面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统

在对细胞、生物大分子等柔软样品进行纳米操作时,原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)面临缺乏实时视觉反馈的问题.为此,搭建了一套面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统.具体而言,首先建立了AFM形貌图像坐标系到虚拟场景坐标系之间的映射关系,从而得到虚拟场景中样品的顶点信息,进而通过3维图形引擎渲染样品的虚拟形貌.在此基础上,提出了一种基于接触力学理论的样品形变估计和仿真方法,对探针按压导致的样品形变进行了虚拟视觉反馈,从而使得刻画的虚拟形貌能够和样品的真实形貌保持一致,并准确地还原按压过程中样品表面的形貌变化.仿真和实验结果表明,所设计的纳米操作可视化系统能够在虚拟场景中实时呈现AFM纳米操作过程.     

基于物理的虚拟手抓持力觉生成和反馈

提出了一种基于物理的虚拟手静力抓持虚拟物体力觉生成和反馈方法,借鉴机械手抓持原理,在建立基于物理的虚拟手静力抓持通用力学模型并对其进行可解性分析的基础上,针对通用力学模型的多解性,提出了虚拟手最小力螺旋模型以生成力觉,并根据抓持物体的不同,进行模型实例化,实时求得各虚拟手指上的力和(或)力矩,实验结果表明,借助于本文的力觉生成和反馈方法,利用CyberGrasp力觉反馈数据手套,用户可在抓持虚拟物体时感受到真实的接触力。     

基于虚拟3D视觉和力觉交互的SEM遥纳操作系统

为增强纳米操作的交互性,本文结合虚拟现实技术,借助力觉反馈设备搭建了基于虚拟3D视觉反馈与虚拟力觉反馈的遥纳操作平台.为确保虚拟环境能够正确反映真实的纳米操作环境,对虚拟模型的碰撞检测和力觉渲染进行了详细设计;同时在力觉反馈设备和虚拟环境之间引入虚拟匹配环节保证力觉交互接口的稳定,增强主端控制模块的协调性.为实现准确的纳米操作,采用基于兴趣区域的图像特征方法提取探针深度信息,快速建立图像模糊度与探针到基底的距离的关系,实现对探针的闭环控制.最后,利用所述的系统平台以及操作方法,完成了单根ZnO纳米线的转移实验.     

基于AFM的机器人化纳米操作中纳观力的初步研究

针对基于原子力显微镜(AFM)的机器人化纳米操作，对探针作用下探针—基片—微粒之间纳观力的作用规律进行了初步分析．指出起主要作用的纳观力为范德华力、接触斥力、纳米摩擦力、毛细作用力以及纳米静电力等五种，并初步推导了各种纳观力的表达形式．通过力—距离曲线仿真与实验验证了所进行分析的合理性；该分析有助于进行纳米操作的精确控制．     

基于视觉/力觉辅助的遥操作系统研究与实现

针对多变未知的作业环境以及复杂繁多的作业任务,设计一种基于视觉/力觉辅助作业的遥操作系统.首先,利用Kinect摄像头采集作业现场的3D点云数据,结合虚拟现实技术,在计算机上将虚拟机械臂模型叠加到真实环境中,同时显示虚拟模型与现场信息,提高操作人员的现场感知能力;根据获取的障碍物和目标物体位置信息,建立人工势场,增强操作者控制远端机械臂进行避障及接近目标物体操作的能力,完成环绕和避障任务.该方案在7自由度Schunk机械臂上得到了实现.结果表明,此方案可以很好地弥补虚拟环境缺乏现场信息的缺点,提高了遥操作系统的可靠性.     

交互式多模型算法的MT-R机器人视觉跟踪

针对机器人的视觉跟踪问题,提出了一种基于交互式多模型算法的视觉跟踪方法。该方法采用HSV颜色模型,通过交互式多模型算法进行滤波估计,获得目标的运动属性。利用交互式多模型算法对目标的位置进行一步或者N步预测,在获得下一帧的观测值后,在预测位置的区域进行目标搜索,可减少搜索区域,节省搜索时间,增加了跟踪的实时性。使用该方法对机器人足球比赛中的红色球进行搜索跟踪。实验结果表明,应用该方法可获得目标的运动属性,能快速搜索到运动目标,并能进行准确跟踪。     

基于模糊控制的移动机器人视觉反馈跟踪

探讨视觉空间下非完整移动机器人的跟踪问题。在不校准摄像机视觉参数的前提下,提出一种利用视觉反馈信息设计非完整移动机器人轨迹跟踪的模糊控制方法。其模糊控制使用Mamdani推理机,包含if-then规则和重心法,对线速度和角速度进行控制。仿真结果证明了该方法的有效性。     

基于Yes/No反馈的视觉问答方法

针对视觉问答任务中问题语句可能存在的歧义,文中提出基于Yes/No反馈的视觉问答方法,通过Yes/No的反馈机制判断模型第一次得出答案的正误.当用户给出的反馈信息为No时,重新解析该问题,生成多种消歧后的问题,产生不同的候选答案,输出最高置信度的答案作为最终结果.在CLEVR、CLEVR-CoGenT基准数据集上的实验表明文中方法精度较高.     

基于视觉反馈的近场微型飞行头定位系统

近场光存储方案中,头盘间距动态测控技术是将近场光存储理论和技术实用化的一项关键技术。基于强度干涉原理的飞高检测方案中,微型飞行头位姿控制是影响测量误差的一项关键因素。提出一种基于视觉反馈的定位控制系统,重点介绍其系统结构,分析机械控制元件和图像处理算法精度。试验表明,微型飞行头定位系统精度优于11μm,引起飞高检测误差在1nm范围内,满足高精度头盘间距动态测试要求。     

Integrating Optical Force Sensing with Visual Servoing for Microassembly

For microassembly tasks uncertainty exists at many levels. Single static sensing configurations are therefore unable to provide feedback with the necessary range and resolution for accomplishing many desired tasks. In this paper we present experimental results that investigate the integration of two disparate sensing modalities, force and vision, for sensor-based microassembly. By integrating these sensing modes, we are able to provide feedback in a task-oriented frame of reference over a broad range of motion with an extremely high precision. An optical microscope is used to provide visual feedback down to micron resolutions, while an optical beam deflection technique (based on a modified atomic force microscope) is used to provide nanonewton level force feedback or nanometric level position feedback. Visually servoed motion at speeds of up to 2 mm/s with a repeatability of 0.17 m are achieved with vision alone. The optical beam deflection sensor complements the visual feedback by providing positional feedback with a repeatability of a few nanometers. Based on the principles of optical beam deflection, this is equivalent to force measurements on the order of a nanonewton. The value of integrating these two disparate sensing modalities is demonstrated during controlled micropart impact experiments. These results demonstrate micropart approach velocities of 80 m/s with impact forces of 9 nN and final contact forces of 2 nN. Within our microassembly system this level of performance cannot be achieved using either sensing modality alone. This research will aid in the development of complex hybrid MEMS devices in two ways; by enabling the microassembly of more complex MEMS prototypes; and in the development of automatic assembly machines for assembling and packaging future MEMS devices that require increasingly complex assembly strategies.     

遥操作系统中力反馈研究与实现

力反馈的研究与实现是遥操作系统研究的重要内容之一。该文设计了一种带力反馈的主从式遥操作系统。在系统中提出以虚拟手指空间位姿代替实际力作用线方向上位移的计算和基于实际材料的虚拟力外推的方法。该方法以虚拟手指的位姿来计算虚拟力,以实验所得实际材料的数据作为索引进行虚拟力的外推。实验结果表明,和以往的考虑力和变形关系的力反馈研究相比,此力反馈系统不仅简单易行,同时保证了较高的精度和刷新率。     

线控转向系统力反馈的研究

线控转向系统取消了转向盘与转向轮的机械连接,所以必须通过电机向驾驶员实时反馈路感,从而使驾驶员感知车辆行驶状态和路面状况.首先建立了包括驾驶员在内的转向盘力反馈模型.提出的路感控制策略包括上层控制策略和下层控制策略.上层控制策略中转向盘回正力矩建模为扭杆弹簧施加的回复力矩,与转向盘转角成线性;下层控制策略对电机电流进行比例积分控制.最后研究了不同驾驶员模型比例系数,积分系数和电流比例积分控制的比例系数,积分系数对转向盘转角跟踪性能的影响.结果表明,遗传算法优化得到的这四个参数,可使得驾驶员较好跟踪转向盘转角,路感电机电流较好跟踪目标电流,实现较好的力反馈.     

An automatic compensation method on compression effect and surface elasticity measurement based on the deflection signal of AFM

Atomic force microscope(AFM),as an important instrument in micro/nano operation,has been widely used to measure sample’s height information.However,the so called compression effect,due to force aroused from the contact of AFM tip with a sample surface,would result in imprecision of the surface’s height measurement,i.e.,the measured height is lower than expected.Up to now,there is not any effective and rapid method to attenuate this kind of measurement error.Thus,in this paper,an algorithm to obtain high acc...     

用于地图内容查询的可视化交互界面的设计

可视化交互界面技术是计算机技术的主要组成部分之一，在各个领域中发挥着重要的作用，用于地图内容查询系统的可视化交互界面以高效、灵活和方便的交互手段为系统提供了强有力的支持。文中对用于地图内容查询系统的可视化交互界面具有的功能进行了分析，设计了一种基于语义模型和图像处理技术地图目标查询的交互界面。对界面的总体结构和交互机制进行描述，说明用于描述地图内容的数据结构，并对实现多种功能的操纵方法进行说明.最后给出一个应用实例，说明该界面的效果。     

基于RTLinux的AFM实时反馈控制系统

为了提高原子力显微镜(AFM)的测量性能,利用RTLinux良好的实时性,设计了一种开放式的反馈控制平台,完成了基于RTLinux的AFM实时反馈控制系统的软硬件设计,并在PC上具体实现这种实时反馈系统。测试结果表明,该系统能较好地实现AFM在Z方向上的实时反馈控制。利用该平台良好的开放性,可以将各种先进的控制方法应用于AFM系统中,以提高原子力显微镜的扫描速度和精度。此外,该基于RT-Linux的AFM系统还可以扩展成为一个开放式的纳米操作平台。     

一种七自由度力反馈手控器测控系统设计

多自由度力反馈手控器是遥操作的重要人机接口设备,提出了一种七自由度力反馈手控器测控系统的设计方案,实现对手控器末端位置的测量和向手控器输出反馈力/力矩.详细介绍了该手控器的位置检测原理、力反馈控制原理和控制器的软硬件设计.在完成系统调试后对手控器系统进行了测试,测试结果表明:设计的手控器系统测量精度达到±0.5 mm,三维平动力反馈控制精度达到5％ FS,满足多自由度力反馈遥操作的需求.     

支持力反馈的肝脏外科虚拟手术仿真系统

介绍一个用于外科手术的肝脏虚拟手术仿真系统。该系统基于SensAble公司的PHANTOM力反馈设备,利用虚拟现实技术实现肝脏手术过程中有关肝脏及其内部组织的多种手术操作,提供真实的视觉反馈和力反馈,具有良好的实时性。为虚拟现实技术在手术仿真中的实用化探索出一条可行的道路。     

基于力反馈技术的三维模型表面绘制技术研究

本文将力反馈技术引入虚拟绘制过程中,提出一种基于力反馈技术的三维模型表面绘制方法。首先分析毛笔在三维绘制过程中的受力和变形,采用弹簧-振子模型建立三维毛笔模型;然后由毛笔碰撞变形后的最小包围球找出碰撞相关点,计算碰撞相关点的平均法矢确定投影平面,通过计算毛笔的变形得出在投影平面上的笔触,将该笔触投影到三维模型表面,同时控制毛笔的受力和运笔路径叠加笔触获得具有特定书法效果的三维笔道;最后介绍了仿真系统,使用Phantom Desktop力反馈设备在该系统中实现了三维模型表面的绘制。仿真结果表明,该方法再现了三维模型表面绘制的力觉控制过程,增强了绘制过程中的真实感。