机器人仿生机械云台类人眼运动机理与实验验证

本项目针对机器人在振动、干扰等恶劣环境中应用时所遇到的跟踪目标平滑稳定性差、跟踪视频图像跳动、跟踪目标丢失、图像模糊以及跟踪"脱靶"和"反脱靶"矛盾等机械云台控制问题，在眼球生理神经回路运动控制机理前期研究基础上，提出研究机器人仿生机械云台类人眼运动机理，并进行实验验证。机理研究方面将从眼球运动控制神经回路的生理本质上来研究机器人仿生机械云台的类人眼急动运动、平滑追踪运动、视动反射运动、前庭动眼反射运动机理，这四种类人眼运动机理是构成仿生机械云台最为核心的基础技术。在机理验证实验中，将选择有代表性的旋翼飞行机器人在着陆时的加减速、发动机不可避免的高频振动、飞行机器人所受风扰动、地效振动环境下来验证仿生机械云台类人眼运动机理。以期望为机器人在振动、干扰等恶劣环境中应用时所遇到的上述问题提供一种新的解决途径。

在非结构环境应用的机器人几乎都装有视觉系统，为了扩大机器人视觉对跟踪或注视目标的范围，大多数机器人视觉系统都带有二维或三维转动的伺服云台。在云台的跟踪控制系统中，主要是利用图像传感器获取图像、提取图像特征，检测移动目标并进行匹配，计算目标的空间位置，滤波和预测并进行目标跟踪。但在非结构环境中，由于机器人的运动环境、自身姿态变化和机体振动等的影响，使得现有机器人视觉系统难以满足这些振动、颠簸环境中的应用要求，往往会出现跟踪视频图像的跳动、图像模糊以及跟踪目标的丢失等问题。人眼处在振动或高速运动的环境时，可以非常清楚的看清周围的物体，没有图像的运动模糊现象。人眼之所以有这样的视觉功能，是因为眼球在视神经回路控制下产生了多种眼球运动。本项目就是利用类人眼球运动的控制机理来研制机器人的仿生机械云台，使仿生机械云台上的图像传感器能够在振动、颠簸环境中实现比较稳定的图像跟踪。按照项目任务书的研究计划要点， 2010年度（第一年），根据生理学、解剖学上关于眼球运动的神经解剖学结果，确定了实现眼球运动的神经回路，并创建了生理神经各环节的功能图谱，并采用了临床上及眼睛生理学研究中的眼动电图等方法，分别测试了神经信息在神经回路中的传递增益与转换关系，确定了“急动”、“平滑追踪”、“视动反射”和“前庭动眼反射”四种眼球运动的主要影响因素，并分别分析了其运动机理。2011年度（第二年），确定出影响“视动反射运动”较大的神经回路及其神经元，从而建立了具有高度协调性和鲁棒性强的“视动反射运动”模型，通过系统辨识以及模拟仿真，验证了由头部平移和头部旋转引起的前庭动眼反射神经回路之间的关系；建立近似的耳石器官模型，并在此基础上建立了一个具有可以实现旋转与平移的前庭动眼数学模型。2012年度（第三年），根据眼球结构及运动行为学特点，设计了三套仿生机械云台系统：基于球面并联机构的仿生机械云台、基于超声电机的仿生机械云台、应用于声纳探测的水下三维机械云台。以基于球面并联机构的仿生机械云台为例，根据眼球运动“前庭动眼反射”、“平滑追踪”、“视动反射”以及“异向运动”的特点，设计了多种实验来进行仿生眼球运动控制机理的抗颠簸性验证。本项目成果应用在上海世博会浦江水域监测监控的扫测艇水下声纳三维机械云台上，并且经过了世博会184天对江底进行扫测的考验，并作为五项关键技术之一，获得了上海市技术发明一等奖。

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