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分布式機(jī)器人納米操作技術(shù)研究

發(fā)布時間:2018-11-10 07:36
【摘要】:在納米操作領(lǐng)域中,原子力顯微鏡(AFM)因其高分辨率成像能力以及樣本的多樣性而被認(rèn)為是目前最具價值的納米級操作工具。作為納米操作領(lǐng)域重要分支之一,遙操作技術(shù)為遠(yuǎn)程納米操作的實現(xiàn)提供了可能。納米遙操作通過無線技術(shù)實現(xiàn)主、從端的數(shù)據(jù)傳輸,使得實驗人員可以離開實驗現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)距離納米操作,同時在很大程度上可以避免生物實驗中某些有毒試劑對實驗人員的傷害。本文設(shè)計的分布式原子力顯微鏡系統(tǒng)涉及到實驗室自制的單探針和雙探針原子力顯微鏡,所謂分布式顯微鏡,是指在一個顯微鏡系統(tǒng)中有兩個或者多個原子力顯微鏡,在以協(xié)同方式工作時,掃描過程中每個AFM分別負(fù)責(zé)掃描一個樣品,從屬計算機(jī)在主端操作系統(tǒng)的控制下操作與其相連的控制器控制原子力顯微鏡運(yùn)動、掃描和采集數(shù)據(jù)等,結(jié)果反饋給從端計算機(jī),然后通過無線技術(shù)發(fā)送到主計算機(jī)中顯示、分析、比較,再由主計算機(jī)根據(jù)接收到的信息發(fā)出下一步指令,從屬計算機(jī)再控制控制器及探針完成相應(yīng)的動作;從端的兩個AFM相互之間可以協(xié)調(diào)工作,也可以獨立完成任務(wù)。本文從系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能出發(fā),設(shè)計了系統(tǒng)的整體框架,將系統(tǒng)分為主端操作系統(tǒng)、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、從端機(jī)器人監(jiān)測子系統(tǒng)四個部分,并對實驗室自制的原子力顯微鏡系統(tǒng)進(jìn)行了二次開發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求,運(yùn)用VC++開發(fā)了主端操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和從端機(jī)器人檢測子系統(tǒng);同時,選用nRF24L01無線射頻傳輸芯片和STM32F103ZET6微控制器組成無線傳輸模塊,設(shè)計了相應(yīng)的外圍電路并在Keil5開發(fā)環(huán)境完成了對無線傳輸模塊的程序開發(fā);根據(jù)從端機(jī)器人的工作特點,設(shè)計了一種協(xié)同工作方式。本文所研究的分布式機(jī)器人納米操作系統(tǒng)成功地將兩個獨立工作的原子力顯微鏡集成在一個操作系統(tǒng)內(nèi),使得實驗人員不必再在實驗現(xiàn)場長時間等待,也避免了生物實驗中某些有毒試劑對實驗人員的傷害,可以顯著提高實驗效率。
[Abstract]:Atomic force microscope (AFM) (AFM) is considered to be the most valuable nanoscale tool for its high resolution imaging ability and diversity of samples in the field of nanoscale manipulation. As one of the important branches in the field of nano-operation, teleoperation provides the possibility for the realization of long-range nano-operation. The data transmission between master and slave can be realized by wireless technology, so that the experimenter can leave the experiment site to perform long-distance nanometer operation. At the same time, to a large extent, it can avoid the harm of some toxic reagents in biological experiments. The distributed atomic force microscope system designed in this paper involves a single probe and a double probe atomic force microscope made by the laboratory. The distributed microscope refers to the existence of two or more atomic force microscopes in a single microscope system. During the scanning process, each AFM is responsible for scanning a sample, and the slave computer operates under the control of the main operating system to control the motion of atomic force microscope, scan and collect data, etc. The results are fed back to the slave computer, and then sent to the host computer by wireless technology to display, analyze, compare, and then the host computer issues the next instruction according to the information received. The slave computer recontroller and the probe complete the corresponding action; From the end of the two AFM can work with each other, but also can complete the task independently. Based on the function of the system, the whole frame of the system is designed in this paper. The system is divided into four parts: main operating system, wireless transmission module, data acquisition subsystem, robot monitoring subsystem at the end of the system. The atomic force microscope system made in the laboratory has been redeveloped. According to the system design requirements, the main operating system, data acquisition subsystem and slave robot detection subsystem are developed by using VC. At the same time, the wireless transmission module is composed of nRF24L01 radio frequency transmission chip and STM32F103ZET6 microcontroller. The corresponding peripheral circuit is designed and the program development of wireless transmission module is completed in the Keil5 development environment. According to the working characteristics of slave robot, a cooperative working mode is designed. In this paper, the distributed robot nanoscale operating system successfully integrates two independent atomic force microscopes into one operating system, so that the experimenters do not have to wait for a long time in the experimental field. It can also avoid the harm of some toxic reagents in biological experiments and improve the efficiency of experiments.
【學(xué)位授予單位】:長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2017
【分類號】:TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號:2321817

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