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 Microscopy,AFM）具有极高的观测分辨率和良好的操作可控性,不仅可以对物体表面进行纳米尺度的扫描观测,还可以对微纳米物体进行微小力操作,作为推进纳米科技发展的重要工具已得到广泛研究和应用。但在AFM纳米操作中,由于系统存在的迟滞、蠕变以及温漂等不确定因素,使纳米物体与AFM探针均存在位置误差,这是影响纳米操作的因素之一。此外,AFM探针只能对被操作物体施加点接触力导致操作过程中经常出现探针与物体脱离的现象。因此现有的纳米操作系统无法实现纳米物体高精度、定姿态、高稳定性的纳米操作。本论文在对国内外相关研究现状深入研究的基础上,创新性的提出了一种不确定环境下纳米操作的方法,主要研究内容如下:建立了基于AFM推动的纳米物体运动学模型。首先对纳米环境下的被操作物体进行受力分析和运动学描述,然后提出了纳米粒子与纳米棒体的运动学模型,并根据实验手段对模型中的相关参数进行了标定,在此基础上对所建模型进行了数值模拟及仿真实验分析,验证了所建立的运动学模型能够有效的预测操作后纳米物体的位置。为了进一步提高纳米粒子运动模型的精度,提出了基于最小作用量的纳米粒子运动学模型。首先证明了在最小推动力作用下纳米粒子旋转中心的位置分布规律,在此基础上进行力与力矩的分析,建立纳米粒子的运动学模型。采用龙格库塔-蒙特卡洛方法对模型进行了算法分析,并进行了模型中相关参数的标定以及模型的仿真研究,验证了模型的有效性。针对纳米操作环境中存在的系统温漂不确定性因素,探针形貌不确定性和探针定位不确定性分别进行了分析与研究。采用局部扫描的方式构建实时反馈操作系统对温漂不确定性进行补偿,通过数学形态学的方法进行探针形貌的估算及AFM图像的重构来降低探针形貌不确定性的影响,最后通过路标观测的方法进行探针定位的估算,提高探针定位的精度。针对AFM单探针执行器无法实现稳定操作的缺点,提出了虚拟纳米手操作策略,即通过多点规划操作模拟多探针同时操作结果。考虑到探针定位与纳米粒子位置的不确定性误差分布特性,采用蒙特卡洛概率描述和预测方法对操作后的纳米物体位置进行概率预报,根据预报结果规划纳米手的结构参数,仿真结果表明虚拟纳米手操作策略能够实现稳定的纳米操作。最后分析了纳米手的结构参数性能与优化方法。构建了具有实时反馈功能的纳米操作系统平台,该系统集成了本研究的相关内容,并在该系统上进行了探针定位不确定性、探针形貌不确定性及系统温漂不确定性的实验研究,进行了不确定条件下虚拟纳米手操作的仿真与实验,验证了所建模型及操作方法的有效性,相关实验结果表明了该方法能够极大的提升纳米操作的效率。