基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法技术

本发明专利技术涉及一种基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法，包括获取微纳操作机器人的演示轨迹；判断微纳操作机器人的演示轨迹上是否有深度运动信息，若判断结果为是，则为深度运动，若判断结果为否，则为平面运动，并将微纳操作机器人的演示轨迹划分为多个简单的元任务，其中元任务的划分准则为根据是否进行深度运动进行划分；对元任务进行编码并建立元任务库，微纳操作机器人调用元任务库中的元任务，按照元任务的轨迹进行运动。本发明专利技术针对微纳操作机器人的操作环境和运动特征，将复杂的操作轨迹划分为多个简单的元任务轨迹，极大地降低了微纳操作机器人的学习难度，适用微观环境下的机器人操作。微观环境下的机器人操作。微观环境下的机器人操作。

【技术实现步骤摘要】
基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法


[0001]本专利技术涉及机器人自动化
，尤其是指一种基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法。

技术介绍

[0002]在微观环境下借助扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)搭建微纳操作机器人或者操作系统来完成纳米线的拾取。这些机器人组装在SEM的腔体内，其外形尺寸都非常小，通常在几个厘米。微纳操机器人的操作对象通常为微米和纳米级别，为了保证正常工作，运动精度都需要保证在纳米级别。以SEM作为视觉传感器，使用基于视觉的接触检测方法，可以检测探针尖端与基底之间的接触，还可以确定探针尖端和要操纵的纳米物体的相对垂直位置，以此可以基于SEM的图像建立带有前馈控制控制器的视觉伺服控制系统，用于多个微纳操纵器的闭环控制，可将探针精确地带到目标位置，通过这种基于视觉反馈的伺服控制方法可以实现一些纳米操作机器人的自动操作任务。
[0003]目前宏观机器人自动化的设计方案主要采取基于轨迹的演示学习方法，其一般需要分割轨迹来提高轨迹的学习效率，通常自动分割轨迹主要分为监督分割和非监督方法，其中监督分割方法中有一种方法为基于形状匹配的分割技术，接触提前训练好的运动轨迹模型，通过轨迹之间的几何形状等特征对示教轨迹进行分割；无监督分割方法中的一种分割演示轨迹是将机器人末端执行器与操作对象的接触关键帧作为分割点，完成轨迹的分割。但是上述通用的演示运动轨迹的分割方法基本上都是使用在宏观机器人领域当中，其运动特性和与操作对象的物理变化与微纳操作机器人存在一定区别，微纳操作机器人的工作环境是在微观环境中，其操作对象和信息收集都需要借助扫描电子显微镜，通用的分割方法不适合直接应用在微纳操作机器人上。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法，。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法，包括以下步骤：
[0006]S10：获取操作人员操作微纳操作机器人完成纳米线拾取任务的演示轨迹；
[0007]S20：利用评价函数判断所述微纳操作机器人的演示轨迹上是否有深度运动信息，若判断结果为是，则该段轨迹为深度运动，若判断结果为否，则该段轨迹为平面运动，并将所述微纳操作机器人的演示轨迹划分为多个简单的元任务，其中元任务的划分准则为根据是否进行深度运动进行划分；
[0008]S30：对元任务进行编码并建立元任务库，在有纳米线自动拾取任务时，所述微纳操作机器人调用所述元任务库中的元任务，按照所述元任务的轨迹进行运动，完成纳米线自动拾取任务。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，在S10中，获取微纳操作机器人的演示轨迹包括：
[0010]获取微纳操作机器人的运动视频，在所述运动视频上截取多帧图像；
[0011]选用低通高斯滤波器对每一帧图像进行滤波处理，并对滤波处理后的图像先后进行腐蚀和二值化处理，获得所述图像中的悬臂梁和纳米线的轮廓。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，在S20中，利用评价函数判断所述微纳操作机器人的演示轨迹上是否有深度运动信息包括：
[0013]将Tenengrad梯度函数作为评价函数，利用Tenengrad梯度函数计算悬臂梁在静止不动和进行深度运动时各自的清晰度变化情况，使用多项式回归模型进行表征，得出对应的斜率，判断悬臂梁是否进行深度运动还是静止不动。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，在S20中，将所述微纳操作机器人的演示轨迹划分为多个简单的元任务，其中元任务的划分准则为根据是否进行深度运动进行划分包括：
[0015]将所述演示轨迹上进行深度运动的一段轨迹分割出来，将该运动定义为上升元任务，在执行上升元任务之前，将悬臂梁运动到纳米线正下方，将该运动定义为定位元任务；
[0016]控制所述悬臂梁上升后增加悬臂梁在Y方向上的短距离摇摆的运动，并将该运动定义为接触判断元任务，根据所述接触判断元任务判断所述悬臂梁和纳米线的接触状态，若所述悬臂梁和纳米线的接触状态为线接触，则控制悬臂梁将纳米线拾取，并将该运动定义为分离元任务，若所述悬臂梁和纳米线的接触状态为点接触，则定义接触修复元任务对点接触进行修复，直至悬臂梁和纳米线的接触状态为线接触。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述接触修复元任务为至少一个。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，在S30中，对元任务进行编码包括：
[0019]对所述元任务的轨迹进行滤波处理，并采用普氏动态时间规整对滤波处理后的元任务的轨迹进行轨迹对齐处理，将多个轨迹正则化到同一时间步长；
[0020]采用高斯混合模型表征轨迹对齐处理后的元任务的运动特性，并采用混合高斯回归泛化生成元任务演示轨迹；
[0021]使用动态运动基元对元任务演示轨迹进行编码处理。
[0022]在本专利技术的一个实施例中，所述元任务包括划分的元任务和引入的空走演示元任务。
[0023]在本专利技术的一个实施例中，所述普氏动态时间规整的公式如下：
[0024][0025]其中，为第i个需要对齐的轨迹，i＝1,2,
…
,m，是时间正则化矩阵。
[0026]此外，本专利技术还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述所述方法的步骤。
[0027]并且，本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述方法的步骤。
[0028]本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0029]本专利技术提出了一种基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法，其针对微纳操作机器人的操作环境和运动特征，建立划分元任务的准则，将复杂的操作轨迹划分为多个简单的元任务轨迹，极大地降低了微纳操作机器人的学习难度，适用微观环境下的机器人操作。
附图说明
[0030]为了使本专利技术的内容更容易被清楚的理解，下面根据本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明。
[0031]图1是本专利技术基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法的流程示意图。
[0032]图2是本专利技术AFM悬臂梁在不同状态下的清晰度变化和多项式回归表征结果，其中图2(a)为AFM悬臂梁静止时清晰度变化和多项式回归表征结果；图2(b)为AFM悬臂梁深度运动时清晰度变化和多项式回归表征结果。
[0033]图3是本专利技术纳米线和AFM悬臂梁的三种接触状态。
[0034]图4是本专利技术微纳操作机器人拾取纳米线演示末端执行器的运动轨迹图。
[0035]图5是本专利技术划分出的深度运动的元任务示意图。
[0036]图6是本专利技术划分完整纳米线拾取任务的演示示意图。
[0037]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法，其特征在于，包括以下步骤：S10：获取操作人员操作微纳操作机器人完成纳米线拾取任务的演示轨迹；S20：利用评价函数判断所述微纳操作机器人的演示轨迹上是否有深度运动信息，若判断结果为是，则该段轨迹为深度运动，若判断结果为否，则该段轨迹为平面运动，并将所述微纳操作机器人的演示轨迹划分为多个简单的元任务，其中元任务的划分准则为根据是否进行深度运动进行划分；S30：对元任务进行编码并建立元任务库，在有纳米线自动拾取任务时，所述微纳操作机器人调用所述元任务库中的元任务，按照所述元任务的轨迹进行运动，完成纳米线自动拾取任务。2.根据权利要求1所述的基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法，其特征在于，在S10中，获取微纳操作机器人的演示轨迹包括：获取微纳操作机器人的运动视频，在所述运动视频上截取多帧图像；选用低通高斯滤波器对每一帧图像进行滤波处理，并对滤波处理后的图像先后进行腐蚀和二值化处理，获得所述图像中的悬臂梁和纳米线的轮廓。3.根据权利要求2所述的基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法，其特征在于，在S20中，利用评价函数判断所述微纳操作机器人的演示轨迹上是否有深度运动信息包括：将Tenengrad梯度函数作为评价函数，利用Tenengrad梯度函数计算悬臂梁在静止不动和进行深度运动时各自的清晰度变化情况，使用多项式回归模型进行表征，得出对应的斜率，判断悬臂梁是否进行深度运动还是静止不动。4.根据权利要求3所述的基于动态运动基元的微纳操作机器人自动拾取纳米线方法，其特征在于，在S20中，将所述微纳操作机器人的演示轨迹划分为多个简单的元任务，其中元任务的划分准则为根据是否进行深度运动进行划分包括：将所述演示轨迹上进行深度运动的一段轨迹分割出来，将该运动定义为上升元任务，在执行上升元任务之前，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨湛，韩驰瑞，巢沛栋，房梁，张略，陈涛，孙立宁，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：