仿生机器人离我们越来越近

“模仿生物的身体结构和功能，从事生物特点工作的仿生机器人，有望代替传统的工业机器人，成为未来机器人领域的发展方向。”今年8月在沈阳举行的“2004IEEE机器人学与仿生学国际学术会议”上，与会的机器人学专家这样表示。     

基于人类视觉模型的各向异性扩散滤波方法

针对各向异性扩散模型中扩散系数的梯度阈值确定问题进行了研究,提出了一种基于人类视觉模型的各向异性扩散滤波器。首先在PM方程的基础上研究了各向异性扩散系数中梯度阈值的取值问题。根据仿生学原理,分析了韦伯比曲线,将图像根据背景亮度划分为不同的区域,分别采用不同的公式计算梯度阈值。然后讨论了改进后算法在8邻域内的离散实现问题。仿真结果表明,与传统的恒常梯度阈值扩散模型相比,改进后的算法在有效保留图像重要信息的同时对噪声的抑制效果更为理想。     

仿生学在涂料开发中的应用

简要介绍了仿生学研究的基本情况及其在海洋防污涂料、建筑涂料、伪装隐身涂料等中的应用发展概况。     

基于人眼特性的视频稳定方法

在分析人眼视觉稳像原理和特性的基础上,提出了一种基于特征块匹配的视频稳定算法。该算法采用均匀分布的方式确定特征块。根据视频图像抖动特性对运动矢量进行预测,确定运动搜索的起始点。采用大钻石与小钻石搜索模板结合的方式,在阈值和搜索空间的约束下完成特征块匹配。然后通过运动平滑选择有效的运动矢量。利用仿射变换矩阵对原始图像进行配准,得出稳定视频序列。实验表明,该算法有效地稳定了图像序列,并且满足快速性和实时性的要求。     

蚯蚓体表与土壤接触界面动态行为仿真

应用离散元软件PFC2D建立了蚯蚓波纹体表与土壤界面动态行为仿真模型,对比分析了光滑和波纹试样的接触界面、接触力场和接触颗粒数以及滑动阻力,得出:当波纹表面的摩擦力与土壤颗粒对波纹凸起处的向后推力之和小于光滑表面的摩擦力时,波纹表面起到减阻作用;如果土壤颗粒对波纹表面凸起处的向后推力过大,波纹会起到增加阻力的作用。另外,试样运动时,波纹表面比光滑表面对土壤的扰动大。随着垂直载荷的增加,波纹表面和光滑表面的滑动阻力均增加,且波纹表面的降阻效果减弱;随着前进速度的增加,2种试样滑动阻力的增加,但波纹表面的滑动阻力的增长小于光滑表面,即速度高时波纹表面降阻明显。结果表明:蚯蚓非光滑表面的减阻能力与接触界面特性和外部条件有关。研究结果可为揭示非光滑表面的减阻机制提供研究方法和参考。     

可生长仿生学习算法在机器人平衡控制中的研究

针对两轮机器人的运动平衡控制问题,提出一种基于Q学习的生长细胞结构(GCS)网络的仿生学习算法;GCS网络除了具有SOM网络的竞争机制外,它还可以通过新神经元的不断生长,自组织地进行演化,Q学习算法是一种无模型强化学习算法,它可以改善学习能力,但是它只适用于状态离散化的控制系统中;将GCS网络的生长特性应用到Q学习算法中,通过网络输出的获胜神经元的信息来优化Q值,实现了状态连续系统的无模型控制,并且在两轮机器人上做了仿真实验;结果表明,当神经元数为12个时,机器人才开始受控,但是机器人本体的倾角振荡角度过大,位移不受控制;当神经元数增加到25个时,机器人本体的倾角在很小的角度范围内波动(大约0.2°),位移大约在0.05m的位置达到平衡,机器人的运动平衡达到了很好的控制效果。     

纤毛式MEMS传感器技术研究

首次综合国内外纤毛式MEMS传感器的研究成果,分别介绍了基于纤毛仿生原理的三维微触觉传感器、三维微力传感器、微声传感器、水流传感器、微几何测量传感器以及矢量水声传感器等。该类型传感器充分地将仿生学和MEMS技术结合起来,具有结构新颖精巧、体积小、功耗低、响应快、温漂小、精度高等优点,为开发具有自主知识产权的新型器件提供了新的思路。     

基于多种介质的仿生步行足力学特性

以中华绒螯蟹步足为研究对象,基于步足指节结构特征设计了4种仿生步行足:圆锥、圆锥沟纹、棱锥、圆柱沟纹步行足,并以圆柱足为对照原型。分别对5种步行足在不同含水率的石英砂和黏土中进行土槽试验,测试步行足的抗沉陷性能、能量消耗和推进性能。通过与圆柱足的对比试验表明:在多种土壤介质中,仿生步行足具有较好的力学特性。4种仿生足与介质接触过程的能量消耗显著低于圆柱足,仿生步行足可比圆柱足入土能耗最多降低95.12%,出土能耗减少45.88%~91.23%;圆柱沟纹仿生足在介质中的支承力提高6.61%~21.81%,推进力增加5.30%~20.88%,表现出优于圆柱足的抗沉陷性性能和推进性能。     

基于形态仿生的轿车升阻特性的数值模拟

受鱼类利用中央鳍/对鳍对流体介质产生扰动来增加运动稳定性的启发,本文在轿车尾部增加功能类似中央鳍/对鳍的扰流板,称之为方案一;针对其阻力增加,在方案一的基础上,在车后窗及汽车后备箱表面添加棱纹形态仿生功能表面,称之为方案二。利用数值模拟方法,对上述两种方案及原车模型在高速行驶状况下进行仿真分析,结果表明:方案一升力系数由原车的-0.06455降为-0.1516,后轮附着力增加,提高了轿车的操纵稳定性;方案二较好地梳理了尾部气流,延迟了气流的分离,与方案一比较,减阻率达到4.938%。     

水陆两栖仿生机器人构形、运动机理及建模控制综述

从水陆两栖机器人本体构形、推进动力学建模、多环境运动控制等方面对水陆两栖机器人近期的研究现状进行综述。首先,按照两栖机器人结构类型将两栖机器人分为腿式推进、轮腿/鳍复合式推进、蛇形推进、球形两栖机器人等;然后,介绍两栖机器人在水、陆环境中推进的动力学建模方法,以及目前常用于水陆两栖机器人的多环境运动控制策略。最后归纳得到两栖机器人的关键技术及未来发展方向,包括新型推进机构设计、系统建模、推进机理研究和多模态自主控制技术等。