后摩尔时代的集成电路特征尺寸已经进入量子效应显著的范围,传统的硅基芯片已经接近了性能极限,而碳基芯片的计算速度是硅基芯片的3-5倍,具有室温下导热性好,承载电流上限高,频响快等优点,因而碳纳米管（Carbon Nanotube,CNT）成为了有望替代硅的材料之一。以半导体型单壁碳纳米管（Single-Wall Carbon Nanotube,SWNT）为构建单元的晶圆级别碳基芯片,在自下而上和自上而下的加工方法上都存在着重大挑战,纳米操作方法是对上述加工技术的一种有效补充,因而需要能够在晶圆尺度,在复杂结构中对SWNT进行三维操作的纳米操作机器人（Nano manipulation robot,NMR）。本文针对纳米操作机器人三维运动精度控制问题,提出了 SEM显微视觉反馈的运动控制方法,将三维运动简化为二维平面运动,提出了纳米尺度位移实时测量方法,可以以显微镜的分辨率对位移进行测量;提出了基于Prandtl-Ishlinskii（PI）逆模型的前馈与比例—积分（PI）反馈相结合的控制方法,同时对输出电压进行比例—积分—微分（PID）稳压,从而对纳米操作机器人的单轴定位精度进行优化;设计了基于输入输出灵敏度函数权重混合调整的鲁棒控制器,对纳环境下的热干扰进行抑制;通过双轴的鲁棒控制器以及一个额外的交叉耦合控制器对纳米操作机器人的双轴轨迹精度进行优化。本课题研究的内容可以具体分为以下四部分:（1）针对纳米操作机器人驱动控制与纳米尺度位移测量的问题,对粘滑驱动原理进行了分析,并提出了一种基于扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）二次电子图像的目标位移实时测量方法,搭建了纳米操作机器人的纳米尺度位移测量系统,进行了跟踪目标位移测量实验,并对SEM的图像尺寸进行标定,其理论位移测量分辨率优于1nm。（2）针对纳米操作机器人大行程步进驱动与微动精确控制问题,对步进阶段的步距输出进行了分析,并对其真实步距输出进行了修正,提出了一种融合PI逆模型前馈控制、基于图像识别的PI位移反馈控制以及输出电压PID稳压控制的综合控制方法,用以对微动阶段进行精确控制,进行了微动定位实验,其定位精度达到了1.8nm。（3）针对纳米操作机器人在纳观环境下受到的热干扰问题,对真空中纳米操作机器人驱动过程中的热干扰进行分析,搭建热干扰模拟平台,设计了基于输入输出灵敏度函数权重混合调整的鲁棒控制器,通过权重函数的选取,对热干扰进行抑制。进行了热干扰抑制实验,在存在热干扰的情况下依旧保证纳米操作机器人1.8nm的定位精度,并且其重复定位精度小于两个像素即3.6nm。（4）针对纳米操作机器人的双轴轨迹优化控制问题,提出了一种双轴鲁棒控制结合交叉耦合控制的控制方案,对纳米操作机器人典型轨迹的轮廓误差进行分析,基于几何轮廓误差模型,对轨迹误差进行计算,在以鲁棒控制器对单轴优化控制后,添加一个额外的交叉耦合控制器,对双轴的轨迹精度进行控制,进行了双轴直线轨迹以及圆轨迹实验,与之前组中工作相比优化后,1μm行程的直线轨迹平均误差优化了 75%,1μm直径圆轨迹平均误差优化了 64%。