仿生機(jī)械學(xué)課件

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1、 第七章仿生機(jī)械學(xué) 本章主要內(nèi)容： 1.仿生機(jī)械學(xué)定義 2.仿生機(jī)械學(xué)簡史 3.仿生機(jī)械學(xué)研究領(lǐng)域 4.仿生設(shè)計(jì) 5.仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程 6.仿生機(jī)械實(shí)例 重點(diǎn)和難點(diǎn)：生物形態(tài)與工程機(jī)構(gòu) 課后作業(yè)： 查閱康復(fù)機(jī)器人特點(diǎn)及應(yīng)用，以小論文形式上交。 7.1 仿生機(jī)械學(xué)定義 仿生機(jī)械 (bio-simulation machinery) 是模仿生物的形態(tài)、 結(jié)構(gòu)和控制原理， 設(shè)計(jì)制造出的功能 更集中、 效率更高并具有生物特征的機(jī)械。 仿生機(jī)械學(xué)研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、

2、 控制體 和機(jī)器人。 生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律， 包括生物體材料力學(xué)、 生物體機(jī)械力學(xué)和 生物體流體力學(xué)； 控制體是根據(jù)從生物了解到的知識(shí)建造的用人腦控制的工程技術(shù)系統(tǒng)， 如 機(jī)電假手等； 機(jī)器人則是用計(jì)算機(jī)控制的工程技術(shù)系統(tǒng)。 仿生機(jī)械學(xué)是以力學(xué)或機(jī)械學(xué)作為 基礎(chǔ)的，綜合生物學(xué)、 醫(yī)學(xué)及工程學(xué)的一門邊緣學(xué)科， 它既把工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、 生物學(xué)， 又把醫(yī)學(xué)、 生物學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于工程技術(shù)。 它包含著對(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。 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴賃軔。 15 世紀(jì)意大利的列奧

3、納多 達(dá)芬奇認(rèn)為人類可以模仿鳥類飛行，并繪制了撲翼機(jī)圖。到 19 世紀(jì)， 各種自然科學(xué)有了較大的發(fā)展， 人們利用空氣動(dòng)力學(xué)原理， 制成了幾種不同類型的單 翼機(jī)和雙翼滑翔機(jī)。 1903 年，美國的萊特兄弟發(fā)明了飛機(jī)。然而，在很長一段時(shí)間內(nèi)，人們對(duì)于生物與機(jī)器之間到底有什么共同之處還缺乏認(rèn)識(shí)，因而只限于形體上的模仿。直到 20 世紀(jì)中葉，由于原子能利用、航天、海洋開發(fā)和軍事技術(shù)的需要，迫切要求機(jī)械裝置應(yīng) 具有適應(yīng)性和高度的可靠性。 而以往的各種機(jī)械裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求， 迫切需要尋找一條全新的技術(shù)發(fā)展途徑和設(shè)計(jì)理論。 隨著近代生物學(xué)的發(fā)展， 人們發(fā)現(xiàn)生物在能量轉(zhuǎn)換、

4、控制 調(diào)節(jié)、 信息處理、辨別方位、導(dǎo)航和探測(cè)等方面有著以往技術(shù)所不可比擬的長處。 同時(shí)在自 然科學(xué)中又出現(xiàn)了 “控制論 ”理論。 它是研究機(jī)器和生物體中控制和通信的科學(xué)， 奠定了機(jī)器 與生物可以類比的理論基礎(chǔ)。 1960 年 9 月在美國召開了第一屆仿生學(xué)討論會(huì)， 并提出了 “生 物原型是新技術(shù)的關(guān)鍵 ”的論題，從而確立了仿生學(xué)學(xué)科，以后又形成許多仿生學(xué)的分支學(xué) 科。 1960 年由美國機(jī)械工程學(xué)會(huì)主辦，召開了生物力學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)。 1970 年日本人工手研 究會(huì)主辦召開了第一屆生物機(jī)構(gòu)討論會(huì)， 從而確立了生物力學(xué)和生物機(jī)構(gòu)學(xué)兩個(gè)學(xué)科， 在這 個(gè)基礎(chǔ)

5、上形成了仿生機(jī)械學(xué)。 聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛氌譴凈禍測(cè)。 仿生機(jī)械研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、 控制體和機(jī)器人， 生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī) 律，控制體和機(jī)器人是根據(jù)從生物了解到的知識(shí)建造的工程技術(shù)系統(tǒng)。 其中用人腦控制的稱 為控制體 (如肌電假手、裝具 )；用計(jì)算機(jī)控制的稱為機(jī)器人。仿生機(jī)械學(xué)的主要研究課題有 擬人型機(jī)械手、步行機(jī)、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機(jī)械。 殘騖樓諍錈瀨濟(jì) 溆塹籟婭騍。 7.4.1 生物形態(tài)與工程結(jié)構(gòu) 自然界中巧妙的薄殼結(jié)構(gòu)具有各種不同形狀的彎曲表面， 不僅外形美

6、觀， 還能夠承受相當(dāng)大 的壓力。在建筑工程上， 人們已廣泛采用這種結(jié)構(gòu)，如大樓的圓形屋頂、模仿貝類制造的商 場(chǎng)頂蓋等。 釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐顧葒。 動(dòng)物界中， 辛勤的蜜蜂被稱為昆蟲世界里的建筑工程師。 它們用蜂蠟建筑極規(guī)則的等邊六角 1 / 12 形蜂巢， 無論從美觀和實(shí)用角度來考慮， 都是十分完美的。 它不僅以最少的材料獲得了最大 的利用空間，而且還以單薄的結(jié)構(gòu)獲得了最大的強(qiáng)度。 彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡詒爾。 在蜂巢的啟發(fā)下，人們仿制出了建筑上用的蜂窩結(jié)構(gòu)材料，具有重量輕、強(qiáng)度和剛度大、絕 熱和隔音性能

7、良好的優(yōu)點(diǎn)。 同時(shí)這一結(jié)構(gòu)的應(yīng)用， 已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出建筑界， 它已應(yīng)用于飛機(jī)的機(jī) 翼，宇宙航天的火箭，甚至于人類日常的現(xiàn)代化生活家具中。 謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔點(diǎn)鉍。 7.4.2 生物形態(tài)與運(yùn)動(dòng) 現(xiàn)代的各種交通工具，如汽車、飛機(jī)、艦船等，均需要一定的工作條件，若在崇山峻嶺或沼 澤中則無法工作。 但自然界中有各種各樣的動(dòng)物， 在長期殘酷的生存斗爭中， 它們的運(yùn)動(dòng)器 官和體形都進(jìn)化得特別適合在某種惡劣環(huán)境下運(yùn)動(dòng)，并有著驚人的速度。 廈礴懇蹣駢時(shí)盡繼價(jià)騷 巹癩。 7.5 仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)、康復(fù)工程 7.5.1 仿生機(jī)械與機(jī)器人技術(shù)

8、 仿生機(jī)器人是仿生機(jī)械學(xué)中的一個(gè)最為典型的應(yīng)用實(shí)例， 其發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了仿生機(jī)械 學(xué)的發(fā)展水平。日本和美國在仿生機(jī)器人的研究領(lǐng)域起步早，發(fā)展快，取得了較好的成果。 比如，日本東京大學(xué)在 1972 年研究出世界上第一個(gè)蛇形機(jī)器人，速度可達(dá) 40cm/s ；日本本 田技術(shù)研究所于 1996 年研制出世界上第一臺(tái)仿人步行機(jī)器人，可行走、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯和 跨越一定高度的障礙；美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué) 1999 年研制的仿袋鼠機(jī)器人采用纖維合成物作 為弓腿，被動(dòng)跳躍時(shí)的能量僅損失 20～30％，最大奔跑速度超過 1m/s 。 煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈

9、淚 鍍齊。 我國對(duì)仿生機(jī)器人的研究始于20 世紀(jì) 90 年代，經(jīng)過十多年的研究， 在仿生機(jī)器人方面也取 得了很多成果， 研制出了相關(guān)的機(jī)器人樣機(jī)， 而且有些仿生機(jī)器人在某些方面達(dá)到了國外先 進(jìn)水平。比如，北京理工大學(xué)于 2002 年研制出擬人機(jī)器人，具有自律性，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立行走 和太極拳等表演功能；北京航空航天大學(xué)和中國科學(xué)院自動(dòng)化所于 2004 年研制出我國第一 條可用于實(shí)際用途的仿生機(jī)器魚， 其身長 1.23 米，采用 GPS導(dǎo)航，其最高時(shí)速可達(dá) 1.5m/s ， 能在水下持續(xù)工作 2~3 小時(shí)；南京航空航天大學(xué)

10、 2004 年研制出我國第一架能在空中懸浮飛 行的空中仿生機(jī)器人 ——撲翼飛行器；哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 2001 年研制的仿人多指靈巧手具 有 12 個(gè)自由度和 96 個(gè)傳感器，可完成戰(zhàn)場(chǎng)探雷、排雷以及檢修核工業(yè)設(shè)備等危險(xiǎn)作業(yè)。 鵝 婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴縈詰。 7.5.2 仿生機(jī)器人的研究 1. 運(yùn)動(dòng)機(jī)理仿生 運(yùn)動(dòng)仿生是仿生機(jī)器人研發(fā)的前提。 而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿生的關(guān)鍵在于對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)理的建模。 在 具體研究過程中， 應(yīng)首先根據(jù)研究對(duì)象的具體技術(shù)需求， 有選擇地研究某些生物的結(jié)構(gòu)與運(yùn)

11、動(dòng)機(jī)理，借助于高速攝影或錄像設(shè)備，結(jié)合解剖學(xué)、生理學(xué)和力學(xué)等學(xué)科的相關(guān)知識(shí)， 建立 所需運(yùn)動(dòng)的生物模型， 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和抽象， 提取出內(nèi)部的關(guān)聯(lián)函數(shù)， 建立仿生 數(shù)學(xué)模型， 最后利用各種機(jī)械、 電子、化學(xué)等的方法與手段， 根據(jù)抽象出的數(shù)學(xué)模型加工出 仿生的軟、硬件模型。 籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)櫧撻。 生物原型是仿生機(jī)器人的研究基礎(chǔ)， 軟硬件模型則是仿生機(jī)器人的研究目的， 而數(shù)學(xué)模型則 是兩者之間必不可少的橋梁。 只有借助于數(shù)學(xué)模型才能從本質(zhì)上深刻地認(rèn)識(shí)生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理， 從而不僅模仿自然界中已經(jīng)存在的兩足、 四足、六足以及多足行走方式， 同時(shí)還可以

12、創(chuàng)造出 自然界中所不存在的一足、三足等行走模式以及足式與輪式配合運(yùn)動(dòng)等。 預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴 買闥。 （1）無肢生物爬行仿生 無肢運(yùn)動(dòng)是一種不同于傳統(tǒng)的輪式或有足行走的獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式。 目前所實(shí)現(xiàn)的無肢運(yùn)動(dòng)主要是仿蛇機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)合理、控制靈活、性能可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。美國的蛇形機(jī) 2 / 12 器人則代表了當(dāng)今世界的先進(jìn)水平。 滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦鋇絨。 （2）雙足生物行走仿生 兩足型行走是步行方式中自動(dòng)化程度最高、 最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 世界上第一臺(tái)兩足步行機(jī)

13、 器人是日本在 1971 年試制的 Wap3，最大步幅 15mm ，周期 45s。但直到 1996 年日本本田 技術(shù)研究所才制造出世界上第一臺(tái)仿人步行機(jī)器人 P2。 1997 年本田推出 P3， 2000 年推出 ASIMO，索尼也相繼推出機(jī)器人 SDR23X 和 SDR24X。 鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡縫勵(lì)。 （3）四足等多足生物行走仿生 與雙足步行機(jī)器人相比， 四足、 六足等多足機(jī)器人靜態(tài)穩(wěn)定性好， 又容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行，因 而特別受到包括中國在內(nèi)的近 20 多個(gè)國家的學(xué)者的青睞。日本 Tmsuk 公司開發(fā)的四足機(jī)

14、 器人首次實(shí)現(xiàn)了可移動(dòng)重心的行走方式。 擁締鳳襪備訊顎輪爛薔報(bào)贏。 （4）跳躍運(yùn)動(dòng)仿生 跳躍運(yùn)動(dòng)仿生主要是模仿袋鼠和青蛙 . 美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的模仿袋鼠的弓腿跳躍機(jī)器人， 重 2. 5kg，腿長 25cm ，重 0. 75kg ，采用 1000NM/g 的單向玻璃纖維合成物作弓腿，被動(dòng) 跳越時(shí)能量損失只有 20～ 30 %，最高奔跑速度略高于 1m/ s 。日本 Tamiya 公司開發(fā)了一種 袋鼠機(jī)器人，全長 18cm，低速時(shí)借助前后腿步行，高速時(shí)借助后退和尾部保持平衡，可通 過改變尾部轉(zhuǎn)向。明尼蘇達(dá)大學(xué)的微型機(jī)器

15、人可跳躍、滾動(dòng)，可登樓梯，跳過小的障礙，兩 個(gè)獨(dú)立的輪子可幫助機(jī)器人在需要時(shí)滾到一定的位置。 美國太空總署和加州理工大學(xué)研制的 機(jī)械青蛙重約 1. 3kg，有一條腿，裝有彈弓，一躍達(dá) 1.8m ，可自行前進(jìn)及修正路線，適合執(zhí) 行行星、彗星及小行星的探索任務(wù)。 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷鯛漢。 （5）地下生物運(yùn)動(dòng)仿生 江西南方治金學(xué)院袁勝發(fā)等人模仿蚯蚓研制了氣動(dòng)潛地機(jī)器人， 由沖擊鉆頭和一系列充氣氣 囊節(jié)環(huán)構(gòu)成，潛行深度 10m ，速度 5m/min ，配以先進(jìn)的無線測(cè)控系統(tǒng)，具有較好的柔軟性 和導(dǎo)向性，能在大

16、部分土壤里潛行，但還不能穿透堅(jiān)硬的巖石。 壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚躋馱。 （6）水中生物運(yùn)動(dòng) (游泳 ) 仿生 海洋動(dòng)物的推進(jìn)方式具有高效率、低噪聲、高速度、 高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，成為人們研制新型高 速、低噪音、機(jī)動(dòng)靈活的柔體潛水器的模仿對(duì)象。突出的代表有美國 MIT 的機(jī)器金槍魚和 日本的魚形機(jī)器人。 機(jī)器金槍魚由振動(dòng)的金屬箔驅(qū)動(dòng)外殼的變形， 模仿金槍魚擺動(dòng)推進(jìn)。 繼 機(jī)器金槍魚之后， 他們還研制出機(jī)器梭子魚和一種渦流控制的無人駕駛水下機(jī)器人。 日本東 海大學(xué)的機(jī)器魚利用人工前鰭來達(dá)到前進(jìn)及轉(zhuǎn)彎等相關(guān)動(dòng)作， 相對(duì)于機(jī)器金槍魚而言

17、擺動(dòng)較 小。北京航空航天大學(xué)的機(jī)器魚重 800g，在水中最大速度為 0. 6m，能耗效率為 70 %至 90 %。 上海交通大學(xué)模仿水蛭節(jié)狀結(jié)構(gòu)研制出了水下蠕蟲機(jī)器人。 蠟變黲癟報(bào)倀鉉錨鈰贅籜葦。 （7）空中生物運(yùn)動(dòng) (飛行 ) 仿生 目前對(duì)飛行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿生研究的國家主要是美國， 劍橋大學(xué)和多倫多大學(xué)也在開展相關(guān)方面 的研究工作。 加州大學(xué)伯克利分校制造了機(jī)器人蒼蠅， 翼展 3cm ，重量 300mg，依靠 3 套不 同的復(fù)雜機(jī)械裝置來進(jìn)行拍打翅膀、旋轉(zhuǎn)操作，每秒振翅 200 次。 Georgia 理工學(xué)院與劍橋 大學(xué)

18、合作研制了類似飛蛾的昆蟲機(jī)器人 Entomopter ，體寬 1cm ，每秒振翅 30 次，靠化學(xué) “肌 肉”驅(qū)動(dòng)。 買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄屆嬌。 2. 控制機(jī)理仿生 控制仿生是仿生機(jī)器人研發(fā)的基礎(chǔ)。 要適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境， 仿生機(jī)器人必須具備強(qiáng)大的導(dǎo)航、定位、 控制等能力；要實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人間的無隙配合，仿生機(jī)器人必須具備良好的 群體協(xié)調(diào)控制能力。 要解決復(fù)雜的任務(wù)， 完成自身的協(xié)調(diào)、完善以及進(jìn)化， 仿生機(jī)器人必須具備精確的﹑開放的系統(tǒng)控制能力。如何設(shè)計(jì)核心按制模塊與網(wǎng)絡(luò)以完成自適應(yīng)、群控制、 類進(jìn)化等這一系列問題，已經(jīng)成為仿生機(jī)器人研發(fā)過程中的首要難題。

19、綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴飆 鈧。 3 / 12 自主控制系統(tǒng)主要用于在未知環(huán)境中， 系統(tǒng)的有限人為介入或根本無人介入操作的情形， 它 應(yīng)具有與人類似的感知功能和完善的信息結(jié)構(gòu)， 以便能處理知識(shí)學(xué)習(xí)， 并能與基于知識(shí)的控 制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。嵌套式分組控制系統(tǒng)有助于知識(shí)的組織，基于知識(shí)的感知與控制的實(shí)現(xiàn)。 驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦諑瓊。 3. 信息感知仿生 感知仿生是仿生機(jī)器人研發(fā)的核心。 為了適應(yīng)未知的工作環(huán)境， 代替人完成危險(xiǎn)、 單調(diào)和困難的工作任務(wù)，機(jī)器人必須具備包括視覺、聽覺、嗅覺、接近覺、觸覺、力覺等多種感覺在

20、內(nèi)的強(qiáng)大的感知能力。 單純地感測(cè)信號(hào)并不復(fù)雜， 重要的是理解信號(hào)所包含的有價(jià)值的信息。 因此，必須全面運(yùn)用各時(shí)域、頻域的分析方法和智能處理工具，充分融合各傳感器的信息， 相互補(bǔ)充， 才能從復(fù)雜的環(huán)境噪聲中迅速地提取出所關(guān)心的正確的敏感信息， 并克服信息冗 余與沖突，提高反應(yīng)的迅速性和確保決策的科學(xué)性。 貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡獻(xiàn)鵬。 仿生系統(tǒng)需要的最重要的感覺能力可分為以下幾類： (1) 簡單觸覺：確定工作對(duì)象是否存在； (2) 復(fù)合觸覺；確定工作對(duì)象是否存在以及它的尺寸和形狀 (3) 簡單力覺：沿一個(gè)方向測(cè)量力； (4) 復(fù)

21、合力覺：沿一個(gè)以上方向測(cè)量力： (5) 接近覺：工作對(duì)象的非接觸檢測(cè)； (6) 簡單視覺：孔、邊、攝角等的檢測(cè)； (7) 復(fù)合視覺：識(shí)別工作對(duì)象的形狀等。 仿生系統(tǒng)對(duì)傳感器的一般要求是： (1)精度高、重復(fù)性好。傳感器的精度往往直接影響仿生系統(tǒng) (機(jī)器人 )的工作質(zhì)量，機(jī)器人 系統(tǒng)能否準(zhǔn)確無誤地工作取決于傳感器的測(cè)量精度。 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔嗚訝。 (2)穩(wěn)定性好、可靠性高。機(jī)器人傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機(jī)器人能夠長期穩(wěn)定工作 的必要條件。 機(jī)器人經(jīng)常是在無人照管的條件下代替人工進(jìn)行操作， 萬一它在工作中出現(xiàn)事

22、 故，輕者影響工作的正常進(jìn)行，重者造成嚴(yán)重的事故。 構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖門戲。 (3)抗干擾能力強(qiáng)。機(jī)器人傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，因此需要傳感器能夠承受強(qiáng)電 磁干擾、強(qiáng)振動(dòng)，并能夠在一定的高溫、高壓、高污染環(huán)境下正常工作。 輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號(hào)澩 蠐鑭。 (4)質(zhì)量輕、體積小，安裝方便可靠。對(duì)于安裝在機(jī)器人手臂等運(yùn)動(dòng)部件上的傳感器，質(zhì)量 要輕， 否則會(huì)加大運(yùn)動(dòng)部件的慣性． 影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。 對(duì)于工作空間受到某種限制的 機(jī)器人，對(duì)體積和安裝方向的要求也是必不可少的。 堯側(cè)閆繭絳闕絢勵(lì)蜆贅瀝紕。 4. 能量代謝仿生 能量仿生是仿生機(jī)器人研

23、發(fā)的關(guān)鍵。 生物的能量轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá) 100％，肌肉把化學(xué)能轉(zhuǎn) 變?yōu)闄C(jī)械能的效率也接進(jìn) 50％，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前各種工程機(jī)械，肌肉還可自我維護(hù)、長期使用。因此，要縮短能量轉(zhuǎn)換過程，提高能量轉(zhuǎn)換效率，建立易于維護(hù)的代謝系統(tǒng)，就必須 重新回到生物原型，研究模仿生物直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換過程。 識(shí)饒鎂錕縊 灩筧嚌儼淒儂減。 5. 材料合成仿生 材料仿生是仿生機(jī)器人研發(fā)的重要部分。 許多仿生材料具有無機(jī)材料所不可比擬的特性， 如 良好的生物相容性和力學(xué)相容性， 并且生物合成材料時(shí)技能高超、 方法簡單， 所以研究目的 一方面在于學(xué)習(xí)生物的合成材料方法

24、， 生產(chǎn)出高性能的材料， 另一方面是為了制造有機(jī)元器 件。因此仿生機(jī)器人的建立與最終實(shí)現(xiàn)并不僅僅依賴于機(jī)、電、液、光等無機(jī)元器件，還應(yīng) 結(jié)合和利用仿生材料所制造的有機(jī)元器件。 凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴鈹賄。 7.5.3 康復(fù)工程與假肢技術(shù) 4 / 12 一般來說， 應(yīng)用工程技術(shù)來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)就是屬于康復(fù)工程的范疇， 它是通過綜合應(yīng)用精密機(jī)械、 現(xiàn)代控制和 信息處理等

25、技術(shù)來設(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，將給殘疾人帶來更多的福音。 恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦聰櫻。 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類： 一類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

26、的動(dòng)作指令必須利 用殘疾人殘存的機(jī)能。 鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫搖飭。 7.5.3 康復(fù)工程與假肢技術(shù) 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)作位移和部分肌肉收縮所產(chǎn) 生的膨起位移等，這是一種基本的方法。 碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞鷥膠。 (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。 閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖輛塤。 (3)呼氣壓力、聲音信號(hào)等。雖然采用聲音作為輸入信號(hào)尚處于開發(fā)階段，但它已成為一種 新的發(fā)展方向

27、，是研究醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)重要課題。 氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩紛釓。 1. 直接代償?shù)钠餍? 這種器械，如假手、假足等，都是直接安裝于人體上，用來代償失去的功能，它們?cè)O(shè)計(jì)的出 發(fā)點(diǎn)是盡可能地采用與人體一樣的形狀、 功能和動(dòng)作方式。 此外，便于攜帶也是研制這種器械的一個(gè)共同問題。為此，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，是研制這些器械的主要問題。 釷鵒資贏車贖孫滅獅贅慶獷。 對(duì)于假手來說， 根據(jù)空間機(jī)構(gòu)學(xué)的分折， 為了滿足殘疾人必要的日常生活動(dòng)作的要求， 全臂 假手的自由度，除了手指外，必須有 6～7 個(gè)，即肩部 3 個(gè)、肘部 1 個(gè)、前臂

28、 3 個(gè)自由度。 但是， 對(duì)于這么多的自由度數(shù)， 是不可能都利用殘疾人殘存的機(jī)能來進(jìn)行控制， 而必須采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)。所以，應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)控制，已成為全臂電動(dòng)假手研制的一個(gè)主要方向。 慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫長涼馴鴇。 1. 直接代償?shù)钠餍? 2. 間接代償?shù)钠餍? 當(dāng)前，由于交通事故、 體育故事及工傷事故引起脊椎損傷而造成四肢癱瘓或行動(dòng)不自由的患 者日益增多， 所以間接代償器械的研究在許多國家中都很重視。 在這項(xiàng)技術(shù)中， 主要問題是 選擇操縱方式。 由于患有高位截癱的病人，

29、 只能利用一些殘存的機(jī)能來作為動(dòng)作指令， 所以需要使用一些專門的傳感器。 諺辭調(diào)擔(dān)鈧諂動(dòng)禪瀉類謹(jǐn)覡。 5 / 12 7.6 仿生機(jī)械實(shí)例 7.6.1 仿生機(jī)器蟹 仿生機(jī)器蟹的外形和功能以三疣梭子為生物原型， 共有 8 只步行足， 每只步行足有 3 個(gè)驅(qū)動(dòng) 關(guān)節(jié)，共有 24 個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，由 24 臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，形成 24 個(gè)自由度。仿生機(jī)器蟹模擬海 蟹的多種步態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的前行、側(cè)行、左右轉(zhuǎn)彎、后退等 14 個(gè)動(dòng)作。步行足配有 16 只力傳感器， 來感知外部環(huán)境， 檢測(cè)足尖落地和步行

30、足是否碰到障礙物等信息， 為步行足的 路徑規(guī)劃提供信息。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架采用嵌入式結(jié)構(gòu)，以 ARM 系統(tǒng)、 DSP 芯片作為仿生機(jī) 器蟹的核心控制器， 完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃和協(xié)調(diào)任務(wù)的運(yùn)算。 該系統(tǒng)采用紅外線遙感、 力傳 感器、 視覺傳感器等， 運(yùn)用多傳感器信息融合技術(shù)實(shí)時(shí)辨別外界環(huán)境， 使機(jī)器蟹具有較高的 智能性，能夠?qū)崿F(xiàn)在沙灘、平地、草地等環(huán)境中前進(jìn)、后退、左右側(cè)行及任意位置、任意角 度、任意方向的轉(zhuǎn)彎等。機(jī)器蟹利用紅外線遙感控制，具有一定的越障能力和爬坡能力。 嘰 覲詿縲鐋囁偽純鉿錈癱懇。

31、 7.6.2 水母機(jī)器人 “水母 ”機(jī)器人是由德國費(fèi)斯托公司所研制生產(chǎn)。它長有觸角，體內(nèi)充滿了氦氣，在空中飄浮 時(shí)就好像水中浮動(dòng)的水母一樣。 “空中水母 ”的靈活性與便捷性體現(xiàn)了人工智能方面的研究成 果，將在海底勘探和航空航天等領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景。 熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機(jī)庫圓鍰。 6 / 12

32、 7.6.3 仿生機(jī)器魚 水下機(jī)器人由于其所處的特殊環(huán)境，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上比陸地機(jī)器人難度大。在水下深度控制、 深水壓力、 線路絕緣處理及防漏、 驅(qū)動(dòng)原理、 周圍模糊環(huán)境的識(shí)別等諸多方面的設(shè)計(jì)均需考 慮，以往的水下機(jī)器人采用的都是魚雷狀的外形， 用渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)， 具有堅(jiān)硬的外殼以抵抗水 壓. 由于傳統(tǒng)的操縱與推進(jìn)裝置的體積大、重量大、效率低、噪音大和機(jī)動(dòng)性差等問題一直 限制了微小型無人水下探測(cè)器和自主式水下機(jī)器人的發(fā)展。 魚類在水

33、下的行進(jìn)速度很快， 金 槍魚速度可達(dá) 105km /h ，而人類最快的潛艇速度只有 84km /h ，所以魚的綜合能力是人類目 前所使用的傳統(tǒng)推進(jìn)和控制裝置所無法比擬的，魚類的推進(jìn)方式已成為人們研制新型高速、 低噪音、 機(jī)動(dòng)靈活的柔體潛水器模仿的對(duì)象。 仿魚推進(jìn)器效率可達(dá)到 70～90%，比螺旋槳推 進(jìn)器高得多，有效地解決了噪音問題。 鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞闋簣。 機(jī)器金槍魚 (如圖 )是麻省理工學(xué)院自 “查理 ”之后在機(jī)器魚研制方面取得的最新成果。這個(gè)新原型擁有柔軟的身體， 體內(nèi)只裝有 1 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)以及 6 個(gè)移動(dòng)部件， 使其能夠在更大程度上模

34、擬真實(shí)魚的移動(dòng)。 紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖覲僨。 由于身體完全由一整塊柔軟的聚合體材料制成， 避免了水破壞脆弱內(nèi)部零件的可能性。 雖然 仿真程度極高， 但人們決不會(huì)將這款機(jī)器人誤認(rèn)為真正的金槍魚。 真正的金槍魚每秒游動(dòng)距 離最遠(yuǎn)可達(dá)到體長的 10 倍，而機(jī)器金槍魚的成績卻只有 1 個(gè)身長。 穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧漲負(fù)。 英國巴斯大學(xué)最新研制的一種水下機(jī)器人 ——“ Gymnobot”，從外形上和游動(dòng)姿式上都非常像 魚類，據(jù)稱該設(shè)計(jì)的原型是亞馬遜河寶刀魚（ knifefish

35、）。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻減棲。 英國巴斯大學(xué)威廉－梅吉爾（ William Megill ）是 “Gymnobot”的設(shè)計(jì)者，他說： “這款類似淡水魚的機(jī)器人， 其肌肉組織是它的推進(jìn)器， 其腹部安裝一個(gè)鰭片， 鰭片波浪形擺動(dòng)可推動(dòng)機(jī) 器魚前進(jìn)。 ”銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼鏗穎。 7 / 12 中國第一條可用于實(shí)際應(yīng)用的仿生機(jī)器魚已于 2004 年研制成功。技術(shù)人員可通過一個(gè)手掌 大小的遙控器和一臺(tái)計(jì)算機(jī)，對(duì)身長 1.23 米，通體色澤亮黑，外形逼真的機(jī)器魚發(fā)號(hào)各種 指令。 水間的機(jī)器魚自由靈活地穿波逐浪， 載沉載浮。 如果不是頭部上方

36、一個(gè)顯眼的白色圓 頂 GPS導(dǎo)航天線，水中的機(jī)器魚令人真假難辨。負(fù)責(zé) “SPC-II 仿生機(jī)器魚 ”項(xiàng)目研究的是北京 航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所和中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所。 這條機(jī)器魚由動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、 圖像 采集和圖像信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)指揮控制平臺(tái)三部分組成， 主要制造材料為玻璃鋼和纖維板。它的最高時(shí)速可達(dá) 1.5 米 / 秒，能夠在水下連續(xù)工作 2 至 3 小時(shí)。 擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類 羋罷。 7.6.4 仿生企鵝 這種仿生企鵝通過其特殊的鰭可

37、在水中像真實(shí)企鵝一樣游動(dòng)， 另一種體型稍大的充滿氦 氣的仿生企鵝也可在空中 “漂游 ”。這些仿生企鵝在德國漢農(nóng)沃 -梅塞（ Hannover Messe ）貿(mào)易 展覽會(huì)上展出。 這兩種仿生企鵝都攜帶著由柏林 EvoLogics研制的 3D 聲納系統(tǒng)， 該系統(tǒng)能夠 監(jiān)控企鵝的周圍環(huán)境，避免與水池壁或其他企鵝相碰撞。 賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈極嚕。 7.6.5 機(jī)器龍蝦 機(jī)器龍蝦 (如圖）是艾爾斯為美國海軍位于東北的海洋學(xué)中心研制。機(jī)器龍蝦擁有很高的靈

38、 活性， 可用于探測(cè)水下礦藏。 就像真龍蝦一樣， 這種小型機(jī)器人也長著能夠感知障礙物的觸須，8 條腿允許它們朝著任意一個(gè)方向移動(dòng)，爪子和尾巴則幫助它們?cè)谕募钡乃饕约捌渌? 環(huán)境下保持身體穩(wěn)定性。 塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊(cè)庫麩適。 8 / 12 7.6.6 機(jī)器蒼蠅 哈佛大學(xué)研制出了一款體型小巧的機(jī)器蒼蠅， 可用于隱蔽地偵察有毒物質(zhì)。 目前，首只機(jī)器 蒼蠅原型機(jī)已經(jīng)制造完畢，重量只有 60 毫克，

39、翼展不超過 3 厘米。 裊樣祕(mì)廬廂顫諺鍘羋藺遞燦。 為了讓機(jī)器蒼蠅看起來更像是真正的蒼蠅，研究人員在研制過程中還用到了激光加工技術(shù)。 借助激光，科學(xué)家們成功制造出了極其纖薄的碳纖維薄片。 通過將這些碳纖維薄片進(jìn)行連接， 研究人員成功地將各種功能組件連接在了一起。 倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁絛鯛。 7.6.7 機(jī)器雨燕 一種模擬雨燕似的機(jī)器鳥 ——機(jī)器雨燕進(jìn)行首次飛行后， 證實(shí)其可變形的羽毛翅膀的飛翔能 力不同凡響，它能像普通雨燕那樣改變翅膀的形

40、狀，高速靈活地飛行。 綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧恒 蟬。 機(jī)器雨燕翼展達(dá) 51 厘米，重量不超過 80 克，攜帶 3 個(gè)微型攝像機(jī)，可以讓它成為翱翔天 空的空中間諜。此外，其電子馬達(dá)可以驅(qū)動(dòng)它跟隨真鳥群飛行 20 分鐘，在不打擾野鳥的情 況下對(duì)野鳥進(jìn)行科學(xué)觀察； 或盤旋在人群或車輛上方， 為政府和司法部門執(zhí)行一個(gè)小時(shí)的對(duì) 地偵察。 驍顧燁鶚巰瀆蕪領(lǐng)鱺賻驃弒。 7.6.8 仿生蚱蜢跳躍機(jī)器人 9 / 12 由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院智

41、能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)明的仿生蚱蜢跳躍機(jī)器人就身長和 體重而言，其跳躍距離比現(xiàn)存任何跳躍式機(jī)器人都要遠(yuǎn)出 10 倍以上。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的 研究生米可 -科瓦克表示： “我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)機(jī)器人擁有同蚱蜢一樣的跳躍性能。沙漠蚱蜢身 長只有 3 厘米，可是它的跳躍距離高達(dá) 1 米。為了設(shè)計(jì)出跳躍性能如此好的機(jī)器人， 我們對(duì) 蚱蜢進(jìn)行了仔細(xì)分析，并應(yīng)用了同樣的生物力學(xué)設(shè)計(jì)原理。 ”瑣釙濺曖惲錕縞馭篩涼貿(mào)錒。 7.6.9 仿生機(jī)器壁虎 仿生機(jī)器人壁

42、虎 “神行者 ”作為一種體積小、 行動(dòng)靈活的新型智能機(jī)器人， 有可能在不久的將來廣泛應(yīng)用于搜索、 救援、反恐，以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)考察。 機(jī)器人壁虎能在各種建筑物的墻面、 地下和墻縫中垂直上下迅速攀爬， 或者在天花板下倒掛行走，對(duì)光滑的玻璃、粗糙或 者粘有粉塵的墻面以及各種金屬材料表面都能夠適應(yīng)， 能夠自動(dòng)辨識(shí)障礙物并規(guī)避繞行， 動(dòng) 作靈活逼真。其靈活性和運(yùn)動(dòng)速度可媲美自然界的壁虎。 鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類礙穡。 7.6.10 仿生快速穿越沙地機(jī)器人 對(duì)于大多數(shù)車輛而

43、言， 一旦陷入沙地便無計(jì)可施， 只有等待救援。 美國科學(xué)家利用仿生學(xué)研 制出一種機(jī)器人，它通過模仿沙漠動(dòng)物的移動(dòng)技巧，可以快速安全地穿越松散的地形。 櫛緶 歐鋤棗鈕種鵑瑤錟奧傴。 穿越松軟沙地時(shí)， 機(jī)動(dòng)車高速行駛的后果往往是陷入 “沙沼 ”無法自拔， 其主要原因在于車輛 的重量使得松散的沙地在輪胎下方塌陷。 美國宇航局火星探測(cè)器等也受同樣問題困擾： 如果 它們的 “肢體 ”在結(jié)構(gòu)松軟的表面前進(jìn)得過快， 探測(cè)器便有下陷的危險(xiǎn)； 而慢速行駛則會(huì)讓它 們?cè)诖┰竭@種地帶時(shí)浪費(fèi)太多時(shí)間。 轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)頁諳。 佐治亞理工學(xué)院科學(xué)家丹尼爾 戈德曼領(lǐng)導(dǎo)的研究小

44、組找到了一個(gè)折中的方法。 他們注意到， 沙漠中生活的蜥蜴和蟑螂等動(dòng)物在穿越沙漠時(shí)有獨(dú)特的方法： 它們的四肢在與沙地接觸過程 10 / 12 中運(yùn)動(dòng)非常緩慢， 而在四肢騰空至再次觸地之前的運(yùn)動(dòng)則非常迅速。 這使得這些動(dòng)物能夠在松散的沙漠中安全快速前行。 峴揚(yáng)斕滾澗輻灄興渙藺詐機(jī)。 7.6.11 仿生機(jī)器蛇 機(jī)器蛇是一種新型的仿生物機(jī)器人， 與傳統(tǒng)的輪式或兩足步行式機(jī)器人不同的是， 它實(shí)現(xiàn)了

45、像蛇一樣的 “無肢運(yùn)動(dòng) ”，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的一個(gè)突破。它具有結(jié)構(gòu)合理、控制靈活、性能 可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如在有輻射、有粉塵、有毒及 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，執(zhí)行偵察任務(wù)；在地震、塌方及火災(zāi)后的廢墟中找尋傷員；在狹小和危險(xiǎn)條件 下探測(cè)和疏通管道； 為人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里研究數(shù)學(xué)、 力學(xué)、 控制理論和人工智能等提供實(shí)驗(yàn)平 臺(tái)。 詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁靈韜。 以色列的這款 “機(jī)器蛇 ”長約 2 米，其外觀和動(dòng)作與真蛇別無二致， 因此能夠方便用來進(jìn)行軍 事偽裝。它能通過穿越洞穴、隧道、 裂縫和建筑物秘密地到達(dá)目的地， 同時(shí)發(fā)送圖片和

46、聲音 給士兵，士兵通過一臺(tái)由電腦控制的裝置接收其發(fā)回的信息。其次， “機(jī)器蛇 ”還可以用于攜 帶爆炸物到指定地點(diǎn)。 則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧華縉。 中國研制的這條長 1.2 米、直徑 0.06 米、重 1.8 公斤的機(jī)器蛇，能像蛇一樣扭動(dòng)身軀在地上 或草叢中自主地運(yùn)動(dòng)，可前進(jìn)、后退、拐彎和加速，其最快運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)每分鐘 20 米。頭 部是機(jī)器蛇的控制中心， 安裝有視頻監(jiān)視器， 在其運(yùn)動(dòng)過程中可將前方景象實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶蠓? 的電腦中，科研人員根據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)膱D像觀察運(yùn)動(dòng)前方的情景，

47、向機(jī)器蛇發(fā)出各種遙控指令。 這條機(jī)器蛇披上 “蛇皮 ”外衣后，還能像蛇一樣在水中游泳。 脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻鏘詠。 11 / 12 7.6.12 水面行走機(jī)器人 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)， 昆蟲之所以能夠在水面上迅速行走， 是靠水下微小漩渦形成的推力， 而并非是 像過去人們想象的那樣完全依靠水的表面張力。 受到自然界昆蟲能在水面行走的啟發(fā)， 來自 卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)的邁汀 斯廷教授在美國麻省理工學(xué)院 (MIT) 科學(xué)家的協(xié)助下， 帶領(lǐng)科研人員 研制出首個(gè)具備水面行走能力的微型機(jī)器人， 這部裝置在外形上看起來與人們所熟知的水面 掠行蟲或水上蚤非常相似。 鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減萵輳。 12 / 12