全向移动机器人的运动控制 作者：Xiang Li, Andreas Zell 关键词：移动机器人和自主系统，系统辨识，执行器饱和，路径跟踪控制。 摘要：本文主要关注全向移动机器人的运动控制问题。一种基于逆运动学的新的控制方法提出了输入输出线性化模型。对执行器饱和及驱动器动力学在机器人性能体现方面有重要影响，该控制法考虑到了以上两个方面并保证闭环控制系统的稳定性。这种控制算法常用于真实世界的中型组足球机器人全方位的性能体现。
1.介绍 最近，全方位轮式机器人已在移动机器人应用方面受到关注，因为全方位机器人“有一个满流动的平面，这意味着他们在每一个瞬间都可以移动，并且在任何方向都没有任何调整”。不同于非完整的机器人，例如轮式机器人，在执行之前具有旋转任何所需的翻译速度，全方位机器人具有较高的机动性并被广泛应用在动态环境下的应用，例如在中型的一年一度的足球比赛。 大多数移动机器人的运动控制方法是基于机器人的动态模型或机器人的运动学模型。动态模型直接描述力量施加于车轮和机器人运动之间的关系，以外加电压的每个轮作为输入、以机器人运动的线速度和角加速度作为输出。但动态变化所造成的变化的机器人惯性矩和机械组件的扰动使控制器设计变得较为复杂。假设没有打滑车轮发生时，传感器高精度和地面足够平坦，由于结构的简单，因而运动模型将被广泛应用于机器人的设计行为中。作为输入运动学模型是机器人车轮速度，输出机器人的线速度和角速度，机器人的执行器的动力都快足以忽略，这意味着所需的轮速度可以立即达到。然而，该驱动器的动态极限，甚至降低了机器人在真实的情况中的表现。 另一个重要方面是机器人控制的实践：执行器饱和。因机器人轮子的指挥电机速度是有饱和的界限的，执行器饱和能影响到机器人的性能，甚至使机器人运动变得不稳定。 本文提出了一个全方位的机器人的一种运动控制方法，这种控制方法是基于逆输入输出的线性的运动学模型。它需要不仅考虑到驱动器动力学的识别，但也需要考虑到执行器饱和控制器的设计，并保证闭环控制系统系统稳定性。 本文其余的部分：在2节介绍了运动学模型的一个全方位的中型足球机器人；在3节介绍了路径跟踪与定位跟踪问题基于逆运动学模型的输入输出线性化的解决方法，其中包括执行器饱和分析；4部分介绍了动态识别器及其在控制性能方面的影响；最后的实验结果和结论讨论部分分别在5和6。
第４０卷第１０期机械工程学报ｖ０１４０Ｎｏ．１０２００４年ｌＯ月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ０ｃｔ．２０Ｏ４ 蛇形机器人的转弯和侧移运动研究＋ 叶长龙 （中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室沈阳１１００１６） 马书根 （日本国立茨城大学工学部茨城３１６—８５１１日本） 李斌王越超 ｆ中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室沈阳１１００１６） 摘要：介绍了沈阳自动化研究所研制的蛇形机器人机械结构和控制结构。在分析蛇形曲线的基础上，提出幅值调整法、相位调整法和侧移调整法三种新方法，来处理蛇形机器人侧向滑动带来的方位偏转和完成蛇形机器人自主转弯控制，并给出几种方法的量化关系，建立动力学仿真模型进行了运动仿真。幅值调整法虽然使蛇形机器人转弯角度受到限制但却保证了运动的连续性和稳定性。相位调整法能够使蛇形机器人准确地完成转弯运动。侧移调整法能够实现蛇形机器人前进过程中的侧向位置调整，同时保证运动方向的准确性。将上述方法应用到蛇形机器人的控制中，用仿真和试验验证了以上方法的有效性。 关键词：蛇形机器人蛇形曲线幅值调整法相位调整法侧移 中图分类号：ＴＰ２４ 方法验证了此规划。 ０前言 １蛇形机器人结构 蛇形机器人的研究开创了～个新的仿生机器人 研究领域。自２０世纪７０年代日本的第一条蛇形机沈阳自动化所的蛇形机器人在机构上采用模块器人问世，各国的许多研究人员开始了该类机器人化设计（如图１所示），每个模块具有自由度，多个模的研究，提出大量的相关理论‘１嘲，制作了多台样机。块按一定方式连接可以组装成三维蛇形机器人（如近几年，我国科技工作者也开始研究蛇形机器人【－“。图２所示）。在控制上，选用ｃＡＮ总线的控制方式实蛇是一种无肢动物，依靠细长身体的蜿蜒运动现一点对多点的控制，满足实时控制的需要（如图３推动自身高速运动。根据蛇的运动原理制作的蛇形所示）。每个模块都装有一片嵌入式１６位单片机，各机器人，可以克服轮式机器人和腿式机器人的缺点，个单片机独立处理关节的运动信息和传感信息，为能够在多种环境中运动。例如：在草地中爬行，在机器人的分布式控制提供有利条件。蛇形机器人头水中游泳，在凸凹不平的地面运动，在沼泽中前进；部安装有ＧＰｓ定位系统、无线通信系统和摄像头，作为操作臂完成各种危险作业，进入狭小空间完成向主控计算机提供位置信息、通信和图像信息。蛇修补和抢救工作。而且蛇形机器人机构简单，模块形机器人尾部安装有电池，为蛇形机器人运动提供 ｍｉｎ。目前，化设计能够实现可重构。另外，蛇形机器人的节律能源，该能源可供机器人至少运动４０ 运动为其控制提供了有利条件。沈阳自动化所已制所有模块实现了集成。 作出两代蛇形机器人功能样机，在设计和试验中积 累了很多宝贵经验。 首先介绍蛇形机器人结构，包括机械结构和控 制结构。然后，说明蛇形曲线，并在此基础上，提 出有关蛇形机器人转弯的幅值调整法和相位调整 法，同时提出了侧移运动的相关规划。对提出的几 种运动方法作了量化分析。最后，用仿真和试验的 ＋国家８６３高科技资助项目ｆ２００１从４２２３６００１。２０∞０９０１收到初稿 图１蛇形机器人机构２００４０４２０收到修改稿 万方数据
第36卷第6期 上海师范大学学报(自然科学版)Vol.36,No.6 2007年12月 Journal of Shanghai Nor mal University(Natural Sciences)2007,Dec. 仿生机器人的研究现状及其发展方向 王丽慧,周 华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘 要:随着机器人智能化技术的进步,机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注.主要对仿生机器人的国内外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望. 关键词:仿生机器人;研究现状;发展方向 中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:100025137(2007)0620058205 人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史,人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作.1959年,第一台工业机器人在美国诞生,近几十年,各种用途的机器人相继问世,使人类的许多梦想变成了现实.随着机器人工作环境和工作任务的复杂化,要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性,机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求.在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天,仿人及仿生物机器人相继被研制出来,仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员. 1 仿生机器人的基本概念 仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人.仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类.仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人,机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动. 2 仿生机器人的国内外研究现状 2.1 水下仿生机器人 水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大.在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑.以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压.由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展.鱼类在水下的行进速度很快,金枪鱼速度可达105k m/h,而人类最快的潜艇速度只有84km/h.所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的,鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象.仿鱼推进器效率可达到70%～ 收稿日期:2007209222 基金项目:上海师范大学理工科校级项目(SK200733). 作者简介:王丽慧(1972-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.
UP-SolidSnake 蛇形机器人 教学实验系统 使用说明书
北京博创科技 2005 年 12 月
前言
本说明书以仿生机器蛇为背景，从项目开发的角度，来讲述机器蛇项目设 计过程中所涉及的技术知识， 更重要的是通过介绍机器蛇的各种设计过程，讲述 典型机电一体化项目开发的有关知识。 我们给机器蛇起了一个有趣的名字 Solid Snake（刚体蛇） ，即是以机械结 构等刚体构建柔性的机器蛇。 本机器蛇说明书，希望能够达到以下几点目的： 通 过 机 器 蛇 介 绍 ， 大 家 能 够 对 SolidSnake 有 个 总 体 了 解 ， 并 清 楚 SolidSnake 的结构设计、运动研究、控制系统等方面的内容。 通过机器蛇使用说明，大家能够组装制作机器蛇，并能够操纵机器蛇完成 一定形式的运动，另外，能够通过预留的接口，自己编程控制机器蛇。
目录 §1 机器蛇介绍
研究概况； 结构设计； 运动研究； 控制系统设计
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4
§2
机器蛇使用说明
§2.1 装配说明； §2.2 控制机器蛇运动； §2.3 编程控制机器蛇；
§1
机器蛇介绍；
仿生机器人的研究是目前机器人领域里比较活跃的一个方向， 目前已有各种 各样的仿生机器人面世，像机械昆虫、机器鸟、机器鱼、机械蟹等等……。生物 界中蛇是一种极为特殊的生物，它的运动形式非常的特别。蛇没有脚，他怎么就 能向前“走”了呢？这个看似简单的问题，从古代便吸引了众多人的注意。亚里士 多德就曾经在他关于动物运动的文章中讨论过蛇向前运动的原因。但直到 20 世 纪中期以前，许多人的理论都很偏驳，他们认为蛇是靠他们的“脚”（鳞片）来向 前运动的。 近 20 年来。 随着机器人学兴起， 特别是仿生机器人的活跃， 蛇运动的研究， 机器蛇的研制,已成为仿生领域的研究热点。蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破， 矿井和废墟中探测营救， 管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高 可靠性的领域有着广阔的应用前景。 另外，研究仿生机器人，特别是蛇形机器人的本身会有很大的乐趣，当你看 到刚体的金属或者塑料结构在控制下变得有柔顺而富有生命时， 那种喜悦是难以 言表的。 我们充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学 和摩擦学等的相关理论， 建立了蛇的行波运动学模型，并研制了自己的机器蛇样 机——SolidSnake，并利用 SolidSnake 实现了蛇的蠕动、游动、侧移、侧 滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。 SolidSnake 利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身体， 每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两个方 向的自由度， 整体形成一个高冗余度的结构体。这样的机构设计使蛇体具有向任 何方向弯曲的能力。 在电路设计上采用“分布式底层运动控制——高层中枢决策”的控制逻辑， 通过 RS232 总线通讯。上位机为 PC 机控制，PC 机可以控制主机，调用运动 模式库，实现对 solid snake- II 的高层控制；也可直接控制 solid snake 的各 个关节，实时的改变任意关节的状态，实现底层控制。
SolidSnake SOLID SNAKE 的主要技术参数： 参数 单元体长度 全长 直径 净重 值 110mm 0.98m 50mm 1kg
最大速度 平均功耗 8-10m/min 25W
1单元snake robot 蛇形机器人 space station 太空站seem possible 看起来可能 be able to (do) = can 能够 the World Cup 世界杯 2单元 look for 寻找keep out 不让……进入 in the future 在未来，在将来pay for 付款 come true (梦想)成为现实Teen Talk 青少年论坛 go skating 去滑冰in style 时髦的，流行的 fall in love with…爱上out of style 过时的 hundreds of 好几百，许许多多all kinds of 各种，多种 be free 免费on the one hand (在)一方面 in 100 years (用于将来时) 一百年后on the other hand (在)另一方面be in high school 上中学as…as possible 尽可能…地 live alone 独自居住=as…as sb can go swimming 去游泳get on with…与…相处，进展 see sb do sth 看见某人做…have a hair cut 理发 over and over again 一次又一次part-time job 兼职工作 get bored 厌烦call sb up=ring sb up 打电话给…… space rocket 太空火箭on the phone 在通话 electric toothbrush 电动牙刷What’s the matter (with)? 怎么了？computer programmer 电脑程序员What’s wrong (with)? 怎么了？live to be 200 years old 活到200岁the same as…与……同样的（书上重要表达）complain about 抱怨…… will be…将成为……argue with…与……争论 study on computer 在电脑上学习surprise sb 使…惊奇 as a reporter 作为一名记者borrow from…向……借 keep a pet 养一只宠物lend to…把…借给… during the week 在一周期间find out 发现，找出 wear a suit (uniform) 穿西装（制服）except me 除了我 at the weekend 在周末do wrong 做错事 on vacation 在假期under too much pressure 承受太多压力 predict the future 预测未来take part in 参加 the head of a company 公司负责人compare …with…把…和…比较need to do sth 需要做某事（书上重要表达） job interview 求职面视enough money 足够的钱 science fiction movie 科幻电影write sb a letter 给某人写信 just like…就像……a ball game 一场球赛 help with +名词帮助做某事talk about…谈论…话题 make sb do sth 使某人做……say sorry to…向…说对不起 It’s easy for sb to do sth 做某事很简单have a bake sale 卖烤点wake up 醒来buy….for…. 为…买… get a tutor 请家教get out of the shower 洗完澡 be popular at school 在学校受欢迎sleep late 睡懒觉
仿生机器人的研究综述 华明亚 （上海大学机电工程与自动化学院，上海200072） 摘要：在人类认识世界和改造世界的过程中，存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如星球探测、深海探测、减灾救援和反恐活动等，而仿生机器人为解决上述问题提供了一条有效途径。随着机器人技术和仿生学的发展，仿生机器人的研究正受到学者们的普遍关注。在对仿生机器人进行分类的基础上，从地面仿生机器人、水下仿生机器人以及空中仿生机器人3个方而简要介绍了国内外典型仿生机器人的研究进展，并介绍其发展趋势。 关键词：仿生机器人；机器人运动；发展趋势； Research review on bionic robot Hua Mingya (School of mechanical engineering and automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China) Abstract:: In the human understanding and transforming the world in the process, the existence of human beings can not reach the place and special occasions may endanger human life, such as planetary exploration, deep sea exploration,disaster relief and anti terrorist activities, and bionic robot provides an effective way for solving the above problems. With the development of robot technology and bionic, bionic robot research has received wide attention of scholars. In the classification based on bionic robot, bionic robot, bionic robot from air groundbionic robot, underwater 3 party and briefly introduced the research progress oftypical bionic robot at home and abroad, and introduces its development trend. Key words: Bionic robot; robot movement; development trend; 1 机器人的研究现状 1.1 机器人国外研究现状 由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产和科学研究活动有着极大的帮助，所以，自80年代中期以来，机器人科学家们就开始了有关仿生机器人的研究。 自1983年以来，美国Robotics Research Corporation以拟人臂组合化为设想，基于系列关节研制出K-1607等系列7自由度拟人单臂和K/ B 2017双臂一体机器人，其单臂K/ B 2017已用于空间站实验。
仿生四足机器人的研究：回顾与展望 摘要：本文侧重于仿生四足机器人。在这一领域的主要挑战是如何设计高动力性和高负载能力的仿生四足机器人。本文首先介绍了仿生四足机器人，尤其是具有里程碑意义的四足机器人的历史。然后回顾了仿生四足机器人驱动模式的现代技术。随后，描述了四足机器人的发展趋势。基于仿生四足机器人的技术现状，简要回顾了四足机器人的技术难点。又介绍了山东大学研制的液压四足机器人。最后是总结和展望未来的四足机器人。 一、导言 代替人类在复杂和危险的环境中工作的移动机器人的需求引起越来越多的关注，如煤矿井下，核电站，以及打击恐怖主义的战争。一般移动机器人可分为三种类型：空中机器人，水下机器人和地面机器人。地面机器人的开发主要是运用轨道或轮子。轮式和履带式机器人可以在平整地面工作，但大多数是无法在凹凸不平的地面上工作。换句话说，现有的地面机器人只能在部分地面工作。与轮式和履带式机器人相比，腿式机器人有可能适应更为广泛的地形，就像如同有腿的动物，几乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很强的运动能力，即便在高度复杂的环境中也一样。因此，近些年人们积极地投入腿式机器人的研究中。腿式机器人可以去动物能够到达的地方，应该要构建并运用于实际。尽管机器人技术领域取得了巨大成就，腿式机器人仍然远远落后于它们的仿生学 [1，2]。 基于机械结构，腿式机器人可分为步行机器人和爬行机器人。与爬行动物的机器人相比，步行机器人几乎与躯干垂直的腿被认为更适应载重。步行机器人可以有效地承受更大的载重。具有联合执行机构的步行机器人具有良好的行走速度和运输能力。因此，基于哺乳类动物的仿生机器人的研究已成为机器人领域的重要发展方向。 现已有一、二、三、四甚至更多条腿的腿式机器人。最普遍的是具有高效率步态和稳定性能的偶数条腿的腿式机器人[3]。在腿式机器人中，四足机器人具
TB04-2372.jtdc-1 机器人控制标准包 机器人运动控制器 我们在机器人控制上拥有丰富的经验。除了标量机器人和２维并行机构的机器人是做为选项。其他机械机构的机器人我们提供了特殊控制技术。链接型和并行机构的机器人可以像自动机械一样运行。■优点 ◆有效运用于内部研发能够短期内使自己研发的产品稳定动作。 ◆追求独特的技术能够用于研发特殊组装和动作的机器人，并投入生产现场。◆技术知识保密自己开发技术知识的保密 ◆应用于自动机械可以应用于加工机械以及装配机械之类的生产机械的操作和运转 ■机构变换 ◆直交系列机器人◆标量机器人◆２维并行机构机器人◆垂直多关节机器人◆６维并行机构机器人 〈标准〉〈选项〉〈选项〉〈独特〉〈独特〉 ■正确的轮廓控制■按控制周期变换机构■正确的轨迹 按控制周期执行机构变换，实现插补之间的接合部的圆滑轨迹控制。可应用于精密加工。 ■运行程序（技术语言?Ｇ语言） 像去除加工毛刺及钻孔机械，使用输出ＣＡＭ的Ｇ语言文件来实现ＤＮＣ运行。 ■拥有丰富技能对应实际生产中的作业 通过可选项，能够用于搬运，加工，熔接，去除毛刺，装配等生产机械的操作和运行。◆可选项机能例 宏机能，多任务，扭矩指令（贴接?控制力度）ＤＮＣ运行触摸屏 插补前的加减速Ｓ字加减速手动脉冲发动器，高精度制动开关（接触开关）接线?法线控制 同频同步平行轴控制■触摸屏及专用ＰＣ软件 ■触摸屏例 ■专用ＰＣ画面例 使用触摸屏或ＰＣ也可以操作。■动作机构计算的可２次开发 我们的经验可以对应您的特殊需求。 另外，你也可以自行开发动作机构变换软件。■应用于机器人控制的运动控制器◆ＳＬＭ４０００机器人规格 单板独立单机工作４轴脉冲列输入３２ 输出３２ＲＳ２３２／ＵＳＢ ◆ＰＬＭＣ４０机器人规格ＰＬＣ动作 ４轴脉冲列输入１６输出１６ＲＳ２３２可使用通用ＰＬＣ扩展（梯形 ?ＩＯ? 模拟等） ◆ＰＬＭＣ－ＭⅡＥＸ机器人规格ＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫ－Ⅱ 标准４／９／１６轴最大３０轴可使用通用ＰＬＣ扩展（梯形?ＩＯ?模拟等） ◆多軸运动功率放大器机器人规格多轴伺服功放一体型最大７轴输入４２输出４２可节省配线节省成本 A B a1 a2a3Accurate contour Uncontrolled path by simple positioning Calculation at each sampling time
毕业设计（论文）仿生蜘蛛机器人的设计与研究 姓名：寇艳虎 学号： 专业：机械工程与自动化 系别：机械与电气工程系 指导教师：孔繁征 2021年4月
摘要 本文总结了背景和目标,仿生蜘蛛机器人的简单介绍。通过研究机器人的六足仿生的运动,这种设计已确定脚结构,使用3自由度的分析实现向前运动,把运动的机器人。想象的组件和装配映射仿生蜘蛛机器人以与相关部件的检查,确保机械设计的可行性都包含在总设计。 关键词：仿生；机器人；机构
ABSTRACT The paper has summarized the background and the goal of its topic and has made the simple introduction of the bionic hexapod robot. Through the research of the motion of the six feet of the robot, This design has determined the foot structure，using the analysis of 3 degrees of freedom realizes the forward motion and turning motion of the robot . Picturing of the component and assembly mapping of the bionic hexapod robot as well as the inspection of related parts which ensures the feasibility of the machinery design are both included in the total design. KEYWORDS：bionics ；hexapod robot ；machinery
XXXX大学 《智能机器人》结课论文 移动机器人对运动目标的检测跟踪方法 学院（系）： 专业班级： 学生学号： 学生姓名： 成绩：
目录 摘要 (1) 0、引言 (1) 1、运动目标检测方法 (1) 1．1 运动目标图像HSI差值模型 (1) 1.2 运动目标的自适应分割与提取 (2) 2 运动目标的预测跟踪控制 (3) 2．1 运动目标的定位 (3) 2．2 运动目标的运动轨迹估计 (4) 2．3 移动机器人运动控制策略 (6) 3 结束语 (6) 参考文献 (7)
一种移动机器人对运动目标的检测跟踪方法 摘要：从序列图像中有效地自动提取运动目标区域和跟踪运动目标是自主机器人运动控制的研究热点之一。给出了连续图像帧差分和二次帧差分改进的图像HIS 差分模型，采用自适应运动目标区域检测、自适应阴影部分分割和噪声消除算法，对无背景图像条件下自动提取运动目标区域。定义了一些运动目标的特征分析和计算 ，通过特征匹配识别所需跟踪目标的区域。采用 Kalrnan 预报器对运动目标状态的一步预测估计和两步增量式跟踪算法，能快速平滑地实现移动机器人对运动目标的跟踪驱动控制。实验结果表明该方法有效。 关键词：改进的HIS 差分模型；Kahnan 滤波器；增量式跟踪控制策略。 0、引言 运动目标检测和跟踪是机器人研究应用及智能视频监控中的重要关键技术 ，一直是备受关注的研究热点之一。在运动目标检测算法中常用方法有光流场法和图像差分法。由于光流场法的计算量大，不适合于实时性的要求。对背景图像的帧问差分法对环境变化有较强的适应性和运算简单方便的特点，但帧问差分不能提出完整的运动目标，且场景中会出现大量噪声，如光线的强弱、运动目标的阴影等。 为此文中对移动机器人的运动目标检测和跟踪中的一些关键技术进行了研究，通过对传统帧间差分的改进，引入 HSI 差值模型、图像序列的连续差分运算、自适应分割算法、自适应阴影部分分割算法和图像形态学方法消除噪声斑点，在无背景图像条件下自动提取运动 目标区域。采用 Kalman 滤波器对跟踪目标的运动轨迹进行预测，建立移动机器人跟踪运动 目标的两步增量式跟踪控制策略，实现对目标的准确检测和平滑跟踪控制。实验结果表明该算法有效。 1、运动目标检测方法 接近人跟对颜色感知的色调、饱和度和亮度属性 (H ，S ，I )模型更适合于图像识别处理。因此，文中引入改进 型 HSI 帧差模型。 1．1 运动目标图像HSI 差值模型 设移动机器人在某一位置采得的连续三帧图像序列 ()y x k ,f 1-，()y x f k ,，()y x f k ,1+
学号1210111188 论文题目仿生机器人的研究进展及发展趋势学生姓名颛孙鹏 院别机械工程学院 专业班级12机自（3）班 指导教师周妍
仿生机器人的研究进展及其发展趋势 摘要：随着机器人智能化技术的进步，机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注。主要对仿生机器人的国内外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望。 关键词：仿生机器人；研究现状；发展方向 人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史，人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。1959年,第一台工业机器人在美国诞生，近几十年，各种用途的机器人相继问世，使人类的许多梦想变成了现实。随着机器人工作环境和工作任务的复杂化，要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性，机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求。在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天，仿人及仿生物机器人相继被研制出来，仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员。 1 仿生机器人的基本概念 仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人。仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类。仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人,机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。 2 仿生机器人的国内外研究现状 2.1 水下仿生机器人 水下机器人由于其所处的特殊环境，在机构设计上比陆地机器人难度大。在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑。以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形，用涡轮机驱动，具有坚硬的外壳以抵抗水压。由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展。鱼类在水下的行进速度很快，金枪鱼速度可达105km/h，而人类最快的潜艇速度只有84km/h。所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的，鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象。仿鱼推进器效率可达到70%～90%，与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多，有效地解决了噪音问题。美国麻省理工学院和日本都研制出了仿鱼机器人。在国内，中科院沈阳自动化研究所和北京航空航天大学机器人研究所已研制了机器鱼样机。
仿生机器人概述 一、仿生机器人的定义 简单来说，仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。从本质上来讲,所谓“仿生机器人”就是指利用各种机、电、液、光等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境下精确地、灵活地、可靠地、高效地完成各种复杂任务的机器人系统.（摘自《仿生机器人的研究》许宏岩,付宜利,王树国,刘建国著） 二、对仿生机器人的理解 仿生机器人是一个很宏大的概念，字面上讲任何模仿自然界生物的机器都可以称之为仿生机器人。但是根据诸多文献的定义，现在人们倾向于将第四代及之后的机器人称之为仿生机器人，也就是2000年之后产生的机器人。我认为这样界定的根据在于第四代机器人具有了完备的感知能力和面对简单问题时的处理能力，如现在的两足机器人能够根据地形的变化自行调整行走模式，从容的绕开障碍物并且保持重心平衡，而这是以前的机器人所无法实现的。所以我们认为这时的机器人初步具有了人的智力，可以与生物的智能相比拟，是仿生机器人。 三、仿生机器人的产生前提与发展动力 生物在经过了千百万年的进化之后,由于遗传和变异的原因,已经形成了从执行方式、感知方式、控制方式,一直到信息加工处理方式、组织方式等诸多方面的优势和长处.仿生机器人这门学科产生和存在的前提就在于,生物经过了长期的自然选择进化而来,在结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等多方面具有高度的合理性、科学性和进步性.而非结构化的、未知的工作环境、复杂的精巧的高难度的工作任务和对于高精确度、高灵活性、高可靠性、高鲁棒性、高智能性的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力.（摘自《仿生机器人的研究》许宏岩,付宜利,王树国,刘建国著） 生物在漫长的进化过程中演变出的无比精巧、合理的结构，是目前人类所有的理论和技术都无法达到的。任何由人类设计的堪称完美的结构，放到自然界的生物面前，都相形见绌。因此，研究现成的最优化、最完美的生物体就成为人类设计机械最廉价、最可靠的范本，由此诞生了仿生学这一专门的学科，而仿生机器人则是机械与仿生学两者结合的最佳产物。这也是仿生机器人产生的前提与发展的动力。 四、仿生机器人的现状
《学科前沿》论文 浅谈仿生机器人的发展 机器人技术作为一门新兴学科，在工业飞速发展的今天扮演着非常重要的作用，而其发展与机械电子、机电一体化、控制原理等多学科的发展息息相关。仿生机器人作为机器人领域的一大分支，可以说是本世纪一个不可忽视的领域，也将是机器人日后发展的大方向。 仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘学科,它由生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而成。它在精密雷达、水中
声纳、导弹制导等许多应用领域中都功不可没。仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中,尤其对当今日益发展的机器人科学起到了巨大的推动作用。当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来,向航空航天、星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展.未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环境里为人类工作。人们要求机器人不仅适应原来结构化的、已知的环境,更要适应未来发展中的非结构化的、未知的环。除了传统的设计方法,人们也把目光对准了生物界,力求从丰富多彩的动植物身上获得灵感,将它们的运动机理和行为方式运用到对机器人运动机理和控制的研究中,这就是仿生学在机器人科学中的应用。这一应用已经成为机器人研究领域的热点之一,势必推动机器人研究的蓬勃展。 自然界生物的运动行为和某些机能已成为机器人学者进行机器 人设计、实现其灵活控制的思考源泉，导致各类仿生机器人不断涌现。仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人 系统。仿生机器人的类型很多,按其模仿特性分为仿人类肢体和仿非人生物两大类。由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产和科学研究活动有着极大的帮助,所以,自80年代中期以来,机器人科学家们就开始了有关仿生机器人的研究。仿人型步行机器人是目前机器人技术的前沿课题,是具有挑战性的技术难题之一。日本本田公司和大阪大学联合推出的P2和P9型仿人步行机器人代表了当今世界的最高水平。仿非人生物机器人的研究近二十年来一直是一个非常活跃的
摘要 蛇形机器人要走向实际应用，必须着力解决的首要问题是如何在复杂环境中运动以及实现适应环境的避障基础理论问题。本文致力于研究蛇形机器人在复杂环境中的避障运动。 目前蛇形机器人普遍采用模块化结构，以便于设计安装和节约成本。蜿蜒运动是蛇形机器人通过各个模块间规律性的振荡推动整个蛇体运动的一种运动步态，是蛇形机器人运动效率较高的一种运动方式[1]。这种运动方式不同于普通的行走机器人，维护模块之间的规律性振荡产生蜿蜒运动使运动控制变得复杂，更增加了复杂环境中路径规划的难度。本文在蜿蜒运动理论基础上，基于几何法、人工势能法和改进后的人工势能法对蛇机器人在障碍物环境下的运动进行规划。利用几何方法探讨了通过规划蛇头与规划整个蛇体对蛇形机器人运动路径的影响，得到更有利于运动稳定性的规划方法，为人工势能法奠定基础。应用人工势能法中将障碍物赋予高势能产生排斥力，将目标赋予低势能产生吸引力，使蛇形机器人在排斥力与吸引力的作用下避开障碍物到达目标。在人工势能法中，蛇形机器人在纵向方向偏移障碍物的距离过大，这不仅浪费了能量，而且增加了运动时间。综合蛇形机器人前进方向与障碍物势能的关系，对人工势能法进行改进。将障碍物产生的排斥力组成的等势面改成椭圆形，不仅缩短了运动路径更提高蛇形机器人的运动稳定性。分析外力对蛇形机器人的运动方向及运动稳定性的影响，建立了避障过程中的力学理论。最后，通过3D 动力学模型模拟真实机器人在障碍物环境中的避障运动，验证了避障方法的可行性。 本文的研究对蛇形机器人在障碍物环境中的路径规划具有推动作用，为蛇形机器人的应用奠定理论基础。 关键词：蛇形机器人；障碍物；人工势能；运动；动力学
项目研究报告 ——小型仿生六足探测机器人 一、课题背景： 仿生运动模式的多足步行机器人具有优越的越障能力，它集仿生学原理、机构学理论、自动控制原理与技术、计算机软件开发技术、传感器检测技术和电机驱动技术于一体。 不论在何种地面上行走，仿生六足机器人的运动都具有灵活性与变化性，但其精确控制的难度很大，需要有良好的控制策略与精密的轨迹规划，这些都是很好的研究题材。 二、项目创新点： 作为简单的关节型伺服机构，仿生六足机器人能够实现实时避障，合理规划行走路线。 简单的关节型机器人伺服系统不仅具有可批量制造的条件，作为今后机器人群系统的基本组成，也可以作为探索复杂伺服机构的研究对象。 三、研究内容： 1.仿生学原理分析： 仿生式六足机器人，顾名思义，六足机器人在我们理想架构中，我们借鉴了自然界昆虫的运动原理。 足是昆虫的运动器官。昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。基节是足最基部的一节，多粗短。转节常与腿节紧密相连而不活动。腿节是最长最粗的一节。第四节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。第五节叫跗节，一般由2-5个亚节组成﹔为的是便于行走。在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓住物体。 行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换。 前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。 这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。并不是所有成虫都用六条腿来行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足来完成了。 大家最为熟悉的要算螳螂了，我们常可看到螳螂一对钳子般的前足高举在胸前，而由后面四条足支撑地面行走。
2.4 手臂的控制 2.4.1 运动控制 对于机器人手臂的运动来说，人们通常关注末端的运动，而末端运动乃是由各个关节的运动合成实现的。因而必须考虑手臂末端的位置、姿态与各个关节位移之间的关系。此外，手臂运动，不仅仅涉及末端从某个位置向另外一个位置的移动，有时也希望它能沿着特定的空间路径进行移动。为此，不仅要考虑手臂末端的位置，而且还必须顾及它的速度和加速度。若再进一步从控制的观点来看，机器人手臂是一个复杂的多变量非线性系统，各关节之间存在耦合，为了完成高精度运动，必须对相互的影响进行补偿。 1.关节伺服和作业坐标伺服 现在来研究n个自由度的手臂，设关节位移以n i个关节的位移，刚性臂的关节位移和末端位置、姿态之间的关系以下式给出： （1） m维末端向量，当它表示三维空间内的位置姿态 时，m=6。如式（1）所示，对刚性臂来说，由于各关节的位移完全决定了手臂末端的位置姿态，故如欲控制手臂运动，只要控制各关节的运动即可。 设刚性臂的运动方程式如下所示： （2） 量为粘性摩擦系数矩阵；表示重力项的向量； 机器人手臂的驱动装置是一个为了跟踪目标值对手臂当前运动状态进行反馈构成的伺服系统。无论何种伺服系统结构，控制装置的功能都是检测各关节的 1给出了控制系统的构成示意图。来自示教、数值数据或外传感器的信号等构成了作业指令，控制系统根据这些指令，在目标轨迹生成部分产生伺服系统需要的目标值。伺服系统的构成方法因目标值的选取方法的不同而异，大体上可以分为关节伺服和作业坐标伺服两种。当目标值为速度、加速度量纲时，分别称之为速度控制或加速度控制，关于这些将在本节2.和3.中加以叙述。
图1 刚性臂控制系统的构成 1） 关节伺服控制 讨论以各关节位移的形式给定手臂运动目标值的情况。 令关节的目标值为12(,,,)T n d d d dn q q q q =∈?。图2给出了关节伺服的构成。若目标值是以关节位移的形式给出的，那么如图2所示，各个关节可以独立构成伺服系统，因此问题就变得十分简单。目标值d q 可以根据末端目标值d r 由式（1）的反函数，即逆运动学（inverse kinematics ）的计算得出 1()d r d q f r -= （3） 图2 关节伺服构成举例 如果是工业机器人经常采用的示教方法，那么示教者实际上都是一面看着手臂末端，一面进行示教的，所以不必进行式（3）的计算，d q 是直接给出的。如果想让手臂静止于某个点，只要对d q 取定值即可，当欲使手臂从某个点向另一个点逐渐移动，或者使之沿某一轨迹运动时，则必须按时间的变化使d q
仿生机器人现状
仿生机器人现状 1.仿生学Bionics 研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。仿生学一词是1960年由美国JE斯蒂尔根据拉丁字“bios”(“生命方式”的意思)和字尾“nic”(“具有……的性质”的意思)构成的。他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。尽管人类在文明进化中不断从生物界受到新的启示，但仿生学的诞生，一般以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志。 仿生学的研究范围主要包括﹕ 1.力学仿生，研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体 各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。 2.分子仿生，研究与模拟生物体中脢的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生 物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。 3.能量仿生，研究与模仿生物电器官、生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械 能等生物体中的能量转换过程。 4.信息与控制仿生，研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的 智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的一些装置。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人-机系统的仿生学方面。 5.某些文献中，把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿生，而把信息和控 制仿生的部分内容称为神经仿生。 仿生学的范围很广，信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成为对神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面──生物模式识别的研究，大