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1、仿 生 感 知 與 先 進 機 器 人 技 術(shù)機 電 工 程 學 院機 電 控 制 及 自 動 化 系姚 智 慧電 話 ： 0451-86417118（ O）13936139091Email: 1 第 1章 仿 生 學 系 統(tǒng) 概 論仿 生 學 的 定 義仿 生 機 械 學 的 含 義仿 生 機 械 學 的 研 究 動 向機 器 人 技 術(shù) 概 述機 器 人 的 發(fā) 展 2 一 、 仿 生 學 的 定 義自 古 以 來 ， 自 然 界 就 是 人 類 各 種 技 術(shù) 思 想 、 工 程 原 理 及重 大 發(fā) 明 的 源 泉 。 種 類 繁 多 的 生 物 界 經(jīng) 過 長 期 的 進 化 過程

2、， 使 它 們 能 適 應(yīng) 環(huán) 境 的 變 化 ， 從 而 得 到 生 存 和 發(fā) 展 。魚 兒 在 水 中 有 自 由 來 去 的 本 領(lǐng) ， 人 們 就 模 仿 魚 類 的 形 體造 船 ， 以 木 槳 仿 鰭 。 相 傳 早 在 大 禹 時 期 ， 我 國 古 代 勞 動人 民 觀 察 魚 在 水 中 用 尾 巴 的 搖 擺 而 游 動 、 轉(zhuǎn) 彎 ， 他 們 就在 船 尾 上 架 置 木 槳 。 通 過 反 復(fù) 的 觀 察 、 模 仿 和 實 踐 ， 逐漸 改 成 櫓 和 舵 ， 增 加 了 船 的 動 力 ， 掌 握 了 使 船 轉(zhuǎn) 彎 的 手段 。 這 樣 ， 即 使 在 波 濤

3、滾 滾 的 江 河 中 ， 人 們 也 能 讓 船 只航 行 自 如 。 3 一 、 仿 生 學 的 定 義 4英 國 Essex大 學 .avi 鳥 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 “成 而 飛 之 ， 三 日 不 下 ”。 然 而 人 們 更 希 望 仿 制鳥 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 芬 奇 和 他 的 助 手 對 鳥 類 進 行 仔 細 的解 剖 ， 研 究 鳥 的 身 體 結(jié) 構(gòu) 并 認 真 觀 察 鳥 類 的 飛 行 。

4、設(shè) 計和 制 造 了 一 架 撲 翼 機 ， 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 在 運 用 自 己 創(chuàng) 造本 領(lǐng) 的 同 時 ， 也 回 歸 了 自 然 ， 通 過 模 擬 自 然 的 一 些 生 物原 理 ， 并 且 加 以 組 合 ， 利 用 ， 最 終 實 現(xiàn) 了 我 們 想 要 的 功能 。 那 么 ， 這 一 切 要 歸 功 于 ， 或 者 劃 分 在 什 么 領(lǐng) 域 呢 ？其 實 這 就 是 自 古 以 來 就 有 的 ， 仿 生 學 。 一 、 仿 生 學 的 定 義仿 生 學 ： 模 仿 生

5、 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 似 特 征 的 科 學 。根 據(jù) 定 義 ， 仿 生 學 是 研 究 和 建 立 主 要 涵蓋 生 物 電 子 學 、 生 物 傳 感 器 、 生 物 仿 真材 料 、 生 物 物 理 學 、 生 物 電 機 和 生 物 大分 子 的 自 裝 配 等 學 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 交叉 學 科 。 5 一 、 仿 生 學 的 定 義仿 生 學 (bionics)這 一 名 詞 是 由 生 物 學

6、 (biology)和 電 子 學 electronics)結(jié) 合 而 產(chǎn) 生 的 新 名 詞 ，實 際 上 它 是 源 出 于 希 臘 語 中 表 示 生 命 單 位 的bion一 詞 。若 以 電 子 學 為 中 心 來 考 慮 ， 就 構(gòu) 成 仿 生 電 子 學(bioelectronics)，若 以 機 械 學 為 中 心 來 考 慮 ， 則 構(gòu) 成 了 仿 生 機 械學 (biomechanisms)。 6 二 、 仿 生 學 的 研 究 對 象研 究 生 命 的 結(jié) 構(gòu) 、 能 量 轉(zhuǎn) 換 和 信 息 流 動的 過 程 ， 并 利 用 電 子 、 機 械 技 術(shù) 對 這 些過 程

7、進 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 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 地 描 述 了 現(xiàn) 代 創(chuàng) 造發(fā) 明 的 這 一 重 要 途 徑 。 7 生 活 中的仿 生 學 鳳 蓬 草 輪 子 魚 尾 船 櫓 人 眼 晶 狀 體 透 鏡 生 物 電 電 池 鳥 飛 機 8 9 例 如 ， 人 的 細 胞 有 100150億 個 神 經(jīng) 元 ， 但每 小 時 約 有 1000個 神 經(jīng) 元 發(fā) 生 障 礙 ，

8、一 年 之內(nèi) 就 差 不 多 有 900萬 個 神 經(jīng) 元 喪 失 機 能 。 然而 ， 令 人 驚 嘆 的 是 ， 大 腦 并 沒 有 因 此 而 喪 失其 各 種 機 能 。 可 是 ， 電 子 計 算 機 卻 不 行 ， 只要 其 中 任 何 一 個 元 件 損 壞 或 發(fā) 生 故 障 ， 便 會影 響 整 個 系 統(tǒng) 的 工 作 性 能 。 極 而 言 之 ， 在 許多 方 面 ， 電 子 計 算 機 甚 至 不 及 昆 蟲 的 區(qū) 區(qū) 之腦 。 螳 螂 能 在 0.05秒 的 一 瞬 間 ， 計 算 出 飛 掠眼 前 的 小 昆 蟲 的 速 度 、 方 向 和 距 離 ， 這 是 大

9、型 電 子 跟 蹤 系 統(tǒng) 所 望 塵 莫 及 的 。 二 、 仿 生 學 的 研 究 對 象通 過 對 人 腦 機 制 (欲 望 、 感 情 、 睡 眠 、 學 習 和 記 憶 等 )的研 究 ， 出 現(xiàn) 了 利 用 計 算 機 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 研 究 生 物 眼 模 型 和 視 覺 機 制 (如 人 眼 、 蛙 眼 、 貓 眼、 鷹 眼 和 蟹 眼 等 )， 研 制 視 網(wǎng) 膜 、 文 字 讀 取 裝 置 、 盲 人假 眼 及 應(yīng) 用 于 機 器 人 的 人 工

10、眼 ；通 過 對 生 物 聽 覺 模 型 和 機 制 的 研 究 (如 人 耳 、 蝙 蝠 和 海豚 、 鯨 魚 等 的 聽 覺 器 官 )， 開 發(fā) 了 精 密 雷 達 、 水 中 聲 納和 聲 音 識 別 裝 置 等 ；通 過 研 究 有 關(guān) 肌 肉 收 縮 的 物 理 化 學 機 制 及 其 在 運 動 神 經(jīng)指 揮 下 的 動 作 機 制 ， 研 制 了 人 工 肌 肉 、 電 子 假 手 、 機 械手 、 人 力 放 大 器 、 自 動 機 ， 并 在 這 基 礎(chǔ) 上 制 造 接 近 人 類智 能 的 機 械 等 。 10 在 科 技 史 上 ， 借 助 生 物 獲 得 發(fā) 明 創(chuàng)

11、造 的 例 子 不 勝 枚 舉青 蛙 的 眼 睛 跟 蹤 導 彈 的 “ 電 子 蛙 眼 ” ；烏 龜 殼 小 提 琴 ； 企 鵝 越 野 汽 車 ；蜂 鳥 直 升 飛 機 ； 魚 鰓 人 造 魚 鰓 吸 氧 器 ；蛇 的 紅 外 線 定 位 器 -夜 視 鏡 ；螢 火 蟲 冷 光 源 ； 云 杉 圓 錐 形 電 視 塔 ；袋 鼠 “跳 躍 式 ” 極 地 汽 車 ； 蚊 子 測 向 器 ；水 母 風 暴 預(yù) 警 器 ； 沙 蟹 制 圖 機 ；鱷 魚 眼 淚 -海 水 淡 化 器 ；鯨 魚 脊 背 -水 下 破 冰 船 等 等 ；草 履 蟲 帶 幾 千 只 小 螺 旋 槳 的 潛 水 艇 。

12、11 12 三 、 仿 生 機 械 學仿 生 機 械 學 是 上 世 紀 60年 代 初 期 出 現(xiàn) 的 一 門 綜合 性 的 新 興 邊 緣 學 科 ， 它 是 生 命 科 學 與 工 程 技術(shù) 科 學 相 互 滲 透 、 相 互 結(jié) 合 而 形 成 的 。 包 含 著對 生 物 現(xiàn) 象 進 行 力 學 研 究 ， 對 生 物 的 運 動 、 動作 進 行 工 程 分 析 ， 并 把 這 些 成 果 根 據(jù) 社 會 的 要求 付 之 實 用 化 。仿 生 機 械 從 其 構(gòu) 詞 成 分 來 看 ， 它 應(yīng) 該 是 指 添 加有 人 類 智 能 的 一 類 機 械 。 為 區(qū) 別 起 見 ，

13、可 把 傳統(tǒng) 的 機 械 稱 之 為 一 般 機 械 。 表 1 1列 出 一 般 機械 與 人 類 能 力 的 比 較 ， 可 以 看 出 在 物 理 和 機 械機 能 方 面 ， 一 般 機 械 較 為 優(yōu) 越 ， 但 在 智 能 方 面卻 比 人 類 要 顯 得 特 別 低 劣 。 因 此 ， 若 把 人 機結(jié) 合 起 來 ， 就 有 可 能 使 一 般 機 械 進 化 到 仿 生 機械 。 13 四 、 仿 生 機 械 學 的 研 究 方 法仿 生 技 法 的 核 心 是 研 究 對 象 (問 題 )與 生 物 系 統(tǒng)相 關(guān) 問 題 的 類 比 。 這 一 技 法 實 施 大 體 分

14、為(1)根 據(jù) 生 產(chǎn) 實 際 提 出 技 術(shù) 問 題 ， 選 擇 性 地 研 究生 物 體 的 某 些 結(jié) 構(gòu) 和 功 能 ， 簡 化 所 得 的 生 物 資料 ， 擇 其 有 益 內(nèi) 容 ， 得 到 一 個 生 物 模 型 。(2)對 生 物 資 料 進 行 數(shù) 學 分 析 ， 抽 象 出 其 內(nèi) 在 聯(lián)系 ， 建 立 數(shù) 學 模 型 。(3)采 用 電 子 、 化 學 、 機 械 等 技 術(shù) 手 段 。 根 據(jù) 數(shù)學 模 型 ， 最 終 實 現(xiàn) 對 生 物 系 統(tǒng) 的 工 程 模 擬 。 14 生物體生物模型數(shù)學模型技術(shù)模型技術(shù)裝置 四、仿生機械學的研究方法圖 1-1 仿 生 學 的 研

15、 究 方 法 五 、 仿 生 創(chuàng) 新 的 幾 種 主 要 思 路 向 生 物 索 取 技 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 廣 泛 。 事 實 上 ， 人 類 從仿 生 學 的 角 度 所 作 發(fā) 明 的 例 子 是 很 多 的 。 例 如 ： 從 鳥 類想 到 飛 機 、 從 蝙 蝠 想 到 雷 達 、 從 石 龍 子 想 到 偽 裝 色 、 從飛 鼠 想 到 降 落 傘 、 從 烏 賊 想 到 推 進 器 、 從 蝎 子 想 到 皮 下注 射 、 從 鮑 魚 想 到 吸 盤 、 從 貝 殼 想 到

16、建 筑 等 等 。如 通 過 對 蜜 蜂 筑 巢 的 研 究 ， 人 們 模 仿 蜂 巢 制 造 出 自 重 輕 、強 度 高 的 烽 巢 夾 層 結(jié) 構(gòu) (B52轟 炸 機 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 。 現(xiàn) 在 甚 至 有 人 在 研 究蜂 群 的 組 織 分 工 ， 以 期 在 管 理 學 上 有 所 借 鑒 。 根 據(jù) 仿 生 學的

17、 研 究 成 果 ， 向 生 物 索 取 技 術(shù) 原 理 大 致 有 如 下 幾 個 方 面 ： 16 1 信 息 仿 生主 要 是 通 過 研 究 、 模 擬 生 物 的 感 覺 (包 括 視 覺 、 聽 覺 、嗅 覺 、 觸 覺 )， 智 能 以 及 信 息 貯 存 、 提 取 、 傳 輸 等 方 面的 機 理 ， 構(gòu) 思 和 研 制 新 的 信 息 系 統(tǒng) 。 馬 薩 諸 塞 理 工 學院 的 研 究 者 根 據(jù) 蛙 眼 的 視 覺 功 能 ， 研 制 成 功 了 蟲 檢 測儀 器 模 型 ； 斯 坦 福 研 究 所 的 研 究 者 模 擬 貓 腦 視 覺 領(lǐng) 域中 的 直 線 “ 檢

18、測 器 ” ， 研 制 了 用 來 對 機 器 人 眼 送 來 的信 息 進 行 處 理 的 特 殊 計 算 機 ； 狗 鼻 子 素 以 靈 敏 著 稱 ，它 能 感 覺 200萬 種 物 質(zhì) 和 不 同 濃 度 的 氣 味 ， 嗅 覺 比 人靈 敏 一 萬 倍 。 現(xiàn) 在 ， 人 們 以 不 同 物 質(zhì) 的 氣 味 對 紫 外 線的 選 擇 性 吸 收 為 信 息 ， 研 制 成 了 “ 電 子 警 犬 ” ， 用 它來 作 檢 測 ， 其 靈 敏 度 甚 至 可 達 狗 鼻 子 的 1000倍 。 17 2， 控 制 仿 生主 要 通 過 研 究 模 擬 生 物 的 體 內(nèi) 穩(wěn) 態(tài) (反

19、饋 調(diào) 控 )、運 動 控 制 、 動 物 的 定 向 與 導 航 、 生 態(tài) 系 統(tǒng) 的 漲落 及 人 機 系 統(tǒng) 的 功 能 原 理 ， 來 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 航 的 原 理 ， 發(fā) 明 了 用 于 航 空 和 航 海的 非 磁 性 “ 儲 光 天 文 羅 盤 ” 。 這 種 羅 盤 對 于 不能 使 用 磁 羅 盤 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 揖 翅 導 航 的 原 理 ， 研制 成 功 了 一 種 振 動 陀 螺

20、 儀 ， 廣 泛 應(yīng) 用 于 高 速 飛行 的 火 箭 和 飛 機 上 。 18 3 力 學 仿 生主 要 通 過 研 究 模 擬 生 物 的 機 械 原 理 以 及 結(jié) 構(gòu) 力 學 和 流 體力 學 的 原 理 ， 構(gòu) 思 和 研 究 新 的 系 統(tǒng) (包 括 機 器 、 裝 置 、力 學 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 地 排 列 的 。 這 種 利 用 兩 個產(chǎn) 生 拉 力 的 “ 單 向 力 裝 置 ” 組 成 的 雙 向 運 動 機 械 系 統(tǒng) ，遠 比 工 程 技 術(shù) 上 慣 用

21、 的 一 個 推 拉 “ 雙 向 動 力 裝 置 ” 組 織的 系 統(tǒng) 優(yōu) 越 得 多 。 對 額 頑 肌 的 模 擬 ， 圓 滿 地 解 決 了 各 種“ 機 器 人 ” 、 “ 步 行 機 ” 等 的 行 走 機 構(gòu) 的 設(shè) 計 。 此 外 ，人 們 還 根 據(jù) 魚 類 、 鳥 類 的 身 體 形 狀 的 流 體 力 學 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 仿 生主 要 是 通 過 研 究 模 擬 生 物 酶 的

22、 催 化 作 用 、 生 物 的化 學 合 成 、 選 擇 性 膜 和 能 量 轉(zhuǎn) 換 等 ， 來 構(gòu) 思 和 創(chuàng)造 高 效 催 化 劑 等 化 學 產(chǎn) 品 、 化 學 工 藝 以 及 新 材 料、 新 能 源 等 。 例 如 ， 人 們 為 宇 宙 飛 船 設(shè) 計 的 所 謂“ 宇 宙 綠 洲 ” 生 態(tài) 循 環(huán) 系 統(tǒng) ， 就 是 通 過 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 的 。 此 外 ， 在 通 過 化 學 途 徑 的 人 工模 擬 酶 、 人 工 模 擬 生 物 固 氯 、 人 上 模 擬 光 合 作

23、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 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 開 挖 法 ， 因 河 底 松 軟 、 滲 水 而 易 塌 方， 施 工 極 為 困 難 ， 工 程 師 布 臺 內(nèi) 感 到 一 籌 莫 展 。一 天 ， 他 在 室 外 無 意 中 發(fā) 現(xiàn) 有 只 蠕 蟲 在 其 外 殼 保護 下 使 勁 地

24、 往 堅 硬 的 橡 樹 皮 里 鉆 。 這 使 他 恍 然 大悟 ： 河 下 施 工 也 可 以 象 這 種 小 蟲 找 個 保 護 殼 用空 心 鋼 柱 打 入 河 底 ， 以 此 為 “ 構(gòu) 盾 ” ， 邊 掘 進 邊延 伸 ， 在 構(gòu) 盾 的 保 護 下 進 行 施 工 ， 此 即 “ 構(gòu) 盾 施工 法 ” 。 21 6 原 理 仿 生蘇 聯(lián) 科 學 院 動 物 研 究 所 研 究 了 地 球 上 許多 動 物 的 運 動 后 ， 模 仿 其 運 動 原 理 設(shè) 計研 制 了 各 種 新 穎 的 交 通 工 具 ： 按 蜘 蛛 的爬 行 原 理 設(shè) 計 出 軍 用 越 野 車 ； 根

25、據(jù) 蛇 的爬 行 原 理 設(shè) 計 并 改 善 了 履 帶 車 的 噪 聲 ；利 用 企 鵝 奔 跑 的 原 理 設(shè) 計 了 雪 地 汽 車 ；甚 至 還 準 備 參 照 袋 鼠 的 運 動 方 式 來 設(shè) 計一 種 可 以 跳 越 障 礙 的 越 野 車 。 22 23 1 生 物 材 料 力 學 和 機 械 力 學它 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 象 ， 通 過 模 型 實 驗 方 法 ， 測 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

26、系 統(tǒng) 力 學 的 研 究 ， 對 骨 和 肌 肉 的 相 互 作 用 等 進 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 億 萬 年 的 進 化 ， 往 往 具 有 最 優(yōu)的 評 價 函 數(shù) ， 例 如 人 體 骨 骼 系 統(tǒng) 具 有 最 少 材 料 、 最 大 強度 的 構(gòu) 造 形 態(tài) 。 這 些 最 優(yōu) 評 價 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 來 學 習 、 模 擬建

27、 造 工 程 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) 是 很 有 價 值 的 。六 、 仿 生 機 械 學 的 研 究 動 向 24 2 生 物 流 體 力 學它 主 要 涉 及 生 物 體 的 循 環(huán) 系 統(tǒng) 。 雖 然 很 早 就 有 人 把 動脈 中 的 脈 動 波 作 為 彈 性 管 中 的 波 動 傳 播 問 題 進 行 處 理 分析 ， 已 有 血 流 動 力 學 的 專 著 出 版 ， 但 是 這 部 分 仍 有 許 多問 題 未 解 決 ， 特 別 是 因 為 它 的 研 究 與 心 血 管 疾 病 關(guān) 系 十分 密 切 ， 所 以 已 成 為 一 門 很 受 關(guān) 注 的 學 科 。 25 3 生 物

28、 運 動 學生 物 的 運 動 十 分 復(fù) 雜 ， 因 為 它 與 骨 骼 和 肌 肉 的 力 學 現(xiàn)象 、 感 覺 反 饋 及 中 樞 控 制 牽 連 在 一 起 。雖 然 各 種 動 物 的 運 動 或 人 體 各 種 器 官 的 運 動 測 定 與 分析 都 是 重 要 的 基 礎(chǔ) 研 究 ， 但 是 在 仿 生 機 械 學 中 ， 特 別 重視 人 體 上 肢 運 動 及 步 行 姿 態(tài) 的 測 定 與 分 析 ， 因 為 人 體 上肢 運 動 機 能 非 常 復(fù) 雜 ， 而 下 膠 運 動 分 析 對 動 力 學 研 究 十分 典 型 。 另 外 ， 若 能 從 包 含 有 力 學

29、問 題 的 綜 合 觀 點 對 復(fù)雜 的 動 作 和 作 業(yè) 進 行 分 析 ， 對 下 述 的 康 復(fù) 工 程 研 究 將 有很 大 幫 助 。 26 4 生 物 運 動 能 量 學如 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 為 是 生 物 中 的 基 本 原 理 之 一 。 從 運 動 能 量 消 耗 最 優(yōu) 性的 觀 點 對 生 物 體 的 運 動 形 態(tài) 、 結(jié) 構(gòu) 和 功 能 等 進 行 分 析 、研 究 ， 特 別 是 對 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 學在 與

30、仿 生 機 械 學 有 關(guān) 的 康 復(fù) 工 程 學 科 中 ， 包 括 有 如 動力 假 肢 、 電 動 車 椅 子 、 病 殘 者 用 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 等 。 它 沙及 多 種 學 科 與 技 術(shù) ， 例 如 對 于 動 力 假 肢 ， 只 有 在 解 決 了材 料 、 能 源 、 控 制 方 式 、 信 號 反 饋 與 精 密 機 械 等 各 種 問題 之 后 才 能 完 成 ， 而 且 這 些 裝 置 還 要 作 為 一 種 人 機 系 統(tǒng)進 行 評 價 、 實 用 ， 所 以 它 們 通 往 實 用 化 的 道 路 是 很 嚴 格 的 。 27 6 機 器 人 工 程 學它 是

31、 把 生 物 學 的 知 識 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 等 異 常 環(huán) 境 中 幫 助 人 類 進 行 作業(yè) 。 機 器 人 不 僅 要 具 有 移 動 功 能 的 人 造 手 足 ， 而 且 還 要有 感 覺 反 饋 功 能 及 人 工 智 能 。 目 前 ， 關(guān) 于 人 造 手 、 步 行機 械 、 三 維 物 體 或 聲 音 的 類 型 識 別 等 的 研 究 都 在 積 極 進行 。 28 七 、 機 器 人 技 術(shù) 概 述機 器

32、 人 的 組 成機 器 人 這 個 名 稱 最 早 出 現(xiàn) 于 19世 紀 ， 但 是 直 到 本 世 紀 50年 代 后 期 ， 機 器 人 才 從 科 學 幻 想 中 解 放 出 來 ， 進 入 了 科 學 技術(shù) 領(lǐng) 域 。 那 時 ， 在 市 場 上 出 現(xiàn) 了 兩 種 工 業(yè) 機 器 人 ， 一 種 取 名為 Unimate(萬 能 自 動 機 械 )， 一 種 取 名 為 Versatran(通 用 搬 運機 械 )， 并 構(gòu) 成 為 今 天 機 器 人 發(fā) 展 的 基 型 。一 般 說 來 ， 可 以 從 兩 個 角 度 對 機 器 人 進 行 定 義 。 若 從 工程 角 度 ，

33、 認 為 它 是 屬 于 一 種 自 動 機 械 ， 具 有 對 環(huán) 境 的 通 用 性和 適 應(yīng) 性 ， 操 作 程 序 易 變 ， 且 可 實 現(xiàn) 獨 立 的 隨 意 的 運 動 。 若從 仿 生 學 的 角 度 ， 則 認 為 已 是 具 有 近 似 人 類 相 當 部 分 功 能 的機 械 ， 它 能 執(zhí) 行 與 人 類 似 的 動 作 ， 且 具 有 類 似 人 的 某 種 智 能 ，如 記 憶 、 再 現(xiàn) 、 邏 輯 運 算 、 學 習 、 判 斷 、 感 知 等 。 29 機 器 人 的 組 成 可 包 括 硬 件 和 軟 件 兩 大 部 分 。 從 著 重 于 對 生物 機 能

34、 模 擬 的 觀 點 ， 高 級 機 器 人 的 典 型 硬 件 結(jié) 構(gòu) 可 用 圖 1.1表示 。 30 為 了 要 使 機 器 人 能 夠 從 事 復(fù) 雜 的 工 作 ， 執(zhí) 行 與 人 相 似 的 一些 動 作 ， 必 須 要 使 它 的 機 構(gòu) 和 功 能 都 具 有 很 大 的 靈 活 性 ， 即是 不 僅 要 有 像 生 物 運 動 器 官 那 種 高 性 能 的 硬 件 ， 而 且 還 要 有能 對 運 動 器 官 進 行 巧 妙 控 制 的 軟 件 ， 把 硬 件 和 軟 件 很 好 地 配合 起 來 。機 器 人 的 軟 件 ， 是 人 工 智 能 研 究 的 主 要 實 際

35、 目 標 ， 其 最 根本 問 題 有 ：(1)問 題 求 解 (對 策 )。 指 機 器 人 能 按 人 事 先 給 定 的 條 件 和 目標 ， 通 過 定 理 證 明 和 啟 發(fā) 按 索 的 方 法 ， 制 定 計 劃 ， 求 解 問 題 。(2)環(huán) 境 了 解 。 指 機 器 人 能 通 過 各 種 信 息 傳 感 器 對 周 圍 環(huán) 境進 行 調(diào) 查 ， 掌 握 外 界 情 況 ， 并 建 立 環(huán) 境 模 型 。(3)知 識 表 達 。 這 是 人 工 智 能 的 一 個 關(guān) 鍵 問 題 。 指 機 器 能 記憶 工 作 環(huán) 境 的 狀 態(tài) 和 規(guī) 律 ， 以 及 自 己 的 經(jīng) 驗

36、 等 知 識 ， 并 能 自由 地 運 用 。 31 (4)自 然 語 言 處 理 。 指 機 器 人 能 理 解 和 接 受 人 發(fā) 出 命 令 的 語言 系 統(tǒng) ， 并 可 用 這 種 語 言 進 行 對 話 。(5)動 作 控 制 。 指 機 器 人 能 按 人 所 給 予 的 任 務(wù) 要 求 ； 對 機 械手 、 足 進 行 運 動 控 制 。綜 合 上 述 ， 可 用 圖 1.2表 示 。 圖 1.2高 級 機 器 人 的 軟 件 人 ； 一 環(huán) 境 ；1一 知 識 (事 實 和 規(guī) 則 、 假 說 、 外 界 棋 型 )； 2一 自 然 語 言 處 理 ； 3一 問 題 對 策4一

37、 運 動 控 制 ； 5一 輸 入 信 息 分 析 ； 6一 效 果 器 ； 7一 感 覺 器 32 八 、 機 器 人 的 發(fā) 展第 一 代 機 器 人 ， 是 使 用 存 儲 器 、 程 序 控 制 的 自 動 機 ， 也 即從 60年 代 初 期 問 世 、 目 前 能 夠 在 工 業(yè) 部 門 使 用 的 重 復(fù) 型 機 器人 ， 常 稱 為 工 業(yè) 機 器 人 。 它 的 動 作 包 括 示 教 、 存 儲 、 再 現(xiàn) 和操 作 四 個 步 序 。 這 種 機 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

38、1.3所 示 。 圖 1.3工 業(yè) 機 器 人 的 系 統(tǒng) 組 成 機 械 手 部 控 制 部 人 類1手 臂 ； 2手 抓 ； 3傳 感 器 ； 4驅(qū) 動 器5控 制 器 ； 6存 儲 器 ； 7示 教 器 33 第 二 代 機 器 人 ， 是 指 具 有 某 些 感 覺 功 能 的 機 器 人 ， 屬 于 一種 過 渡 性 類 型 。第 三 代 機 器 人 ， 是 具 有 感 覺 識 別 又 有 某 些 思 維 功 能 ， 并 有這 些 功 能 控 制 動 作 的 智 能 機 器 人 具 有 與 人 類 相 類 似 智 能的 自 動 機 械 。 它 的 發(fā) 展 主 要 開 始 于 70年

39、代 。 已 成 為 開 拓 高 級自 動 化 的 課 題 ， 并 著 手 應(yīng) 用 到 生 產(chǎn) 實 際 中 。 圖 1.4 智 能 機 器 人 的 控 制 系 統(tǒng)1一 操 作 人 員 ； 2指 令 處 理 與 判 斷 裝 置 ； 3一 驅(qū) 動 機 構(gòu) ；4一 工 作 對 象 ； 5一 傳 感 器 ； 6識 別 裝 置 34 從 對 機 器 人 的 研 究 內(nèi) 容 來 看 ， 其 發(fā) 展 動 向 主 要 有 下 列 幾 個方 面 ：(1)重 視 傳 感 器 的 研 究 ， 以 使 機 器 人 具 有 視 覺 、 觸 覺 和 聽 覺等 功 能 。(2)新 型 伺 服 機 構(gòu) 的 研 究(3)人 工

40、智 能 的 研 究(4)微 型 計 算 機 在 機 器 人 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 的 研 究 35 近 些 年 來 ， 這 些 研 究 與 超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 、 半 導 體 傳 感 器等 現(xiàn) 代 機 械 電 子 技 術(shù) 相 結(jié) 合 ， 有 著 很 大 發(fā) 展 ， 從 而 形 成 了 一門 新 興 的 邊 緣 學 科 康 復(fù) 工 程 學 。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 范 疇 ： 一 個 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

41、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 就 是 屬 于 康 復(fù) 工 程 的 范 疇 ， 它 是通 過 綜 合 應(yīng) 用 精 密 機 械 、 現(xiàn) 代 控 制 和 信 息 處 理 等 技 術(shù) 來 設(shè) 計高 性 能 的 器 械 ， 并 確 立 機 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 自 動 化 課 題 中 機 器 人 技 術(shù)的 發(fā) 展 ， 開 拓 了 機 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

42、的 福 音 。九 、 康 復(fù) 工 程 與 假 肢 技 術(shù) 36 根 據(jù) 對 功 能 障 礙 代 償 的 目 的 不 同 ， 可 把 代 償 器 械 分 為 兩 大類 ： 一 類 是 直 接 安 裝 于 人 體 上 進 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 械 手 、 機 器 人 、 移 動 機 械 等 。 但 是 ， 不 論 是 哪 一 種 代償 器 械 ， 都 要 使 殘

43、 疾 人 自 身 能 夠 進 行 操 作 ， 所 以 器 械 的 動 作指 令 必 須 利 用 殘 疾 人 殘 存 的 機 能 。 目 前 ， 可 實 際 有 效 地 利 用的 殘 存 機 能 大 致 有 下 列 三 種 ：(1)人 體 的 機 械 運 動 位 移 。 如 利 用 身 體 某 一 部 分 運 動 所 產(chǎn) 生的 動 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 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

44、控 制 信 號 源 已 有 較 大 的 發(fā) 展 。(3)呼 氣 壓 力 、 聲 音 信 號 等 。 雖 然 采 用 聲 音 作 為 輸 入 信 號 尚處 于 開 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 器 人 的 一 個 重 要 課 題 。 37 運 動 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 題 。十 、 直 接 代 償 的 器 械 圖 1-5全 臀 電 動 因 手 的 研 究 系 統(tǒng)17自 由 度 電 動 假 手

45、 ； 2 手 套 、 臂 筒 ； 3微 型 計 算 機 ； 4肌 電 控 制 ；5電 源 ； 6人 比 和 電 動 假 手 的 運 動 分 析 ； 7聲 音 控 制 38圖 1-6 肌 電 控 制 前 臂 假 手 傳 動 與 控 制 系 統(tǒng)(a)傳 動 系 統(tǒng) ； (b)控 制 電 路I一 伸 肌 ； 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 ； 6電 子 開 關(guān) ； 7一 電 動 機 39 40圖 1-7 多 自 由 度 假 手 肌 電 控 制 信 號 系 統(tǒng) 組 成1一 肌 電 ： 2一 表 面 電 極 ； 3一 肌

46、電 開 關(guān) ； 4一 動 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 控 制 ； 9一 動 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 易 型 電 動 假 手 及 電 路 42 運 動 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 題 。十 一 、 間 接 代 償 的 器 械 圖 1-9動 力 假 足 構(gòu) 成1吸 附 式 套

47、筒 ； 2油 壓 馬 達 ； 3油 泵 ； 4鎳 鎘 電 池 ； 5數(shù) 模 變 換 ；6中 央 處 理 機 ； 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 ； 一 環(huán) 境 控 制 裝 置 ； 一 連 接 機 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 犬 機 器 人 系 統(tǒng)A一 移 動 用 知 識 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 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 ； 8一 操 縱 ； 9一 移 動 機 構(gòu) ； 10一 命 令 理 解 、 引 導 信 息 提 示 ；11一 位 置 、 方 向 、 速 函 ； 12一 超 聲 波 47謝 謝 !