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1、仿生感知與先進(jìn)機(jī)器人技術(shù),機(jī)電工程學(xué)院 機(jī)電控制及自動(dòng)化系 姚智慧 電話(huà)：0451-86417118（O） 13936139091 Email: yaozh@,1,第1章 仿生學(xué)系統(tǒng)概論,仿生學(xué)的定義 仿生機(jī)械學(xué)的含義 仿生機(jī)械學(xué)的研究動(dòng)向 機(jī)器人技術(shù)概述 機(jī)器人的發(fā)展,2,一、仿生學(xué)的定義,自古以來(lái)，自然界就是人類(lèi)各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。種類(lèi)繁多的生物界經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程，使它們能適應(yīng)環(huán)境的變化，從而得到生存和發(fā)展。 魚(yú)兒在水中有自由來(lái)去的本領(lǐng)，人們就模仿魚(yú)類(lèi)的形體造船，以木槳仿鰭。相傳早在大禹時(shí)期，我國(guó)古代勞動(dòng)人民觀察魚(yú)在水中用尾巴的搖擺而游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎，他們就在船尾上架置木槳
2、。通過(guò)反復(fù)的觀察、模仿和實(shí)踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動(dòng)力，掌握了使船轉(zhuǎn)彎的手段。這樣，即使在波濤滾滾的江河中，人們也能讓船只航行自如。,3,一、仿生學(xué)的定義,4,鳥(niǎo)兒展翅可在空中自由飛翔。據(jù)《韓非子》記載魯班用竹木作鳥(niǎo)“成而飛之，三日不下”。然而人們更希望仿制鳥(niǎo)兒的雙翅使自己也飛翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奧那多達(dá)芬奇和他的助手對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)進(jìn)行仔細(xì)的解剖，研究鳥(niǎo)的身體結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥(niǎo)類(lèi)的飛行。設(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī)，這是世界上第一架人造飛行器。 從上面這些內(nèi)容，我們可以看出，人類(lèi)在運(yùn)用自己創(chuàng)造本領(lǐng)的同時(shí)，也回歸了自然，通過(guò)模擬自然的一些生物原理，并且加以組合，利用，最終實(shí)現(xiàn)了我們想要的功
3、能。那么，這一切要?dú)w功于，或者劃分在什么領(lǐng)域呢？其實(shí)這就是自古以來(lái)就有的，仿生學(xué)。,一、仿生學(xué)的定義,仿生學(xué)：模仿生物系統(tǒng)的原理以建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類(lèi)似特征的科學(xué)。 根據(jù)定義，仿生學(xué)是研究和建立主要涵蓋生物電子學(xué)、生物傳感器、生物仿真材料、生物物理學(xué)、生物電機(jī)和生物大分子的自裝配等學(xué)科內(nèi)容的人工系統(tǒng)，使之具有生命系統(tǒng)的某些特性的一門(mén)交叉學(xué)科。,5,一、仿生學(xué)的定義,仿生學(xué)(bionics)這一名詞是由生物學(xué)(biology)和電子學(xué)[electronics)結(jié)合而產(chǎn)生的新名詞，實(shí)際上它是源出于希臘語(yǔ)中表示生命單位的bion一詞。 若以電子學(xué)為中心來(lái)考慮，就構(gòu)成仿
4、生電子學(xué)(bioelectronics)， 若以機(jī)械學(xué)為中心來(lái)考慮，則構(gòu)成了仿生機(jī)械學(xué)(biomechanisms)。,6,二、仿生學(xué)的研究對(duì)象,研究生命的結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換和信息流動(dòng)的過(guò)程，并利用電子、機(jī)械技術(shù)對(duì)這些過(guò)程進(jìn)行模擬，從而改善現(xiàn)有的和創(chuàng)造出嶄新的現(xiàn)代技術(shù)裝置。 仿生學(xué)已成為現(xiàn)代技術(shù)發(fā)明的重要途徑之一。“生物原型，—新技術(shù)的鑰匙”這句著名格言，恰當(dāng)?shù)孛枋隽爽F(xiàn)代創(chuàng)造發(fā)明的這一重要途徑。,7,生活中的 仿生學(xué),鳳蓬草 輪子 魚(yú)尾 船櫓 人眼晶狀體 透鏡 生物電 電池 鳥(niǎo) 飛機(jī),8,,,,,,9,例如，人的細(xì)胞有100—150億個(gè)神經(jīng)元，但每小時(shí)約有1
5、000個(gè)神經(jīng)元發(fā)生障礙，一年之內(nèi)就差不多有900萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元喪失機(jī)能。然而，令人驚嘆的是，大腦并沒(méi)有因此而喪失其各種機(jī)能?？墒牵娮佑?jì)算機(jī)卻不行，只要其中任何一個(gè)元件損壞或發(fā)生故障，便會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。極而言之，在許多方面，電子計(jì)算機(jī)甚至不及昆蟲(chóng)的區(qū)區(qū)之腦。螳螂能在0.05秒的一瞬間，計(jì)算出飛掠眼前的小昆蟲(chóng)的速度、方向和距離，這是大型電子跟蹤系統(tǒng)所望塵莫及的。,二、仿生學(xué)的研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)人腦機(jī)制(欲望、感情、睡眠、學(xué)習(xí)和記憶等)的研究，出現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)的教育系統(tǒng)、人工神經(jīng)元、電子腦，制造與人腦能力相同的信息處理系統(tǒng)——人工腦 通過(guò)研究生物眼模型和視覺(jué)機(jī)制(如人眼、蛙眼、貓眼、鷹眼和蟹眼
6、等)，研制視網(wǎng)膜、文字讀取裝置、盲人假眼及應(yīng)用于機(jī)器人的人工眼； 通過(guò)對(duì)生物聽(tīng)覺(jué)模型和機(jī)制的研究(如人耳、蝙蝠和海豚、鯨魚(yú)等的聽(tīng)覺(jué)器官)，開(kāi)發(fā)了精密雷達(dá)、水中聲納和聲音識(shí)別裝置等； 通過(guò)研究有關(guān)肌肉收縮的物理化學(xué)機(jī)制及其在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)指揮下的動(dòng)作機(jī)制，研制了人工肌肉、電子假手、機(jī)械手、人力放大器、自動(dòng)機(jī)，并在這基礎(chǔ)上制造接近人類(lèi)智能的機(jī)械等。,10,在科技史上，借助生物獲得發(fā)明創(chuàng)造的例子不勝枚舉,青蛙的眼睛’——跟蹤導(dǎo)彈的“電子蛙眼”； 烏龜殼——小提琴； 企鵝 ——越野汽車(chē)； 蜂鳥(niǎo) —直升飛機(jī)；魚(yú)鰓 ——人造魚(yú)鰓吸氧器； 蛇的紅外線(xiàn)定位器-—夜視鏡； 螢火蟲(chóng)———冷光源；云杉——圓錐形電視塔；
7、袋鼠——“跳躍式”極地汽車(chē)；蚊子——測(cè)向器； 水母——風(fēng)暴預(yù)警器； 沙蟹——制圖機(jī)； 鱷魚(yú)眼淚—--海水淡化器； 鯨魚(yú)脊背—--水下破冰船等等； 草履蟲(chóng)——帶幾千只小螺旋槳的潛水艇。,11,12,三、仿生機(jī)械學(xué) 仿生機(jī)械學(xué)是上世紀(jì)60年代初期出現(xiàn)的一門(mén)綜合性的新興邊緣學(xué)科，它是生命科學(xué)與工程技術(shù)科學(xué)相互滲透、相互結(jié)合而形成的。包含著對(duì)生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對(duì)生物的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會(huì)的要求付之實(shí)用化。 仿生機(jī)械從其構(gòu)詞成分來(lái)看，它應(yīng)該是指添加有人類(lèi)智能的一類(lèi)機(jī)械。為區(qū)別起見(jiàn)，可把傳統(tǒng)的機(jī)械稱(chēng)之為一般機(jī)械。表1．1列出一般機(jī)械與人類(lèi)能力的比較，可以看出在物理和機(jī)械機(jī)能方面
8、，一般機(jī)械較為優(yōu)越，但在智能方面卻比人類(lèi)要顯得特別低劣。因此，若把人—機(jī)結(jié)合起來(lái)，就有可能使一般機(jī)械進(jìn)化到仿生機(jī)械。,13,四、仿生機(jī)械學(xué)的研究方法,仿生技法的核心是研究對(duì)象(問(wèn)題)與生物系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題的類(lèi)比。這一技法實(shí)施大體分為 (1)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際提出技術(shù)問(wèn)題，選擇性地研究生物體的某些結(jié)構(gòu)和功能，簡(jiǎn)化所得的生物資料，擇其有益內(nèi)容，得到一個(gè)生物模型。 (2)對(duì)生物資料進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，抽象出其內(nèi)在聯(lián)系，建立數(shù)學(xué)模型。 (3)采用電子、化學(xué)、機(jī)械等技術(shù)手段。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)生物系統(tǒng)的工程模擬。,14,四、仿生機(jī)械學(xué)的研究方法,圖1-1 仿生學(xué)的研究方法,五、仿生創(chuàng)新的幾種主要思路,向生物索取技
9、術(shù)原理，不僅具有令人陶醉和神往的光輝前景，而且所涉獵的內(nèi)容也相當(dāng)廣泛。事實(shí)上，人類(lèi)從仿生學(xué)的角度所作發(fā)明的例子是很多的。例如：從鳥(niǎo)類(lèi)想到飛機(jī)、從蝙蝠想到雷達(dá)、從石龍子想到偽裝色、從飛鼠想到降落傘、從烏賊想到推進(jìn)器、從蝎子想到皮下注射、從鮑魚(yú)想到吸盤(pán)、從貝殼想到建筑等等。 如通過(guò)對(duì)蜜蜂筑巢的研究，人們模仿蜂巢制造出自重輕、強(qiáng)度高的烽巢夾層結(jié)構(gòu)(B52轟炸機(jī)上就采用這種結(jié)構(gòu))但如果研究蜜蜂的定向能力、蜂群信息的傳遞方式等， 則可獲得另外的有益啟示。再如，從蜂蜜的久藏而不變質(zhì) 是否能找到一種食品保鮮的新方法?，F(xiàn)在甚至有人在研究 蜂群的組織分工，以期在管理學(xué)上有所借鑒。根據(jù)仿生學(xué) 的研究成果，向生物索
10、取技術(shù)原理大致有如下幾個(gè)方面：,16,1．信息仿生,主要是通過(guò)研究、模擬生物的感覺(jué)(包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué))，智能以及信息貯存、提取、傳輸?shù)确矫娴臋C(jī)理，構(gòu)思和研制新的信息系統(tǒng)。馬薩諸塞理工學(xué)院的研究者根據(jù)蛙眼的視覺(jué)功能，研制成功了蟲(chóng)檢測(cè)儀器模型；斯坦福研究所的研究者模擬貓腦視覺(jué)領(lǐng)域中的直線(xiàn)“檢測(cè)器”，研制了用來(lái)對(duì)機(jī)器人眼送來(lái)的信息進(jìn)行處理的特殊計(jì)算機(jī)；狗鼻子素以靈敏著稱(chēng)，它能感覺(jué)200萬(wàn)種物質(zhì)和不同濃度的氣味，嗅覺(jué)比人靈敏一萬(wàn)倍?，F(xiàn)在，人們以不同物質(zhì)的氣味對(duì)紫外線(xiàn)的選擇性吸收為信息，研制成了“電子警犬”，用它來(lái)作檢測(cè)，其靈敏度甚至可達(dá)狗鼻子的1000倍。,17,2，控制仿生,主要通過(guò)研究模
11、擬生物的體內(nèi)穩(wěn)態(tài)(反饋調(diào)控)、運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)物的定向與導(dǎo)航、生態(tài)系統(tǒng)的漲落及人機(jī)系統(tǒng)的功能原理，來(lái)構(gòu)思和研制新的控制系統(tǒng)。例如，人們根據(jù)蜜蜂的復(fù)眼能夠利用偏振光導(dǎo)航的原理，發(fā)明了用于航空和航海的非磁性“儲(chǔ)光天文羅盤(pán)”。這種羅盤(pán)對(duì)于不能使用磁羅盤(pán)的高緯度地區(qū)，顯示出了極大的優(yōu)越性。人們還根據(jù)昆蟲(chóng)揖翅導(dǎo)航的原理，研制成功了一種振動(dòng)陀螺儀，廣泛應(yīng)用于高速飛行的火箭和飛機(jī)上。,18,3．力學(xué)仿生,主要通過(guò)研究模擬生物的機(jī)械原理以及結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)的原理，構(gòu)思和研究新的系統(tǒng)(包括機(jī)器、裝置、力學(xué)結(jié)構(gòu)以及人工臟器等)。例如，人體的大多數(shù)肌肉都是以“額頑肌”的形式成對(duì)地排列的。這種利用兩個(gè)產(chǎn)生拉力的“單向力
12、裝置”組成的雙向運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，遠(yuǎn)比工程技術(shù)上慣用的一個(gè)推拉“雙向動(dòng)力裝置”組織的系統(tǒng)優(yōu)越得多。對(duì)額頑肌的模擬，圓滿(mǎn)地解決了各種“機(jī)器人”、“步行機(jī)”等的行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。此外，人們還根據(jù)魚(yú)類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)的身體形狀的流體力學(xué)特性，研制了各種各樣的船舶和空間飛行物；根據(jù)蛋殼、烏龜殼、貝殼等彎曲表面，發(fā)明了建筑物上的酶殼結(jié)構(gòu)。,19,4，化學(xué)仿生,主要是通過(guò)研究模擬生物酶的催化作用、生物的化學(xué)合成、選擇性膜和能量轉(zhuǎn)換等，來(lái)構(gòu)思和創(chuàng)造高效催化劑等化學(xué)產(chǎn)品、化學(xué)工藝以及新材料、新能源等。例如，人們?yōu)橛钪骘w船設(shè)計(jì)的所謂“宇宙綠洲”—生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，就是通過(guò)模擬生物“電池”、光合作用轉(zhuǎn)換的原理以及自然生態(tài)系統(tǒng)所創(chuàng)造出
13、的。此外，在通過(guò)化學(xué)途徑的人工模擬酶、人工模擬生物固氯、人上模擬光合作用等方面，也正在醞釀著新的重要突破。,20,5．技術(shù)仿生,在隧道工程中得到廣泛使用的“構(gòu)質(zhì)施工法”也是以生物為老師作出的發(fā)明。1820年，英國(guó)要在泰晤士河底建造隧道，由于土質(zhì)條件很差，用傳統(tǒng)的支護(hù)開(kāi)挖法，因河底松軟、滲水而易塌方，施工極為困難，工程師布臺(tái)內(nèi)感到一籌莫展。一天，他在室外無(wú)意中發(fā)現(xiàn)有只蠕蟲(chóng)在其外殼保護(hù)下使勁地往堅(jiān)硬的橡樹(shù)皮里鉆。這使他恍然大悟：河下施工也可以象這種小蟲(chóng)找個(gè)保護(hù)殼…用空心鋼柱打入河底，以此為“構(gòu)盾”，邊掘進(jìn)邊延伸，在構(gòu)盾的保護(hù)下進(jìn)行施工，此即“構(gòu)盾施工法”。,21,6．原理仿生,蘇聯(lián)科學(xué)院動(dòng)物研究所
14、研究了地球上許多動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)后，模仿其運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)研制了各種新穎的交通工具：按蜘蛛的爬行原理設(shè)計(jì)出軍用越野車(chē)；根據(jù)蛇的爬行原理設(shè)計(jì)并改善了履帶車(chē)的噪聲；利用企鵝奔跑的原理設(shè)計(jì)了雪地汽車(chē)；甚至還準(zhǔn)備參照袋鼠的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)設(shè)計(jì)一種可以跳越障礙的越野車(chē)。,22,23,1．生物材料力學(xué)和機(jī)械力學(xué) 它以骨或軟組織(肌肉、皮膚及與交通事故有關(guān)的腦組織等)作為對(duì)象，通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定其應(yīng)力、變形特性，求出應(yīng)力分布規(guī)律。此外，還可根據(jù)骨骼、肌肉系統(tǒng)力學(xué)的研究，對(duì)骨和肌肉的相互作用等進(jìn)行分析，目前，已發(fā)表了關(guān)于腦殼、脊椎骨、骨盆、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等許多研究論文。 另外，生物的形態(tài)通過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，往往具有最優(yōu)的評(píng)
15、價(jià)函數(shù)，例如人體骨骼系統(tǒng)具有最少材料、最大強(qiáng)度的構(gòu)造形態(tài)。這些最優(yōu)評(píng)價(jià)函致是物質(zhì)的數(shù)量和能量消耗量的函數(shù)，所以按這種最優(yōu)論的觀點(diǎn)來(lái)學(xué)習(xí)、模擬建造工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是很有價(jià)值的。,六、仿生機(jī)械學(xué)的研究動(dòng)向,24,2．生物流體力學(xué) 它主要涉及生物體的循環(huán)系統(tǒng)。雖然很早就有人把動(dòng)脈中的脈動(dòng)波作為彈性管中的波動(dòng)傳播問(wèn)題進(jìn)行處理分析，已有血流動(dòng)力學(xué)的專(zhuān)著出版，但是這部分仍有許多問(wèn)題未解決，特別是因?yàn)樗难芯颗c心血管疾病關(guān)系十分密切，所以已成為一門(mén)很受關(guān)注的學(xué)科。,25,3．生物運(yùn)動(dòng)學(xué) 生物的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，因?yàn)樗c骨骼和肌肉的力學(xué)現(xiàn)象、感覺(jué)反饋及中樞控制牽連在一起。 雖然各種動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)或人體各種器官的運(yùn)動(dòng)測(cè)定與
16、分析都是重要的基礎(chǔ)研究，但是在仿生機(jī)械學(xué)中，特別重視人體上肢運(yùn)動(dòng)及步行姿態(tài)的測(cè)定與分析，因?yàn)槿梭w上肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能非常復(fù)雜，而下膠運(yùn)動(dòng)分析對(duì)動(dòng)力學(xué)研究十分典型。另外，若能從包含有力學(xué)問(wèn)題的綜合觀點(diǎn)對(duì)復(fù)雜的動(dòng)作和作業(yè)進(jìn)行分析，對(duì)下述的康復(fù)工程研究將有很大幫助。,26,4．生物運(yùn)動(dòng)能量學(xué) 如同生物形態(tài)存在最優(yōu)性一樣，節(jié)約能量消耗量也被認(rèn)為是生物中的基本原理之一。從運(yùn)動(dòng)能量消耗最優(yōu)性的觀點(diǎn)對(duì)生物體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能等進(jìn)行分析、研究，特別是對(duì)有關(guān)能量的傳遞與變換的研究，是很有意義的。,5．康復(fù)工程學(xué) 在與仿生機(jī)械學(xué)有關(guān)的康復(fù)工程學(xué)科中，包括有如動(dòng)力假肢、電動(dòng)車(chē)椅子、病殘者用環(huán)境控制系統(tǒng)等。它沙及多種學(xué)科
17、與技術(shù)，例如對(duì)于動(dòng)力假肢，只有在解決了材料、能源、控制方式、信號(hào)反饋與精密機(jī)械等各種問(wèn)題之后才能完成，而且這些裝置還要作為一種人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)、實(shí)用，所以它們通往實(shí)用化的道路是很?chē)?yán)格的。,27,6．機(jī)器人工程學(xué) 它是把生物學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于工程領(lǐng)域的—種典型例子，其目的是為用于工業(yè)中的省力化，以及在宇宙、海洋、原子能生產(chǎn)、災(zāi)害時(shí)等異常環(huán)境中幫助人類(lèi)進(jìn)行作業(yè)。機(jī)器人不僅要具有移動(dòng)功能的人造手足，而且還要有感覺(jué)反饋功能及人工智能。目前，關(guān)于人造手、步行機(jī)械、三維物體或聲音的類(lèi)型識(shí)別等的研究都在積極進(jìn)行。,28,七、機(jī)器人技術(shù)概述,機(jī)器人的組成,機(jī)器人這個(gè)名稱(chēng)最早出現(xiàn)于19世紀(jì)，但是直到本世紀(jì)50年代后
18、期，機(jī)器人才從科學(xué)幻想中解放出來(lái)，進(jìn)入了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。那時(shí)，在市場(chǎng)上出現(xiàn)了兩種工業(yè)機(jī)器人，一種取名為Unimate(萬(wàn)能自動(dòng)機(jī)械)，一種取名為Versatran(通用搬運(yùn)機(jī)械)，并構(gòu)成為今天機(jī)器人發(fā)展的基型。 一般說(shuō)來(lái)，可以從兩個(gè)角度對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定義。若從工程角度，認(rèn)為它是屬于一種自動(dòng)機(jī)械，具有對(duì)環(huán)境的通用性和適應(yīng)性，操作程序易變，且可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的隨意的運(yùn)動(dòng)。若從仿生學(xué)的角度，則認(rèn)為已是具有近似人類(lèi)相當(dāng)部分功能的機(jī)械，它能執(zhí)行與人類(lèi)似的動(dòng)作，且具有類(lèi)似人的某種智能，如記憶、再現(xiàn)、邏輯運(yùn)算、學(xué)習(xí)、判斷、感知等。,29,機(jī)器人的組成可包括硬件和軟件兩大部分。從著重于對(duì)生物機(jī)能模擬的觀點(diǎn)，高級(jí)機(jī)器人的
19、典型硬件結(jié)構(gòu)可用圖1.1表示。,30,為了要使機(jī)器人能夠從事復(fù)雜的工作，執(zhí)行與人相似的一些動(dòng)作，必須要使它的機(jī)構(gòu)和功能都具有很大的靈活性，即是不僅要有像生物運(yùn)動(dòng)器官那種高性能的硬件，而且還要有能對(duì)運(yùn)動(dòng)器官進(jìn)行巧妙控制的軟件，把硬件和軟件很好地配合起來(lái)。 機(jī)器人的軟件，是人工智能研究的主要實(shí)際目標(biāo)，其最根本問(wèn)題有： (1)問(wèn)題求解(對(duì)策)。指機(jī)器人能按人事先給定的條件和目標(biāo)，通過(guò)定理證明和啟發(fā)按索的方法，制定計(jì)劃，求解問(wèn)題。 (2)環(huán)境了解。指機(jī)器人能通過(guò)各種信息傳感器對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行調(diào)查，掌握外界情況，并建立環(huán)境模型。 (3)知識(shí)表達(dá)。這是人工智能的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。指機(jī)器能記憶工作環(huán)境的狀態(tài)和規(guī)律
20、，以及自己的經(jīng)驗(yàn)等知識(shí)，并能自由地運(yùn)用。,31,(4)自然語(yǔ)言處理。指機(jī)器人能理解和接受人發(fā)出命令的語(yǔ)言系統(tǒng)，并可用這種語(yǔ)言進(jìn)行對(duì)話(huà)。 (5)動(dòng)作控制。指機(jī)器人能按人所給予的任務(wù)要求；對(duì)機(jī)械手、足進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。 綜合上述，可用圖1.2表示。,圖1.2高級(jí)機(jī)器人的軟件 Ⅰ—人； Ⅱ一環(huán)境； 1一知識(shí)(事實(shí)和規(guī)則、假說(shuō)、外界棋型)；2一自然語(yǔ)言處理；3一問(wèn)題對(duì)策 4一運(yùn)動(dòng)控制； 5一輸入信息分析； 6一效果器 ； 7一感覺(jué)器,32,八、機(jī)器人的發(fā)展,第一代機(jī)器人，是使用存儲(chǔ)器、程序控制的自動(dòng)機(jī)，也即從60年代初期問(wèn)世、目前能夠在工業(yè)部門(mén)使用的重復(fù)型機(jī)器人，常稱(chēng)為工業(yè)機(jī)器人。它的動(dòng)作包括示教、存
21、儲(chǔ)、再現(xiàn)和操作四個(gè)步序。這種機(jī)器人的典型代表就是Unimate和Versatran兩種，他們的系統(tǒng)組成大致如圖1.3所示。,圖1.3工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成 Ⅰ—機(jī)械手部 Ⅱ—控制部 Ⅲ—人類(lèi) 1—手臂；2—手抓；3—傳感器；4—驅(qū)動(dòng)器 5控制器；6—存儲(chǔ)器；7—示教器,33,第二代機(jī)器人，是指具有某些感覺(jué)功能的機(jī)器人，屬于一種過(guò)渡性類(lèi)型。 第三代機(jī)器人，是具有感覺(jué)識(shí)別又有某些思維功能，并有這些功能控制動(dòng)作的智能機(jī)器人——具有與人類(lèi)相類(lèi)似智能的自動(dòng)機(jī)械。它的發(fā)展主要開(kāi)始于70年代。已成為開(kāi)拓高級(jí)自動(dòng)化的課題，并著手應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。,圖1.4 智能機(jī)器人的控制系統(tǒng) 1一操作人員；2—指令處理與判斷
22、裝置；3一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)； 4一工作對(duì)象；5一傳感器；6—識(shí)別裝置,34,從對(duì)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容來(lái)看，其發(fā)展動(dòng)向主要有下列幾個(gè)方面： (1)重視傳感器的研究，以使機(jī)器人具有視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等功能。 (2)新型伺服機(jī)構(gòu)的研究 (3)人工智能的研究 (4)微型計(jì)算機(jī)在機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用的研究,35,近些年來(lái)，這些研究與超大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體傳感器等現(xiàn)代機(jī)械電子技術(shù)相結(jié)合，有著很大發(fā)展，從而形成了一門(mén)新興的邊緣學(xué)科——康復(fù)工程學(xué)。 一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)用工程技術(shù)來(lái)幫助殘疾人代償已失去的功能，大致可劃分為兩個(gè)范疇：一個(gè)是屬于系統(tǒng)工程的范疇，它是通過(guò)改變或重新建立新的生活環(huán)境條件，使有功能障礙的患者得到適應(yīng)和方便；另一個(gè)
23、就是屬于康復(fù)工程的范疇，它是通過(guò)綜合應(yīng)用精密機(jī)械、現(xiàn)代控制和信息處理等技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)高性能的器械，并確立機(jī)器和人之間的信息傳遞手段，起到代償功能的作用。特別是由于高級(jí)自動(dòng)化課題中機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)拓了機(jī)器人在康復(fù)工程領(lǐng)域中應(yīng)用的廣闊前景，將給殘疾人帶來(lái)更多的福音。,九、康復(fù)工程與假肢技術(shù),36,根據(jù)對(duì)功能障礙代償?shù)哪康牟煌?，可把代償器械分為兩大?lèi)：一類(lèi)是直接安裝于人體上進(jìn)行代償失去功能的器械，如各種假肢、輔助裝具等，另一類(lèi)是裝設(shè)于人體外、且構(gòu)成獨(dú)立系統(tǒng)的、起間接代償功能的器械，如各種環(huán)境控制裝置、醫(yī)療機(jī)械手、機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)械等。但是，不論是哪一種代償器械，都要使殘疾人自身能夠進(jìn)行操作，所以器械的
24、動(dòng)作指令必須利用殘疾人殘存的機(jī)能。目前，可實(shí)際有效地利用的殘存機(jī)能大致有下列三種： (1)人體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)位移。如利用身體某一部分運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)作位移和某一部位肌肉收縮所產(chǎn)生的膨起位移等，這是一種基本的方法。 (2)人體的肌肉表面動(dòng)作電位。肌肉電位是人體的一種生物電，利用這種生物電作為控制信號(hào)源已有較大的發(fā)展。 (3)呼氣壓力、聲音信號(hào)等。雖然采用聲音作為輸入信號(hào)尚處于開(kāi)發(fā)階段，但它已成為一種新的發(fā)展方向，是研究醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)重要課題。,37,運(yùn)動(dòng)自由度的配置、結(jié)構(gòu)的輕量和小型化、以及操作方便、可靠性高，是研制直接代償器械的主要問(wèn)題。,十、直接代償?shù)钠餍?圖1-5全臀電動(dòng)因手的研究系統(tǒng) 1—7
25、自由度電動(dòng)假手；2— 手套、臂筒；3—微型計(jì)算機(jī)；4—肌電控制； 5—電源；6—人比和電動(dòng)假手的運(yùn)動(dòng)分析；7—聲音控制,38,圖1-6 肌電控制前臂假手傳動(dòng)與控制系統(tǒng) (a)傳動(dòng)系統(tǒng)；(b)控制電路 I一伸肌； Ⅱ一屈肌 1一電極；2—放大；3一整流濾波；4一閾值電路； 5一欠壓保護(hù)；6—電子開(kāi)關(guān)；7一電動(dòng)機(jī),39,40,圖1-7 多自由度假手肌電控制信號(hào)系統(tǒng)組成 1一肌電：2一表面電極；3一肌電開(kāi)關(guān)；4一動(dòng)作方向決定；5一假手控制； 6一多自由度假于；7—監(jiān)控器； 8一刺激定時(shí)控制；9一動(dòng)作方向切換； 10、12一電刺激；11一刺激電極；13一判斷,41,圖1-8 簡(jiǎn)易型電動(dòng)假手及電路,42
26、,運(yùn)動(dòng)自由度的配置、結(jié)構(gòu)的輕量和小型化、以及操作方便、可靠性高，是研制直接代償器械的主要問(wèn)題。,十一、間接代償?shù)钠餍?圖1-9動(dòng)力假足構(gòu)成 1—吸附式套筒；2—油壓馬達(dá)；3—油泵；4—鎳鎘電池；5—數(shù)模變換； 6—中央處理機(jī)；7—模數(shù)變換；8—伺服放大；9—角度傳感器；10—足部傳感器,43,44,圖1-10環(huán)境控制裝置系統(tǒng) I一患者；Ⅱ一環(huán)境控制裝置；Ⅲ一連接機(jī)器； 1一傳感器2一環(huán)境控制裝置本體3一顯示器,45,46,圖1-11盲導(dǎo)犬機(jī)器人系統(tǒng) A一移動(dòng)用知識(shí)數(shù)據(jù)區(qū)；B一外界傳感器系統(tǒng)；C一中樞系統(tǒng)； D一通信系統(tǒng)；E一效果器系統(tǒng)；F一內(nèi)部傳感器系統(tǒng)； 1一推理機(jī)構(gòu)；2—數(shù)據(jù)；3一規(guī)則；4一環(huán)境信息； 5一環(huán)境信息管理；6—規(guī)劃； 7一引導(dǎo)；8一操縱；9一移動(dòng)機(jī)構(gòu)；10一命令理解、引導(dǎo)信息提示； 11一位置、方向、速函；12一超聲波,47,謝謝!,
《仿生機(jī)械學(xué)概論》PPT課件.ppt
