两种海藻提取物的化学成分和生物活性的研究及其应用

本论文的研究工作由两部分组成，第一部分研究了海带（Laminaria japonica）水提取物中的活性物质，并研究了提取物对蔬菜促生长的影响及其作用机制。第二部分对三列凹顶藻(Laurencia tristicha)乙醇提取物的乙酸乙酯相进行了活性筛选和化学成分研究，并对其中分离得到的单体化合物进行了生物活性筛选。 第一部分主要以中国人工养殖的海带为原料，使用与海藻多糖生产相结合的提取技术并浓缩其中的有效成分。对浓缩提取物进行了蔬菜的农田效果实验，并对作物抗旱性能的增加、作物硝酸盐积累的减少、作物品质的改善、以及作物抵抗病毒病的能力等影响进行了作用机制方面的研究。海藻浓缩提取物进行的农田效果实验表明：作物抗旱型相对含水量RWC值在92%~94%之间；病毒病的防治效果最高可达到91%；作物的品质有明显的改善，最重要的是首次发现海藻提取物有降低蔬菜中硝酸盐的含量（硝酸盐的含量是与有机蔬菜区别的重要指标之一）的作用。该部分研究工作的创新性主要体现在：（1）首次在国内外提出和采用与海藻多糖生产相结合的提取技术。该技术的应用不但减少了提取成本，使工业化生产成为可能,更重要的是使我国的海藻工业生产可能实现高值化和开辟综合利用的新途径。（2）首次发现海藻中的小分子海藻多糖具有和细胞激动素、甜菜碱、植物生长素等活性物质同样的生物活性。 第二部分的研究是在查阅了大量的近20年来国内外有关红藻凹顶藻中化学成分研究的相关文献的基础上，对凹顶藻中的次生代谢产物进行了综述。该论文主要是通过对红藻三列凹顶藻的95%乙醇提取物的乙酸乙酯相进行化学成分分析和生物活性筛选以期能够发现具有药用前景的活性先导化合物。 为了寻找具有生物活性的化合物，我们对采自我国南海硇洲岛海域的红藻三列凹顶藻的95%乙醇提取物的乙酸乙酯相进行了活性筛选。采用MTT法对其在KB细胞株、Bel-7402细胞株、PC-3M细胞株、MCF-7细胞株、Ketr-3细胞株模型上进行了细胞毒活性测试；采用酶模型对其进行了Na+,K+-ATPase的抑制活性测试；采用MTT法对其在犬主动脉血管模型上进行了血管平滑肌细胞增殖抑制活性测试；结果表明，三列凹顶藻的95%乙醇提取物的乙酸乙酯相对Na+,K+-ATPase和犬血管平滑肌细胞增殖具有一定的抑制活性。 利用正相和反相色谱、Sephadex LH-20色谱以及反相HPLC等手段进行分离纯化，从我国南海海域的红藻三列凹顶藻中分离得到33种化学成分，通过波谱学方法（IR、MS、NMR）以及X-ray单晶衍射试验对其化学结构进行了确证，其中化合物L1~L8为新结构化合物，化合物L5为具有新骨架的全新结构化合物，化合物L9~L13为新天然产物，化合物L18和L22系首次从海洋生物中获得，所有化合物均为首次从该属海藻中得到。新化合物L1~L8均为倍半萜类化合物，命名分别为：(1R,3R)-(-)-3-(3-hydroxy-4-methylphenyl)- 1,3-dimethyl–2-methylidene cyclopentanol (L1), (1R,3R)-(-)-3-(4-methylphenyl)-1,3-dimethyl-2-methylidenecyclopentanol (L2)， (1R, 3R)-(-)-3-(2-hydroxy-4-methylphenyl)-1,3-dimethyl–2–methylidenecyclopentanol (L3)，(+)-(1S,2R)–2-(3–hydroxy–4–methylphenyl)-1,2-[3.1.0]bicy-clohexane (L4)，()-(1S,2R) -5-hydroxy–6–methyl-spiro-dihydrobenzofuran-2(3H),2-{1-methyl-[3.1.0]bicyclohexane} (L5), (+)-6-methyl-2-(p-tolyl)hept-4-en-2,6-diol (L6)，(3R,3aS,8bS)-(-)-2,3,3a,8b–tetrahydro–7-bromo – 3 a– hydroxymethyl - 3, 6, 8b - trimethyl-1H- cyclopenta[b] benzofuran (L7 )，(3R, 3aS, 8bS) - (-) - 2,3,3a,8b–tetrahydro–3 a–hydroxymethyl-3,6,8b -trimethyl -1H – cyclopenta [b] benzofuran (L8)。25个已知结构化合物确定为：(+)-(1R,2R)-4-bromo-1,5, 9–trimethyl–12– methylidene–8–oxa-tricyclo[7.2.1.02]dodeca-2,4,6-triene (L9)，(3S,3aR,8bS)-(-)-2,3,3a, 8b– tetra -hydro–7-bromo–3–hydroxy-3,3a,6,8b-tetramethyl-1H-cyclopenta[b]benzofu- ran (L10 )，(3R, 3aR, 8bS) - (-) - 2, 3, 3a, 8b – tetrahydro – 7 - bromo – 3 – hydroxy - 3,3a,6,8b - tetramethyl - 1H - cyclopenta [b] benzofuran (L11 )，(3S,3aR,8bS) - (-) - 2, 3, 3a, 8b – tetrahydro –3–hydroxy -3, 3a, 6, 8b - tetramethyl-1H-cyclopenta[b]benzofuran (L12 )， ( 3aR, 8bS) - (-) - 3a,8b –dihydro–7 - bromo – 3, 3a, 6, 8b - tetramethyl - 1H - cyclopenta[b]benzofuran (L13 )，aplysinol (L14 ) ，aplysin (L15)，laurebiphenyl (L16)，johnstonol (L17)，gossonorol (L18)，7,10-epoxy-ar- bisabol-11-ol (L19)，10-epi-7,10-epoxyarbisabol-11-ol (L20) 3β-hydroxy- 5α, 6α-epoxy- β- ionone (L21 )，3β-hydroxy-5β,6β-epoxy-β-ionone (L22 )，胆甾醇 (L23 )，胆甾-5-烯-3β,7α二醇胆甾-5-烯-3β,7α二醇 (L24)，β-谷甾醇 (L25)，叶绿醇 (L26 )，玉米黄素 (L27 )，对羟基苯甲醛 (L28 )，3-吲哚甲醛 (L29 )，1-O-十六烷酰基-3-O-β-D-吡喃半乳糖基-丙三醇(L30 )，1-O-十八烷酰基-3-O-β-D-吡喃半乳糖基-丙三醇 (L31 )，丙三醇-1-软脂酸单酯 (L32 )，正十六碳酸 (L33 )。 采用MTT法对其中23个单体化合物在Bel-7402细胞株、BGC-823细胞株、A549细胞株、A2780细胞株、HCT-8细胞株和HELL细胞株模型上进行了细胞毒活性测试；采用MTT法对其中13个单体化合物在犬主动脉血管模型上进行了血管平滑肌细胞增殖抑制活性测试；结果表明，部分单体化合物显示出一定的生物活性。

四株海洋放线菌遗传转化体系的研究

作者所在的课题组，自1998年以来从胶州湾海泥中陆续分离了800株海洋放线菌，并从4株放线菌中分离出了12个新结构活性化合物。选择产生新颖抗肿瘤抗生素的海洋放线菌M045和M048，产全霉素的海洋放线菌M095和产蒽醌类化合物的海洋放线菌M097为研究材料，建立了海洋放线菌的遗传转化体系，为海洋放线菌的遗传工程操作及天然化合物组合生物合成奠定了基础。 （1）通过接合转移建立了菌株M045的遗传转化体系。用来源于蓝藻Anacystis nidulans UTEX625的别藻蓝蛋白基因验证了转化体系的有效性。通过PCR及基因组步移方法获得长度为1709bp的部分聚酮合成酶（PKS）基因，分析其同放射菌素基因具有同源性，利用基因中断插入失活该基因，但未获得突变株。因此尝试通过反向遗传学方法，克隆该菌株中新骨架抗肿瘤抗生素——中国霉素的生物合成基因簇，本研究已经构建了该菌株Fosmid基因组文库，对基因组文库的筛选工作正在进行中。 （2）利用PEG-介导的质粒pIJ702转化原生质体和接合转移两种方法均成功获得菌株M048的转化子，其中接合转移率高达10-4。菌株M048来源于高盐的海洋环境，维持原生质体所需渗透压与模式菌株—变铅青链霉菌（Streptomyces lividans）有很大差异，本研究对菌株M048原生质体形成和再生的各种因素进行了优化，获得了渗透压稳定剂蔗糖最佳浓度为0.4M。 质粒pIJ8600整合于菌株M048染色体上，对该转化株的抑菌活性、薄层层析（TLC）以及HPLC-MS进行了分析。结果表明，同野生菌株相比，该转化株对7种受试菌的抑菌活性显著增强，TLC显示差异的化合物条带，HPLC-MS显示化合物组分有差异。因此质粒pIJ8600的整合，引起菌株次级代谢产物生物合成途径的改变，使有抑菌活性的化合物大量累积。 从菌株M048染色体上克隆获得了1196bp的部分PKS基因，通过基因中断插入失活该基因，结果显示M048突变株次级代谢产物抑菌活性增强，HPLC分析发现显著差异。初步分析该PKS基因的中断使菌株体内某些生物合成途径受阻，而大量合成抗菌活性强的chandrananimycin C，或者产生了抑菌活性强的其它化合物。 （3）本研究成功建立了菌株M095的接合转移体系。M095/pIJ8600转化株的生物学活性分析并未发现差异，表明该菌株染色体上的整合位点（attB）是中性（neutral）的。通过PCR以及基因组步移的方法克隆获得了该菌株的部分糖基转移酶基因，该基因中断突变株对4株受试菌的抑菌活性增强，HPLC显示有差异，表明该糖基转移酶基因参与了菌株M095活性次级代谢产物的生物合成过程。 （4）对于菌株M097，用接合转移法成功获得了转化子。实现了别藻蓝蛋白基因的重组表达，并纯化了表达产物，体外试验表明其具有清除羟基自由基能力。结果表明来源于蓝藻的外源基因可以在海洋放线菌体内有效表达和正确折叠，初步验证了本研究所建立的海洋放线菌遗传转化体系的稳定性及有效性。对M097/pIJ8600转化株的生物学活性分析，未发现差异，表明该菌株染色体上的整合位点是中性的。 本论文首次将基因工程技术引入四株海洋放线菌，建立了海洋放线菌自身的基因转移系统，为利用基因工程技术改造海洋放线菌的天然化合物生物合成途径提供了方法。对部分PKS基因中断突变株的生物学活性及化学分析，初步揭示了通过遗传转化方法进行化合物组合生物合成的可行性。

螺旋藻基因组结构分析和藻胆蛋白的适应性进化

螺旋藻 (Spirulina，或称节旋藻 Arthrospira) 是一类丝状不形成异型胞的蓝藻，常分布于湖泊、池塘和半咸水中。作为目前利用最广泛的经济微藻，螺旋藻的规模培养、生理生化以及分子遗传等都受到了广泛的关注。但由于缺乏足够的基因组信息，影响了螺旋藻的品种改良以及进一步的基因功能产品的开发。 本研究从挑取单藻丝开始，建立了钝顶螺旋藻 (Spirulina platensis) 的纯培养体系，并构建插入片段分别为1-2Kb和4-6Kb的基因组文库，利用鸟枪法进行全基因组测序，共得到具有8倍覆盖度的7.4Mb拼接后的基因组数据。在该草图中，预测有7795个开放读码框 (ORFs)，其中包括长度小于120个氨基酸的ORFs和非全长ORFs。在所有蛋白编码序列中，约有39%的基因是螺旋藻特有的，此外，还有389个基因相对于其他蓝藻，与非蓝藻基因有着更高的相似性。通过Pfam结构域聚类分析发现，螺旋藻含有特有的结构域，如Peptidase_MA、DMT、OB、ATP-grasp、Flavokinase 等。 由于目前尚未有成熟的螺旋藻遗传转化系统，而其体内复杂的限制性内切酶系可能是妨碍外源基因顺利导入和整合的关键因素。在此草图的基础上，我们利用比较基因组学和分子进化的手段，深入分析了螺旋藻及其他蓝藻的限制修饰系统 (Restriction-modification system)，为建立螺旋藻的遗传转化技术，并实现后续的螺旋藻基因功能验证模式奠定了基础。 螺旋藻及其他蓝藻的基因组计划提供了大量基因组序列和结构信息，有助于我们深入了解光合微生物基因的结构、功能和进化，以及环境因子或特定突变是如何塑造其基因组的。本文以藻胆蛋白为例，利用分子进化和群体遗传学理论，描绘出一幅藻胆蛋白进化的动态图景，并分析了环境 - 结构 - 功能之间的相互联系，为藻类捕光色素进化机制理论提供了科学依据。 本研究结果发现低光适应型原绿球藻和海洋聚球藻的藻红蛋白中正选择位点分布有着显著差异，提示二者的藻红蛋白基因有不同的进化模式；正选择作用位点多集中在藻胆蛋白的色基结合区域及XY发卡结构处，这些结构域主要与藻胆蛋白的光能捕获、能量传递和结构组装有关。该研究结果不仅揭示了正选择作用的重要性，而且提示光质、光强和能量传递压等可能是潜在的正选择压力。此外，又深入研究了高光和低光适应型两个生态群体的原绿球藻藻红蛋白基因系统发育、种内多态性和种间变异度，以此揭示环境因子对藻胆蛋白进化的影响。 本研究首次对螺旋藻全基因组进行测序，并以藻胆蛋白为例，从分子进化角度揭示其结构和功能的关系，并首次提出正选择压力可能是促使藻胆蛋白功能分化的主要原因，并认为原绿球藻中藻红蛋白的进化呈现出不同的模式，新的捕光色素的出现以及其所处的海洋环境可能使藻红蛋白获得了新的功能。

Studies on nitric oxide synthase activity in haemocytes of shrimps Fenneropenaeus chinensis and Marsupenaeus japonicus after white spot syndrome virus infection

The nitric oxide synthase (NOS) activity in the haemocytes of shrimps Fenneropenaeus chinensis (Osbeck) and Marsupenaeus japonicus (Bate) was Studied after white spot syndrome virus (WSSV) infection to determine its characteristics in response to virus infection. First, the NOS activity in haemocytes of shrimps was determined by the means of NBT reduction and changes in cell conformation. And the variations of NOS activity in shrimps after challenge with WSSV intramuscularly were evaluated through the analysis Of L-citrulline and total nitrite/nitrate (both as NO derivates) concentrations. The result showed that NOS activity in the haemocytes of F chinensis increased slightly from 0 to 12 h postchallenge, indicated by the variations Of L-Citrulline (from 11.15 +/- 0.10 to 12.08 +/- 0.64 mu M) and total nitrite/nitrate concentrations (from 10.45 +/- 0.65 to 12.67 +/- 0.52 mu M). Then it decreased sharply till the end of the experiment (84 h postchallenge), the concentrations Of L-Citrulline and total nitrite/nitrate at 84 It were 1.58 +/- 0.24 and 2.69 +/- 0.70 mu M, respectively. The LPS-stimulated NOS activity kept constant during the experiment. However, in M. japonicus, the NOS activity kept increasing during the first 72 It postchallenge, the concentrations Of L-Citrulline and total nitrite/nitrate increased from 7.82 +/- 0.77 at 0 h to 10.79 +/- 0.50 mu M at 72 h, and from 8.98 +/- 0.43 at 0 h to 11.20 +/- 0.37 mu M at 72 h, respectively. Then it decreased till the end of the experiment (216 h postchallenge), and the concentrations of L-Citrulline and total nitrite/nitrate at 216 h were 5.66 +/- 0.27 and 4.68 +/- 0.16 mu M, respectively. More importantly, an apparent increase of I-PS-stimulated NOS activity was observed in M japonicus at 48 h postchallenge, which was about 4 times higher than that in the control group of health shrimps. In correspondence with the difference of NOS activity between the two species of shrimps, the Cumulative mortalities of the shrimps were also different. All shrimps of F. chinensis in the mortality experiment died in 66 h, much more quickly than M. japonicus, Whose accumulative mortality reached 100% after 240 h. Data here reported let us hypothesize that NOS activity in the haemocytes of shrimps F chinensis and M. japonicus responses to WSSV infection differently, and this might be one of the reasons for the different susceptibility of F chinensis and M. japonicus to WSSV infection. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Impacts of HAB species Heterosigma akashiwo on early development of the scallop Argopecten irradians Lamarck

The effects of Heterosigma akashiwo on the early development of Argopecten irradians Lamarck: eggs, D-shaped larvae, eye-spot larvae and juveniles, were investigated under laboratory conditions. Exposing fertilized eggs to various densities of H. akashiwo algal culture revealed that the development of the embryos to the gastrula was significantly slowed at densities of more than 1 X 10(4) cells/ml algal cells, and mostly was arrested when the embryos reached the trochophore larvae stage. At this stage, several trochophore larvae were adhered together by the algal cells, resulting in the inhibition of their swimming activity. Larvae had still not developed into D-shaped larvae after 30 h, and therefore did not finish the hatching process. The attachment and adherence of the algal cells to the larvae might be an important process in the mechanism of the impact on egg hatching success. The activity of the D-shaped larvae was significantly inhibited after 48 h exposure to H. akashiwo at a density of 15 X 10(4) cells/ml and after 96 h at 10 X 10(4) cells/ml. The survival rate of the eye-spot larvae was decreased significantly after 48 h exposure to the algal culture at densities of more than 1 X 10(4) cells/ml. However, all the juveniles could survive and their climbing and attachment activity were not affected after 1 and 5 h exposure to the algal culture at all the various algal cell densities tested from 5 to 20 X 10(4) cells/ml. The results indicated that susceptibility of embryos or larvae to the alga H. akashiwo differs depending on the developmental stage. The embryos and the eye-spot larvae of A. irradians are more sensitive stages to the toxicity of H. akashiwo. Observed effects of H. akashiwo exposure on early development of A. irradians serve to point out to the potential danger of this alga for scallop populations. The possible toxicological mechanisms of H. akashiwo on the scallop embryos and larvae are discussed. (c) 2005 Elsevier B.V All rights reserved.

A review of the genus Apocepon Nierstrasz & Brender a Brandis (Isopoda : Epicaridea : Bopyridae) parasitic on purse crabs (Decapoda : Brachyura : Leucosiidae) from Chinese waters, with description of a new species

Description of a new species Apocepon leucosiae sp. nov. of genus Apocepon Nierstrasz & Brender a Brandis, 1930 from Chinese waters, a redescription of Apocepon pulcher Nierstrasz & Brender a Brandis, 1930 from the type locality and the second record of Apocepon digitatum Stock, 1959 are presented. All hosts are in the brachyuran family Leucosiidae. Four purse crab species, i.e. Philyra carinata Bell, Philyra heterograna Ortmann, Leucosia sinica Shen et Chen and Leucosia anatum ( Herbst), are recorded for the first time as hosts of parasitic isopods of this genus. A brief differential diagnosis, data on the distribution and a key to the three species in the genus Apocepon are provided.

In vitro antioxidant activity of acetylated and benzoylated derivatives of polysaccharide extracted from Ulva pertusa (Chlorophyta)

The antioxidant activity of natural ulvan and its derivatives (acetylated and benzoylated ulvans) in vitro was determined, including scavenging activity against superoxide and hydroxyl radicals, reducing power, and chelating ability. Obvious differences in antioxidant activity between natural ulvan and its derivatives were observed, moreover, the antioxidant activity of acetylated and benzoylated ulvans was stronger than that of natural ulvan. (C) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Sustained response to selection in an introduced population of the hermaphroditic bay scallop Argopecten irradians irradians Lamarck (1819)

Introduced species often start with limited genetic variability, which is problematic for selective breeding. The problem of inbreeding can be exasperated by hermaphroditism. The bay scallop Argopecten irradians irradians is a hermaphroditic species that has been introduced to and now supports a major aquaculture industry in China. Positive response to selection for fast growth was observed in one of the less inbred stocks in a previous study. In this study, we evaluated selection for the second generation to determine if response to selection can be sustained in this introduced population of a hermaphroditic species. Response to selection, realized heritability for the second generation, cumulative (over two generations), current (for the second generation) and residual (from the first generation) genetic gains were estimated by comparing three different types of lines: SS (selected for two generation), SC (selected for the first generation only) and CC (unselected for two generations). The SS line grew significantly faster (P < 0.05) than the other two lines, indicating that the second generation selection for faster growth is still effective. Response to selection and realized heritability for the second generation were 0.612 +/- 0.101 and 0.349 +/- 0.057, respectively, which are similar to those observed for the first generation. The cumulative, current, and residual gains were 17.56 +/- 5.30%, 10.63 +/- 2.46%, and 6.25 +/- 3.13%, respectively. The sustained response to selection for the second generation observed here suggests that considerable genetic variability exists in this population and that future efforts on selective breeding are likely to be fruitful. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Characteristics of sulfide corrosion products on 316L stainless steel surfaces in the presence of sulfate-reducing bacteria

It has been found that microbial communities play a significant role in the corrosion process of steels exposed in aquatic and soil environments. Biomineralization influenced by microorganisms is believed to be responsible for the formation of corrosion products via complicated pathways of electron transfer between microbial cells and the metal. In this study, sulfide corrosion products were investigated for 316L stainless steel exposed to media with sulfate-reducing bacteria media for 7 weeks. The species of inorganic and organic sulfides in the passive film on the stainless steel were observed by epifluorescence microscope, environmental scanning electron microscope combined with energy dispersive spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. The transformation from metal oxides to metal sulfides influenced by sulfate-reducing bacteria is emphasized in this paper. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

基于主动轮廓模型的图像分割及目标跟踪算法研究

论文在中国科学院国防科技创新基金课题支持下，对主动轮廓模型的图像分割和目标跟踪算法进行了研究。 对复杂自然背景下人造目标的边缘提取问题进行了讨论，提出基于分形维数特征的分形参数主动轮廓模型和分形几何主动轮廓模型。该模型允许初始轮廓远离目标的边缘，降低了模型对初始轮廓的依赖性。 对主动轮廓跟踪模型进行了研究，提出一种基于形状约束的参数主动轮廓跟踪模型。该模型可以克服弱边缘及强背景等噪声对轮廓的吸引和干扰，保持了目标的基本形状，实现和改善了对具有尖角、深凹和狭长分支等不规则形状目标的边缘跟踪。 提出一种基于C-V模型的水上桥梁目标分割和识别算法。该算法能够较好地解决远距离小目标水上桥梁及灰度梯度较弱图像的桥梁分割和识别问题。 对Chan-Vese提出的水平集图像分割模型进行了改进，提出一种无需水平集重新初始化的C-V模型。该模型不仅提高了C-V模型的演化速度，而且实现了水平集函数初始化的灵活性。 基于区域特性及Mumford-Shah技术，提出一种基于能量最小化的主动分界线模型来实现对天际线或者某些同质区域非闭合分界线的检测。该模型可以提取无梯度信息或者梯度信息较弱的区域边界，并具有较强的抗噪性。

复杂背景下运动目标检测、分割与跟踪

本文研究的内容主要是序列图像中复杂背景下运动目标检测、分割与跟踪。分别提出了曲线演化策略及在运动目标检测与分割中的应用和基于特征点跟踪的运动目标检测与分割方法。关于目标跟踪，本文应用基于模型和基于特征的两种策略，提出了稳定、有效的四种跟踪方法。基于模型的算法包括基于粒子滤波和Hausdorff距离的运动目标跟踪及基于变形模板的目标跟踪。基于特征的方法分别是基于模糊测度的目标匹配与改进不变矩的目标匹配算法。 研究了曲线演化策略及在运动目标检测与分割中的应用，提出了基于最小半径准则和队列结构的聚类算法，消除孤立区域。提出基于试探策略并结合Fisher准则自适应地确定阈值的曲线演化算法分割运动目标。该算法具有良好的实时性和分割完整准确的优点。 在基于特征点跟踪的运动目标检测分割中，通过分析角点信息(灰度、梯度大小与方向)及其邻域信息，构造方向子邻域以提高匹配精度。提出了采用聚类方法消除运动目标上特征点对集合，同时也从剩余的特征点对集合中选取最优子集估计模型参数，检测运动目标。该算法可达到实时应用目的。 目标跟踪问题可看作状态空间中贝叶斯推理问题。在粒子滤波框架内，分别构造了跟踪过程的状态转移模型和测量模型，并提出了一种基于集合的模糊测度，实现了跟踪窗口随目标自适应变化、模板更新策略。对于刚体与非刚体的孤立目标，算法能够实现对目标的稳定跟踪。 在复杂场景下变形目标跟踪中，通过定义一种点到匹配点及其邻域的广义距离测度，增强了匹配的容错性。算法采用边缘相似点的距离均值和方差作为匹配的相似测度和置信准则。通过提出在8邻域内基于马尔可夫模型的启发式规则修正模板策略，阻止了模板窗口向背景的漂移。 在基于模糊测度的目标匹配中，提出了循环移位方法构造匹配特征向量，根据特征分布的模糊隶属度确定相似测度。该算法性能优于基于灰度相关匹配方法。 在基于不变矩的图像匹配中，引入误差带策略，计算图像边缘不变矩，取前N个匹配结果作为侯选目标，并根据契比雪夫不等式确定置信度。最后计算侯选目标的直方图的统计特性目标定位。该算法在性能上明显优于应用不变矩特征直接匹配方法和灰度相关的匹配方法。

单相机全向立体视觉研究

折反射全向成像系统是由普通透视相机和反射镜面组成的全向成像装置，可实时获取360°无需拼接的全景图像，近年来已成为研究热点并在视频会议、三维重建和移动机器人导航等领域有着广泛的应用。 本文主要对单相机全向立体视觉系统的设计、标定、匹配以及三维重建展开研究。介绍了一种可实时获取全向三维信息的折反射全向立体视觉光学装置OSVOD（Omnidirectional Stereo Vision Optical Device），OSVOD由两个双曲面镜和一个普通透视相机组成。其中两个双曲镜面上下同轴、间隔一定距离固定在一个玻璃筒内，下镜面中间开有一孔，上镜面通过下镜面的孔在相机像平面上成像，这样空间一点经上下反射镜的反射在像平面上有两个像点，用一个相机实现了立体视觉。两镜面的共同轴和相机镜头的光轴共线，共同焦点和镜头的光心重合，该配置能保证系统满足单一视点约束SVP（Single View-Point）。本结构配置也使系统的外极线呈一系列的放射线，对应点匹配简单。此外两镜面的间隔安装也使得系统的等效基线较长，从而具有较高的精度。 本文第一部分对当前的各种全向成像方法进行了简单介绍，并对各方法的特点做了归纳。第二部分介绍折反射全向视觉的研究现状，就各种反射镜面的成像特点做了对比。 第三部分介绍OSVOD的设计方法，包括机构的设计和镜面的设计，并对设计的结果做了误差分析。 第四部分是OSVOD的标定研究。给出了一种包括OSVOD中相机和镜面位置关系在内的系统参数的标定方法。该方法利用空间坐标已知的标定点在像平面上成的像，结合系统成像模型反算出标定点的空间坐标，再利用标定点的已知空间坐标和反算出的空间坐标建立方程，运用基于Levenberg-Marquardt的反向传播算法(backpropagation)标定相机与反射镜面间的安装偏差。该标定方法可推广到所有的折反射成像系统。 第五部分是基于全向图像的匹配研究。针对系统获取的立体图像对之间成像比例存在较大的差异，首先将图像展开成柱面投影图像，然后就下镜面成像展开的柱面做Canny边缘检测，得到了图像的边缘点；就得到的边缘点在展开的两幅柱面图像上做直接相关匹配。最后将获取的匹配点做一致性校验，并对一致性校验通过的匹配点做三维计算，生产稀疏的三维图像。 最后是结论和将来的工作展望。

研磨抛光机器人控制系统关键技术研究与实现

为了达到产品尺寸和表面质量的要求，在产品精加工过程中，研磨抛光是必不可少的加工工序。传统的研磨抛光主要是依靠人工进行的，它不仅费时费力、效率低下，而且产品均一性差，精度不高。另外，工业现场环境恶劣，噪声、粉尘严重影响工人的健康。所以，研磨抛光机器人的研究得到了广泛的关注。本文的研究工作是作为中国科学院知识创新工程重大项目“数字化智能制造装备与系统技术”的一个课题展开的，其目标是以军工应用为背景，研制开发一种专用的研磨抛光机器人。 目前，研磨抛光机器人在理论上和应用上都面临着许多技术难题，国内外大批学者投身于该领域的研究和探索，并且取得了大量的研究成果。本文是在这些成果的基础上，对透明件研磨抛光机器人控制系统中的关键技术进行研究。主要贡献概括如下： 针对机器人研磨抛光的不同阶段需要完成不同的控制任务，进行了研磨抛光任务生成研究，包括数学建模、任务规划和任务执行。其中，数学建模有运动学建模、动力学建模和雅可比矩阵的求解。通过采用基于时空分解的任务生成方法，有效解决了机器人在自由空间的轨迹控制和在约束空间的力控制之间，以及粗磨、细磨和抛光的不同工艺控制之间的自动切换问题。这些为后续章节的研究构建了总体控制框架。 当机器人从自由空间向约束空间过渡时，为了减小机器人末端执行器与工件之间的碰撞力，本研究提出了基于二次降速的轨迹规划方法，使得机器人末端执行器以极低的速度与工件相接触。实验结果表明，此方法克服了传统的T型或S型轨迹规划方法，由于接触速度过快而产生的较大碰撞力,从而抑制了振荡现象的发生，保护了机器人、力传感器和有机玻璃工件。 根据项目要求, 本研磨抛光机器人的三个直线传动单元具有行程长、自重大的特点，所以机器人的重力对控制精度的影响是不可忽略的因素。然而，采用基于机器人运动学模型的轨迹控制是将重力作为外部干扰来处理的，要实现高精度控制往往不能满足要求。本研究中，提出了基于机器人动力学模型的计算力矩轨迹控制方法，并证明了考虑约束力情况下的算法收敛性。由于存在建模误差时，采用基于PD反馈的计算力矩控制方法，只能实现有偏轨迹跟踪，本文提出了基于CMAC（小脑模型神经网络）补偿的计算力矩方法进行机器人的轨迹控制。仿真实验表明该方法有效。 在机器人研磨抛光过程中，力传感器输出的力信号包含有高频噪声和工频干扰，往往与有用信号相混叠，本文提出了小波变换的方法，对力信号进行预处理，将信号的噪声去除，提取有用信号。仿真结果表明，采用小波变换滤波，能很好地抑制工频干扰和高频噪声，并且对力信号波形的损失很小，从而提高了机器人腕力传感器输出数据的精度，为机器人力控制的实现提供了保证。 由于机器人研磨抛光的过程具有重复性的特点，而迭代学习适合于控制可重复性运动的被控对象，所以本文提出了基于迭代学习的力控制策略。仿真实验表明，机器人在对研磨抛光环境不完全精确了解的情况下，迭代学习利用控制系统先前的控制经验，根据系统的实际输出力信号和期望力信号之间的差值，来修正系统的输入，最终能够使研磨抛光力达到较为理想的状态。 最后，本文在实际的研磨抛光机器人系统上开展了应用研究。为了解决全局划痕研磨抛光的最短路径寻优问题，采用改进的遗传算法进行路径规划；为了防止局部划痕研磨抛光后的工件出现光学畸变现象，采用模糊推理的方法确定加工范围和加工步骤，并证明了方法的有效性。通过大量实验，总结了研磨抛光工艺，并采用正交试验设计的方法进行了参数优化设计。实验结果表明，该研磨抛光机器人能够满足用户的功能和指标要求。

仿人服务型机器人系统集成与实现研究

机器人学是电子、机械、控制等学科相结合的产物，代表着机电一体化的最高成就。随着社会经济与科技水平的发展，各个领域对仿人机器人的需求不断增加，使得仿人机器人成为了当今机器人研究中的热点。 按照移动方式，仿人机器人可以分为双足步行和轮式移动仿人机器人。轮式移动仿人机器人尤其适用于具有部分不变场景的结构化环境，在医院、餐厅等服务场合有着广泛的应用前景。 目前对于仿人机器人的研究主要还停留在样机阶段，在系统集成与实现方面所做的研究工作还不是很多。为此，本文以863课题《宜人化双臂操作型服务机器人》为依托，在分析了仿人机器人的特点以及国内外的研究现状的基础上，系统地研究了轮式移动仿人服务型机器人的系统集成与实现的相关问题，如：各个子系统的实现，体系结构的设计与实现，操作臂的冗余度控制，各种传感器信息的融合与切换等问题，最后通过具体的操作实验验证了设计的有效性和系统的可靠性。 首先，介绍了仿人机器人的子系统的划分与各个子系统的实现。在机械子系统中，介绍了仿人机器人各个部分的构成与实现，并总结了该仿人机器人机械结构具有的特点。在控制子系统中，根据该仿人机器人的要求，提出了基于微控制器的关节控制器的设计方法，叙述了控制器的硬件结构与实现；利用CAN总线的特性，构建了基于CAN总线的分布式控制系统；编写了伺服控制程序，开发了适于本系统的CAN总线的应用层协议。另外介绍了传感、通讯、电源等子系统的实现方式和特点。 其次，在分析现有的几类体系结构的特点的基础上，针对本系统中仿人机器人的功能要求，提出了层次化与模块化相结合的体系结构。该结构以时间为标准在纵向分为3层，以功能为标准在横向分为3列。描述了各个层次的结构和功能。在任务层，操作者通过无线局域网对机器人的运行状态进行监控，并可对机器人下达语音指令；在行为层，各个计算机通过局域网相连，通过对动作层的操作，实现行为的生成与组织；在动作层，构建以CAN总线为基础的分布式控制系统。本系统的体系结构具有如下的特点：自主与监控相结合，动作与感知相结合的行为，参数化的行为描述，在动作层构成分布式系统并且具有一定程度的开放性。 再次，分析了当前两类主要的冗余度控制方法的特点，并且提出了基于轨迹特征的运动权重设定准则。利用这个准则可以定量的确定操作臂各个关节的运动权重，进而用构形控制的方法实现了操作臂的冗余度控制。仿真结果证明了这种基于轨迹特征的控制方法对于冗余度操作臂的控制是合理有效的。 最后，探讨基于多传感器的任务规划与行为控制。在描述视觉系统的结构与功能的基础上，以一个具体操作任务为例，阐述了如何把位置、视觉、力觉等多种传感器集成在一起，在任务的不同阶段调度进行任务规划与行为控制。通过仿人机器人的操作实验验证了仿人机器人实时性好、定位精度高、运行稳定可靠。

可重构装配系统体系结构及其重构算法的研究

本文的研究内容是围绕国家“973”计划支持项目“基于智能制造单元的可重构装配生产线基础理论与实现方法研究”展开的。本研究以汽车减速箱装配生产线为实际背景，主要工作由四部分组成：对汽车减速箱的产品结构、装配工艺特征深入分析的基础上，提出了主干线和装配模块相结合的组织结构建模方法；利用网络法进行分析装配系统的三个重构过程，提出了适用于增容性、鲁棒性、适应新产品重构的优化算法；建立了基于多Agent系统的混合控制体系结构，利用JADE平台进行具体软件编程，实现了可重构装配生产线的控制系统；最后将组织结构建模、控制结构建模、重构优化算法有效的结合成统一整体，通过对Agent之间协商机制的研究，最终实现了可重构装配系统的实时重构、调度和控制，初步形成基于智能制造单元的汽车减速箱可重构装配系统的基本理论框架和方法体系。首先对汽车减速箱的产品结构、装配工艺特征进行了深入分析，从而形成了基于功能对象的产品族划分方法。在此基础上，根据模块化的设计思想，提出了主干线和装配模块相结合的可重构装配系统的开放式组织结构。通过引入缓冲区和多功能工作站，使得装配系统具有能力柔性、鲁棒性、功能扩展能力等特点，并能够通过模块的局部调整快速响应市场的需求。利用随机过程的基本原理，在建立缓冲区状态数学模型的基础上，以缓冲区被充满概率最小化为目标，通过递进算法确定缓冲区容量。讨论了可重构装配系统的两个规划问题：负荷平衡和多品种排序。阐述了混合模型产品的装配任务优先图和优先矩阵的合并，建立负荷平衡问题的数学模型，并总结了目前存在的求解方法。在归纳投产排序的优化模型和目标函数的基础上，介绍了生产比倒数法、试探法、循环改进法等优化方法。重构过程的优化是可重构装配系统研究的一个重要方面。利用网络法的基本原理，针对扩大生产能力、设备故障和新产品到达的三种系统重构要求，给出了相应的重构算法。通过装配操作向多功能工作站的转移以实现装配系统的增容；以工期延长最短为优化目标，利用网络法中的组织优化原则实现系统的鲁棒性重构；以最大候选原则的基本原理为基础，提出了基于固定设备约束的重构算法用于系统适应新产品的重构。在分析传统控制系统体系结构的基础上，根据可重构装配系统组织结构的特征，提出了基于多Agent系统的混合控制体系结构，它结合了递阶结构和分布式控制的优点，使得更有利于实现可重构装配系统的实时控制、调度和重构。为了对Agent进行建模和实现，在遵守FIPA规范的前提下，以汽车减速箱装配系统为背景，利用JADE开发平台，进行了各层Agent的实例开发，包括Agent属性描述、行为定义、通讯机制以及交互界面设计和Agent具体功能的编程实现。可重构装配系统重构过程的实现机理体现为多Agent之间的有效协商。在对现有Agent协商模型深入分析的基础上，针对鲁棒性、增容性、适应新产品的装配系统三个重构问题，提出了多Agent系统的协商机制，主要包括协商问题的形式化描述、协商模型、协商策略，结合相应的重构算法实现装配系统的重构。给出了Agent协商过程中存在的主要冲突和消解方法。通过多Agent系统协商实现可重构装配系统重构、调度和控制，充分体现了控制系统集中规划与分布式求解相结合的优点。