纳米技术(Nanotechnology)是指在原子与分子尺度上研究物质的特性和相互作用,以及利用这些特性制备纳米材料,制造纳米器件和系统。纳米尺度上的观测与操作是开展纳米科学研究、纳米尺度事物的新特性发现和器件加工制造的关键技术手段。原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)由于具备分辨率高、重复性好与可控性强的特点而成为目前极具发展潜力的纳米观测与操作工具。　　 AFM将探针作为终端执行器用于获取样品表面的特征信息以实现纳米观测,同时还可以对样本施加作用力进行纳米操作。由于在纳米操作环境中存在多种不确定因素,例如探针控制误差、系统温漂、纳米尺度作用力、探针形貌效应等,导致AFM探针难以实现在任务空间中的精确定位和稳定操作。　　 针对上述问题,本论文在环境地图重构的基础上,提出随机思想与路标观测相结合的探针精确定位方法研究;开展基于并发行为的虚拟夹具纳米操作技术研究,以解决单探针操作中存在的不稳定性问题。主要研究内容包括以下几个方面:　　 ●探针形貌建模与地图重构:针对探针形貌效应(如展宽效应)引起的操作环境地图描述不精确问题,开展基于盲建模算法的探针模型重构研究。提出一种可提高运算速度与精度的盲建模方法,研究了基于探针形貌建模的环境地图精确重构,并通过仿真和实验验证了该方法的可行性和有效性。　　 ●探针作业精确定位:针对探针在任务空间的位置不确定性,本文以概率机器人学的理论方法为基础,将操作环境地图中特征物作为路标,开展基于局部扫描的快速路标观测,建立探针在任务空间中位景的实时最优估算方法,创新性地解决了路标观测与探针扫描运动的耦合相关性难题。　　 ●基于概率思想的探针运动建模:在分析PZT滞环、蠕变与温漂等不确定因素影响的基础上,提出了基于概率思想的探针运动建模方法,并开展了相关实验研究和有效性验证,为探针定位提供了基础。　　 ●虚拟夹具操作方法:针对探针操作状态不确定性,在路标定位基础上,运用机器人作业路径规划理论方法,构建了虚拟夹具操作方法和监控界面,有效解决了单探针操作的不稳定问题,为定姿态的机器人化纳米操作提供了可实现技术途径。　　 ●实验系统构建与实验研究:在上述探针定位与虚拟夹具纳米操作理论方法研究基础上,设计构建了基于AFM的纳米操作平台,系统地设计了模型参数标定方案,开展了大量相关实验研究与方法有效性的验证工作。　　 实验结果表明上述研究方法能够有效改善纳米操作的效率和精确性。　　 本文的理论与实验研究工作,对基于AFM的纳米操作理论研究方法有一定指导意义,为基于AFM的自动化纳米操作技术发展提供了有意义的理论方法。