CN103395058B - 一种纳米机器人控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米机器人控制设备，包括：电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备，纳米操纵器，CCD相机，其中所述电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备能将所述纳米操纵器反馈回的实时运动轨迹与CCD相机监测的纳米操纵器实时运动轨迹进行对比，当发现两个位置不一样时可及时的调整控制步长，或者对其进行复位，实现了对纳米操作器的智能化精确控制。电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备还有2种进行控制的上位机，PC机和PS手柄，通过电路切换能同时控制，也能够单独的控制，可很方便的实现两种控制之间的转换，操作过程人性化，直观化。

Description

一种纳米机器人控制设备

技术领域

本发明属于自动控制领域，主要涉及一种用于控制扫描电子显微镜和透射电子显微镜原位微纳米机器人的控制设备。

背景技术

纳米机器人通常包含用作定位、运动的核心装置纳米操纵器，用作眼睛的光学、电子显微镜或其他可视设备，用作类似于手功能的各种特种功能纳米针尖、微/纳米夹子、纳米刀、纳米钻头、纳米锯齿、纳米笔等的纳米工具，和主要集成在纳米操纵器机械臂上用来探测纳米单体材料各种力学性质、摩擦系数、电学性质、磁学性质、生物小信号等的传感器及与其相连的精确测量系统，因此，纳米机器人的主要技术构成有观测、制动、测量、系统设计和制造、定标、控制、信号传输和人-机交流等方面。

电子显微镜原位纳米机器人包括扫描电子显微镜原位纳米机器人和透射电子显微镜原位纳米机器人两种，就是将扫描探针显微镜或根据其基本原理制造的纳米控制器移植到扫描电子显微镜和透射电子显微镜中，充分结合并利用扫描探针显微镜/纳米操纵器的运动及信号探测能力，电子显微镜在纳米和原子尺度下的图像、实时观测及材料结构、成份、电子结构分析能力，和计算机强大的数据运算和处理能力，对扫描探针显微镜、纳米操纵器和整个实验过程提供智能化控制和记录。

电子显微镜原位纳米机器人电子控制系统主要用于对纳米操纵器进行智能化控制，而目前的纳米操纵器主要采取压电陶瓷驱动技术，该电子控制设备就是根据压电陶瓷在电场作用下产生的形变的特点，产生脉冲信号来驱动纳米操纵器运动。电子显微镜原位纳米机器人的运动尺度属于纳米级，目前没有智能控制系统能够有效地提供精确控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现对纳米操纵器的运动提供精确控制的控制设备。

本发明是通过以下技术方案来实现的：本发明提供了一种纳米机器人控制设备，该设备包括：

电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备，用于接收自动或手动控制，并向纳米操纵器发出控制命令并接收其反馈回的实时运动轨迹；

与所述电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备连接、用于接收电子控制设备发出的控制命令并反馈其实时运动轨迹的纳米操纵器；

与所述电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备连接、用于监测所述纳米操作器的实时运动轨迹视频的CCD相机；

其中所述电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备能将所述纳米操纵器反馈回的实时运动轨迹与CCD相机监测的纳米操纵器实时运动轨迹进行对比，当发现两个位置不一样时就及时的调整控制步长，或者对其进行复位来实现对纳米操作器的智能化精确控制。

作为优选，电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备包括：

上位机2个，上位机1为PC机，用于实现自动控制，上位机2为PS手柄，用于实现手动控制，上位机1和上位机2能分别独立的对所述纳米操纵器进行控制，所述上位机1PC机与所述CCD相机结合起来，将CCD相机中录制的视频实时显示，并将所述纳米控制器反馈回的其运动轨迹与CCD相机监测的纳米机器人运动轨迹进行对比；

下位机DSP控制器，与上位机1和上位机2分别相连，用于对纳米操纵器发出控制命令、接收其反馈回来的实时运动轨迹信号，并将该运动轨迹信号反馈给上位机；

接口保护电路，与下位机DSP控制器相连，用于防止所述纳米操作器反馈回来的信号电压或电流过大而破坏DSP控制器中的电路；

驱动电路，将下位机DSP控制器产生的控制信号传递给纳米操纵器，并对电压的增益进行调整；

反馈电路，用于将所述纳米操纵器的位置信号传递给下位机DSP控制器。

本发明的有益效果是：该控制设备将对纳米操作器的实时运动轨迹和测量得到的实时图像化运动轨迹进行记录和分析，控制精确性效率高而且可控性好，最重要的一点是操作过程人性化，直观化。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备结构框图；

图2是本发明纳米机器人控制界面结构框图；

图3是本发明纳米机器人控制界面截图；

图4是本发明DSP控制器外围电路结构框图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备的结构如图1所示，该控制设备是以DSP芯片为核心控制的嵌入式控制器，包括上位机1PC机、上位机2PS手柄、下位机DSP控制器、接口保护电路、驱动电路、反馈电路。上位机有两种，上位机1是为PC机，用于实现自动控制，上位机2是PS手柄控制器，用于实现手动控制，该控制设备可以由上位机1控制，也可以由上位机2用手柄控制，通过电路切换能同时控制，也能够单独的控制，能很方便的实现两种控制之间的转换。下位机是DSP控制器，对纳米操纵器的控制信号就是该控制器产生的，并接收纳米操纵器反馈回来的实时运动轨迹信号，并将该运动轨迹信号反馈给上位机，上位机和下位机之间通过连接并实现数据通信。接口保护电路是过流过压保护电路，主要是为了防止反馈回来的信号电压或电流过大而破坏DSP控制器中的电路。驱动电路是电压放大电路，增益是可调的，它能将下位机DSP控制器产生的脉冲信号调整增益后传递给纳米操纵器。反馈电路，用于将所述纳米操纵器的位置信号传递给下位机DSP控制器。

作为一个实施例，下位机由TI公司的DSP芯片TMS320F2812作为控制核心，它是以TMS320F2812芯片为核心控制的电路板，该电路板还包括DA转换电路模块、异步串行通讯RS232电路模块，该DSP控制器结合了DA转换器，再结合控制算法进行运算和处理，就能产生16路特殊的脉冲信号，幅值是5V，它用来驱动纳米操纵器运动，该脉冲信号是根据压电陶瓷的工作特性专门设计的，压电陶瓷驱动具有迟滞/非线性特性特点，其位移输出与所加电压的转折点有关。我们设计出缓慢上升、到顶点后又突然下降的脉冲波形和电压值恒定的波形，分别用来驱动切向压电陶瓷（Shearpiezo）和横向压电陶瓷（Tubepizeo），这样就能最大限度的驱动压电陶瓷运动。当选用的压电陶瓷的驱动电压小于200V时，运动起来速度比较缓慢，这就需要将8路脉冲信号经过接口保护电路后，再接到驱动电路，该驱动电路是电压放大电路，增益是可调的，它能将5V的脉冲信号放大到200V到320V。放大后的脉冲信号就能用来驱动纳米操纵器运动。当它运动的时候我们需要掌握它的位置信息，这样就需要一个反馈电路来反映纳米操纵器的位置信息，然后再经过接口保护电路反馈到DSP控制器中，接口保护电路主要是为了防止反馈回来的信号电压或电流过大而破坏DSP控制器中的电路。

具体地，下位机DSP控制器通过异步串行通讯RS232电路模块与上位机1PC机进行通讯，PC机上利用visualbasic开发的控制软件会通过二进制数与DSP之间进行数据通讯，当控制软件上的相应按键按下时，就有相应的二进制数传送到DSP的SCI接收端口，DSP控制器根据相应的控制算法对该二进制数进行处理，就能在对应的端口输出波形，该波形在通过相应的驱动电路就能控制纳米操纵手的运动。当纳米操纵器反馈回来的位置信息传送到DSP控制器中时，DSP控制器就能通过异步串行通讯RS232将该位置信息传送到上位机1的纳米机器人控制软件中，就能在如3中控制界面的纳米机器人轨迹中显示。

下位机DSP控制器与上位机2PS手柄之间的通讯是通过将PS手柄的9根数据线对应到DSP的I/O端口，PS手柄的接口由DATA、COMMAND、N/C(9Voltsunused)、GND、VCC、ATT、CLOCK、N/C、ACK这9根数据线组成，当PS手柄有按键按下时DATA数据线就会有相应的时钟信号传送到DSP控制器中，DSP控制器根据相应的控制算法对数据进行分析、处理就能就能在对应的端口输出波形，该波形在通过相应的驱动电路就能控制纳米操纵手的运动。

在实际操作的时候，纳米操纵器会被放置到扫描电子显微镜或透射电子显微镜的样品腔中，在样品腔中纳米操纵器能独立且稳定的运动，而且不影响扫描电镜或透射电子显微镜的样品台的自由运动和成像系统。这样就能很方便的在纳米尺度上对样品进行精确操控、剪裁和组装单个纳米材料及对纳米单体进行精确物性测量。这时我们将CCD相机与该电子显微镜连接在一起，就能将纳米操纵器在电子显微镜中的宏观运动进行实时、动态化地监控，保护电子显微镜的安全。CCD相机有强大的自扫描功能,图像清晰度好,可以随时捕捉图像,具有体积小、可靠性高、灵敏度高、抗强光、抗震动、抗磁场、畸变小、寿命长、图像清晰、操作简便等优点。此外CCD相机具有强大的视频图像记录器软件功能和工作语言界面。将CCD相机与电子显微镜结合起来，它就能将电子显微镜样品腔中的宏观运动进行实时、动态化地监控，将CCD相机与上位机1PC机相连如图2所示，PC机利用visualbasic的强大功能将CCD相机的自带软件嵌入到纳米机器人控制软件中，软件界面如图3所示，PC机将CCD相机中录制的视频实时显示，这样就能实时的观测纳米操作器的运动情况，通过将CCD相机监测视频与反馈回来的纳米机器人运动轨迹进行对比，当发现两个位置不一样时就及时的调整控制步长，或者对其进行复位。这样就能更加精确的控制纳米操纵器的运动，从而减少控制误差，更好的保护电子显微镜的安全。

上位机2是PS手柄控制器，比如，PS2手柄是SONY公司PlayStation2游戏机的一款游戏手柄，使其与下位机DSP控制器的不同I/O口连接，实现了PS手柄与DSP控制器之间的数据传输。PS手柄每个按键输出的信号对应着DSP控制器输出的控制信号，这样就能通过PS手柄对纳米操纵器进行控制。

作为一个实施例，下位机以DSPtms320f2812芯片为核心，外围包括了电源监控电路，复位电路，JTAG，时钟，flash程序存储器，连接上位机1的SCI异步串口和连接上位机2的I/O端口，DA转换电路等，如图4所示。下位机与上位机1之间是通过SCI端口通信的，SCI就是串行通信接口，是一个双线的异步串口，即具有接受和发送两根信号线的异步串口。tms320f2812的SCI模块支持CPU与采用NRZ标准格式的异步外围设备之间进行数字通信，它使用的是RS232串行接口，现在普遍使用的PC机都具有该接口，这样就能保证该控制设备的普遍适用性。下位机与上位机2之间是通过tms320f2812芯片闲置的I/0端口通信的，根据上位机2每根针脚的功能来定义与之连接的I/0端口。下位机通过TMS320F2812作为控制核心，BB公司的12位数模转换器DAC7724作为执行部件来产生控制信号，该控制信号通过驱动电路来驱动纳米操纵器运动。每个DAC7724芯片能产生4路信号，而纳米操纵器在3维方向运动时是由切向压电陶瓷（Shearpiezo）驱动的，一片切向压电陶瓷需要一路脉冲信号来驱动，所以在3维方向运动就需要3路脉冲信号，而纳米操纵器上的操纵手是由横向压电陶瓷（Tubepizeo）驱动的，该压电陶瓷的运动需要恒压信号来驱动，做伸缩运动时需要4路恒压信号，旋转时需要1路恒压信号，所以一个纳米操纵器就需要8路信号控制信号，总共需要2个DAC7724芯片，这就需要在TMS320F2812芯片上并行外扩2个DAC芯片，而且这2个芯片能够独立的工作，互不影响，设计中使用TMS320F2812的外部扩展接口代替通用I／O口完成DAC7724的控制功能。该DSP控制器把将接收来自上位机的控制指令和控制参数对纳米操纵器的运动做出控制。DSP在执行运动控制的同时能迅速的、准确无误的将纳米操纵器反馈来的位置信息传递给上位机，便于上位机根据当前的运动情况决定下一步的运动指令，从而使纳米操纵器最大限度的完成预期的运动。

上位机1通过下位机，在宏观粗调接近样品时，实时将接收通过下位机反馈回来的纳米机器人的第一位置信息，并同时接收来自CCD相机的视频，通过CCD相机视频确定纳米机器人的第二位置信息，通过实时比较第一位置信息和第二位置信息，可以电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备，从而提高控制精度。该控制设备将对电子显微镜下的测量过程和结果进行实时、动态和图像化的记录和分析，控制效率高而且可控性好，最重要的一点是操作过程人性化，直观化。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (2)

1.一种纳米机器人控制设备，其特征在于，包括：

-电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备，用于接收自动或手动控制，并向纳米操纵器发出控制命令并接收其反馈回的实时运动轨迹；

-与所述电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备连接、用于接收电子控制设备发出的控制命令并反馈其实时运动轨迹的纳米操纵器；

-与所述电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备连接、用于监测所述纳米操作器的实时运动轨迹视频的CCD相机；

其中所述电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备能将所述纳米操纵器反馈回的实时运动轨迹与CCD相机监测的纳米操纵器实时运动轨迹进行对比，当发现两个位置不一样时就及时的调整控制步长，或者对其进行复位来实现对纳米操作器的智能化精确控制；所述电子显微镜原位纳米机器人电子控制设备包括：

-上位机2个，上位机(1)为PC机，用于实现自动控制，上位机(2)为PS手柄，用于实现手动控制，上位机(1)和上位机(2)能分别独立的对所述纳米操纵器进行控制；

-下位机DSP控制器，与上位机(1)和上位机(2)分别相连，用于对纳米操纵器发出控制命令、接收其反馈回来的实时运动轨迹信号，并将该运动轨迹信号反馈给上位机；

-接口保护电路，与下位机DSP控制器相连，用于防止所述纳米操作器反馈回来的信号电压或电流过大而破坏DSP控制器中的电路；

-驱动电路，将下位机DSP控制器产生的控制信号传递给纳米操纵器，并对电压的增益进行调整；

-反馈电路，用于将所述纳米操纵器的位置信号传递给下位机DSP控制器；

所述下位机DSP控制器是以TMS320F2812芯片为核心控制的电路板，该电路板还包括DA转换电路模块、异步串行通讯RS232电路模块；

所述DSP控制器可产生8路特殊脉冲信号用来驱动纳米操纵器运动。

2.根据权利要求1所述的纳米机器人控制设备，其特征在于，所述脉冲信号具有缓慢上升、到顶点后又突然下降的脉冲波形和电压值恒定的波形。