近年来微纳米操作在生产生活中使用的情况越来越多,原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)作为首要的使用工具被广泛应用在基本微纳米操作上。AFM作为微纳米级的观测及操作工具在物理、化学等多个领域的研究中具有至关重要的作用,因此越来越多的学者和研究人员深入研究如何使用AFM进行高精度的纳米观测和操作。使用AFM进行纳米操作时,在操作环境中存在多种不确定因素,包括环境中的系统温漂,AFM控制器的控制误差等。这些不确定因素的存在使得探针的定位产生误差,进而导致AFM探针与纳米颗粒之间的接触点难以确定,导致操作的稳定性大大降低,影响整体的操作效率。针对使用AFM操作纳米颗粒的过程中存在的诸多问题,本文通过对国内外微纳米操作方面的相关研究进行分析,建立机器人化微纳米操作模型:首先针对操作过程中探针不能行精确定位的问题,参考宏观机器人的定位方法即通过概率的方法描述空间中探针位置的不确定性,将空间中的特征物作为路标,使用局部扫描的方法对路标进行观测,建立路标观测模型。同时通过对控制器的PI模型、蠕变模型以及环境的温漂模型确立探针在环境中的运动模型。根据这两个模型使用Kalman滤波进行优化,估算出探针的精确位置。在此基础上,对探针操作纳米颗粒的顺序进行规划,使得在探针移动的过程中距离最短。其次针对微纳米操作过程中稳定性及操作效率的问题,对纳米颗粒进行受力分析的基础上,利用最小作用量原理,估算出使用AFM操作纳米颗粒时颗粒所在位置,进而拟合出颗粒的运动轨迹。参考宏观多机器人协作的Caging策略,规划探针走“Z”字形路径运动,形成一个虚拟纳米手模拟双探针并行操作,来实现物体的定姿态操作。然后针对AFM扫描范围的局限性而操作环境范围较大的问题,利用AFM扫描到的多幅环境图像,利用图像预处理方法对环境图像进行处理,对两幅图像中的特征点利用SURF的方法进行检测与匹配,根据匹配到的特征点进行图像拼接,以此来还原微纳米操作的环境地图。最后进行仿真实验验证。通过对定向情况和非定向情况探针的运动路径进行规划来验证路径规划方法的可行性。通过传统操作方法与“Z”字形操作方法的对比实验验证“Z”字形操作方法的操作能够增加稳定性。最后通过仿真实验验证SURF算法能够实现操作环境地图重建。上述方法通过仿真实验进行了验证,对AFM机器人化微纳米操作技术的应用具有一定促进作用。