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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 1 一、仿生學(xué)的定義 自古以來(lái)，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(zhǎng)期的進(jìn)化過程，使它們能適應(yīng)環(huán)境的變化，從而得到生存和發(fā)展。 魚兒在水中有自由來(lái)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(shí)期，我國(guó)古代勞動(dòng)人民觀察魚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。通過反復(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。 2 一、仿生學(xué)的定義

2、3 英 國(guó) Essex大 學(xué) .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(dá)芬奇和他的助手對(duì)鳥類進(jìn)行仔細(xì)的解剖，研究鳥的身體結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥類的飛行。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，人類在運(yùn)用自己創(chuàng)造本領(lǐng)的同時(shí)，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(shí)現(xiàn)了我們想要的功能。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

3、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(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)的某些特性的一門交叉學(xué)科。 4 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)。 5 二、仿生

4、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)的過程，并利用電子、機(jī)械技術(shù)對(duì)這些過程進(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。 6 生活中的仿生學(xué) 鳳 蓬 草 輪 子 魚 尾 船 櫓 人 眼 晶 狀 體 透 鏡 生 物 電 電 池 鳥 飛 機(jī) 7 8 例如，人的細(xì)胞有100150億個(gè)神經(jīng)元，但每小時(shí)約有1000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，大腦并沒有因此而喪失其各種機(jī)能?？墒?，電子計(jì)算機(jī)卻不行，只要其中任何一個(gè)

5、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 通過研究生物眼模型和視覺機(jī)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(jī)器人的人工眼； 通過對(duì)生物聽覺模型和機(jī)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(dá)、水中聲納和

6、聲音識(shí)別裝置等； 通過研究有關(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)上制造接近人類智能的機(jī)械等。 9 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；蜂鳥 直升飛機(jī)；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(cè)向器；水母風(fēng)暴預(yù)警器； 沙蟹制圖機(jī)；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。 10 11 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

7、現(xiàn)的一門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)該是指添加有人類智能的一類機(jī)械。為區(qū)別起見，可把傳統(tǒng)的機(jī)械稱之為一般機(jī)械。表11列出一般機(jī)械與人類能力的比較，可以看出在物理和機(jī)械機(jī)能方面，一般機(jī)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(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。 12 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(問題)與生物系統(tǒng)相關(guān)問題的類比。這一技法實(shí)施大體分為 (1)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際

8、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(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。 13 生物體生物模型數(shù)學(xué)模型技術(shù)模型技術(shù)裝置 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，人類從仿生學(xué)的角度所作發(fā)明的例子是很多的。例如：從鳥類想到飛機(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)

9、器、從蝎子想到皮下注射、從鮑魚想到吸盤、從貝殼想到建筑等等。如通過對(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，向生物索取技術(shù)原理大致有如下幾個(gè)方面： 15 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?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)蛙眼的視覺功

10、能，研制成功了蟲檢測(cè)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，它能感覺200萬(wàn)種物質(zhì)和不同濃度的氣味，嗅覺比人靈敏一萬(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。 16 2，控制仿生 主要通過研究模擬生物的體內(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”。這

11、種羅盤對(duì)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(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。 17 3力學(xué)仿生 主要通過研究模擬生物的機(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)魚類、鳥類的身體形狀的流體力學(xué)特性，

12、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)。 18 4，化學(xué)仿生 主要是通過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(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。 19 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

13、河底建造隧道，由于土質(zhì)條件很差，用傳統(tǒng)的支護(hù)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(tái)內(nèi)感到一籌莫展。一天，他在室外無(wú)意中發(fā)現(xiàn)有只蠕蟲在其外殼保護(hù)下使勁地往堅(jiān)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(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”。 20 6原理仿生 蘇聯(lián)科學(xué)院動(dòng)物研究所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；根據(jù)蛇的爬行原理設(shè)計(jì)并改善了履帶車的噪聲；利用企鵝奔跑的原理設(shè)計(jì)了雪地汽車；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

14、跳越障礙的越野車。 21 22 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)通過億萬(wàn)年的進(jìn)化，往往具有最優(yōu)的評(píng)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 23 2生物流體力學(xué)它主要涉及生

15、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)傳播問題進(jìn)行處理分析，已有血流動(dòng)力學(xué)的專著出版，但是這部分仍有許多問題未解決，特別是因?yàn)樗难芯颗c心血管疾病關(guān)系十分密切，所以已成為一門很受關(guān)注的學(xué)科。 24 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

16、有很大幫助。 25 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)車椅子、病殘者用環(huán)境控制系統(tǒng)等。它沙及多種學(xué)科與技術(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)用化的道路是很嚴(yán)格的。 26 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

17、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型識(shí)別等的研究都在積極進(jìn)行。 27 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 最 早 出 現(xiàn) 于 19世 紀(jì) ， 但 是 直 到 本 世 紀(jì) 50年 代 后 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 Unimat

18、e(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 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 相 當(dāng) 部 分 功 能 的機(jī) 械 ， 它 能 執(zhí) 行 與 人 類

19、似 的 動(dòng) 作 ， 且 具 有 類 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 。 28 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 典 型 硬 件 結(jié) 構(gòu) 可 用 圖 1.1表示 。 29 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

20、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 題 有 ：(1)問 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 定 理 證 明 和 啟 發(fā) 按 索 的 方 法 ， 制 定 計(jì) 劃 ， 求 解 問 題 。(2)環(huán) 境 了 解 。 指 機(jī) 器 人 能 通 過 各 種 信 息 傳 感 器 對(duì)

21、 周 圍 環(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 題 。 指 機(jī) 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(yàn) 等 知 識(shí) ， 并 能 自由 地 運(yùn) 用 。 30 (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 。(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)

22、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 人； 一環(huán)境；1一知識(shí)(事實(shí)和規(guī)則、假說、外界棋型)；2一自然語(yǔ)言處理；3一問題對(duì)策4一運(yùn)動(dòng)控制； 5一輸入信息分析； 6一效果器 ； 7一感覺器 31 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 世 、 目 前 能 夠 在 工 業(yè) 部 門 使 用 的 重 復(fù) 型 機(jī) 器人 ， 常 稱 為 工 業(yè) 機(jī) 器 人 。 它 的 動(dòng) 作 包 括 示 教 、 存 儲(chǔ) 、 再 現(xiàn) 和操 作 四 個(gè) 步 序 。 這

23、 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 機(jī)械手部 控制部 人類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 32 第 二 代 機(jī) 器 人 ， 是 指 具 有 某 些 感 覺 功 能 的 機(jī) 器 人 ， 屬 于 一種 過 渡 性 類 型 。第 三 代 機(jī) 器 人 ， 是 具 有 感 覺 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 相 類 似 智 能的 自

24、動(dòng) 機(jī) 械 。 它 的 發(fā) 展 主 要 開 始 于 70年 代 。 已 成 為 開 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 33 從 對(duì) 機(jī) 器 人 的 研 究 內(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 、 觸 覺 和 聽 覺等 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

25、 計(jì) 算 機(jī) 在 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 的 研 究 34 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 新 興 的 邊 緣 學(xué) 科 康 復(fù) 工 程 學(xué) 。一 般 來(lái) 說 ， 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 改 變 或 重 新 建 立 新 的 生 活 環(huán) 境 條 件 ， 使 有

26、 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 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 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

27、肢技術(shù) 35 根 據(jù) 對(duì) 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(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

28、以 器 械 的 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 。

29、(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 ， 是 研 究 醫(yī) 療機(jī) 器 人 的 一 個(gè) 重 要 課 題 。 36 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 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)17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 37圖1

30、-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??； 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電子開關(guān)；7一電動(dòng)機(jī) 38 39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 40圖1-8 簡(jiǎn)易型電動(dòng)假手及電路 41 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

31、械 的 主 要 問 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 42 43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(jī)器；1一傳感器2一環(huán)境控制裝置本體3一顯示器 44 45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

32、位置、方向、速函；12一超聲波 46 謝謝! 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)的過程，并利用電子、機(jī)械技術(shù)對(duì)這些過程進(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?！吧镌?，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。 47 48 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

33、加有人類智能的一類機(jī)械。為區(qū)別起見，可把傳統(tǒng)的機(jī)械稱之為一般機(jī)械。表11列出一般機(jī)械與人類能力的比較，可以看出在物理和機(jī)械機(jī)能方面，一般機(jī)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(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。 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(問題)與生物系統(tǒng)相關(guān)問題的類比。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)

34、生物系統(tǒng)的工程模擬。 49 50 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。 51 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 典 型 硬

35、件 結(jié) 構(gòu) 可 用 圖 1.1表示 。 52 從 對(duì) 機(jī) 器 人 的 研 究 內(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 、 觸 覺 和 聽 覺等 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 53 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

36、 形 成 了 一門 新 興 的 邊 緣 學(xué) 科 康 復(fù) 工 程 學(xué) 。一 般 來(lái) 說 ， 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 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 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 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) 54