《仿生機(jī)械學(xué)概論》PPT課件.ppt
仿生感知與先進(jìn)機(jī)器人技術(shù),機(jī)電工程學(xué)院 機(jī)電控制及自動(dòng)化系 姚智慧 電話:0451-86417118(O) 13936139091 Email: yaozh,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,2,一、仿生學(xué)的定義,自古以來,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。,3,一、仿生學(xué)的定義,4,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。,5,一、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中表示生命單位的bion一詞。 若以電子學(xué)為中心來考慮,就構(gòu)成仿生電子學(xué)(bioelectronics), 若以機(jī)械學(xué)為中心來考慮,則構(gòu)成了仿生機(jī)械學(xué)(biomechanisms)。,6,二、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。,7,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),8,9,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)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。,10,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。,11,12,三、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,就有可能使一般機(jī)械進(jìn)化到仿生機(jī)械。,13,四、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)生物系統(tǒng)的工程模擬。,14,四、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)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:,16,1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”,研制了用來對(duì)機(jī)器人眼送來的信息進(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(duì)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(cè),其靈敏度甚至可達(dá)狗鼻子的1000倍。,17,2,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。,18,3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,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)。,19,4,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。,20,5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”。,21,6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)方式來設(shè)計(jì)一種可以跳越障礙的越野車。,22,23,1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,24,2生物流體力學(xué) 它主要涉及生物體的循環(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。,25,3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。,26,4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。,27,6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。,28,七、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,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,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。,29,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。,30,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。 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)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。,31,(4)自然語言處理。指機(jī)器人能理解和接受人發(fā)出命令的語言系統(tǒng),并可用這種語言進(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)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,32,八、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,33,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,34,從對(duì)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容來看,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,35,近些年來,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)。 一般來說,應(yīng)用工程技術(shù)來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,將給殘疾人帶來更多的福音。,九、康復(fù)工程與假肢技術(shù),36,根據(jù)對(duì)功能障礙代償?shù)哪康牟煌砂汛鷥斊餍捣譃閮纱箢悾阂活愂侵苯影惭b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。,37,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,38,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),39,40,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,41,圖1-8 簡(jiǎn)易型電動(dòng)假手及電路,42,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,43,44,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,45,46,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,47,謝謝!,