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国防科技大学肖定邦团队： 用于人形机器人的微型仿生眼球：一种基于折纸机构的高功能集成度视觉系统
作者：系统管理员
发布日期：2025-10-23
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研究背景： 得益于广角自适应调节、高速动态响应以及自主决策与感知能力，近年来机器视觉系统在通用人形机器人、虚拟现实和智能辅助驾驶等新兴领域展现出显著优势，并受到广泛研究关注。仿生视觉系统通过模拟生物眼睛的宽视场调节与快速运动跟踪机制，已成为人形及仿生机器人领域极具前景的视觉解决方案。受生物眼球结构与功能的启发，研究人员在提升机器视觉系统的成像分辨率与环境适应性方面取得了重要进展。然而，这类融合了光学、机械、电子与计算等多领域技术的高集成度智能微系统，仍面临诸多挑战。目前，受制于传统运动部件的制造方法与驱动方式，视场调节机构的高集成化设计仍主要依赖全刚性结构与微型驱动电机。此类结构通常体积较大（数十立方厘米量级）、重量较重（数百克），严重限制了机器人头部的有效负载能力，并阻碍了其在对于尺寸、重量较为敏感平台（如紧凑型仿生机器人）上的应用。因此，开发能够在光学成像系统、视场调节机构与目标识别算法之间实现协同优化与多维性能深度集成的仿生视觉系统，具有重要的科学研究意义与工程应用价值。该系统应兼具轻量化紧凑型结构、高分辨率成像能力、大视场多自由度动态调节特性以及强大的环境适应性。 论文信息： 近日，国防科技大学智能科学学院吴学忠教授与肖定邦教授团队受人类眼部生理结构启发，研制出一种基于三自由度折纸机构的新型仿生眼球系统（BES），成功突破了传统机电式仿生眼球在物理尺寸与功能集成度之间难以权衡的技术瓶颈。BES在视场调节能力方面达到人眼水平，单眼视场范围超过151.6° × 151.6°，整体尺寸仅为Φ23 mm × 15 mm，重量仅为1.8 g。此外，BES在实现高度轻量化的同时保持了优异的功能集成度：在运动与成像性能方面，BES展现出高速扫视能力（4382°/s）与高动态追踪能力（532°/s），并支持人机协同交互控制与主动变焦功能；在基于视觉注意机制的主动目标锁定实验中，BES展现出类人眼水平的平滑追踪能力，能够有效完成对目标的识别、锁定与跟踪任务。通过融合空间适应性、运动兼容性与认知决策能力，该研究成功实现了仿生视觉系统在微型化与功能完整性之间的协同优化，为解决高集成度视觉系统的设计挑战提供了新方案，相关研究已发表于 Advanced Science。 图文导读： 图1.仿生眼球系统（BES）。a. 基于光学-机械-计算协同设计的系统架构，包含视场调节机构、光学成像系统与图像处理算法，各子系统均需实现多性能指标的协同平衡。b. 实现克级重量与毫米级尺寸协同优化的技术路径：一种结合智能复合微结构/折纸技术的多尺度制造与压电驱动的协同方法。c. 基于折纸技术的平面复合材料加工工艺，通过选择性减材制造实现刚柔耦合微结构。d. 人眼解剖结构示意图，包括瞳孔-晶状体成像系统、巩膜保护层及实现动态视场调节的六条眼外肌。e. BES与人眼实际尺寸对比。f. 具备解剖等效特征的BES，集成了微摄像头、压电驱动的微型折纸机构（MOM）、仿巩膜支撑结构与仿眼外肌支撑结构四大核心模块。g. 基于仿生眼球的仿生双目视觉系统（BVS）在完全解耦模式下的广角成像能力展示。h. 系统在非结构化环境中的扩展应用演示，包括多目标检测、路径规划与人机交互（图片已获官方授权） 图2. MOM的结构特性与仿生设计原理。a. 模拟人眼椭球几何形态的三棱柱型折纸机构（部分图片已获官方授权）。b. 单个MOM系统集成了一个具有三条运动支链的被动旋转平台（PRS）与三个主动旋转平台（ARS）。c. 采用单压电驱动方式的主动四连杆旋转平台。d. PRS的多自由度运动链设计，每条支链包含七个旋转关节。e. PRS单条运动支链的运动学解耦展示，可实现独立的线运动与角运动。f. MOM与BES的实物图，采用单枚硬币用作尺寸参照 图3.BES的多模态机械特性表征。a. 双自由度旋转角位移的动态响应。b. 阶跃位移重复性验证（组内重复次数n=10）。c. 驱动频率—电压耦合作用下的峰值角速度特性（I：恒频变幅响应；II：恒幅扫频响应）。d. 轴向线位移与转向角位移的阶跃响应。e. 集成系统与非集成系统的频域特性对比（I：MOM；II：BES）。f. 通过准静态加载测试表征的轴向与转向刚度特性。g. 基于几何参数γ（γ = δ/Ld）的角位移优化（I：γ 在0–70%范围内的拓扑演变；II：六维性能指标对比分析） 图4.多场景下的开环控制性能验证。a. 宽视场动态扫描成像。b. 高动态运动目标成像（532°/s）。c. 人机协作下的实时交互操作。d. 单目标主动变焦验证（I–VI：由模糊至清晰的变焦过程）。e. 不同距离目标的主动变焦验证（通过焦距调整实现对远近标记物体的清晰成像） 图5.BES的闭环反馈控制性能验证。a. 闭环实验平台架构（集成多摄像头的运动捕捉系统：OptiTrack PrimeX 41）。b. 轴向线位移（±2.5 mm，步长0.5 mm）与俯仰角位移（±20°，步长4°）的阶跃响应特性。c. 位移跟踪性能（输入信号频率0.2 Hz，相位延迟小于90 ms）。d.集成一对BES的仿生面部平台。e. 基于视觉注意机制的多目标识别与锁定。f. 主动目标锁定过程中的视觉偏差（以像素距离量化相机视场中心与目标中心之间的偏移）。g. 基于视觉注意机制的单目标跟踪验证（测试对象：单个移动的气球） 图6.MOM的动态相位协同调节机制。a. 多模态驱动下的相位调控策略；b. 多模态下的输入电压波形（以正弦信号为例）；c. 多模式下位移的数值仿真：单自由度轴向平移模式可实现±5.3 mm的线行程，单自由度旋转模式可实现±42.2°角行程，双自由度旋转模式（Δφ = 0.7π）可实现±32.6°双轴角行程，通过调节相位差（Δφ）可实现模式间切换；d. 双自由度旋转模式（Δφ = 0.7π）下微型折纸机构的三维工作空间 图7.BES的制造工艺。a. 多层复合材料层压制备：包括机身骨架（碳纤维-热熔胶-聚酰亚胺-热熔胶-碳纤维）与驱动器（PZT/玻璃纤维-碳纤维预浸料-PZT/玻璃纤维）的基底制备；b. 面向二维预装配结构的协同式高温高压成型与飞秒激光精密加工；c. 被动旋转机构（PRS）的预应力诱导成型过程；d. 基于3D打印角度定位块的主动旋转机构（ARS）三维折叠成形；e. 多模块的协同组装 结论： 为突破传统仿生视觉系统在体积与功耗方面的限制，该研究创新性地将压电驱动与折纸制造技术相结合，开发出一种基于三自由度微型折纸机构的仿生眼球系统（BES）。结合模块化测试平台，研究团队系统表征了BES的角位移与响应速度等多维力学性能，并通过对核心运动链进行拓扑优化，建立了在六项关键力学指标协同约束下的角位移性能提升框架。实验结果表明，BES在整体尺寸（Φ23 mm × 15 mm）、重量（1.8 g）及功耗（1 Hz，275 mW）方面均具有显著优势的同时，仍可实现超过±31.8°的俯仰—偏航复合运动。其扫描峰值角速度能力达4382°/s，为人类眼球极限的4.8倍。多模态开环控制测试表明，该系统在宽视场高质量扫视成像（单眼视场151.6° × 151.6°）、高速动态目标成像、人机协同交互及主动变焦（±5.3 mm）等方面具有独特优势，能够满足协同场景下面向特定目标的精准成像需求。BES的高速动态成像能力（平滑追踪532°/s）超越人眼生理极限达17.7倍，这使得人形机器人能够精准捕获高速运动目标的关键信息。此外，通过基于视觉注意机制的目标识别算法，系统成功实现了多目标快速识别、主动锁定与轨迹跟踪，复现了人眼水平的平滑追踪运动。这一成果不仅可以为微型仿生视觉系统在面部表情识别、视觉导航等复杂场景中的部署应用奠定基础，更有望为空间自适应视觉技术开辟全新发展维度。 国防科技大学智能科学学院博士研究生蒲俊吉为论文的第一作者；肖定邦教授、吴宇列研究员为论文的通讯作者；吴学忠教授、尹灿辉助理研究员、曲春燕讲师、陈洋硕士研究生为论文的共同作者。 论文信息 Micro biomimetic eyeball for humanoid robots: A visual system with high-density functional integration based on an origami mechanism Junji Pu; Yang Chen; Yulie Wu; Canhui Yin; Chunyan Qu; Dingbang Xiao; Xuezhong Wu Advanced Science DOI:10.1002/advs.202515479 原文链接 https://doi.org/10.1002/advs.202515479 |
