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机电控制基础与实践（意义，特征，结构，问题）王田苗丑武胜北京航空航天大学机器人研究所探索生物学、仿生学、新材料、智能控制等方面深刻机理。开展多学科交叉领域的技术研究，通过综合实验平台，推动机械设计、传感器技术、伺服控制、人工智能、计算机科学等技术发展。从事繁重劳动、危险作业、延伸人类大脑与四肢、医疗康复等，服务于社会。研究意义－手脚，扑翼，游动，蠕动什么是微小型仿生机器人技术？没有严格定义模仿自然界动物与人的行为，基于微小型机电系统设计，研究机构、感知、控制与交互的机器人技术。•微小型，尺寸相对较小，低功耗，高性能，微机电系统设计•仿生，模仿自然界动物与人•机器人，帮助人类完成搬运、焊接、装配等任务的可编程控制机械装置或系统，希望具备感知、规划、控制、交互的功能定义发展趋势仿生多样应用日本京都大学研制的蛇形搜救机器人“莫伊拉”仿生机构日本东京工业大学研制的废墟搜索机器人(1)蛇形机器人机构研究生物蛇研究蛇的肌肉骨骼简化模型蛇的肌肉骨骼结构生物蛇蛇形机器人单自由度关节模块关节模块设计相邻关节模块连接示意图蛇形机器人机构的构成（2）蛇形机器人运动控制方法研究蛇可以做多种动作来适应它所处的环境，但大体上可分为四种步态：•蜿蜒运动•直线运动•伸缩运动•侧向运动蜿蜒运动生物蛇的蜿蜒运动直线运动生物蛇的直线运动伸缩运动生物蛇的伸缩运动侧向运动生物蛇的侧向运动)(yawi)(pitchi蛇形机器人运动示意图(a)平面蜿蜒运动平面蜿蜒运动是通过控制关节模块水平轴的关节保持直线，而垂直轴的关节呈正弦变化产生；采用的算法公式为：lKinKsLKnKsnnni10)22sin()sin(2)((b)侧向运动侧向运动是控制关节模块的垂直轴（yaw轴）的关节和水平轴（pitch轴）的关节都呈正弦变化，两个曲线之间有一个相位差；采用的算法公式为：lKinKsLKnKslKinKsLKnKsnnninnni1010)22sin()sin(2)()22sin()sin(2)((c)伸缩运动伸缩运动方式可以通过控制它的垂直轴（yaw轴）的关节保持直线，而水平轴（pitch轴）的关节呈正弦变化实现。它在垂直面内运动，适合穿越狭小的管道。lKinKsLKnKsnnni10)22sin()sin(2)((d)翻滚运动翻滚运动是控制关节模块的垂直轴的关节和水平轴的关节变化，采用的算法公式为：lKsLKnKslKsLKnKsnninni1010)2cos()sin(2)()2sin()sin(2)(（3）分布式控制系统和微型嵌入式控制器的研究蛇形机器人原理样机控制系统结构(a)原理样机控制系统蛇形机器人控制系统结构主控单元执行单元CAN总线执行单元执行单元...……执行单元执行单元执行单元监控系统机器人控制系统(b)分布式控制系统结构已应用在:拟人机器人星球探测机器人(c)微型嵌入式控制器的研究特点：模块化体积小功能全功耗低现场可编程（4）地面特征识别技术的研究传感器压杆传感装置关节模块传感装置安装示意图底面识别平坦的硬地面、软土、沙地(5)基于GPS的蛇形机器人定位方法的研究对于用于野外工作的蛇形机器人，定位是个关键问题。基于GPS的定位方法是目前应用最广的方法。目前实验定位精度15米我们在探索应用我国的北斗导航定位系统进行定位的方案。天线处理单元微处理器GPS进行定位的原理图（6）应用研究监控站操作台监视器传感器蛇形机器人作业单元蛇形机器人作业系统框图应用车底探查实验结合国家反恐防暴的需求•理论方法问题，仿生静态与动态模型，复杂模型计算方法，基于传感器变结构方法，往往是非线性、非定常问题，……多自由度灵巧机构，运动学与动力学，冗余与柔性，高效驱动装置，……感知与模式识别技术，内部姿态，外部环境，距离、力觉、触觉等，特别是视觉问题，……嵌入式控制技术：微小型硬件平台，高可靠性软件系统，高性能实时学习技术，基于传感器的群体行为智能控制技术，……人机交互技术，通讯，时延，临境与虚拟现实，……微小型机电系统设计、加工、装配，……微、仿、多、遥、网关键技术－挑战性研究方向主要介绍了微小型仿生技术与机器人基本内涵、研究意义、关键技术、发展趋势。嵌入式芯片、微机电系统、新材料等方面发展给微小型仿生技术研究带来了机遇。智能仿生机器人是人类科学研究追求目标，开展这方面研究不仅促进多学科发展，而且广泛应用服务于社会。结束语谢谢大家