基于SEM的多自由度机器人操作平台研究

摘要

随着自然科学与工程技术的发展，纳米技术被广泛应用于航空、航天、生物、医学、国防等领域。针对纳米器件的三维操作与装配，目前主要基于原子力显微镜AFM(Atom Force Microscope)或SEM(Scanning Electron Microscope)下的单手或双手操作完成。然而受显微镜观测空间限制，纳米机器人系统的精密度与灵活度不足，使三维纳米器件的加工组装成为纳米机器人操作领域面临的巨大挑战。
　　扫描电子显微镜具有实时纳精度观测、高洁净、高真空环境等优点，结合纳米操作机器人的控制，可有效提高三维纳米器件制造的效率。为实现三维互连与器件高效组装与操作策略，本文基于扫描电子显微镜的操作环境，通过进行多自由度机器人操作平台设计，实现多操作手协同控制的要求。
　　在基于SEM的多自由度机器人操作平台设计方面，在SEM有限的真空腔内，根据纳米操作的各种工艺需求，集成多自由度机器人平台。同时，优化多自由度机器人平台、SEM以及操作对象三者之间的空间布局。实现利用SEM对纳米器件和纳米操作过程进行观测的目的。通过该平台设计，从毫米到微米再到纳米的机构集成，利用大行程微米级精度的机械人与小行程纳米级精度的机械人整合，实现宏微尺度的跨越。
　　在基于SEM的多自由度机器人运动学分析方面，进行纳米操作机器人的正运动学分析，并在此基础上建立纳米操作机器人的三维运动学模型，获得机器人手的位姿方程，为纳米操作的各种工艺动作提供理论支撑。宏动平台可以将纳米器件操作台上的器件调整到SEM的视场内，对器件的相关特征及参数进行测量，为四套具备四自由度的纳米操作手的作业方式提供数据。四套纳米操作手可以并行处理各自的纳米对象，也可以针对同一个纳米器件进行作业，相互协调完成对纳米器件的拾取、装配等一系列工作。
　　在多机器人的系统集成和实验分析方面，利用四套机器人操作手进行碳纳米管的拾取实验，分析并行作业、协同作业等操作方式，评估操作平台参数，例如:精度、稳定性等。同时对碳纳米管拾取的效率、品质进行分析和对比，为操作平台的改进和拾取的工艺改善提供实验数据支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 SEM的工作原理及特点

1．1．2 SEM的结构

1．1 SEM介绍

1．2 国内外发展现状

1．2．1 基于扫描探针显微镜的纳米操作系统

1．2．2 基于扫描电子显微镜的纳米操作系统

1．3 课题研究的目的及意义

1．4 课题的主要研究内容

第二章 SEM中多自由度机器人操作平台研制

2．1 引言

2．2 SEM中多自由度机器人操作平台总体设计

2．2．1 设计空间分析

2．2．2 平台方案设计

2．2．3 运动模块参数化设定与选型

2．2．4 机构系统集成

2．2．5 控制部分

2．2．6 执行模块

2．3 SEM中多自由度机器人操作部件的优化设计

2．3．1 夹持器改进

2．3．2 末端执行更换系统

2．4 本章小结

第三章 SEM中多自由度机器人运动学分析与系统搭建

3．1 引言

3．2 多自由度机器人的运动学分析

3．3 系统的搭建与调试

3．4 本章小结

第四章 多自由度机器人操作平台实验研究

4．1 引言

4．2 多自由度机器人的操作策略

4．3 碳纳米管拾取实验

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读学位期间科研成果

致谢