仿人机器人是机器人研究领域最为前沿的课题之一,它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体,反映了一个国家的高科技发展水平。作为机器人技术与系统国家重点实验室自主课题“机器人宇航员”的重要组成部分,本文研制了仿人机器人头部系统,并对其动态控制进行了研究。本系统将为“机器人宇航员”提供主动视觉。本文首先根据视觉测量与控制的任务要求,提出了相关的设计原则与指标。在此基础上,进行了机械系统设计,采用等径锥齿轮差动耦合机构设计颈部基关节,实现俯仰与侧摆运动。为实现机电一体化,设计了独立的电位计板、驱动板和基于FPGA的控制板,采用了视觉处理-中央控制-关节控制分离的分布式控制系统结构。整个头部系统具有俯仰、侧摆和回转三个自由度,重约1.3kg,体积小巧、结构紧凑,并具有仿人的外观造型。在完成系统本体设计的基础上,进行了双目视觉系统、运动学和动力学的建模研究。采用了小孔模型及四参数模型,根据视差原理建立了双目视觉系统模型,结合正运动学,实现了从图像坐标系到世界坐标系下三维位置的转换。在求解逆运动学中,本文提出了一种基于虚拟伸缩臂的D-H法,使得难以求解的机器人头部逆运动学转化为传统的D-H法来求解。采用拉格朗日法,建立了机器人连杆动力学模型,并建立了颈部基关节特殊的差动耦合机构的力矩转化模型。针对模型的不确定性,采用对其具有完全鲁棒性的滑模变结构控制(Sliding Mode Control-SMC)策略。针对滑模变结构控制的抖振问题,本文重点研究了其抑制算法,改进了指数趋近律算法,提出了一种SMC+PID的复合控制算法和一种基于滑模变结构的复合控制算法,并采用Matlab/Simulink进行了仿真。仿真对比结果表明,改进的指数趋近律算法有效抑制了抖振,且改善了趋近品质,减小了跟踪误差;两种复合控制算法具有良好的跟踪精度,且使抖振得到明显抑制。最后,在完成了仿人机器人头部实际系统的基础上,进行了关节位置控制实验和对运动目标的主动视觉跟踪实验。采用了主眼对中跟踪的目标跟踪策略和基于位置的视觉伺服控制。实验结果进一步验证了上述抖振抑制算法的有效性,实现了系统对在一定速度范围内作无规则运动的乒乓球的跟踪。