仿生技術論文

　　隨著人們對生物體認識的深入，藉助於生物的特性與功能的研究，仿生技術也將會有更加廣闊的前景，小編整理的，希望你能從中得到感悟!

　　篇一

　　仿生技術在機械製造中的應用探討

　　摘要：隨著現代技術的不斷升級發展，我國各領域的技術得到了突飛猛進的發展，機械製造作為我國經濟發展的基礎，自然在技術上也得到了長足發展，其中仿生技術在機械製造中運用廣泛，機械製造在新技術的運用方面取得了突破性進展。本文綜述了仿生技術的發展，並從外形仿生技術、功能仿生技術、結構仿生技術等三個方面，結合例項，進行應用探析，展現出仿生技術在機械製造中的應用潛力和新技術的無限魅力。

　　關鍵詞：仿生技術;機械製造;應用

　　隨著人們對生物體認識的深入，藉助於生物的特性與功能的研究，仿生設計也將會有更加廣闊的前景，通過研究、學習、模仿來複制和再造某些生物特性和功能，來改進現有的或創造新的機械製造。將生物系統的優異功能運用於新技術裝置的設計與製造，或者使機械操作技術系統具有類似生物系統。同時也提高人類對自然的適應和改造能力，產生巨大的社會經濟效益。仿生技術在機械製造中的應用分析對機械製造的進步具有重要意義。

　　一、仿生技術的發展概述

　　仿生技術是一項新的技術，主要目的是實現特定功能，它是根據生物體系的結構性質、能量轉換與資訊傳遞過程，系統地運用相互交叉和相互滲透的理論知識與技術手段，它涉及到資訊科學、物質科學、生命科學、工程技術學、系統科學甚至經濟學等多學科，採用最廣泛地運用類比、模擬和模型方法的模仿科學。20世紀仿生技術研究廣泛應用在高科技領域，包括機械、航天航空等。仿生科學的突出成就是計算機技術發展推動下出現的各種各樣機器人的設計製造和應用，這是巨集觀仿生技術指導下取得的成果。越來越多的學者開始研究仿生技術，涉及到機械仿生、能量仿生、化學仿生、資訊與控制仿生和食品仿生等諸多領域的研究。機械仿生是由多種學科相互滲透、結合而成的一門邊緣學科。其主要研究領域有生物力學、控制體和機器人。研究課題包括擬人型機械手，步行機、假肢以及模仿鳥類人的各種機械。仿生技術在機械製造中得到了廣泛應用，在機械製造過程中藉助於仿生學設計原理，仿照生物的形態結構或機能特點，設計製造用於特殊目的的“功能器件”，開發現代機械化仿生技術與仿生裝備研究意義是極其重大的。因此，在機械製造的應用中展示出仿生技術在研究領域中巨大的潛力和無限的魅力。

　　二、仿生技術在機械製造的應用

　　仿生技術在機械製造中的應用主要體現在外形仿生技術、結構仿生技術、功能仿生技術的應用，下面逐個進行闡述。

　　1、外形仿生技術的應用。外形仿生技術是研究和模擬生物機體外部。目能我國外形仿生技術在機械製造領域的研究與開發水平己處於國際領先水平，尤其是農業機械製造方面。我國著名農機專家陳秉聰院士和我國首位仿生技術領域院士任露泉等多位學者共同努力下，模擬蛻螂頭前部的外形結構、泥鰍蠕動行走方式和生物彈性等生物外形特徵研製出仿生推土機、仿生剷鬥、仿生犁等仿生農機具。隨著人類社會的進步， 仿生機械已經進入人類各種生活和和工作中。根據手的外形功能， 將杯裝飲料機的機械手設計成關節型多指手機構，採用雙曲柄機構保證機械手靈活和可靠， 在效能上滿足實際應用要求。在機械製造中，外形仿生技術的應用，提高了機械的運用效率。

　　2、結構仿生技術的應用。結構仿生是通過研究生物肌體的構造，然後建立一部分類似生物的機械裝置，使功能上於生物結構相似。由於自然界中生物體表組織經過千百萬年的進化，依靠了生物體自身生長機制與生存環境長期作用，使其相成了非常獨特的結構和效能。從生物體表組織獨特的結構和效能獲得結構仿生設計理念的啟發，根據生物體的控制系統的結構與功能原理，研究新機械製造以改造現有的自動控制系統。研究者運用結構特徵為機械仿生製造提供了最佳的包括巨集觀和微觀的結構原形。例如，蜂巢六角柱狀結構是一種經濟省料的形體， 飛行器擬蜂巢夾層設計， 既增加結構強度， 又節省材料、 減輕重量。仿蜂巢複合紙板具有特別用處，吸音、 隔熱、 防潮效果好，它能夠代替木板作高檔貴重物品或易碎商品的包裝，立面抗壓而重量輕。結構仿生模仿生物特殊的結構，是機械製造得到良好的設計和發展。

　　3、功能仿生技術應用。功能仿生通過神經系統和感覺器官的功能仿生設計製造出機械工具，使人造的機械具有或能夠部分實現如感知、運動、操作、思維等高階動物豐富的功能。為了研製的六腳機器人彌補輪式拖拉機山路不便行走的缺陷，研究者以螃蟹為生物模型設計出了一款具備螃蟹運動的靈活、穩定和高效率特性的機器人。這款功能仿生機器人能穩定、迅速的到達目標區域，也是以基因工程、細胞工程等為標誌可輕鬆的越過障礙和裂縫。此外，仿生精確機械化工具和高度自動化技術將獲得突破性進展。有學者就提出了仿生鑽頭的想法，設計一種仿生鑽頭，希望能夠解決鑽探工作的一些問題，能夠幫助到鑽探工作者解決鑽頭泥包問題。在運用仿生技術中，仿造穿山甲鱗片的鑽頭體表面，加上仿造穿山甲爪趾的切削齒，這樣的機械設計可以減粘降阻脫附，在泥質岩中鑽進時可以有效地防止鑽頭泥包現象及提高機械鑽速。我們還能根據人體的特點在機械製造中設計獨特的機器，比如說上肢結構原理，提出一種上肢仿生機構，進行優化設計和運動學分析，為製造出靈巧方便的上肢仿生機構提供了理論依據。

　　三、總結。在機械製造運用仿生技術，使仿生機械產品具有較好的功能和社會效益。目前國內外對仿生機械設計的研究也取得了很大進展。在機械設計上還需要不斷創新，不拘於生物能力的模仿。因此，仿生技術必將通過現代生物技術、現代資訊科技的延伸和擴充套件，同時，仿生技術的運用成果可以推動生物學科學科的進步。仿生技術成為現代機械化的核心技術，在研究領域中佔有重要地位。本文主要對外形仿生、結構仿生、功能仿生等方面進行分析探討，希望從這些仿生技術的應用中，得到啟示，要更加註重對仿生技術的研究，這對於機械製造的發展具有積極作用和現實意義。

　　參考文獻：

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　　[2] 錢俠;仿生學在機械設計中的應用[J];科技資訊;2008***7***

　　[3] 李言俊;高陽;仿生技術及其應用[J];安陽工學院學報;2005***1***

　　篇二

　　智慧機器人視覺仿生技術研究綜述

　　摘要：機器人視覺仿生技術是機器人視覺控制領域的新熱點。本綜述在詳細分析了靈長類動物眼球運動的形式和特點基礎上，對國內外應用生物眼球運動控制機理來構建仿生機器視覺的研究現狀、存在的問題及未來發展趨勢做了全面綜述，並針對目前機器人視覺仿生面臨的技術難題，提出了開展視覺仿生研究的新思路和新構想。

　　Abstract： Robot vision bionic technology is the new hot shot in robot vision control area. In this review， based on a detailed analysis of primate eye movement forms and characteristics， the domestic and international research status of building bionic vision with the biological eye movement control mechanism， the problems and future trends are reviewed comprehensively， and new ideas for the visual bionic research are proposed for the current technical problems of robot vision bionic.

　　關鍵詞： 視覺仿生;仿生眼;機器人

　　Key words： bionic vision;bionic eye;robots

　　中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311***2013***26-0195-02

　　0 引言

　　智慧機器人是指：具有感知、識別、推理和決策能力，並且能獨立執行任務的機器人。感知和識別技術是智慧機器人最為關鍵的技術。研究最多的是基於視覺感測器的感知技術。比如美國波士頓動力公司研製的Big-Dog、Alpha-Dog、Little-Dog等系列四足機器人，採用立體視覺作為對環境進行識別和感知。義大利IIT大學研製的HyQ[2]機器人能夠在複雜地形條件下高速移動，都不同程度地利用視覺實現感知。儘管如此還是滿足不了人們對智慧“雙眼”的追求，假如能給智慧機器人配備一雙智慧雙眼，使其能像人類一樣感知和獲取環境資訊、快速準確地切換視眼和跟蹤目標，是人類對智慧機器人夢寐以求的願望。為此，人們採用多種基於計算機視覺的方法和手段來構建初步具備“視覺”功能的視覺系統。但目前智慧機器人“眼睛”的功能還是比較低階，特別是在雙目協調、以及對突然變化或事先未知的運動目標的跟蹤、大視野與精確跟蹤之間的矛盾以及由於震動引起的視線偏離補償等方面的問題到目前都沒得到很好的解決。近年來，視覺仿生成為前沿交叉學科的研究熱點。

　　由於生物視覺經過千百萬年的進化已具有極其發達和完善的內外環境適應能力。根據模擬生物視覺不同的功能表現及不同的應用場合，視覺仿生的研究可歸納為兩大方面：一是從視覺感知、認知的角度進行研究;二是從眼球運動、視線控制的角度進行研究。前者國內外都有大量的研究方向和成果，主要研究視覺感知機制模型、資訊特徵提取和處理機制以及在複雜場景中目標搜尋等。而後者是根據人類和其它靈長類動物的眼球運動控制機理來構建智慧機器人的“眼睛”，實現生物眼的多種優異功能。

　　1 人類眼球運動的形式及特點

　　1.1 掃射與平滑追蹤運動

　　掃射是當雙眼自由地看周圍環境是，視線很快從一個注視點轉向另一個注視點。其潛伏期一般為200～250m/s，速度約為400b/s。Young等最早建立了掃視取樣模，輸入輸出分別為目標位置和眼球位置，Robinson修改了Young的模型，模擬大腦並行處理特性。當前眼位與目標位置之差經過脈衝發生器進入並行通路，經積分器後產生位置訊號，與MLF直接通路共同作用於眼球運動裝置，產生掃射運動。平滑運動與掃射不同，屬於眼球運動速度的連續負反饋系統，兩者發生的時間是獨立的。當眼球追蹤一個運動物體時所發生的運動，使視線平滑地跟蹤目標。

　　1.2 反射性眼球運動

　　從驅動眼動的動力源來分的話，眼球運動有與注意有關的眼動***如saccades、smooth pursuit、vergence***和與頭動相關的眼動***即反射性眼動如VOR 和 OKR***兩類。2005 年，Merfeld和 Ramat 分析了利用仿生機器人 iCub robot 對兩種常見的 VOR 模型進行了模擬實驗，分析了小腦在自適應特性及影象穩定中的重要作用。2007年Ojima指出，生物眼球運動具有典型的自適應控制機制，能夠根據環境變化立即做出相應的變化和適當的響應，受此啟發，提出一種非線性耦合神經振盪器網路模型及空間-時間學習演算法，獲得了平滑追蹤中指令訊號與運動增益及相位滯後的關係，建立的平滑追蹤VOR 複合模型，改善了目標跟蹤特性。

　　1.3 注視轉移中頭眼協調運動

　　2009 年後，人們提出了頭眼協調運動的最優控制方法，運用最優控制理論研究了頭眼運動與注視轉移的關係，提出頭眼運動最小貢獻力為準則的最優控制方法，並轉化為求解兩點邊值問題的微分方程組，模擬結果印證了“頭、眼分別受控制於不同的控制器”的結論。但該研究提出的模型不具備生物的自學習機能，在此基礎上提出了一種自學習最優控制模型，在注視轉移過程中自適應調整控制器引數，對於再現生物頭眼協調特性更近了一步。通過分析視覺重定位中頭、眼運動的實驗資料，提出建立頭眼協調運動模型還須考慮一些尚未解決的問題。進一步研究導致這些現象的神經機制，才能揭示各運動子系統之間相互協調的本質。

　　1.4 固視微動

　　人眼在注視靜止目標時，眼球仍處於高頻率無意識的振動之中，一旦振動停止，成像就會變得模糊，這種振動保證了影象的獲取質量。人眼的微動機制啟發人們去模擬眼球振動來改善影象質量。當人眼凝視靜止物體時，眼球自身的震顫***固視微動***具有突出物體邊緣的作用且包含深度資訊。東京工業大學張曉琳先後建立了單眼和雙眼的水平眼球微動控制系統的模型，使眼球微動模型可以用於機器人眼的設計製造和控制上，並在此基礎上製作了一對具有與雙眼微動控制系統模型相同的機器人眼實驗模型。事實上，生物眼球運動在大多數情況下是包含上述多種運動成分的複合運動。此外，人們還研究了眼球運動系統中神經積分器的作用、眼球運動的腦幹控制機理，眼球運動與感知，以及眼球-頭頸的運動學和動力學特性等，仿生眼的研究在國外成為前沿研究熱點。 　　2 仿生視覺面臨的問題及對策

　　目前機器人眼的研究多是基於工學方法，利用左右攝像機獲得目標影象分別進行處理，左右眼和頭頸缺乏協調聯動機制，在雙目、頭眼協調運動、視線偏離補償、不確定目標追蹤等方面存在諸多技術障礙，採用仿生技術是尋求解決這些問題的重要途徑。

　　2.1 建立完善的仿生眼模型

　　基於國外生理學研究成果，採用工程仿生學和控制理論相結合的方法，將視覺控制生理模型轉化為工程技術模型，實現生物視覺的優異效能，從根本上解決機器視覺面臨的技術難題，是智慧機器人研究的重要方向。目前文獻中的仿生眼模型只模擬了人眼的一種或兩種運動，且多為單眼或雙眼一維水平運動。普遍採用掃視與平滑追蹤分離的機制，難以同時實現多種眼球運動。進一步研究各種眼球運動之間的內部關聯與神經機理，建立多自由度非線性仿生雙眼運動模型，同時實現掃視、平滑追蹤、異向運動和反射運動等多種眼球運動，尚需進行大量的研究。

　　2.2 引入生物神經控制機理

　　當進行大幅度視線轉移時，機器人的關節冗餘需要有效地協調頭部和雙目的運動。目前提出的頭眼協調運動系統及學習演算法多是基於水平方向的二維頭眼系統，雖有學者提出3D頭眼協調運動控制演算法，但採用的是先雙目聚焦，再轉動頭部，後做眼睛補償的“分時”“分段”執行方法，並未真正實現頭眼同時轉向目標中的協調控制。目前3D頭眼協調運動仍是一項有待突破的技術難關。從生物頭眼協調運動中獲取靈感，研究靈長類動物頭、眼和身體協調組合完成視線轉移的神經控制機理，設計雙目頭頸協調運動控制演算法，解決機器人3D頭眼協調控制問題不失為一條重要的研究途徑。

　　2.3 研究人眼跟蹤目標的機理

　　機器人“眼”的重要功能之一是視覺跟蹤，目前常採用視覺伺服反饋控制的方法，但對於突然、快速變化以及行蹤無常的目標，常出現目標丟失、跟蹤失敗的現象。人眼在跟蹤變化無常的目標中表現出的非凡才能源於其視覺系統中眼球快速掃視和慢速平穩追隨之間的協調配合和實時切換。深入研究人類眼球運動模式自動切換快速準確跟蹤目標的神經生理機制，將視覺跟蹤中掃視***saccade事件驅動***和平穩追隨***smooth pursuit，速度連續驅動***模式的切換看作混雜系統的自適應最優控制問題加以研究，以期解決隨意性運動目標跟蹤的快速性和準確性問題。其中兩種模式之間的最佳切換時機和預測演算法是研究的關鍵技術。

　　2.4 模擬人類反射性眼球運動機理

　　機器人在顛簸路段行走或在複雜的非結構化環境中作業時，自身機體振動或姿態發生變化會引起較大的視線偏離。通常採用影象處理***特徵提取、目標檢測與匹配、空間位置計算等***的方法來調節伺服機械雲臺，但補償範圍小，影象穩定性差，尚無解決大視線偏離的辦法。人眼具有很強的自適應和自調節功能，當頭部和身體姿態發生變化或背景動態變化時，仍能清楚地注視和跟蹤目標，緣於其前庭動眼反射***VOR***和視動反射***OKR***機能。研究人類反射性眼球運動機理，建立由基於視網膜滑動資訊的反饋控制器和基於前庭輸入的前饋控制器組成的自適應VOR-OKR模型，主動補償由機器人姿態本體變化引起的視覺誤差，解決機器人大範圍視覺偏差補償問題。

　　3 結論

　　機器人的視覺技術是機器人的共性技術，也是一項關鍵技術。仿生型機器人眼運動控制系統使機器人眼具備人眼的諸多特殊自然功能，將其投入機器人產業應用將開創仿生學在機器人技術領域嶄新的應用前景。

　　參考文獻：

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