動或離線運動，同時加入了觸覺反饋設備提供納米操作過程的實時力覺反饋，增強了操者的感知能力；2.本發(fā)明所開發(fā)的虛擬納米操作環(huán)境是三維的，通過軟件開發(fā)的虛擬操作環(huán)境可實現(xiàn)納米操作過程的操作環(huán)境的實時三維可視化，克服了 SEM圖像是二維的缺點，從而確保了三維納米操作過程的準確性和可視化；3.本發(fā)明首先操縱虛擬現(xiàn)實觸覺設備主手來控制虛擬納米操作從手的運動，操作成功后再通過串口控制實際納米操作探針的運動，從而大大地提高了納米操作的成功率，確保了操作平臺的安全，在SEM環(huán)境下進行納米操作，實現(xiàn)實際納米操作過程圖像的實時反饋；4.本發(fā)明應用具有力覺臨場感的新型遙納操作系統(tǒng)，虛擬環(huán)境中的納米操作實現(xiàn)后通過串口控制實際納米操作過程，實現(xiàn)納米操作的遠距離控制，即遙操作，可完成遠程納米操作、受力信息反饋、實驗校正，操作簡單，降低平臺成本的同時提高了操作的成功率。


圖1為一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺實現(xiàn)虛擬力覺交互方法的方法流程圖
具體實施例方式具體實施方式
一:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺，它包括掃描電子顯微鏡1、納米定位器2、操作探針3、樣品臺4、觸覺主手Omega.35、納米定位控制器6、上位機7和樣本腔體8，所述樣本腔體8內(nèi)設置有納米定位器2，納米定位器2位于樣本腔體8的底部；所述納米定位器2上設置有操作探針3，操作探針3的末端與樣品臺4的臺面相接觸；所述樣品臺4固定安裝在樣本腔體8的內(nèi)側(cè)壁上；該樣品臺4用于放置納米線；所述掃描電子顯微鏡I固定安裝在樣本腔體8上方居中的位置上，該掃描電子顯微鏡I的鏡頭朝向樣本腔體8內(nèi)，該掃描電子顯微鏡I用于采集操作探針3針尖所在區(qū)域的圖像；所述觸覺主手Omega.35通過USB接口與上位機I連接，上位機I通過串口與納米定位控制器6連接；納米定位控制器6通過通訊線與樣本腔體8內(nèi)的納米定位器2連接；掃描電子顯微鏡I的圖像信息輸出端連接上位機7的圖像信息輸入端；上位機7將圖像信息處理后發(fā)送位置與力控制信息至觸覺主手Omega.35 ；觸覺主手Omega.35的主手位置信息信號輸出端連接上位機7的主手位置信息信號輸入端；上位機7的位置控制指令信號輸出端連接納米定位控制器6的位置控制指令信號輸入端；納米定位控制器6的位置信號輸出端連接納米定位器2的位置信號輸入端。
具體實施方式
二:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一的進一步說明，本實施方式所述的納米定位器2是采用Attocube實現(xiàn)的。
具體實施方式
三:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一的進一步說明，本實施方式所述的所述納米定位控制器6是采用ANC150實現(xiàn)的。
具體實施方式
四:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺實現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，其特征在于:該控制方法為:步驟一、在上位機7上，在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺主手Omega.35的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3Ds MAX和OpenGL開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境；步驟二、將納米線放置在樣品臺4上，然后通過碰撞檢測算法對虛擬環(huán)境中的操作探針3的位置和其所在的虛擬環(huán)境進行碰撞檢測:首先應用層次包圍盒法在操作探針3外設置包圍盒，若操作探針3的包圍盒未與納米線和樣品臺4未發(fā)生碰撞則不做判斷；若操作探針3的包圍盒發(fā)生碰撞，則開始進入碰撞檢測循環(huán)序列當中:碰撞檢測循環(huán)序列納米操作碰撞檢測分為:操作探針3與樣品臺4之間的納米操作碰撞檢測、納米線與樣品臺4之間的納米操作碰撞檢測及操作探針3與納米線之間的納米操作碰撞檢測三部分；操作探針3與樣品臺4之間的納米操作碰撞檢測為:先判斷操作探針3的包圍盒與樣品臺4是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則繼續(xù)判斷操作探針3與樣品臺4是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機7 ；納米線與樣品臺4之間的納米操作碰撞檢測為:應用層次包圍球法在納米線外設置包圍球；先判斷納米線的包圍球與樣品臺4是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則繼續(xù)判斷納米線與樣品臺4是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機7 ；操作探針3與納米線之間的納米操作碰撞檢測為:先由上位機7采集通過掃描電子顯微鏡I獲得的操作探針3的幾何參數(shù)，建立操作探針3的錐體模型，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)填充適合錐體的包圍球結(jié)構(gòu)，執(zhí)行操作探針3的包圍球結(jié)構(gòu)與納米線的包圍球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測:先判斷操作探針3的包圍盒與納米線是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作；若是，則，采用疊前球心排列的方法對操作探針3和納米線進行骨骼球填充，執(zhí)行操作探針3的骨骼球與納米線的骨骼球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測，若否，則不做任何動作；若是則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機7 ；步驟三、上位機7通過力覺渲染算法和Chia3d力覺渲染引擎實現(xiàn)對步驟二的操作探針3與樣品臺4之間的納米操作碰撞檢測、納米線與樣品臺4之間的納米操作碰撞檢測及操作探針3與納米線之間的納米操作碰撞檢測所獲得的反饋力的力覺渲染，并將渲染后的反饋力的數(shù)據(jù)反饋到觸覺主手Omega.35，實現(xiàn)虛擬力覺交互。
具體實施方式
五:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式為對實施方式四的進一步說明，本實施方式所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺實現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，步驟一中，在上位機7上，在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺主手Omega.3的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3Ds MAX和OpenGL開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境的具體實現(xiàn)方法為:在3DsMax中通過管型工具繪制三維管型模型，通過軟件導出功能導出該管型模型的3ds文件待Chai3d調(diào)用；Chai3d程序調(diào)用管型模型的3ds文件，并將其屬性設置為骨骼模型；用OpenGL函數(shù)直接繪制導出的3ds文件中的頂點形成網(wǎng)格，并生成網(wǎng)格模型，通過編輯實現(xiàn)幾何的形變，得到虛擬三維納米操作環(huán)境。
具體實施方式
六:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式為對實施方式四的進一步說明，本實施方式所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺實現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，步驟三中的力覺渲染算法為:將操作探針3的骨骼球和納米線的骨骼球作為原子，將樣品臺4看成一個無限大的平面，通過計算原子與無限大平面和原子之間的作用力來進行力覺渲染。本發(fā)明的工作原理:本發(fā)明基于掃描電子顯微鏡SEM和納米定位器，通過力覺反饋主手控制所開發(fā)的三維虛擬納米操作環(huán)境中的操作從手-納米定位器，根據(jù)平臺所提供的虛擬力覺反饋信息和三微虛擬及二維實際視覺信息進行虛擬納米操作，在虛擬操作成功后，通過串口控制實際納米操作平臺進行相應的動作，提高了納米操作的成功率。該平臺避免了高成本、難加工、適應性差的納米力覺傳感器的使用，降低了操作成本。通過具有力覺臨場感的納米操作方法可實現(xiàn)高效、靈活、穩(wěn)定的可視化三維納米操作，有利于納米操作的實用化。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺設備Omega.3的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3DsMAX和OpenGL實現(xiàn)開發(fā)虛擬納米操作環(huán)境。虛擬納米操作對象(以納米線為代表)和操作探針3采用3DsMax與骨骼填充方法進行建模。在3DsMax中通過管型工具繪制三維管型模型，通過軟件導出功能導出該管型模型的3ds文件待Chai3d調(diào)用。由Chai3d程序調(diào)用建好的管型3ds模型，并將其屬性設置為骨骼模型。骨骼的作用在于方便計算操作點與物體各個部分的碰撞檢測，并通過骨骼球之間力鍵的作用產(chǎn)生形變，為虛擬納觀力的加載提供了便利條件。用OpenGL函數(shù)直接繪制導出的3ds文件中的頂點形成網(wǎng)格并生成網(wǎng)格模型，通過編輯實現(xiàn)幾何的形變。從而實現(xiàn)虛擬三維視覺的動態(tài)交互。三維視覺動態(tài)交互模型如圖2所示。通過碰撞檢測算法對虛擬環(huán)境中的操作探針3 (與實際平臺的觸覺主手Omega.3對應)的位置和虛擬環(huán)境進行碰撞檢測，然后通過力覺渲染算法和Chia3d力覺渲染引擎實現(xiàn)力覺渲染后反饋到觸覺設備Omega.3實現(xiàn)虛擬力覺交互。在納米操作過程中加入力覺臨場感的人機交互操作方法，增加納米操作過程的可控性，降低平臺的操作成本。針對本控制系統(tǒng)中的納米線單一模型，碰撞檢測算法基于虛擬的骨骼球模型，采用層次包圍盒法實現(xiàn)。操作探針3與納米線的碰撞檢測判斷一般情況下均為動態(tài)模型檢測，其判斷要更為復雜，使判斷難度大大增加。因此將納米操作的碰撞檢測分為操作探針3與樣品臺4、納米線與樣品臺4及操作探針3與納米線之間三部分，分別進行碰撞檢測然后進行整合。整合流程圖如圖3所示。首先將操作探針3加入包圍盒判斷，若操作探針3的包圍盒未發(fā)生碰撞則無任何深入判斷；若判斷出與樣品臺4(平面)或納米線(有向包圍盒)發(fā)生碰撞，則開始進入碰撞檢測循環(huán)序列當中。這時若檢測到是樣品臺4，執(zhí)行操作探針3與樣品臺4的碰撞檢測算法；若檢測到是納米線，這時操作探針3將劃分為包圍球結(jié)構(gòu)來與納米線的包圍球結(jié)構(gòu)進行碰撞檢測。由于納米線的包圍盒與樣品臺4的碰撞檢測算法占系統(tǒng)資源較少，它們始終在進行包圍盒與平面的碰撞檢測判斷，但不做任何動作，僅當操作探針3與納米線發(fā)生了碰撞才更深入的檢測納米線的層次包圍球與平面的碰撞檢測。操作探針3的幾何參數(shù)通過SEM下已經(jīng)獲得，并建好了錐體模型，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)填充適合錐體的包圍球結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)操作探針3與納米線之間的相交檢測。本發(fā)明根據(jù)操作探針3的具體情況和試驗比較結(jié)果，最后采用疊前球心排列的方法對操作探針3進行骨骼球填充，這種方法既不像按直徑排列，遺漏很多填充空間；也不像疊后球心排列，具有較為麻煩的排列順序和較大的運算量。力覺渲染算法將操作探針3和納米線的骨骼球看作原子，將操作樣品臺4看成一個無限大的平面，通過計算原子與無限大平面和原子之間的作用力來進行力覺渲染。納米線形變的力鍵表達通過將納米線內(nèi)部的力鍵看作彈簧，而力鍵的值就相當于彈簧的彈性系數(shù)與拉伸關(guān)系的乘積。當力鍵平衡發(fā)生變化時，力鍵產(chǎn)生恢復平衡狀態(tài)的能量，球體將受到力鍵的反作用力。由于其它外力力鍵將再次達到平衡，產(chǎn)生形變效果。虛擬納米操作成功后，再控制實際的納米操作平臺進行相應的動作，實現(xiàn)納米操作過程的預測預演。虛擬預測預演系統(tǒng)可控制實際納米操作過程的單步隨動或離線運動。在SEM的真空干燥操作環(huán)境下進行納米操作，可實現(xiàn)實際納米操作過程圖像的實時反饋。虛擬環(huán)境中的納米操作實現(xiàn)后，通過串口控制實際納米操作過程，實現(xiàn)納米操作的遠距離控制，即遙操作。本發(fā)明不局限于上述實施方式，還可以是上述各實施方式中所述技術(shù)特征的合理組合。
權(quán)利要求
1.一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺，其特征在于:它包括掃描電子顯微鏡(1)、納米定位器(2)、操作探針(3)、樣品臺(4)、觸覺主手(5)、納米定位控制器(6)、上位機(7)和樣本腔體(8)， 所述樣本腔體(8)內(nèi)設置有 納米定位器(2)，納米定位器(2)位于樣本腔體(8)的底部; 所述納米定位器(2)上設置有操作探針(3)，操作探針(3)的末端與樣品臺(4)的臺面相接觸；所述樣品臺(4)固定安裝在樣本腔體(8)的內(nèi)側(cè)壁上；該樣品臺(4)用于放置納米線.所述掃描電子顯微鏡(I)固定安裝在樣本腔體(8)上方居中的位置上，該掃描電子顯微鏡(I)的鏡頭朝向樣本腔體(8 )內(nèi)，該掃描電子顯微鏡(I)用于采集操作探針(3 )針尖所在區(qū)域的圖像； 所述觸覺主手(5 )通過USB接口與上位機(7 )連接，上位機(7 )通過串口與納米定位控制器(6)連接；納米定位控制器(6)通過通訊線與樣本腔體(8)內(nèi)的納米定位器(2)連接；掃描電子顯微鏡1)的圖像信息輸出端連接上位機(7)的圖像信息輸入端； 上位機(7)將圖像信息處理后發(fā)送位置與力控制信息至觸覺主手(5)； 觸覺主手(5)的主手位置信息信號輸出端連接上位機(7)的主手位置信息信號輸入端; 上位機(7)的位置控制指令信號輸出端連接納米定位控制器(6)的位置控制指令信號輸入端； 納米定位控制器(6)的位置信號輸出端連接納米定位器(2)的位置信號輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺的操作方法，其特征在于:所述納米定位器(2)是采用Attocube實現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺的操作方法，其特征在于:所述納米定位控制器(6)是采用ANC150實現(xiàn)的。
4.關(guān)于權(quán)利要求1所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺實現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，其特征在于:該控制方法為: 步驟一、在上位機(7)上，在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺主手(5)的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3DsMAX和OpenGL開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境； 步驟二、將納米線放置在樣品臺(4)上，然后通過碰撞檢測算法對虛擬環(huán)境中的操作探針(3)的位置和其所在的虛擬環(huán)境進行碰撞檢測: 首先應用層次包圍盒法在操作探針(3)外設置包圍盒，若操作探針(3)的包圍盒未與納米線和樣品臺(4)未發(fā)生碰撞則不做判斷； 若操作探針(3)的包圍盒發(fā)生碰撞，則開始進入碰撞檢測: 碰撞檢測分為:操作探針(3)與樣品臺(4)之間的納米操作碰撞檢測、納米線與樣品臺(4)之間的納米操作碰撞檢測及操作探針(3)與納米線之間的納米操作碰撞檢測三部分；操作探針(3)與樣品臺(4)之間的納米操作碰撞檢測為:先判斷操作探針(3)的包圍盒與樣品臺(4)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作； 若是，則繼續(xù)判斷操作探針(3)與樣品臺(4)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作； 若是，則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機(7);納米線與樣品臺(4)之間的納米操作碰撞檢測為:應用層次包圍球法在納米線外側(cè)設置包圍球； 先判斷納米線的包圍球與樣品臺(4)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作； 若是，則繼續(xù)判斷納米線與樣品臺(4)是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作； 若是，則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機(7); 操作探針(3)與納米線之間的納米操作碰撞檢測為: 先由上位機(7 )采集通過掃描電子顯微鏡(I)獲得的操作探針(3 )的幾何參數(shù)，建立操作探針(3)的錐體模型，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)填充適合錐體的包圍球結(jié)構(gòu)，執(zhí)行操作探針(3)的包圍球結(jié)構(gòu)與納米線的包圍球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測:先判斷操作探針(3)的包圍盒與納米線是否發(fā)生碰撞，若否，則不做任何動作； 若是，則，采用疊前球心排列的方法對操作探針(3)和納米線進行骨骼球填充，執(zhí)行操作探針(3)的骨骼球 與納米線的骨骼球結(jié)構(gòu)之間的碰撞檢測，若否，則不做任何動作； 若是則將檢測到碰撞的反饋力反饋給上位機(7)； 步驟三、上位機(7)通過力覺渲染算法和Chia3d力覺渲染引擎實現(xiàn)對步驟二的操作探針(3)與樣品臺(4)之間的納米操作碰撞檢測、納米線與樣品臺(4)之間的納米操作碰撞檢測及操作探針(3)與納米線之間的納米操作碰撞檢測所獲得的反饋力的力覺渲染，并將渲染后的反饋力的數(shù)據(jù)反饋到觸覺主手(5 )，實現(xiàn)虛擬力覺交互。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺實現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，其特征在于，步驟一中，在上位機(7)上，在VC++2008環(huán)境下，利用觸覺主手的配套二次開發(fā)軟件Chia3d，聯(lián)合3DsMAX和OpenGL開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境的具體實現(xiàn)方法為: 在3DsMax中通過管型工具繪制三維管型模型，通過軟件導出功能導出該管型模型的3ds文件待Chai3d調(diào)用；Chai3d程序調(diào)用管型模型的3ds文件，并將其屬性設置為骨骼模型；用OpenGL函數(shù)直接繪制導出的3ds文件中的頂點形成網(wǎng)格，并生成網(wǎng)格模型，通過編輯實現(xiàn)幾何的形變，得到虛擬三維納米操作環(huán)境。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺實現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，其特征在于，步驟三中的力覺渲染算法為:將操作探針(3)的骨骼球和納米線的骨骼球作為原子，將樣品臺(4)看成一個無限大的平面，通過計算原子與無限大平面和原子之間的作用力來進行力覺渲染。
全文摘要
一種基于掃描電子顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺及實現(xiàn)虛擬力覺交互的方法，涉及一種基于顯微鏡的虛擬力反饋遙納操作平臺及方法。它解決了目前國內(nèi)外普遍采用的納米操作系統(tǒng)對納米粒子或構(gòu)件進行操作缺乏操作過程實時的圖像信息，系統(tǒng)的操作效率低、靈活性差的問題。該平臺包括掃描電子顯微鏡、納米定位器、操作探針、樣品臺、觸覺主手Omega.3、納米定位控制器、上位機和樣本腔體；在VC++2008環(huán)境下，開發(fā)虛擬三維納米操作環(huán)境；通過碰撞檢測算法進行碰撞檢測；上位機對所獲得反饋力進行力覺渲染，并反饋到觸覺主手Omega.3，實現(xiàn)虛擬力覺交互。本發(fā)明適用于遙納操作技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號G06F3/01GK103092346SQ201310012630
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者榮偉彬, 李東潔, 鄒宇, 肖萬哲, 孫立寧 申請人:哈爾濱工業(yè)大學