仿生機(jī)械學(xué)概論

1、會(huì)計(jì)學(xué)1仿生機(jī)械學(xué)概論仿生機(jī)械學(xué)概論23英國(guó)Essex大學(xué).avi45678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(méi)有因此而喪失其各種機(jī)能。可是，電子計(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。910111213生物體生物體生物模型生物模型數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型技術(shù)模型技術(shù)模型技術(shù)裝置技術(shù)裝置 四、仿

2、生機(jī)械學(xué)的研究方法圖1-1 仿生學(xué)的研究方法 15161718192021222324255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(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)用化的道路是很嚴(yán)格的。2627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Unimate(萬(wàn)能自動(dòng)機(jī)械)，一種取名為

3、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相當(dāng)部分功能的機(jī)械，它能執(zhí)行與人類似的動(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

4、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(wèn)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

5、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 人； 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31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

6、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(jué)功能的機(jī)器人，屬于一種過(guò)渡性類型。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)器人具有與人類相類似智能的自動(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?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

7、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(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)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

8、技術(shù)35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

9、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(wèn)題。十、直接代償?shù)钠餍祱D1-5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1-6 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)3839圖1-7 多自由度

10、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，是研制直接代償器械的主要問(wèn)題。十一、間接代償?shù)钠餍祱D1-9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4243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

11、體3一顯示器4445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464748495051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。52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(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