《仿生机械学概论》PPT课件

仿 生 感 知 与 先 进 机 器 人 技 术机 电 工 程 学 院机 电 控 制 及 自 动 化 系姚 智 慧电 话 ： 0451-86417118（ O）13936139091Email: 1 第 1章 仿 生 学 系 统 概 论仿 生 学 的 定 义仿 生 机 械 学 的 含 义仿 生 机 械 学 的 研 究 动 向机 器 人 技 术 概 述机 器 人 的 发 展 2 一 、 仿 生 学 的 定 义自 古 以 来 ， 自 然 界 就 是 人 类 各 种 技 术 思 想 、 工 程 原 理 及重 大 发 明 的 源 泉 。 种 类 繁 多 的 生 物 界 经 过 长 期 的 进 化 过程 ， 使 它 们 能 适 应 环 境 的 变 化 ， 从 而 得 到 生 存 和 发 展 。鱼 儿 在 水 中 有 自 由 来 去 的 本 领 ， 人 们 就 模 仿 鱼 类 的 形 体造 船 ， 以 木 桨 仿 鳍 。 相 传 早 在 大 禹 时 期 ， 我 国 古 代 劳 动人 民 观 察 鱼 在 水 中 用 尾 巴 的 摇 摆 而 游 动 、 转 弯 ， 他 们 就在 船 尾 上 架 置 木 桨 。 通 过 反 复 的 观 察 、 模 仿 和 实 践 ， 逐渐 改 成 橹 和 舵 ， 增 加 了 船 的 动 力 ， 掌 握 了 使 船 转 弯 的 手段 。 这 样 ， 即 使 在 波 涛 滚 滚 的 江 河 中 ， 人 们 也 能 让 船 只航 行 自 如 。 3 一 、 仿 生 学 的 定 义 4英 国 Essex大 学 .avi 鸟 儿 展 翅 可 在 空 中 自 由 飞 翔 。 据 韩 非 子 记 载 鲁 班 用竹 木 作 鸟 “成 而 飞 之 ， 三 日 不 下 ”。 然 而 人 们 更 希 望 仿 制鸟 儿 的 双 翅 使 自 己 也 飞 翔 在 空 中 。 早 在 四 百 多 年 前 ， 意大 利 人 利 奥 那 多 达 芬 奇 和 他 的 助 手 对 鸟 类 进 行 仔 细 的解 剖 ， 研 究 鸟 的 身 体 结 构 并 认 真 观 察 鸟 类 的 飞 行 。 设 计和 制 造 了 一 架 扑 翼 机 ， 这 是 世 界 上 第 一 架 人 造 飞 行 器 。从 上 面 这 些 内 容 ， 我 们 可 以 看 出 ， 人 类 在 运 用 自 己 创 造本 领 的 同 时 ， 也 回 归 了 自 然 ， 通 过 模 拟 自 然 的 一 些 生 物原 理 ， 并 且 加 以 组 合 ， 利 用 ， 最 终 实 现 了 我 们 想 要 的 功能 。 那 么 ， 这 一 切 要 归 功 于 ， 或 者 划 分 在 什 么 领 域 呢 ？其 实 这 就 是 自 古 以 来 就 有 的 ， 仿 生 学 。 一 、 仿 生 学 的 定 义仿 生 学 ： 模 仿 生 物 系 统 的 原 理 以 建 造 技术 系 统 ， 或 者 使 人 造 技 术 系 统 具 有 生 物系 统 特 征 或 类 似 特 征 的 科 学 。根 据 定 义 ， 仿 生 学 是 研 究 和 建 立 主 要 涵盖 生 物 电 子 学 、 生 物 传 感 器 、 生 物 仿 真材 料 、 生 物 物 理 学 、 生 物 电 机 和 生 物 大分 子 的 自 装 配 等 学 科 内 容 的 人 工 系 统 ，使 之 具 有 生 命 系 统 的 某 些 特 性 的 一 门 交叉 学 科 。 5 一 、 仿 生 学 的 定 义仿 生 学 (bionics)这 一 名 词 是 由 生 物 学 (biology)和 电 子 学 electronics)结 合 而 产 生 的 新 名 词 ，实 际 上 它 是 源 出 于 希 腊 语 中 表 示 生 命 单 位 的bion一 词 。若 以 电 子 学 为 中 心 来 考 虑 ， 就 构 成 仿 生 电 子 学(bioelectronics)，若 以 机 械 学 为 中 心 来 考 虑 ， 则 构 成 了 仿 生 机 械学 (biomechanisms)。 6 二 、 仿 生 学 的 研 究 对 象研 究 生 命 的 结 构 、 能 量 转 换 和 信 息 流 动的 过 程 ， 并 利 用 电 子 、 机 械 技 术 对 这 些过 程 进 行 模 拟 ， 从 而 改 善 现 有 的 和 创 造出 崭 新 的 现 代 技 术 装 置 。仿 生 学 已 成 为 现 代 技 术 发 明 的 重 要 途 径之 一 。 “ 生 物 原 型 ， 新 技 术 的 钥 匙 ”这 句 著 名 格 言 ， 恰 当 地 描 述 了 现 代 创 造发 明 的 这 一 重 要 途 径 。 7 生 活 中的仿 生 学 凤 蓬 草 轮 子 鱼 尾 船 橹 人 眼 晶 状 体 透 镜 生 物 电 电 池 鸟 飞 机 8 9 例 如 ， 人 的 细 胞 有 100150亿 个 神 经 元 ， 但每 小 时 约 有 1000个 神 经 元 发 生 障 碍 ， 一 年 之内 就 差 不 多 有 900万 个 神 经 元 丧 失 机 能 。 然而 ， 令 人 惊 叹 的 是 ， 大 脑 并 没 有 因 此 而 丧 失其 各 种 机 能 。 可 是 ， 电 子 计 算 机 却 不 行 ， 只要 其 中 任 何 一 个 元 件 损 坏 或 发 生 故 障 ， 便 会影 响 整 个 系 统 的 工 作 性 能 。 极 而 言 之 ， 在 许多 方 面 ， 电 子 计 算 机 甚 至 不 及 昆 虫 的 区 区 之脑 。 螳 螂 能 在 0.05秒 的 一 瞬 间 ， 计 算 出 飞 掠眼 前 的 小 昆 虫 的 速 度 、 方 向 和 距 离 ， 这 是 大型 电 子 跟 踪 系 统 所 望 尘 莫 及 的 。 二 、 仿 生 学 的 研 究 对 象通 过 对 人 脑 机 制 (欲 望 、 感 情 、 睡 眠 、 学 习 和 记 忆 等 )的研 究 ， 出 现 了 利 用 计 算 机 的 教 育 系 统 、 人 工 神 经 元 、 电子 脑 ， 制 造 与 人 脑 能 力 相 同 的 信 息 处 理 系 统 人 工 脑通 过 研 究 生 物 眼 模 型 和 视 觉 机 制 (如 人 眼 、 蛙 眼 、 猫 眼、 鹰 眼 和 蟹 眼 等 )， 研 制 视 网 膜 、 文 字 读 取 装 置 、 盲 人假 眼 及 应 用 于 机 器 人 的 人 工 眼 ；通 过 对 生 物 听 觉 模 型 和 机 制 的 研 究 (如 人 耳 、 蝙 蝠 和 海豚 、 鲸 鱼 等 的 听 觉 器 官 )， 开 发 了 精 密 雷 达 、 水 中 声 纳和 声 音 识 别 装 置 等 ；通 过 研 究 有 关 肌 肉 收 缩 的 物 理 化 学 机 制 及 其 在 运 动 神 经指 挥 下 的 动 作 机 制 ， 研 制 了 人 工 肌 肉 、 电 子 假 手 、 机 械手 、 人 力 放 大 器 、 自 动 机 ， 并 在 这 基 础 上 制 造 接 近 人 类智 能 的 机 械 等 。 10 在 科 技 史 上 ， 借 助 生 物 获 得 发 明 创 造 的 例 子 不 胜 枚 举青 蛙 的 眼 睛 跟 踪 导 弹 的 “ 电 子 蛙 眼 ” ；乌 龟 壳 小 提 琴 ； 企 鹅 越 野 汽 车 ；蜂 鸟 直 升 飞 机 ； 鱼 鳃 人 造 鱼 鳃 吸 氧 器 ；蛇 的 红 外 线 定 位 器 -夜 视 镜 ；萤 火 虫 冷 光 源 ； 云 杉 圆 锥 形 电 视 塔 ；袋 鼠 “跳 跃 式 ” 极 地 汽 车 ； 蚊 子 测 向 器 ；水 母 风 暴 预 警 器 ； 沙 蟹 制 图 机 ；鳄 鱼 眼 泪 -海 水 淡 化 器 ；鲸 鱼 脊 背 -水 下 破 冰 船 等 等 ；草 履 虫 带 几 千 只 小 螺 旋 桨 的 潜 水 艇 。 11 12 三 、 仿 生 机 械 学仿 生 机 械 学 是 上 世 纪 60年 代 初 期 出 现 的 一 门 综合 性 的 新 兴 边 缘 学 科 ， 它 是 生 命 科 学 与 工 程 技术 科 学 相 互 渗 透 、 相 互 结 合 而 形 成 的 。 包 含 着对 生 物 现 象 进 行 力 学 研 究 ， 对 生 物 的 运 动 、 动作 进 行 工 程 分 析 ， 并 把 这 些 成 果 根 据 社 会 的 要求 付 之 实 用 化 。仿 生 机 械 从 其 构 词 成 分 来 看 ， 它 应 该 是 指 添 加有 人 类 智 能 的 一 类 机 械 。 为 区 别 起 见 ， 可 把 传统 的 机 械 称 之 为 一 般 机 械 。 表 1 1列 出 一 般 机械 与 人 类 能 力 的 比 较 ， 可 以 看 出 在 物 理 和 机 械机 能 方 面 ， 一 般 机 械 较 为 优 越 ， 但 在 智 能 方 面却 比 人 类 要 显 得 特 别 低 劣 。 因 此 ， 若 把 人 机结 合 起 来 ， 就 有 可 能 使 一 般 机 械 进 化 到 仿 生 机械 。 13 四 、 仿 生 机 械 学 的 研 究 方 法仿 生 技 法 的 核 心 是 研 究 对 象 (问 题 )与 生 物 系 统相 关 问 题 的 类 比 。 这 一 技 法 实 施 大 体 分 为(1)根 据 生 产 实 际 提 出 技 术 问 题 ， 选 择 性 地 研 究生 物 体 的 某 些 结 构 和 功 能 ， 简 化 所 得 的 生 物 资料 ， 择 其 有 益 内 容 ， 得 到 一 个 生 物 模 型 。(2)对 生 物 资 料 进 行 数 学 分 析 ， 抽 象 出 其 内 在 联系 ， 建 立 数 学 模 型 。(3)采 用 电 子 、 化 学 、 机 械 等 技 术 手 段 。 根 据 数学 模 型 ， 最 终 实 现 对 生 物 系 统 的 工 程 模 拟 。 14 生物体生物模型数学模型技术模型技术装置 四、仿生机械学的研究方法图 1-1 仿 生 学 的 研 究 方 法 五 、 仿 生 创 新 的 几 种 主 要 思 路 向 生 物 索 取 技 术 原 理 ， 不 仅 具 有 令 人 陶 醉 和 神 往 的 光 辉前 景 ， 而 且 所 涉 猎 的 内 容 也 相 当 广 泛 。 事 实 上 ， 人 类 从仿 生 学 的 角 度 所 作 发 明 的 例 子 是 很 多 的 。 例 如 ： 从 鸟 类想 到 飞 机 、 从 蝙 蝠 想 到 雷 达 、 从 石 龙 子 想 到 伪 装 色 、 从飞 鼠 想 到 降 落 伞 、 从 乌 贼 想 到 推 进 器 、 从 蝎 子 想 到 皮 下注 射 、 从 鲍 鱼 想 到 吸 盘 、 从 贝 壳 想 到 建 筑 等 等 。如 通 过 对 蜜 蜂 筑 巢 的 研 究 ， 人 们 模 仿 蜂 巢 制 造 出 自 重 轻 、强 度 高 的 烽 巢 夹 层 结 构 (B52轰 炸 机 上 就 采 用 这 种 结 构 )但 如 果 研 究 蜜 蜂 的 定 向 能 力 、 蜂 群 信 息 的 传 递 方 式 等 ，则 可 获 得 另 外 的 有 益 启 示 。 再 如 ， 从 蜂 蜜 的 久 藏 而 不 变 质是 否 能 找 到 一 种 食 品 保 鲜 的 新 方 法 。 现 在 甚 至 有 人 在 研 究蜂 群 的 组 织 分 工 ， 以 期 在 管 理 学 上 有 所 借 鉴 。 根 据 仿 生 学的 研 究 成 果 ， 向 生 物 索 取 技 术 原 理 大 致 有 如 下 几 个 方 面 ： 16 1 信 息 仿 生主 要 是 通 过 研 究 、 模 拟 生 物 的 感 觉 (包 括 视 觉 、 听 觉 、嗅 觉 、 触 觉 )， 智 能 以 及 信 息 贮 存 、 提 取 、 传 输 等 方 面的 机 理 ， 构 思 和 研 制 新 的 信 息 系 统 。 马 萨 诸 塞 理 工 学院 的 研 究 者 根 据 蛙 眼 的 视 觉 功 能 ， 研 制 成 功 了 虫 检 测仪 器 模 型 ； 斯 坦 福 研 究 所 的 研 究 者 模 拟 猫 脑 视 觉 领 域中 的 直 线 “ 检 测 器 ” ， 研 制 了 用 来 对 机 器 人 眼 送 来 的信 息 进 行 处 理 的 特 殊 计 算 机 ； 狗 鼻 子 素 以 灵 敏 著 称 ，它 能 感 觉 200万 种 物 质 和 不 同 浓 度 的 气 味 ， 嗅 觉 比 人灵 敏 一 万 倍 。 现 在 ， 人 们 以 不 同 物 质 的 气 味 对 紫 外 线的 选 择 性 吸 收 为 信 息 ， 研 制 成 了 “ 电 子 警 犬 ” ， 用 它来 作 检 测 ， 其 灵 敏 度 甚 至 可 达 狗 鼻 子 的 1000倍 。 17 2， 控 制 仿 生主 要 通 过 研 究 模 拟 生 物 的 体 内 稳 态 (反 馈 调 控 )、运 动 控 制 、 动 物 的 定 向 与 导 航 、 生 态 系 统 的 涨落 及 人 机 系 统 的 功 能 原 理 ， 来 构 思 和 研 制 新 的控 制 系 统 。 例 如 ， 人 们 根 据 蜜 蜂 的 复 眼 能 够 利用 偏 振 光 导 航 的 原 理 ， 发 明 了 用 于 航 空 和 航 海的 非 磁 性 “ 储 光 天 文 罗 盘 ” 。 这 种 罗 盘 对 于 不能 使 用 磁 罗 盘 的 高 纬 度 地 区 ， 显 示 出 了 极 大 的优 越 性 。 人 们 还 根 据 昆 虫 揖 翅 导 航 的 原 理 ， 研制 成 功 了 一 种 振 动 陀 螺 仪 ， 广 泛 应 用 于 高 速 飞行 的 火 箭 和 飞 机 上 。 18 3 力 学 仿 生主 要 通 过 研 究 模 拟 生 物 的 机 械 原 理 以 及 结 构 力 学 和 流 体力 学 的 原 理 ， 构 思 和 研 究 新 的 系 统 (包 括 机 器 、 装 置 、力 学 结 构 以 及 人 工 脏 器 等 )。 例 如 ， 人 体 的 大 多 数 肌 肉都 是 以 “ 额 顽 肌 ” 的 形 式 成 对 地 排 列 的 。 这 种 利 用 两 个产 生 拉 力 的 “ 单 向 力 装 置 ” 组 成 的 双 向 运 动 机 械 系 统 ，远 比 工 程 技 术 上 惯 用 的 一 个 推 拉 “ 双 向 动 力 装 置 ” 组 织的 系 统 优 越 得 多 。 对 额 顽 肌 的 模 拟 ， 圆 满 地 解 决 了 各 种“ 机 器 人 ” 、 “ 步 行 机 ” 等 的 行 走 机 构 的 设 计 。 此 外 ，人 们 还 根 据 鱼 类 、 鸟 类 的 身 体 形 状 的 流 体 力 学 特 性 ， 研制 了 各 种 各 样 的 船 舶 和 空 间 飞 行 物 ； 根 据 蛋 壳 、 乌 龟 壳、 贝 壳 等 弯 曲 表 面 ， 发 明 了 建 筑 物 上 的 酶 壳 结 构 。 19 4， 化 学 仿 生主 要 是 通 过 研 究 模 拟 生 物 酶 的 催 化 作 用 、 生 物 的化 学 合 成 、 选 择 性 膜 和 能 量 转 换 等 ， 来 构 思 和 创造 高 效 催 化 剂 等 化 学 产 品 、 化 学 工 艺 以 及 新 材 料、 新 能 源 等 。 例 如 ， 人 们 为 宇 宙 飞 船 设 计 的 所 谓“ 宇 宙 绿 洲 ” 生 态 循 环 系 统 ， 就 是 通 过 模 拟 生物 “ 电 池 ” 、 光 合 作 用 转 换 的 原 理 以 及 自 然 生 态系 统 所 创 造 出 的 。 此 外 ， 在 通 过 化 学 途 径 的 人 工模 拟 酶 、 人 工 模 拟 生 物 固 氯 、 人 上 模 拟 光 合 作 用等 方 面 ， 也 正 在 酝 酿 着 新 的 重 要 突 破 。 20 5 技 术 仿 生在 隧 道 工 程 中 得 到 广 泛 使 用 的 “ 构 质 施 工 法 ” 也是 以 生 物 为 老 师 作 出 的 发 明 。 1820年 ， 英 国 要在 泰 晤 士 河 底 建 造 隧 道 ， 由 于 土 质 条 件 很 差 ， 用传 统 的 支 护 开 挖 法 ， 因 河 底 松 软 、 渗 水 而 易 塌 方， 施 工 极 为 困 难 ， 工 程 师 布 台 内 感 到 一 筹 莫 展 。一 天 ， 他 在 室 外 无 意 中 发 现 有 只 蠕 虫 在 其 外 壳 保护 下 使 劲 地 往 坚 硬 的 橡 树 皮 里 钻 。 这 使 他 恍 然 大悟 ： 河 下 施 工 也 可 以 象 这 种 小 虫 找 个 保 护 壳 用空 心 钢 柱 打 入 河 底 ， 以 此 为 “ 构 盾 ” ， 边 掘 进 边延 伸 ， 在 构 盾 的 保 护 下 进 行 施 工 ， 此 即 “ 构 盾 施工 法 ” 。 21 6 原 理 仿 生苏 联 科 学 院 动 物 研 究 所 研 究 了 地 球 上 许多 动 物 的 运 动 后 ， 模 仿 其 运 动 原 理 设 计研 制 了 各 种 新 颖 的 交 通 工 具 ： 按 蜘 蛛 的爬 行 原 理 设 计 出 军 用 越 野 车 ； 根 据 蛇 的爬 行 原 理 设 计 并 改 善 了 履 带 车 的 噪 声 ；利 用 企 鹅 奔 跑 的 原 理 设 计 了 雪 地 汽 车 ；甚 至 还 准 备 参 照 袋 鼠 的 运 动 方 式 来 设 计一 种 可 以 跳 越 障 碍 的 越 野 车 。 22 23 1 生 物 材 料 力 学 和 机 械 力 学它 以 骨 或 软 组 织 (肌 肉 、 皮 肤 及 与 交 通 事 故 有 关 的 脑组 织 等 )作 为 对 象 ， 通 过 模 型 实 验 方 法 ， 测 定 其 应 力 、 变形 特 性 ， 求 出 应 力 分 布 规 律 。 此 外 ， 还 可 根 据 骨 骼 、 肌肉 系 统 力 学 的 研 究 ， 对 骨 和 肌 肉 的 相 互 作 用 等 进 行 分 析， 目 前 ， 已 发 表 了 关 于 脑 壳 、 脊 椎 骨 、 骨 盆 、 髋 关 节 、膝 关 节 等 许 多 研 究 论 文 。另 外 ， 生 物 的 形 态 通 过 亿 万 年 的 进 化 ， 往 往 具 有 最 优的 评 价 函 数 ， 例 如 人 体 骨 骼 系 统 具 有 最 少 材 料 、 最 大 强度 的 构 造 形 态 。 这 些 最 优 评 价 函 致 是 物 质 的 数 量 和 能 量消 耗 量 的 函 数 ， 所 以 按 这 种 最 优 论 的 观 点 来 学 习 、 模 拟建 造 工 程 结 构 系 统 是 很 有 价 值 的 。六 、 仿 生 机 械 学 的 研 究 动 向 24 2 生 物 流 体 力 学它 主 要 涉 及 生 物 体 的 循 环 系 统 。 虽 然 很 早 就 有 人 把 动脉 中 的 脉 动 波 作 为 弹 性 管 中 的 波 动 传 播 问 题 进 行 处 理 分析 ， 已 有 血 流 动 力 学 的 专 著 出 版 ， 但 是 这 部 分 仍 有 许 多问 题 未 解 决 ， 特 别 是 因 为 它 的 研 究 与 心 血 管 疾 病 关 系 十分 密 切 ， 所 以 已 成 为 一 门 很 受 关 注 的 学 科 。 25 3 生 物 运 动 学生 物 的 运 动 十 分 复 杂 ， 因 为 它 与 骨 骼 和 肌 肉 的 力 学 现象 、 感 觉 反 馈 及 中 枢 控 制 牵 连 在 一 起 。虽 然 各 种 动 物 的 运 动 或 人 体 各 种 器 官 的 运 动 测 定 与 分析 都 是 重 要 的 基 础 研 究 ， 但 是 在 仿 生 机 械 学 中 ， 特 别 重视 人 体 上 肢 运 动 及 步 行 姿 态 的 测 定 与 分 析 ， 因 为 人 体 上肢 运 动 机 能 非 常 复 杂 ， 而 下 胶 运 动 分 析 对 动 力 学 研 究 十分 典 型 。 另 外 ， 若 能 从 包 含 有 力 学 问 题 的 综 合 观 点 对 复杂 的 动 作 和 作 业 进 行 分 析 ， 对 下 述 的 康 复 工 程 研 究 将 有很 大 帮 助 。 26 4 生 物 运 动 能 量 学如 同 生 物 形 态 存 在 最 优 性 一 样 ， 节 约 能 量 消 耗 量 也 被认 为 是 生 物 中 的 基 本 原 理 之 一 。 从 运 动 能 量 消 耗 最 优 性的 观 点 对 生 物 体 的 运 动 形 态 、 结 构 和 功 能 等 进 行 分 析 、研 究 ， 特 别 是 对 有 关 能 量 的 传 递 与 变 换 的 研 究 ， 是 很 有意 义 的 。5 康 复 工 程 学在 与 仿 生 机 械 学 有 关 的 康 复 工 程 学 科 中 ， 包 括 有 如 动力 假 肢 、 电 动 车 椅 子 、 病 残 者 用 环 境 控 制 系 统 等 。 它 沙及 多 种 学 科 与 技 术 ， 例 如 对 于 动 力 假 肢 ， 只 有 在 解 决 了材 料 、 能 源 、 控 制 方 式 、 信 号 反 馈 与 精 密 机 械 等 各 种 问题 之 后 才 能 完 成 ， 而 且 这 些 装 置 还 要 作 为 一 种 人 机 系 统进 行 评 价 、 实 用 ， 所 以 它 们 通 往 实 用 化 的 道 路 是 很 严 格 的 。 27 6 机 器 人 工 程 学它 是 把 生 物 学 的 知 识 应 用 于 工 程 领 域 的 种 典 型 例子 ， 其 目 的 是 为 用 于 工 业 中 的 省 力 化 ， 以 及 在 宇 宙 、 海洋 、 原 子 能 生 产 、 灾 害 时 等 异 常 环 境 中 帮 助 人 类 进 行 作业 。 机 器 人 不 仅 要 具 有 移 动 功 能 的 人 造 手 足 ， 而 且 还 要有 感 觉 反 馈 功 能 及 人 工 智 能 。 目 前 ， 关 于 人 造 手 、 步 行机 械 、 三 维 物 体 或 声 音 的 类 型 识 别 等 的 研 究 都 在 积 极 进行 。 28 七 、 机 器 人 技 术 概 述机 器 人 的 组 成机 器 人 这 个 名 称 最 早 出 现 于 19世 纪 ， 但 是 直 到 本 世 纪 50年 代 后 期 ， 机 器 人 才 从 科 学 幻 想 中 解 放 出 来 ， 进 入 了 科 学 技术 领 域 。 那 时 ， 在 市 场 上 出 现 了 两 种 工 业 机 器 人 ， 一 种 取 名为 Unimate(万 能 自 动 机 械 )， 一 种 取 名 为 Versatran(通 用 搬 运机 械 )， 并 构 成 为 今 天 机 器 人 发 展 的 基 型 。一 般 说 来 ， 可 以 从 两 个 角 度 对 机 器 人 进 行 定 义 。 若 从 工程 角 度 ， 认 为 它 是 属 于 一 种 自 动 机 械 ， 具 有 对 环 境 的 通 用 性和 适 应 性 ， 操 作 程 序 易 变 ， 且 可 实 现 独 立 的 随 意 的 运 动 。 若从 仿 生 学 的 角 度 ， 则 认 为 已 是 具 有 近 似 人 类 相 当 部 分 功 能 的机 械 ， 它 能 执 行 与 人 类 似 的 动 作 ， 且 具 有 类 似 人 的 某 种 智 能 ，如 记 忆 、 再 现 、 逻 辑 运 算 、 学 习 、 判 断 、 感 知 等 。 29 机 器 人 的 组 成 可 包 括 硬 件 和 软 件 两 大 部 分 。 从 着 重 于 对 生物 机 能 模 拟 的 观 点 ， 高 级 机 器 人 的 典 型 硬 件 结 构 可 用 图 1.1表示 。 30 为 了 要 使 机 器 人 能 够 从 事 复 杂 的 工 作 ， 执 行 与 人 相 似 的 一些 动 作 ， 必 须 要 使 它 的 机 构 和 功 能 都 具 有 很 大 的 灵 活 性 ， 即是 不 仅 要 有 像 生 物 运 动 器 官 那 种 高 性 能 的 硬 件 ， 而 且 还 要 有能 对 运 动 器 官 进 行 巧 妙 控 制 的 软 件 ， 把 硬 件 和 软 件 很 好 地 配合 起 来 。机 器 人 的 软 件 ， 是 人 工 智 能 研 究 的 主 要 实 际 目 标 ， 其 最 根本 问 题 有 ：(1)问 题 求 解 (对 策 )。 指 机 器 人 能 按 人 事 先 给 定 的 条 件 和 目标 ， 通 过 定 理 证 明 和 启 发 按 索 的 方 法 ， 制 定 计 划 ， 求 解 问 题 。(2)环 境 了 解 。 指 机 器 人 能 通 过 各 种 信 息 传 感 器 对 周 围 环 境进 行 调 查 ， 掌 握 外 界 情 况 ， 并 建 立 环 境 模 型 。(3)知 识 表 达 。 这 是 人 工 智 能 的 一 个 关 键 问 题 。 指 机 器 能 记忆 工 作 环 境 的 状 态 和 规 律 ， 以 及 自 己 的 经 验 等 知 识 ， 并 能 自由 地 运 用 。 31 (4)自 然 语 言 处 理 。 指 机 器 人 能 理 解 和 接 受 人 发 出 命 令 的 语言 系 统 ， 并 可 用 这 种 语 言 进 行 对 话 。(5)动 作 控 制 。 指 机 器 人 能 按 人 所 给 予 的 任 务 要 求 ； 对 机 械手 、 足 进 行 运 动 控 制 。综 合 上 述 ， 可 用 图 1.2表 示 。 图 1.2高 级 机 器 人 的 软 件 人 ； 一 环 境 ；1一 知 识 (事 实 和 规 则 、 假 说 、 外 界 棋 型 )； 2一 自 然 语 言 处 理 ； 3一 问 题 对 策4一 运 动 控 制 ； 5一 输 入 信 息 分 析 ； 6一 效 果 器 ； 7一 感 觉 器 32 八 、 机 器 人 的 发 展第 一 代 机 器 人 ， 是 使 用 存 储 器 、 程 序 控 制 的 自 动 机 ， 也 即从 60年 代 初 期 问 世 、 目 前 能 够 在 工 业 部 门 使 用 的 重 复 型 机 器人 ， 常 称 为 工 业 机 器 人 。 它 的 动 作 包 括 示 教 、 存 储 、 再 现 和操 作 四 个 步 序 。 这 种 机 器 人 的 典 型 代 表 就 是 Unimate和Versatran两 种 ， 他 们 的 系 统 组 成 大 致 如 图 1.3所 示 。 图 1.3工 业 机 器 人 的 系 统 组 成 机 械 手 部 控 制 部 人 类1手 臂 ； 2手 抓 ； 3传 感 器 ； 4驱 动 器5控 制 器 ； 6存 储 器 ； 7示 教 器 33 第 二 代 机 器 人 ， 是 指 具 有 某 些 感 觉 功 能 的 机 器 人 ， 属 于 一种 过 渡 性 类 型 。第 三 代 机 器 人 ， 是 具 有 感 觉 识 别 又 有 某 些 思 维 功 能 ， 并 有这 些 功 能 控 制 动 作 的 智 能 机 器 人 具 有 与 人 类 相 类 似 智 能的 自 动 机 械 。 它 的 发 展 主 要 开 始 于 70年 代 。 已 成 为 开 拓 高 级自 动 化 的 课 题 ， 并 着 手 应 用 到 生 产 实 际 中 。 图 1.4 智 能 机 器 人 的 控 制 系 统1一 操 作 人 员 ； 2指 令 处 理 与 判 断 装 置 ； 3一 驱 动 机 构 ；4一 工 作 对 象 ； 5一 传 感 器 ； 6识 别 装 置 34 从 对 机 器 人 的 研 究 内 容 来 看 ， 其 发 展 动 向 主 要 有 下 列 几 个方 面 ：(1)重 视 传 感 器 的 研 究 ， 以 使 机 器 人 具 有 视 觉 、 触 觉 和 听 觉等 功 能 。(2)新 型 伺 服 机 构 的 研 究(3)人 工 智 能 的 研 究(4)微 型 计 算 机 在 机 器 人 系 统 应 用 的 研 究 35 近 些 年 来 ， 这 些 研 究 与 超 大 规 模 集 成 电 路 、 半 导 体 传 感 器等 现 代 机 械 电 子 技 术 相 结 合 ， 有 着 很 大 发 展 ， 从 而 形 成 了 一门 新 兴 的 边 缘 学 科 康 复 工 程 学 。一 般 来 说 ， 应 用 工 程 技 术 来 帮 助 残 疾 人 代 偿 已 失 去 的 功 能 ，大 致 可 划 分 为 两 个 范 畴 ： 一 个 是 属 于 系 统 工 程 的 范 畴 ， 它 是通 过 改 变 或 重 新 建 立 新 的 生 活 环 境 条 件 ， 使 有 功 能 障 碍 的 患者 得 到 适 应 和 方 便 ； 另 一 个 就 是 属 于 康 复 工 程 的 范 畴 ， 它 是通 过 综 合 应 用 精 密 机 械 、 现 代 控 制 和 信 息 处 理 等 技 术 来 设 计高 性 能 的 器 械 ， 并 确 立 机 器 和 人 之 间 的 信 息 传 递 手 段 ， 起 到代 偿 功 能 的 作 用 。 特 别 是 由 于 高 级 自 动 化 课 题 中 机 器 人 技 术的 发 展 ， 开 拓 了 机 器 人 在 康 复 工 程 领 域 中 应 用 的 广 阔 前 景 ，将 给 残 疾 人 带 来 更 多 的 福 音 。九 、 康 复 工 程 与 假 肢 技 术 36 根 据 对 功 能 障 碍 代 偿 的 目 的 不 同 ， 可 把 代 偿 器 械 分 为 两 大类 ： 一 类 是 直 接 安 装 于 人 体 上 进 行 代 偿 失 去 功 能 的 器 械 ， 如各 种 假 肢 、 辅 助 装 具 等 ， 另 一 类 是 装 设 于 人 体 外 、 且 构 成 独立 系 统 的 、 起 间 接 代 偿 功 能 的 器 械 ， 如 各 种 环 境 控 制 装 置 、医 疗 机 械 手 、 机 器 人 、 移 动 机 械 等 。 但 是 ， 不 论 是 哪 一 种 代偿 器 械 ， 都 要 使 残 疾 人 自 身 能 够 进 行 操 作 ， 所 以 器 械 的 动 作指 令 必 须 利 用 残 疾 人 残 存 的 机 能 。 目 前 ， 可 实 际 有 效 地 利 用的 残 存 机 能 大 致 有 下 列 三 种 ：(1)人 体 的 机 械 运 动 位 移 。 如 利 用 身 体 某 一 部 分 运 动 所 产 生的 动 作 位 移 和 某 一 部 位 肌 肉 收 缩 所 产 生 的 膨 起 位 移 等 ， 这 是一 种 基 本 的 方 法 。(2)人 体 的 肌 肉 表 面 动 作 电 位 。 肌 肉 电 位 是 人 体 的 一 种 生 物电 ， 利 用 这 种 生 物 电 作 为 控 制 信 号 源 已 有 较 大 的 发 展 。(3)呼 气 压 力 、 声 音 信 号 等 。 虽 然 采 用 声 音 作 为 输 入 信 号 尚处 于 开 发 阶 段 ， 但 它 已 成 为 一 种 新 的 发 展 方 向 ， 是 研 究 医 疗机 器 人 的 一 个 重 要 课 题 。 37 运 动 自 由 度 的 配 置 、 结 构 的 轻 量 和 小 型 化 、 以 及 操 作 方 便 、可 靠 性 高 ， 是 研 制 直 接 代 偿 器 械 的 主 要 问 题 。十 、 直 接 代 偿 的 器 械 图 1-5全 臀 电 动 因 手 的 研 究 系 统17自 由 度 电 动 假 手 ； 2 手 套 、 臂 筒 ； 3微 型 计 算 机 ； 4肌 电 控 制 ；5电 源 ； 6人 比 和 电 动 假 手 的 运 动 分 析 ； 7声 音 控 制 38图 1-6 肌 电 控 制 前 臂 假 手 传 动 与 控 制 系 统(a)传 动 系 统 ； (b)控 制 电 路I一 伸 肌 ； 一 屈 肌1一 电 极 ； 2放 大 ； 3一 整 流 滤 波 ； 4一 阈 值 电 路 ；5一 欠 压 保 护 ； 6电 子 开 关 ； 7一 电 动 机 39 40图 1-7 多 自 由 度 假 手 肌 电 控 制 信 号 系 统 组 成1一 肌 电 ： 2一 表 面 电 极 ； 3一 肌 电 开 关 ； 4一 动 作 方 向 决 定 ； 5一 假 手 控 制 ；6一 多 自 由 度 假 于 ； 7监 控 器 ； 8一 刺 激 定 时 控 制 ； 9一 动 作 方 向 切 换 ；10、 12一 电 刺 激 ； 11一 刺 激 电 极 ； 13一 判 断 41图 1-8 简 易 型 电 动 假 手 及 电 路 42 运 动 自 由 度 的 配 置 、 结 构 的 轻 量 和 小 型 化 、 以 及 操 作 方 便 、可 靠 性 高 ， 是 研 制 直 接 代 偿 器 械 的 主 要 问 题 。十 一 、 间 接 代 偿 的 器 械 图 1-9动 力 假 足 构 成1吸 附 式 套 筒 ； 2油 压 马 达 ； 3油 泵 ； 4镍 镉 电 池 ； 5数 模 变 换 ；6中 央 处 理 机 ； 7模 数 变 换 ； 8伺 服 放 大 ； 9角 度 传 感 器 ； 10足 部 传 感 器 43 44图 1-10环 境 控 制 装 置 系 统I一 患 者 ； 一 环 境 控 制 装 置 ； 一 连 接 机 器 ；1一 传 感 器 2一 环 境 控 制 装 置 本 体 3一 显 示 器 45 46图 1-11盲 导 犬 机 器 人 系 统A一 移 动 用 知 识 数 据 区 ； B一 外 界 传 感 器 系 统 ； C一 中 枢 系 统 ；D一 通 信 系 统 ； E一 效 果 器 系 统 ； F一 内 部 传 感 器 系 统 ；1一 推 理 机 构 ； 2数 据 ； 3一 规 则 ； 4一 环 境 信 息 ； 5一 环 境 信 息 管 理 ； 6规 划 ；7一 引 导 ； 8一 操 纵 ； 9一 移 动 机 构 ； 10一 命 令 理 解 、 引 导 信 息 提 示 ；11一 位 置 、 方 向 、 速 函 ； 12一 超 声 波 47谢 谢 !