机械-机器人-产业技术研究

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1、（一） 项目概述（上报人大审议内容，简要说明项目实施的主要内容和绩效目标，限 150字）（简要说明项目实施的主要内容和绩效目标） 本项目拟设计基于步进电机的云台控制系统，有较宽的速度范围和良好平稳性，在变速时 有好的过渡性和准确性，能配合移动机器人进行视觉定位和导航。进行摄像时，利用云台 的传感器和感知处理电路得到行走机器人的姿态信息，从而自动控制摄像机的姿态来抵消 机器人的抖动，达到防震目的，使摄像系统检测到的画面处个稳定的状态。（二）立项依据1.科学研究意义。 智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支。智能移动机器人集人工智能、信息处理、图象处理、智能控制、检测与转换等专业技术为一体

2、，跨计算机、机械、电子、自 动控制等多学科，己经成为当今智能机器人研究领域的热点之一。智能移动机器人是一个集环境感知，动态决策与规划，行为控制与执行等多功能于一体的 综合系统。 它集中了传感器技术，机械工程，电子工程，计算机工程，自动化控制工程 以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最 活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在 工业，农业，国防，医疗，服务等行业中得到广泛的应用，而且在排雷，搜捕，救援，辐 射和空间领域等有害与危险场合得到很好的应用。 视觉步进是指使用视觉反馈信息对机器进行镇定控制，使其运动到期望位姿处

3、。视觉步进 是一门综合性前沿学科。它涉及机器视觉、机器人学、图像处理、自动控制理论等多个科 学领域。云台，是一种安装、固定摄像装置的支撑设备。可以在俯仰和水平两个方向旋转 的机械装置。主要用于动态摄像、安全监控等需要捕捉运动图像（视频）的场合，旋转可 以使摄像头的采集范围变大，进而获取的信息更加全面和丰富；在需要摇动和摆动的机构 中，如机械臂等，也利用云台来实现可接触范围的延伸和扩展。本项目设计的基于步进电机的云台控制，能驱动一体化二自由度机器人云台要能够实现水 平和俯仰方向转向的同时，还要有比较宽的速度范围和良好的平稳性，在变速时要求好的 过渡性和准确性，其次，由于此云台在调试成功后要配合移

4、动机器人进行视觉定位和导航，不能仅仅依靠预置点定位，而是需要通过正逆运动学分析和轨迹规划来进行精确定位，所以是一个三维控制系统，其在移动机器人领域将有着十分重要的应用意义。2.国内外研究/技术发展现状和趋势。2.1国外发展现状和趋势20世纪 70 年代末，随着计算机技术的发展和应用，以及传感器技术的发展，移动机器人的研究又出现新的高潮。特别是 80 年代开始，美国国防部 DARPA 的支助下，由 CMU, Standford 大学和MIT等单位开展的 ALV研究；能源部制定的为期 10年的机器人和智 能系统计划，以及后来的空间机器人计划；日本通产省的极限环境下作业机器人计划和人 形机器人计划；

5、欧洲尤里卡中心的机器人计划等。除此之外，很多世界著名公司不惜投入重金，纷纷开始研究移动机器人。进入 90年代后，随着技术的迅猛发展，移动机器人向实用化、系列化、智能化进军。涌现出许许多多智 能移动机器人。如 CMU的 Navlab系列移动机器人系统；德国 Vamors-P和Caravelle系统；日 本本田公司的 P系列和 ASIMO人型机器人；日本索尼的 SDR-3X人型机器人和 AIBO娱乐型 机器人等代表着移动机器人各个方面的先进研究成果。智能移动机器人是第三代机器人，这种机器人带有多种传感器，能够将多种传感器得到的 信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应能力、学习能力

6、和自治能 力。目前研制中的智能机器人智能水平并不高，只能说是智能移动机器人的初级阶段。智能移 动机器人研究中当前的核心问题有两个方面;一方面是，提高自主机器人的自主性，这是就 智能移动机器人与人的关系而言，既希望智能移动机器人进一步独立于人，具有更为友善 的人机界面。从长远来说，希望操作人员只要给出要完成的任务，而机器自动形成完成该 任务的步骤，并自动完成它。另一方面是，提高智能移动机器人的适应性，提高智能移动 机器人适应环境变化的能力，这就是智能移动机器人与环境的关系而言，希望加强它们之 间的交互关系。 在各国的智能移动机器人发展中，美国的智能移动机器人技术在国际上一直处于领先地位，其技术全

7、面、先进、适应性也很强，性能可靠、功能全面、精确度高，其视觉、触觉等 人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。日本由于一系列扶植政策，各类机器人包 括智能移动机器人的发展迅速。欧洲各国在智能移动机器人的研究和应用在世界上处于公 认的领先地位。2.2国内发展现状和趋势 我国移动机器人是从八五期间开始这方面研究。同世界主要机器人大国相比，尽管我国在 移动机器人的研究起步比较晚，但是发展却是很迅速。对于一些室外移动机器人的某些关 键技术达到了或者接近国际先进水平。国内移动机器人主要研究成果如下：清华大学的智能移动机器人 THMR-,型机器人；中科院沈阳自动化所的 AGV自主车和 防爆机器人；香港城

8、市大学的自动导航车及服务机器人；科技的导游机器人；中科院自动化所的全方位移动式机器人视觉导航系统；国防科技大学的双足机器人；由 南京理工大学，北京理工大学，浙江大学等多所院校联合研究的军用室外移动机器人。此 外国内还有北京航空航天大学，北京科技大学，西北工业大学等院校也进行移动机器人的 研究。智能机器人具有广阔的发展前景，未来的国内智能机器人的发展趋势预计如下：1）面向任务，由于目前人工智能还不能提供实现智能机器的完整理论和方法，已有的人 工智能技术大多数要依赖领域知识，因此当我们把机器要完成的任务加以限定，及发展面 向任务的特种机器人，那么已有的人工智能技术就能发挥作用，使开发这种类型的智能

9、机 器人成为可能；2）传感技术和集成技术，在现有传感器的基础上发展更好、更先进的处理方法和其实现 手段，或者寻找新型传感器，同时提高集成技术，增加信息的融合；3）机器人网络化，利用通信网络技术将各种机器人连接到计算机网络上，并通过网络对 机器人进行有效的控制；4）智能控制中的软计算方法，与传统的计算方法相比，以模糊逻辑、基于概率论的推理、神经网络、遗传算法和混沌为代表的软计算技术具有更高的鲁棒性、易用性及计算的低 耗费性等优点，应用到机器人技术中，可以提高其问题求解速度,较好地处理多变量、非线 性系统的问题；5）机器学习，各种机器学习算法的出现推动了人工智能的发展,强化学习、蚁群算法、免 疫算

10、法等可以用到机器人系统中，使其具有类似人的学习能力，以适应日益复杂的、不确 定和非结构化的环境；6）智能人机接口，人机交互的需求越来越向简单化、多样化、智能化、人性化方向发展,因此需要研究并设计各种智能人机接口如多语种语音、自然语言理解、图像、手写字识别 等，以更好地适应不同的用户和不同的应用任务，提高人与机器人交互的和谐性；7）多机器人协调作业，组织和控制多个机器人来协作完成单机器人无法完成的复杂任务，在复杂未知环境下实现实时推理反应以及交互的群体决策和操作。3.预期的应用前景。3.1本项目的预期及产业前景 本项目研制的云台防震控制系统应用于行走的机器人上，其包括智能车等各种近地面的无 人控

11、制机器人。在恶劣环境中对相关情况的探测具有十分重要的意义。 同时这个云台防震系统还可以移植应用到其他的智能机器人平台，如机械臂，无人机等等。 另一方面，随着多媒体技术和通信技术的发展，视频监控技术在电力系统、电信机房、消 防、军事、航空、工厂、城市交通、水利系统、小区治安等领域得到了越来越广泛的应用3.2对解决产业发展问题的预期贡献 面向行走机器人摄像防震云台的智能控制系统研制及应用，一方面可以节省人力资源，避 免了恶劣环境中人可能受到的各种危险的威胁；另一方面，云台和摄像机的配合使用，可 以大大扩大摄像机的监视范围、监视视野和清晰度。所以，本项目研制的摄像云台控制系 统，将具有广泛的应用前景

12、。1）消防领域，能使机器人作为特种消防设备可以替代消防队员接近火灾现场实施有效的 灭火救援作业，开展各项火场侦查任务，尤其是在危险性大或者消防队员不易接近的场合，消防机器人的应用将大大提高消防部门扑灭火灾的能力，对减少国家财产损失和灭火救 援人员的伤亡具有重要作用，消防机器人的应用将大大提高消防部门扑灭恶性火灾的能力2）在航空领域里，能完成一些复杂的工作。约翰逊航航天中心的软件设计、机器人技术 以及仿真部门联合美国国防部高等研究计划局在 10年前就已经制造出了为太空之旅而设计 的仿人机器宇航员。在过去的十年里，美国国家航空航天局已经在制造为太空应用的机器 人技术方面积蓄了丰富的专业技术。通过应

13、用先进的控制、感应和摄像技术，通过与美国 国家航空航天局的科学家根据太空行动协议在休斯敦约翰航天中心共同开发一款的全新的 高灵敏度的仿人机器人。它用来与人类共同并肩工作，帮助通用生产更加安全的汽车和建 设更加安全的生产工厂，协助美国国家航空航天局的宇航员完成一些危险的太空工作。3）在国防领域中，则前所未有的重视和发展，近年来，美英等国研制出第二代军用智能 移动机器人，其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场 上有看、嗅等能力，能够自动跟踪地形和选择道路，具有自动搜索、识别和消灭敌方目标 的功能。如美国的 Navplab自主导航车，SSV 自主地面战车等。在未来的军事智

14、能移动机器 人中，还会有智能战斗机器人、智能侦察机器人、智能工兵机器人、智能运输机器人等等，成为国防装备中的新亮点。随着科学技术的日新月异，面向行走机器人摄像防震云台的智能控制系统研制及应用 的发展肯定会上一个新的台阶，对解决人类无法完成的、不好完成的、不愿完成的危险作 业会发挥着越来越多的作用，机器人更好地服务与社会服务于人类的梦想会更快实现。4.项目申报原因、前期准备及可行性论证。（简要描述项目申报原因及背景、项目实施的 必要性和可行性，限 2000字以内）4.1项目申报原因及背景：此次联合对本项目进行攻关研发，力图通过设计基于步进电机的云台控制，在调试成功后 要配合移动机器人进行视觉定位

15、和导航，且通过正逆运动学分析和轨迹规划来进行精确定 位，是一个三维控制系统，在移动机器人领域将有着十分重要的应用意义。4.2申报单位在相关技术领域已有研发基础、主要研究成果 本项目是本公司和科技科技研究生院的联合申报项目。 其中科技机械有限公司，创立于 1998年，是一家面向自动化领域，以机器人为核心，集自动化控制系统设计、非标自动化设备设计制造、产品推广销售和技术配套服务为一 体的国家高新技术企业。多年来一直致力于工业机器人、非标自动化设备设计制造、自动 化系统集成开发、设备自动化成套及程序开发，在领域内颇有口碑。参与单位科技研究生院微电子技术中心实验室，研究团队主要成员均为 20-40 岁

16、之间的青年科研骨干，其中教授 1 名，博士生 2 名，多名硕士生。课题组通过相关项目 的研究，已经掌握移动机器人领域的一些相关技术和初步实现方法，取得了一系列相关研 究成果，对控制算法等相关技术有了总体的了解。另外，课题组所在的申报单位微电子技 术研究中心具备有各种计算机软、硬件研究基础，这为项目的实施提供良好的支撑。科技机械有限公司和科技科技研究生院有多年的合作基础，主要研究成果公司先后获得了 6项相关的软件著作权，科技码垛机器人控制软件 V1.0、科技气动 驱动机器人智能控制软件 V1.0、科技智能传感控制软件 V1.0、科技机械设备自动 安全保护系统 V1.0等，已开发出大型码垛机器人、多功能夹具机器人、喷涂机器人及成 套单元，高速分拣机器人等各种智能机器人，成功运用到美的、格力等电器集团，深受企 业好评，具备良好的研发基础。4.3项目实施的必要性和可行性： 随着移动机器人市场的扩大，其功能多样性也逐渐凸显。目前市场上也存在各种移动机器人的应用。而摄像云台的应用也逐渐成为移动机器人应用的一个