借鉴蛇怪蜥蜴双足水上行走功能，分析了双足机器人水上行走动力学机理．结合平面四杆机构运动方程和坐标转换公式，分析Watt-I型平面机构运动方程， 用以模拟蛇怪蜥蜴的脚掌轨迹，设计了双足水上行走机器人推进机构．以轨迹重合度为目标函数进行杆长优化设计对机器人进行动力学分析， 选取合适的驱动和传动系统，制作出双足水上行走样机，测得水面对机器人的反作用力曲线．实验结果表明，该推进机构能够产生与蛇怪蜥蜴类似的驱动力， 其值大小约为1.3N．由此可以看出，该推进机构能够满足双足机器人水上行走的需求．

为了提高USV（水面机器人）系统在不同海况下的鲁棒性、解决USV系统耦合项纵向速度对航向的影响，提出在线自优化PID控制算法．此控制算法以状态误差与系统纵向速度为自变量， 构建各控制参数的在线调整函数．利用李亚普诺夫函数法验证了所构建控制算法的稳定性．不同海况下的USV系统自主航向试验表明， 在线自优化PID控制参数能够根据USV系统纵向速度与航向误差在线优化，在不同海况下具有较强的抗干扰能力与鲁棒性，且航向超调量降低到1.5%以下，无静态误差．

针对目前机器人辅助抗阻训练过程中肌力训练方法大多是在参考轨迹设定框架内根据受试者的运动行为来设计底层阻力控制器的局限，提出一种新的模糊自适应分层触发肌力训练控制方法． 该方法无需事先设定训练参考轨迹，首先根据训练过程中患肢运动性能设计上层渐进抗阻基础阻力监督控制器，得到单节训练的基础阻力； 再通过计算单节训练过程中患肢生物阻抗的变化设计下层自适应阻力触发控制器，根据生物阻抗变化值对节内训练阻力作进一步调整．临床实验结果验证了所提控制策略的有效性．

根据对人体踝关节运动生物力学的研究结果，设计了一种新型的主、被动相结合的低功耗的踝关节假肢．通过对人体行走过程中踝关节角度-力矩变化关系的特征分析、 运动关系的理想化及运动过程的分解，把人体平地慢速行走运动分为触地缓冲跖屈、身体前移背屈、蹬地前行跖屈及摆动4个阶段的运动过程， 采用串联弹性驱动器系统及并联弹簧模拟此运动过程，并进行由串联弹性驱动器系统、并联弹簧机构等组成的踝关节假肢的机构设计． 在建立的SolidWorks、ADAMS虚拟样机联合仿真平台上进行了踝关节假肢的运动仿真，结果表明，该踝关节假肢能够实现预期的运动轨迹，验证了机构设计的合理性．

针对室内通风环境下的气味源定位问题，提出了一种基于模拟退火策略的单机器人气味源定位算法．受流场的控制，室内气味源释放的烟羽除了具有蜿蜒和间歇特性外， 还会在涡流区域形成局部浓度极大值．本文将气味源定位看作是一种动态函数寻优问题，使用模拟退火策略求取浓度分布函数的最优解，即气味源所在位置． 算法不依赖风信息，从而可以减少流场波动造成的影响．同时通过研究气味浓度与气味源距离之间的关系，提出了一种与气味源距离呈近似线性关系的模拟退火目标函数． 真实室内通风环境下的实验表明，使用本文提出的算法，机器人能够在8m×6m区域内跟踪烟羽并定位气味源，平均定位时间约为10min，且在搜索过程中可以有效地跳出局部极大值．

针对大规模的未知环境，在机器人中间件技术（RTM）框架下，提出了一种基于视觉特征的拓扑地图节点匹配方法， 并结合局部扫描匹配策略，实现多机器人系统地图拼接．该方法首先建立主-辅结构的多机器人模型， 利用改进的SP²ATM算法建立未知环境的拓扑结构并增量式地创建地图． 在此基础上，提出了融合尺度不变（SIFT）特征的分层拓扑地图结构， 并结合迭代最近点算法来实现多机器人系统地图拼接．本文以RTM作为通讯平台， 使系统具有较高的实时性、灵活性和鲁棒性． USARSim仿真平台与真实环境下的实验结果验证了所提方法的可行性与有效性．

针对可用于空间站组装的7-DOF空间机械臂的结构特点，提出了基于气浮和静平衡的地面微重力混合模拟方法．采用气浮法实现7-DOF空间机械臂中间段的重力补偿，并设计两套静平衡机构分别用于实现7-DOF空间机械臂两端肩部和腕部的重力补偿．利用该混合模拟方法搭建的地面微重力实验系统，能够实现7-DOF空间机械臂的3维运动，可用于7-DOF空间机械臂的末端定位精度测试、目标捕获等地面实验研究．利用ADAMS建立了7-DOF空间机械臂地面微重力实验系统的仿真模型，并进行了仿真实验研究．仿真实验结果表明：该方法可以用于7-DOF空间机械臂的微重力模拟．

对气动弹跳腿的运动过程进行了理论分析和仿真研究，提出触地阶段利用气缸上下腔压力差 将弹跳腿带离地面的控制策略，减小了能量损耗．提出腾空阶段基于能量调节的控制策略， 增强了腿部系统的稳定性．分析了气动弹跳腿腾空阶段设定气缸活塞位置对其跳跃高度和机身质 心的影响，丰富了跳跃高度的调节方式．设计了气动弹跳腿垂直跳跃试验台，验证了仿真结 果的正确性．

在视觉注意模型的基础上提出一种应用于家庭机器人室内场景视频识别技术的模型．此模型在视觉注意模型中的特征图的基础上结合空间信息形成图像特征． 利用此特征进行分类，不仅避免了室内图像过于复杂的细节，还保留了不同场景中的空间信息．利用一款家庭服务机器人作为实验平台进行实验．实验结果表明， 此模型具有很好的识别效果，同时在机器人上进行视频识别具有一定的实时性．

针对巡检机器人作业任务需求和输电线路障碍环境特点，提出了一种新型双臂式巡检机器人机构，在串联关节型手臂机构中增加了并联柔索． 根据机器人的越障机理及线路障碍物类型，给出了机器人的两种典型越障控制流程．仿真分析了典型越障过程中机器人手臂关节的受力状态． 结果表明，增加柔索可大幅减小机器人手臂关节的转矩，手臂的刚柔混合设计可提高机器人对线路及障碍环境的适应能力．

为了实现非理想结构云台摄像机的精确自标定，构建了一种云台摄像机的精确模型，提出了基于摄像机旋转自约束特征的内参数及云台结构参数的自标定方法．首先， 基于云台摄像机的结构特性建立了区别于理想模型的精确云台摄像机模型，以描述云台水平旋转轴、竖直旋转轴以及摄像机之间存在的相对方向及位置偏差．然后， 利用云台摄像机的旋转自约束特性，计算旋转过程中的不变量，进而结合配极关系建立绝对二次曲线像的约束方程，通过Cholesky分解获得摄像机的内参数．最后， 在求得的内参数矩阵的基础上，通过旋转轴和截面的投影特性求解云台结构参数．实验结果表明，在0.5像素噪声水平下本文方法焦距标定误差低于0.73%， 主点标定误差低于0.52%，同时实际图像重投影误差均值为2.38，皆优于基于理想模型的自标定方法．整个标定过程只利用云台摄像机自主旋转的几何约束， 不依赖外界场景结构信息或标定物．

针对之前构建的水下机器人体系结构仅停留在系统结构框图层面的不足，本文对其进行建模并对它的正确性进行理论分析．首先简要地介绍之前的研究成果， 即趋于通用化的水下机器人体系结构．然后根据该体系结构的模块化封装和层次化组织的特点，采用面向对象的Petri网对其进行建模．在此基础上， 针对系统能否顺利完成使命的问题，给出了一个充分性判据，从而在理论上比较严密地论证了该体系结构的时序和逻辑的正确性．最后通过半物理仿真实验对其进行仿真验证．

舰船的摇摆运动给舰载直升机起降安全带来严重影响，面对现有并联机构中难以找到既能够承受重载，又同时具有较大工作空间的构型等难题，提出一种大型舰载稳定平台机构作为舰载机助降装置．基于机构运动学模型，提出一种适用于大型并联机构的轴线优化理论，利用该方法对以导轨轴线布置为设计变量、以驱动器运动指标（位移、速度、加速度等）为目标的多目标优化问题进行仿真优化研究；以等效变换支撑杆运动为基础，对机构转动副轴线及转角进行优化设计．数值算例表明：本文提出的轴线优化理论能够有效地改善起降平台运动性能，为大型舰载稳定平台构型综合及加工制造提供理论依据．

采用鳍波动推进和喷射推进复合方式进行游动的墨鱼，兼具机动性和快速性．本文模仿其肌肉结构，采用在柔性硅胶中嵌入形状记忆合金丝的结构设计， 分别研制了一种能够柔性弯曲的柔性鳍单元结构和一种能够柔性收缩和扩张的仿生外套膜结构，并以此为基础分别研制出一种仿生波动鳍推进器和一种仿生喷射推进器， 用以模拟墨鱼的游动机制，并对两种仿生推进器的推进性能进行了测试．最后研制了一种仿生墨鱼水下机器人原理样机，并进行了游动试验．

中央鳍/对鳍（MPF）推进模式和身体/尾鳍（BCF）推进模式是仿生自主水下机器人（AUV）最常见的两种推进模式，其中MPF推进模式具有BCF推进模式无法比拟的一些运动优势． 本文首先在推进方式、运动速度、推进效率、机动性和游动稳定性等方面对这两种推进模式进行了分析比较，将MPF模式推进的仿生AUV分为多鳍拍动式、 胸鳍扑翼滑翔式和长鳍波动式3种，并分别详细综述了这3种MPF模式推进的仿生AUV的国内外研究现状，最后对其游动性能、驱动方式选择、驱动器数量、 推进鳍和本体外形设计等问题进行了分析和讨论，对MPF模式推进的仿生AUV研制所存在的问题进行了归纳总结，并对今后可进行的研究内容作了展望．

系统全面地介绍了多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物3种深海主要矿产资源采矿机器人的作业环境、功能要求以及国内外已有的结构形式设计、 已开展的动力学及控制研究等，总结了我国深海采矿机器人研究取得的成果、存在的不足以及与先进国家相比存在的差距，提出了深海采矿机器人研究亟待提高的关键技术和发展趋势．

首先，分析了海洋探测技术与工程装备在海洋开发与经济发展、海洋权益维护与海洋安全、海洋生态文明建设和海洋科学进步四个方面的战略需求． 其次，对海洋探测技术与装备当前的发展现状进行了描述，指明了发展趋势．最后，对比我国现有发展基础，指出了存在的问题，提出了发展建议与保障措施．