仿生机械学概论

会计学1仿生机械学概论仿生机械学概论23英国Essex大学.avi45678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。910111213生物体生物体生物模型生物模型数学模型数学模型技术模型技术模型技术装置技术装置 四、仿生机械学的研究方法图1-1 仿生学的研究方法 15161718192021222324255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。2627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。28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。29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。30(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31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32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33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34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35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。36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37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3839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40图1-8 简易型电动假手及电路41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4243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4445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464748495051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。52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53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