仿生技术论文
随着人们对生物体认识的深入，借助于生物的特性与功能的研究，仿生技术也将会有更加广阔的前景，小编整理的仿生技术论文，希望你能从中得到感悟!
仿生技术论文篇一
仿生技术在机械制造中的应用探讨
摘要：随着现代技术的不断升级发展，我国各领域的技术得到了突飞猛进的发展，机械制造作为我国经济发展的基础，自然在技术上也得到了长足发展，其中仿生技术在机械制造中运用广泛，机械制造在新技术的运用方面取得了突破性进展。本文综述了仿生技术的发展，并从外形仿生技术、功能仿生技术、结构仿生技术等三个方面，结合实例，进行应用探析，展现出仿生技术在机械制造中的应用潜力和新技术的无限魅力。
关键词：仿生技术;机械制造;应用
随着人们对生物体认识的深入，借助于生物的特性与功能的研究，仿生设计也将会有更加广阔的前景，通过研究、学习、模仿来复制和再造某些生物特性和功能，来改进现有的或创造新的机械制造。将生物系统的优异功能运用于新技术设备的设计与制造，或者使机械操作技术系统具有类似生物系统。同时也提高人类对自然的适应和改造能力，产生巨大的社会经济效益。仿生技术在机械制造中的应用分析对机械制造的进步具有重要意义。
一、仿生技术的发展概述
仿生技术是一项新的技术，主要目的是实现特定功能，它是根据生物体系的结构性质、能量转换与信息传递过程，系统地运用相互交叉和相互渗透的理论知识与技术手段，它涉及到信息科学、物质科学、生命科学、工程技术学、系统科学甚至经济学等多学科，采用最广泛地运用类比、模拟和模型方法的模仿科学。20世纪仿生技术研究广泛应用在高科技领域，包括机械、航天航空等。仿生科学的突出成就是计算机技术发展推动下出现的各种各样机器人的设计制造和应用，这是宏观仿生技术指导下取得的成果。越来越多的学者开始研究仿生技术，涉及到机械仿生、能量仿生、化学仿生、信息与控制仿生和食品仿生等诸多领域的研究。机械仿生是由多种学科相互渗透、结合而成的一门边缘学科。其主要研究领域有生物力学、控制体和机器人。研究课题包括拟人型机械手，步行机、假肢以及模仿鸟类人的各种机械。仿生技术在机械制造中得到了广泛应用，在机械制造过程中借助于仿生学设计原理，仿照生物的形态结构或机能特点，设计制造用于特殊目的的“功能器件”，开发现代机械化仿生技术与仿生装备研究意义是极其重大的。因此，在机械制造的应用中展示出仿生技术在研究领域中巨大的潜力和无限的魅力。
二、仿生技术在机械制造的应用
仿生技术在机械制造中的应用主要体现在外形仿生技术、结构仿生技术、功能仿生技术的应用，下面逐个进行阐述。
1、外形仿生技术的应用。外形仿生技术是研究和模拟生物机体外部。目能我国外形仿生技术在机械制造领域的研究与开发水平己处于国际领先水平，尤其是农业机械制造方面。我国著名农机专家陈秉聪院士和我国首位仿生技术领域院士任露泉等多位学者共同努力下，模拟蜕螂头前部的外形结构、泥鳅蠕动行走方式和生物弹性等生物外形特征研制出仿生推土机、仿生铲斗、仿生犁等仿生农机具。随着人类社会的进步， 仿生机械已经进入人类各种生活和和工作中。根据手的外形功能， 将杯装饮料机的机械手设计成关节型多指手机构，采用双曲柄机构保证机械手灵活和可靠， 在性能上满足实际应用要求。在机械制造中，外形仿生技术的应用，提高了机械的运用效率。
2、结构仿生技术的应用。结构仿生是通过研究生物肌体的构造，然后建立一部分类似生物的机械设备，使功能上于生物结构相似。由于自然界中生物体表组织经过千百万年的进化，依靠了生物体自身生长机制与生存环境长期作用，使其相成了非常独特的结构和性能。从生物体表组织独特的结构和性能获得结构仿生设计理念的启发，根据生物体的控制系统的结构与功能原理，研究新机械制造以改造现有的自动控制系统。研究者运用结构特征为机械仿生制造提供了最佳的包括宏观和微观的结构原形。例如，蜂巢六角柱状结构是一种经济省料的形体， 飞行器拟蜂巢夹层设计， 既增加结构强度， 又节省材料、 减轻重量。仿蜂巢复合纸板具有特别用处，吸音、 隔热、 防潮效果好，它能够代替木板作高档贵重物品或易碎商品的包装，立面抗压而重量轻。结构仿生模仿生物特殊的结构，是机械制造得到良好的设计和发展。
3、功能仿生技术应用。功能仿生通过神经系统和感觉器官的功能仿生设计制造出机械工具，使人造的机械具有或能够部分实现如感知、运动、操作、思维等高级动物丰富的功能。为了研制的六脚机器人弥补轮式拖拉机山路不便行走的缺陷，研究者以螃蟹为生物模型设计出了一款具备螃蟹运动的灵活、稳定和高效率特性的机器人。这款功能仿生机器人能稳定、迅速的到达目标区域，也是以基因工程、细胞工程等为标志可轻松的越过障碍和裂缝。此外，仿生精确机械化工具和高度自动化技术将获得突破性进展。有学者就提出了仿生钻头的想法，设计一种仿生钻头，希望能够解决钻探工作的一些问题，能够帮助到钻探工作者解决钻头泥包问题。在运用仿生技术中，仿造穿山甲鳞片的钻头体表面，加上仿造穿山甲爪趾的切削齿，这样的机械设计可以减粘降阻脱附，在泥质岩中钻进时可以有效地防止钻头泥包现象及提高机械钻速。我们还能根据人体的特点在机械制造中设计独特的机器，比如说上肢结构原理，提出一种上肢仿生机构，进行优化设计和运动学分析，为制造出灵巧方便的上肢仿生机构提供了理论依据。
三、总结。在机械制造运用仿生技术，使仿生机械产品具有较好的功能和社会效益。目前国内外对仿生机械设计的研究也取得了很大进展。在机械设计上还需要不断创新，不拘于生物能力的模仿。因此，仿生技术必将通过现代生物技术、现代信息技术的延伸和扩展，同时，仿生技术的运用成果可以推动生物学科学科的进步。仿生技术成为现代机械化的核心技术，在研究领域中占有重要地位。本文主要对外形仿生、结构仿生、功能仿生等方面进行分析探讨，希望从这些仿生技术的应用中，得到启示，要更加注重对仿生技术的研究，这对于机械制造的发展具有积极作用和现实意义。
参考文献：
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[2] 钱侠;仿生学在机械设计中的应用[J];科技信息;2008(7)
[3] 李言俊;高阳;仿生技术及其应用[J];安阳工学院学报;2005(1)
仿生技术论文篇二
智能机器人视觉仿生技术研究综述
摘要：机器人视觉仿生技术是机器人视觉控制领域的新热点。本综述在详细分析了灵长类动物眼球运动的形式和特点基础上，对国内外应用生物眼球运动控制机理来构建仿生机器视觉的研究现状、存在的问题及未来发展趋势做了全面综述，并针对目前机器人视觉仿生面临的技术难题，提出了开展视觉仿生研究的新思路和新构想。
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.
关键词： 视觉仿生;仿生眼;机器人
Key words： bionic vision;bionic eye;robots
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311(2013)26-0195-02
0 引言
智能机器人是指：具有感知、识别、推理和决策能力，并且能独立执行任务的机器人。感知和识别技术是智能机器人最为关键的技术。研究最多的是基于视觉传感器的感知技术。比如美国波士顿动力公司研制的Big-Dog、Alpha-Dog、Little-Dog等系列四足机器人，采用立体视觉作为对环境进行识别和感知。意大利IIT大学研制的HyQ[2]机器人能够在复杂地形条件下高速移动，都不同程度地利用视觉实现感知。尽管如此还是满足不了人们对智能“双眼”的追求，假如能给智能机器人配备一双智能双眼，使其能像人类一样感知和获取环境信息、快速准确地切换视眼和跟踪目标，是人类对智能机器人梦寐以求的愿望。为此，人们采用多种基于计算机视觉的方法和手段来构建初步具备“视觉”功能的视觉系统。但目前智能机器人“眼睛”的功能还是比较低级，特别是在双目协调、以及对突然变化或事先未知的运动目标的跟踪、大视野与精确跟踪之间的矛盾以及由于震动引起的视线偏离补偿等方面的问题到目前都没得到很好的解决。近年来，视觉仿生成为前沿交叉学科的研究热点。
由于生物视觉经过千百万年的进化已具有极其发达和完善的内外环境适应能力。根据模拟生物视觉不同的功能表现及不同的应用场合，视觉仿生的研究可归纳为两大方面：一是从视觉感知、认知的角度进行研究;二是从眼球运动、视线控制的角度进行研究。前者国内外都有大量的研究方向和成果，主要研究视觉感知机制模型、信息特征提取和处理机制以及在复杂场景中目标搜索等。而后者是根据人类和其它灵长类动物的眼球运动控制机理来构建智能机器人的“眼睛”，实现生物眼的多种优异功能。
1 人类眼球运动的形式及特点
1.1 扫射与平滑追踪运动
扫射是当双眼自由地看周围环境是，视线很快从一个注视点转向另一个注视点。其潜伏期一般为200～250m/s，速度约为400b/s。Young等最早建立了扫视采样模，输入输出分别为目标位置和眼球位置，Robinson修改了Young的模型，模拟大脑并行处理特性。当前眼位与目标位置之差经过脉冲发生器进入并行通路，经积分器后产生位置信号，与MLF直接通路共同作用于眼球运动装置，产生扫射运动。平滑运动与扫射不同，属于眼球运动速度的连续负反馈系统，两者发生的时间是独立的。当眼球追踪一个运动物体时所发生的运动，使视线平滑地跟踪目标。
1.2 反射性眼球运动
从驱动眼动的动力源来分的话，眼球运动有与注意有关的眼动(如saccades、smooth pursuit、vergence)和与头动相关的眼动(即反射性眼动如VOR 和 OKR)两类。2005 年，Merfeld和 Ramat 分析了利用仿生机器人 iCub robot 对两种常见的 VOR 模型进行了模拟实验，分析了小脑在自适应特性及图像稳定中的重要作用。2007年Ojima指出，生物眼球运动具有典型的自适应控制机制，能够根据环境变化立即做出相应的变化和适当的响应，受此启发，提出一种非线性耦合神经振荡器网络模型及空间-时间学习算法，获得了平滑追踪中指令信号与运动增益及相位滞后的关系，建立的平滑追踪VOR 复合模型，改善了目标跟踪特性。
1.3 注视转移中头眼协调运动
2009 年后，人们提出了头眼协调运动的最优控制方法，运用最优控制理论研究了头眼运动与注视转移的关系，提出头眼运动最小贡献力为准则的最优控制方法，并转化为求解两点边值问题的微分方程组，仿真结果印证了“头、眼分别受控制于不同的控制器”的结论。但该研究提出的模型不具备生物的自学习机能，在此基础上提出了一种自学习最优控制模型，在注视转移过程中自适应调整控制器参数，对于再现生物头眼协调特性更近了一步。通过分析视觉重定位中头、眼运动的实验数据，提出建立头眼协调运动模型还须考虑一些尚未解决的问题。进一步研究导致这些现象的神经机制，才能揭示各运动子系统之间相互协调的本质。
1.4 固视微动
人眼在注视静止目标时，眼球仍处于高频率无意识的振动之中，一旦振动停止，成像就会变得模糊，这种振动保证了图像的获取质量。人眼的微动机制启发人们去模拟眼球振动来改善图像质量。当人眼凝视静止物体时，眼球自身的震颤(固视微动)具有突出物体边缘的作用且包含深度信息。东京工业大学张晓琳先后建立了单眼和双眼的水平眼球微动控制系统的模型，使眼球微动模型可以用于机器人眼的设计制造和控制上，并在此基础上制作了一对具有与双眼微动控制系统模型相同的机器人眼实验模型。事实上，生物眼球运动在大多数情况下是包含上述多种运动成分的复合运动。此外，人们还研究了眼球运动系统中神经积分器的作用、眼球运动的脑干控制机理，眼球运动与感知，以及眼球-头颈的运动学和动力学特性等，仿生眼的研究在国外成为前沿研究热点。 2 仿生视觉面临的问题及对策
目前机器人眼的研究多是基于工学方法，利用左右摄像机获得目标图像分别进行处理，左右眼和头颈缺乏协调联动机制，在双目、头眼协调运动、视线偏离补偿、不确定目标追踪等方面存在诸多技术障碍，采用仿生技术是寻求解决这些问题的重要途径。
2.1 建立完善的仿生眼模型
基于国外生理学研究成果，采用工程仿生学和控制理论相结合的方法，将视觉控制生理模型转化为工程技术模型，实现生物视觉的优异性能，从根本上解决机器视觉面临的技术难题，是智能机器人研究的重要方向。目前文献中的仿生眼模型只模拟了人眼的一种或两种运动，且多为单眼或双眼一维水平运动。普遍采用扫视与平滑追踪分离的机制，难以同时实现多种眼球运动。进一步研究各种眼球运动之间的内部关联与神经机理，建立多自由度非线性仿生双眼运动模型，同时实现扫视、平滑追踪、异向运动和反射运动等多种眼球运动，尚需进行大量的研究。
2.2 引入生物神经控制机理
当进行大幅度视线转移时，机器人的关节冗余需要有效地协调头部和双目的运动。目前提出的头眼协调运动系统及学习算法多是基于水平方向的二维头眼系统，虽有学者提出3D头眼协调运动控制算法，但采用的是先双目聚焦，再转动头部，后做眼睛补偿的“分时”“分段”执行方法，并未真正实现头眼同时转向目标中的协调控制。目前3D头眼协调运动仍是一项有待突破的技术难关。从生物头眼协调运动中获取灵感，研究灵长类动物头、眼和身体协调组合完成视线转移的神经控制机理，设计双目头颈协调运动控制算法，解决机器人3D头眼协调控制问题不失为一条重要的研究途径。
2.3 研究人眼跟踪目标的机理
机器人“眼”的重要功能之一是视觉跟踪，目前常采用视觉伺服反馈控制的方法，但对于突然、快速变化以及行踪无常的目标，常出现目标丢失、跟踪失败的现象。人眼在跟踪变化无常的目标中表现出的非凡才能源于其视觉系统中眼球快速扫视和慢速平稳追随之间的协调配合和实时切换。深入研究人类眼球运动模式自动切换快速准确跟踪目标的神经生理机制，将视觉跟踪中扫视(saccade事件驱动)和平稳追随(smooth pursuit，速度连续驱动)模式的切换看作混杂系统的自适应最优控制问题加以研究，以期解决随意性运动目标跟踪的快速性和准确性问题。其中两种模式之间的最佳切换时机和预测算法是研究的关键技术。
2.4 模拟人类反射性眼球运动机理
机器人在颠簸路段行走或在复杂的非结构化环境中作业时，自身机体振动或姿态发生变化会引起较大的视线偏离。通常采用图像处理(特征提取、目标检测与匹配、空间位置计算等)的方法来调节伺服机械云台，但补偿范围小，图像稳定性差，尚无解决大视线偏离的办法。人眼具有很强的自适应和自调节功能，当头部和身体姿态发生变化或背景动态变化时，仍能清楚地注视和跟踪目标，缘于其前庭动眼反射(VOR)和视动反射(OKR)机能。研究人类反射性眼球运动机理，建立由基于视网膜滑动信息的反馈控制器和基于前庭输入的前馈控制器组成的自适应VOR-OKR模型，主动补偿由机器人姿态本体变化引起的视觉误差，解决机器人大范围视觉偏差补偿问题。
3 结论
机器人的视觉技术是机器人的共性技术，也是一项关键技术。仿生型机器人眼运动控制系统使机器人眼具备人眼的诸多特殊自然功能，将其投入机器人产业应用将开创仿生学在机器人技术领域崭新的应用前景。
参考文献：
[1]Erkelens CJ.A dual visual-local feedback model of the vergence eye movement system[J].Journal of Vision，2011，11(10)：21：1-14.
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