仿生機械學概論課件

仿生感知與先進機器人技術機電工程學院機電控制及自動化系1第1章

仿生學系統(tǒng)概論仿生機械學的含義仿生機械學的研究動向機器人技術概述機器人的發(fā)展2一、仿生機械學的含義仿生學：模仿生物系統(tǒng)的原理以建造技術系統(tǒng)，或者使人造技術系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的科學。仿生學(bionics)這一名詞是由生物學(biology)和電子學[electronics)結合而產(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。3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56例如，人的細胞有100—150億個神經(jīng)元，但每小時約有1000個神經(jīng)元發(fā)生障礙，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?？墒?，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，這是大型電子跟蹤系統(tǒng)所望塵莫及的。仿生學的研究通過對人腦機制(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、盲人假眼及應用于機器人的人工眼；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，并在這基礎上制造接近人類智能的機械等。7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。810仿生技法仿生技法的核心是研究對象(問題)與生物系統(tǒng)相關問題的類比。這一技法實施大體分為(1)根據(jù)生產(chǎn)實際提出技術問題，選擇性地研究生物體的某些結構和功能，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。12仿生創(chuàng)新的幾種主要思路向生物索取技術原理，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、從執(zhí)獨想到坦克、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、從貝殼想到建筑等等。如通過對蜜蜂筑巢的研究，人們模仿蜂巢已制造出自重輕、強度高的烽巢夾層結構(在B52轟炸機上就采用這種結構)。但如果再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，以期在管理學上有所借鑒。根據(jù)仿生學的研究成果，向生物索取技術原理大致有如下幾個方面：141．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理，構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域中的直線“檢測器”，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?，F(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。152，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，來構思和研制新的控制系統(tǒng)。例如，人們根據(jù)蜜蜂的復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儀，廣泛應用于高速飛行的火箭和飛機上。163．力學仿生主要通過研究模擬生物的機械原理以及結構力學和流體力學的原理，構思和研究新的系統(tǒng)(包括機器、裝置、力學結構以及人工臟器等)。例如，人體的大多數(shù)肌肉都是以“領頑肌”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)，遠比工程技術上慣用的一個推拉“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”等的行走機構的設計。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構。174，化學仿生主要是通過研究模擬生物酶的催化作用、生物的化學合成、選擇性膜和能量轉(zhuǎn)換等，來構思和創(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?yōu)橛钪骘w船設計的所謂“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、人上模擬光合作用等方面，也正在醞釀著新的重要突破。186．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，模仿其運動原理設計研制了各種新穎的交通工具：按蜘蛛的爬行原理設計出軍用越野車；根據(jù)蛇的爬行原理設計并改善了履帶車的噪聲；利用企鵝奔跑的原理設計了雪地汽車；甚至還準備參照袋鼠的運動方式來設計一種可以跳越障礙的越野車。20211．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的腦組織等)作為對象，通過模型實驗方法，測定其應力、變形特性，求出應力分布規(guī)律。此外，還可根據(jù)骨骼、肌肉系統(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)表了關于腦殼、脊椎骨、骨盆、髖關節(jié)、膝關節(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、模擬建造工程結構系統(tǒng)是很有價值的。二、仿生機械學的研究動向233．生物運動學生物的運動十分復雜，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，若能從包含有力學問題的綜合觀點對復雜的動作和作業(yè)進行分析，對下述的康復工程研究將有很大幫助。244．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)、結構和功能等進行分析、研究，特別是對有關能量的傳遞與變換的研究，是很有意義的。5．康復工程學在與仿生機械學有關的康復工程學科中，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，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。26三、機器人技術概述機器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，進入了科學技術領域。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，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。27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模擬的觀點，高級機器人的典型硬件結構可用圖1.1表示。28為了要使機器人能夠從事復雜的工作，執(zhí)行與人相似的一些動作，必須要使它的機構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)驗等知識，并能自由地運用。30四、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1.3所示。圖1.3工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成Ⅰ—機械手部Ⅱ—控制部Ⅲ—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31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年代。已成為開拓高級自動化的課題，并著手應用到生產(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；4一工作對象；5一傳感器；6—識別裝置32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)新型伺服機構的研究(3)人工智能的研究(4)微型計算機在機器人系統(tǒng)應用的研究33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)代機械電子技術相結合，有著很大發(fā)展，從而形成了一門新興的邊緣學科——康復工程學。一般來說，應用工程技術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活環(huán)境條件，使有功能障礙的患者得到適應和方便；另一個就是屬于康復工程的范疇，它是通過綜合應用精密機械、現(xiàn)代控制和信息處理等技術來設計高性能的器械，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的發(fā)展，開拓了機器人在康復工程領域中應用的廣闊前景，將給殘疾人帶來更多的福音。康復工程與假肢技術34根據(jù)對功能障礙代償?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，另一類是裝設于人體外、且構成獨立系統(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。35運動自由度的配置、結構的輕量和小型化、以及操作方便、可靠性高，是研制直接代償器械的主要問題。直接代償?shù)钠餍祱D1-5全臀電動因手的研究系統(tǒng)1—7自由度電動假手；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36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??；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