仿生機械學(xué)課件

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1、 第七章仿生機械學(xué) 本章主要內(nèi)容： 1.仿生機械學(xué)定義 2.仿生機械學(xué)簡史 3.仿生機械學(xué)研究領(lǐng)域 4.仿生設(shè)計 5.仿生機械與機器人技術(shù)、康復(fù)工程 6.仿生機械實例 重點和難點：生物形態(tài)與工程機構(gòu) 課后作業(yè)： 查閱康復(fù)機器人特點及應(yīng)用，以小論文形式上交。 7.1 仿生機械學(xué)定義 仿生機械 (bio-simulation machinery) 是模仿生物的形態(tài)、 結(jié)構(gòu)和控制原理， 設(shè)計制造出的功能 更集中、 效率更高并具有生物特征的機械。 仿生機械學(xué)研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、

2、 控制體 和機器人。 生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律， 包括生物體材料力學(xué)、 生物體機械力學(xué)和 生物體流體力學(xué)； 控制體是根據(jù)從生物了解到的知識建造的用人腦控制的工程技術(shù)系統(tǒng)， 如 機電假手等； 機器人則是用計算機控制的工程技術(shù)系統(tǒng)。 仿生機械學(xué)是以力學(xué)或機械學(xué)作為 基礎(chǔ)的，綜合生物學(xué)、 醫(yī)學(xué)及工程學(xué)的一門邊緣學(xué)科， 它既把工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、 生物學(xué)， 又把醫(yī)學(xué)、 生物學(xué)的知識應(yīng)用于工程技術(shù)。 它包含著對生物現(xiàn)象進行力學(xué)研究， 對生物的運 動、動作進行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會的要求付之實用化。 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴賃軔。 15 世紀(jì)意大利的列奧

3、納多 達芬奇認為人類可以模仿鳥類飛行，并繪制了撲翼機圖。到 19 世紀(jì)， 各種自然科學(xué)有了較大的發(fā)展， 人們利用空氣動力學(xué)原理， 制成了幾種不同類型的單 翼機和雙翼滑翔機。 1903 年，美國的萊特兄弟發(fā)明了飛機。然而，在很長一段時間內(nèi)，人們對于生物與機器之間到底有什么共同之處還缺乏認識，因而只限于形體上的模仿。直到 20 世紀(jì)中葉，由于原子能利用、航天、海洋開發(fā)和軍事技術(shù)的需要，迫切要求機械裝置應(yīng) 具有適應(yīng)性和高度的可靠性。 而以往的各種機械裝置遠遠不能滿足要求， 迫切需要尋找一條全新的技術(shù)發(fā)展途徑和設(shè)計理論。 隨著近代生物學(xué)的發(fā)展， 人們發(fā)現(xiàn)生物在能量轉(zhuǎn)換、

4、控制 調(diào)節(jié)、 信息處理、辨別方位、導(dǎo)航和探測等方面有著以往技術(shù)所不可比擬的長處。 同時在自 然科學(xué)中又出現(xiàn)了 “控制論 ”理論。 它是研究機器和生物體中控制和通信的科學(xué)， 奠定了機器 與生物可以類比的理論基礎(chǔ)。 1960 年 9 月在美國召開了第一屆仿生學(xué)討論會， 并提出了 “生 物原型是新技術(shù)的關(guān)鍵 ”的論題，從而確立了仿生學(xué)學(xué)科，以后又形成許多仿生學(xué)的分支學(xué) 科。 1960 年由美國機械工程學(xué)會主辦，召開了生物力學(xué)學(xué)術(shù)討論會。 1970 年日本人工手研 究會主辦召開了第一屆生物機構(gòu)討論會， 從而確立了生物力學(xué)和生物機構(gòu)學(xué)兩個學(xué)科， 在這 個基礎(chǔ)

5、上形成了仿生機械學(xué)。 聞創(chuàng)溝燴鐺險愛氌譴凈禍測。 仿生機械研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、 控制體和機器人， 生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī) 律，控制體和機器人是根據(jù)從生物了解到的知識建造的工程技術(shù)系統(tǒng)。 其中用人腦控制的稱 為控制體 (如肌電假手、裝具 )；用計算機控制的稱為機器人。仿生機械學(xué)的主要研究課題有 擬人型機械手、步行機、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機械。 殘騖樓諍錈瀨濟 溆塹籟婭騍。 7.4.1 生物形態(tài)與工程結(jié)構(gòu) 自然界中巧妙的薄殼結(jié)構(gòu)具有各種不同形狀的彎曲表面， 不僅外形美

6、觀， 還能夠承受相當(dāng)大 的壓力。在建筑工程上， 人們已廣泛采用這種結(jié)構(gòu)，如大樓的圓形屋頂、模仿貝類制造的商 場頂蓋等。 釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐顧葒。 動物界中， 辛勤的蜜蜂被稱為昆蟲世界里的建筑工程師。 它們用蜂蠟建筑極規(guī)則的等邊六角 1 / 12 形蜂巢， 無論從美觀和實用角度來考慮， 都是十分完美的。 它不僅以最少的材料獲得了最大 的利用空間，而且還以單薄的結(jié)構(gòu)獲得了最大的強度。 彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡詒爾。 在蜂巢的啟發(fā)下，人們仿制出了建筑上用的蜂窩結(jié)構(gòu)材料，具有重量輕、強度和剛度大、絕 熱和隔音性能

7、良好的優(yōu)點。 同時這一結(jié)構(gòu)的應(yīng)用， 已遠遠超出建筑界， 它已應(yīng)用于飛機的機 翼，宇宙航天的火箭，甚至于人類日常的現(xiàn)代化生活家具中。 謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔點鉍。 7.4.2 生物形態(tài)與運動 現(xiàn)代的各種交通工具，如汽車、飛機、艦船等，均需要一定的工作條件，若在崇山峻嶺或沼 澤中則無法工作。 但自然界中有各種各樣的動物， 在長期殘酷的生存斗爭中， 它們的運動器 官和體形都進化得特別適合在某種惡劣環(huán)境下運動，并有著驚人的速度。 廈礴懇蹣駢時盡繼價騷 巹癩。 7.5 仿生機械與機器人技術(shù)、康復(fù)工程 7.5.1 仿生機械與機器人技術(shù)

8、 仿生機器人是仿生機械學(xué)中的一個最為典型的應(yīng)用實例， 其發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了仿生機械 學(xué)的發(fā)展水平。日本和美國在仿生機器人的研究領(lǐng)域起步早，發(fā)展快，取得了較好的成果。 比如，日本東京大學(xué)在 1972 年研究出世界上第一個蛇形機器人，速度可達 40cm/s ；日本本 田技術(shù)研究所于 1996 年研制出世界上第一臺仿人步行機器人，可行走、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯和 跨越一定高度的障礙；美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué) 1999 年研制的仿袋鼠機器人采用纖維合成物作 為弓腿，被動跳躍時的能量僅損失 20～30％，最大奔跑速度超過 1m/s 。 煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈

9、淚 鍍齊。 我國對仿生機器人的研究始于20 世紀(jì) 90 年代，經(jīng)過十多年的研究， 在仿生機器人方面也取 得了很多成果， 研制出了相關(guān)的機器人樣機， 而且有些仿生機器人在某些方面達到了國外先 進水平。比如，北京理工大學(xué)于 2002 年研制出擬人機器人，具有自律性，可實現(xiàn)獨立行走 和太極拳等表演功能；北京航空航天大學(xué)和中國科學(xué)院自動化所于 2004 年研制出我國第一 條可用于實際用途的仿生機器魚， 其身長 1.23 米，采用 GPS導(dǎo)航，其最高時速可達 1.5m/s ， 能在水下持續(xù)工作 2~3 小時；南京航空航天大學(xué)

10、 2004 年研制出我國第一架能在空中懸浮飛 行的空中仿生機器人 ——撲翼飛行器；哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 2001 年研制的仿人多指靈巧手具 有 12 個自由度和 96 個傳感器，可完成戰(zhàn)場探雷、排雷以及檢修核工業(yè)設(shè)備等危險作業(yè)。 鵝 婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴縈詰。 7.5.2 仿生機器人的研究 1. 運動機理仿生 運動仿生是仿生機器人研發(fā)的前提。 而進行運動仿生的關(guān)鍵在于對運動機理的建模。 在 具體研究過程中， 應(yīng)首先根據(jù)研究對象的具體技術(shù)需求， 有選擇地研究某些生物的結(jié)構(gòu)與運

11、動機理，借助于高速攝影或錄像設(shè)備，結(jié)合解剖學(xué)、生理學(xué)和力學(xué)等學(xué)科的相關(guān)知識， 建立 所需運動的生物模型， 在此基礎(chǔ)上進行數(shù)學(xué)分析和抽象， 提取出內(nèi)部的關(guān)聯(lián)函數(shù)， 建立仿生 數(shù)學(xué)模型， 最后利用各種機械、 電子、化學(xué)等的方法與手段， 根據(jù)抽象出的數(shù)學(xué)模型加工出 仿生的軟、硬件模型。 籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)櫧撻。 生物原型是仿生機器人的研究基礎(chǔ)， 軟硬件模型則是仿生機器人的研究目的， 而數(shù)學(xué)模型則 是兩者之間必不可少的橋梁。 只有借助于數(shù)學(xué)模型才能從本質(zhì)上深刻地認識生物的運動機理， 從而不僅模仿自然界中已經(jīng)存在的兩足、 四足、六足以及多足行走方式， 同時還可以

12、創(chuàng)造出 自然界中所不存在的一足、三足等行走模式以及足式與輪式配合運動等。 預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴 買闥。 （1）無肢生物爬行仿生 無肢運動是一種不同于傳統(tǒng)的輪式或有足行走的獨特的運動方式。 目前所實現(xiàn)的無肢運動主要是仿蛇機器人，具有結(jié)構(gòu)合理、控制靈活、性能可靠、可擴展性強等優(yōu)點。美國的蛇形機 2 / 12 器人則代表了當(dāng)今世界的先進水平。 滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦鋇絨。 （2）雙足生物行走仿生 兩足型行走是步行方式中自動化程度最高、 最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。 世界上第一臺兩足步行機

13、 器人是日本在 1971 年試制的 Wap3，最大步幅 15mm ，周期 45s。但直到 1996 年日本本田 技術(shù)研究所才制造出世界上第一臺仿人步行機器人 P2。 1997 年本田推出 P3， 2000 年推出 ASIMO，索尼也相繼推出機器人 SDR23X 和 SDR24X。 鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡縫勵。 （3）四足等多足生物行走仿生 與雙足步行機器人相比， 四足、 六足等多足機器人靜態(tài)穩(wěn)定性好， 又容易實現(xiàn)動態(tài)步行，因 而特別受到包括中國在內(nèi)的近 20 多個國家的學(xué)者的青睞。日本 Tmsuk 公司開發(fā)的四足機

14、 器人首次實現(xiàn)了可移動重心的行走方式。 擁締鳳襪備訊顎輪爛薔報贏。 （4）跳躍運動仿生 跳躍運動仿生主要是模仿袋鼠和青蛙 . 美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的模仿袋鼠的弓腿跳躍機器人， 重 2. 5kg，腿長 25cm ，重 0. 75kg ，采用 1000NM/g 的單向玻璃纖維合成物作弓腿，被動 跳越時能量損失只有 20～ 30 %，最高奔跑速度略高于 1m/ s 。日本 Tamiya 公司開發(fā)了一種 袋鼠機器人，全長 18cm，低速時借助前后腿步行，高速時借助后退和尾部保持平衡，可通 過改變尾部轉(zhuǎn)向。明尼蘇達大學(xué)的微型機器

15、人可跳躍、滾動，可登樓梯，跳過小的障礙，兩 個獨立的輪子可幫助機器人在需要時滾到一定的位置。 美國太空總署和加州理工大學(xué)研制的 機械青蛙重約 1. 3kg，有一條腿，裝有彈弓，一躍達 1.8m ，可自行前進及修正路線，適合執(zhí) 行行星、彗星及小行星的探索任務(wù)。 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷鯛漢。 （5）地下生物運動仿生 江西南方治金學(xué)院袁勝發(fā)等人模仿蚯蚓研制了氣動潛地機器人， 由沖擊鉆頭和一系列充氣氣 囊節(jié)環(huán)構(gòu)成，潛行深度 10m ，速度 5m/min ，配以先進的無線測控系統(tǒng)，具有較好的柔軟性 和導(dǎo)向性，能在大

16、部分土壤里潛行，但還不能穿透堅硬的巖石。 壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚躋馱。 （6）水中生物運動 (游泳 ) 仿生 海洋動物的推進方式具有高效率、低噪聲、高速度、 高機動性等優(yōu)點，成為人們研制新型高 速、低噪音、機動靈活的柔體潛水器的模仿對象。突出的代表有美國 MIT 的機器金槍魚和 日本的魚形機器人。 機器金槍魚由振動的金屬箔驅(qū)動外殼的變形， 模仿金槍魚擺動推進。 繼 機器金槍魚之后， 他們還研制出機器梭子魚和一種渦流控制的無人駕駛水下機器人。 日本東 海大學(xué)的機器魚利用人工前鰭來達到前進及轉(zhuǎn)彎等相關(guān)動作， 相對于機器金槍魚而言

17、擺動較 小。北京航空航天大學(xué)的機器魚重 800g，在水中最大速度為 0. 6m，能耗效率為 70 %至 90 %。 上海交通大學(xué)模仿水蛭節(jié)狀結(jié)構(gòu)研制出了水下蠕蟲機器人。 蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅籜葦。 （7）空中生物運動 (飛行 ) 仿生 目前對飛行運動進行仿生研究的國家主要是美國， 劍橋大學(xué)和多倫多大學(xué)也在開展相關(guān)方面 的研究工作。 加州大學(xué)伯克利分校制造了機器人蒼蠅， 翼展 3cm ，重量 300mg，依靠 3 套不 同的復(fù)雜機械裝置來進行拍打翅膀、旋轉(zhuǎn)操作，每秒振翅 200 次。 Georgia 理工學(xué)院與劍橋 大學(xué)

18、合作研制了類似飛蛾的昆蟲機器人 Entomopter ，體寬 1cm ，每秒振翅 30 次，靠化學(xué) “肌 肉”驅(qū)動。 買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄屆嬌。 2. 控制機理仿生 控制仿生是仿生機器人研發(fā)的基礎(chǔ)。 要適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境， 仿生機器人必須具備強大的導(dǎo)航、定位、 控制等能力；要實現(xiàn)多個機器人間的無隙配合，仿生機器人必須具備良好的 群體協(xié)調(diào)控制能力。 要解決復(fù)雜的任務(wù)， 完成自身的協(xié)調(diào)、完善以及進化， 仿生機器人必須具備精確的﹑開放的系統(tǒng)控制能力。如何設(shè)計核心按制模塊與網(wǎng)絡(luò)以完成自適應(yīng)、群控制、 類進化等這一系列問題，已經(jīng)成為仿生機器人研發(fā)過程中的首要難題。

19、綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴飆 鈧。 3 / 12 自主控制系統(tǒng)主要用于在未知環(huán)境中， 系統(tǒng)的有限人為介入或根本無人介入操作的情形， 它 應(yīng)具有與人類似的感知功能和完善的信息結(jié)構(gòu)， 以便能處理知識學(xué)習(xí)， 并能與基于知識的控 制系統(tǒng)進行通訊。嵌套式分組控制系統(tǒng)有助于知識的組織，基于知識的感知與控制的實現(xiàn)。 驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦諑瓊。 3. 信息感知仿生 感知仿生是仿生機器人研發(fā)的核心。 為了適應(yīng)未知的工作環(huán)境， 代替人完成危險、 單調(diào)和困難的工作任務(wù)，機器人必須具備包括視覺、聽覺、嗅覺、接近覺、觸覺、力覺等多種感覺在

20、內(nèi)的強大的感知能力。 單純地感測信號并不復(fù)雜， 重要的是理解信號所包含的有價值的信息。 因此，必須全面運用各時域、頻域的分析方法和智能處理工具，充分融合各傳感器的信息， 相互補充， 才能從復(fù)雜的環(huán)境噪聲中迅速地提取出所關(guān)心的正確的敏感信息， 并克服信息冗 余與沖突，提高反應(yīng)的迅速性和確保決策的科學(xué)性。 貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡獻鵬。 仿生系統(tǒng)需要的最重要的感覺能力可分為以下幾類： (1) 簡單觸覺：確定工作對象是否存在； (2) 復(fù)合觸覺；確定工作對象是否存在以及它的尺寸和形狀 (3) 簡單力覺：沿一個方向測量力； (4) 復(fù)

21、合力覺：沿一個以上方向測量力： (5) 接近覺：工作對象的非接觸檢測； (6) 簡單視覺：孔、邊、攝角等的檢測； (7) 復(fù)合視覺：識別工作對象的形狀等。 仿生系統(tǒng)對傳感器的一般要求是： (1)精度高、重復(fù)性好。傳感器的精度往往直接影響仿生系統(tǒng) (機器人 )的工作質(zhì)量，機器人 系統(tǒng)能否準(zhǔn)確無誤地工作取決于傳感器的測量精度。 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔嗚訝。 (2)穩(wěn)定性好、可靠性高。機器人傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機器人能夠長期穩(wěn)定工作 的必要條件。 機器人經(jīng)常是在無人照管的條件下代替人工進行操作， 萬一它在工作中出現(xiàn)事

22、 故，輕者影響工作的正常進行，重者造成嚴(yán)重的事故。 構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖門戲。 (3)抗干擾能力強。機器人傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，因此需要傳感器能夠承受強電 磁干擾、強振動，并能夠在一定的高溫、高壓、高污染環(huán)境下正常工作。 輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩 蠐鑭。 (4)質(zhì)量輕、體積小，安裝方便可靠。對于安裝在機器人手臂等運動部件上的傳感器，質(zhì)量 要輕， 否則會加大運動部件的慣性． 影響機器人的運動性能。 對于工作空間受到某種限制的 機器人，對體積和安裝方向的要求也是必不可少的。 堯側(cè)閆繭絳闕絢勵蜆贅瀝紕。 4. 能量代謝仿生 能量仿生是仿生機器人研

23、發(fā)的關(guān)鍵。 生物的能量轉(zhuǎn)換效率最高可達 100％，肌肉把化學(xué)能轉(zhuǎn) 變?yōu)闄C械能的效率也接進 50％，這遠遠超過目前各種工程機械，肌肉還可自我維護、長期使用。因此，要縮短能量轉(zhuǎn)換過程，提高能量轉(zhuǎn)換效率，建立易于維護的代謝系統(tǒng)，就必須 重新回到生物原型，研究模仿生物直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機械能的能量轉(zhuǎn)換過程。 識饒鎂錕縊 灩筧嚌儼淒儂減。 5. 材料合成仿生 材料仿生是仿生機器人研發(fā)的重要部分。 許多仿生材料具有無機材料所不可比擬的特性， 如 良好的生物相容性和力學(xué)相容性， 并且生物合成材料時技能高超、 方法簡單， 所以研究目的 一方面在于學(xué)習(xí)生物的合成材料方法

24、， 生產(chǎn)出高性能的材料， 另一方面是為了制造有機元器 件。因此仿生機器人的建立與最終實現(xiàn)并不僅僅依賴于機、電、液、光等無機元器件，還應(yīng) 結(jié)合和利用仿生材料所制造的有機元器件。 凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴鈹賄。 7.5.3 康復(fù)工程與假肢技術(shù) 4 / 12 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(yīng)和方便； 另一個就是屬于康復(fù)工程的范疇， 它是通過綜合應(yīng)用精密機械、 現(xiàn)代控制和 信息處理等

25、技術(shù)來設(shè)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(shù)的發(fā)展， 開拓了機器人在康復(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。 恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦聰櫻。 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(shè)于人體外、 且構(gòu)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

26、的動作指令必須利 用殘疾人殘存的機能。 鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫搖飭。 7.5.3 康復(fù)工程與假肢技術(shù) 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)生的動作位移和部分肌肉收縮所產(chǎn) 生的膨起位移等，這是一種基本的方法。 碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞鷥膠。 (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。 閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖輛塤。 (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

27、，是研究醫(yī)療機器人的一個重要課題。 氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩紛釓。 1. 直接代償?shù)钠餍? 這種器械，如假手、假足等，都是直接安裝于人體上，用來代償失去的功能，它們設(shè)計的出 發(fā)點是盡可能地采用與人體一樣的形狀、 功能和動作方式。 此外，便于攜帶也是研制這種器械的一個共同問題。為此，運動自由度的配置、結(jié)構(gòu)的輕量和小型化、以及操作方便、可靠 性高，是研制這些器械的主要問題。 釷鵒資贏車贖孫滅獅贅慶獷。 對于假手來說， 根據(jù)空間機構(gòu)學(xué)的分折， 為了滿足殘疾人必要的日常生活動作的要求， 全臂 假手的自由度，除了手指外，必須有 6～7 個，即肩部 3 個、肘部 1 個、前臂

28、 3 個自由度。 但是， 對于這么多的自由度數(shù)， 是不可能都利用殘疾人殘存的機能來進行控制， 而必須采用獨立的控制系統(tǒng)。所以，應(yīng)用微型計算機控制，已成為全臂電動假手研制的一個主要方向。 慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫長涼馴鴇。 1. 直接代償?shù)钠餍? 2. 間接代償?shù)钠餍? 當(dāng)前，由于交通事故、 體育故事及工傷事故引起脊椎損傷而造成四肢癱瘓或行動不自由的患 者日益增多， 所以間接代償器械的研究在許多國家中都很重視。 在這項技術(shù)中， 主要問題是 選擇操縱方式。 由于患有高位截癱的病人，

29、 只能利用一些殘存的機能來作為動作指令， 所以需要使用一些專門的傳感器。 諺辭調(diào)擔(dān)鈧諂動禪瀉類謹覡。 5 / 12 7.6 仿生機械實例 7.6.1 仿生機器蟹 仿生機器蟹的外形和功能以三疣梭子為生物原型， 共有 8 只步行足， 每只步行足有 3 個驅(qū)動 關(guān)節(jié)，共有 24 個驅(qū)動關(guān)節(jié)，由 24 臺伺服電機驅(qū)動，形成 24 個自由度。仿生機器蟹模擬海 蟹的多種步態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的前行、側(cè)行、左右轉(zhuǎn)彎、后退等 14 個動作。步行足配有 16 只力傳感器， 來感知外部環(huán)境， 檢測足尖落地和步行

30、足是否碰到障礙物等信息， 為步行足的 路徑規(guī)劃提供信息。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架采用嵌入式結(jié)構(gòu)，以 ARM 系統(tǒng)、 DSP 芯片作為仿生機 器蟹的核心控制器， 完成復(fù)雜運動的規(guī)劃和協(xié)調(diào)任務(wù)的運算。 該系統(tǒng)采用紅外線遙感、 力傳 感器、 視覺傳感器等， 運用多傳感器信息融合技術(shù)實時辨別外界環(huán)境， 使機器蟹具有較高的 智能性，能夠?qū)崿F(xiàn)在沙灘、平地、草地等環(huán)境中前進、后退、左右側(cè)行及任意位置、任意角 度、任意方向的轉(zhuǎn)彎等。機器蟹利用紅外線遙感控制，具有一定的越障能力和爬坡能力。 嘰 覲詿縲鐋囁偽純鉿錈癱懇。

31、 7.6.2 水母機器人 “水母 ”機器人是由德國費斯托公司所研制生產(chǎn)。它長有觸角，體內(nèi)充滿了氦氣，在空中飄浮 時就好像水中浮動的水母一樣。 “空中水母 ”的靈活性與便捷性體現(xiàn)了人工智能方面的研究成 果，將在海底勘探和航空航天等領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景。 熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機庫圓鍰。 6 / 12

32、 7.6.3 仿生機器魚 水下機器人由于其所處的特殊環(huán)境，在機構(gòu)設(shè)計上比陸地機器人難度大。在水下深度控制、 深水壓力、 線路絕緣處理及防漏、 驅(qū)動原理、 周圍模糊環(huán)境的識別等諸多方面的設(shè)計均需考 慮，以往的水下機器人采用的都是魚雷狀的外形， 用渦輪機驅(qū)動， 具有堅硬的外殼以抵抗水 壓. 由于傳統(tǒng)的操縱與推進裝置的體積大、重量大、效率低、噪音大和機動性差等問題一直 限制了微小型無人水下探測器和自主式水下機器人的發(fā)展。 魚類在水

33、下的行進速度很快， 金 槍魚速度可達 105km /h ，而人類最快的潛艇速度只有 84km /h ，所以魚的綜合能力是人類目 前所使用的傳統(tǒng)推進和控制裝置所無法比擬的，魚類的推進方式已成為人們研制新型高速、 低噪音、 機動靈活的柔體潛水器模仿的對象。 仿魚推進器效率可達到 70～90%，比螺旋槳推 進器高得多，有效地解決了噪音問題。 鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞闋簣。 機器金槍魚 (如圖 )是麻省理工學(xué)院自 “查理 ”之后在機器魚研制方面取得的最新成果。這個新原型擁有柔軟的身體， 體內(nèi)只裝有 1 臺發(fā)動機以及 6 個移動部件， 使其能夠在更大程度上模

34、擬真實魚的移動。 紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖覲僨。 由于身體完全由一整塊柔軟的聚合體材料制成， 避免了水破壞脆弱內(nèi)部零件的可能性。 雖然 仿真程度極高， 但人們決不會將這款機器人誤認為真正的金槍魚。 真正的金槍魚每秒游動距 離最遠可達到體長的 10 倍，而機器金槍魚的成績卻只有 1 個身長。 穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧漲負。 英國巴斯大學(xué)最新研制的一種水下機器人 ——“ Gymnobot”，從外形上和游動姿式上都非常像 魚類，據(jù)稱該設(shè)計的原型是亞馬遜河寶刀魚（ knifefish

35、）。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻減棲。 英國巴斯大學(xué)威廉－梅吉爾（ William Megill ）是 “Gymnobot”的設(shè)計者，他說： “這款類似淡水魚的機器人， 其肌肉組織是它的推進器， 其腹部安裝一個鰭片， 鰭片波浪形擺動可推動機 器魚前進。 ”銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼鏗穎。 7 / 12 中國第一條可用于實際應(yīng)用的仿生機器魚已于 2004 年研制成功。技術(shù)人員可通過一個手掌 大小的遙控器和一臺計算機，對身長 1.23 米，通體色澤亮黑，外形逼真的機器魚發(fā)號各種 指令。 水間的機器魚自由靈活地穿波逐浪， 載沉載浮。 如果不是頭部上方

36、一個顯眼的白色圓 頂 GPS導(dǎo)航天線，水中的機器魚令人真假難辨。負責(zé) “SPC-II 仿生機器魚 ”項目研究的是北京 航空航天大學(xué)機器人研究所和中國科學(xué)院自動化研究所。 這條機器魚由動力推進系統(tǒng)、 圖像 采集和圖像信號無線傳輸系統(tǒng)、 計算機指揮控制平臺三部分組成， 主要制造材料為玻璃鋼和纖維板。它的最高時速可達 1.5 米 / 秒，能夠在水下連續(xù)工作 2 至 3 小時。 擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類 羋罷。 7.6.4 仿生企鵝 這種仿生企鵝通過其特殊的鰭可

37、在水中像真實企鵝一樣游動， 另一種體型稍大的充滿氦 氣的仿生企鵝也可在空中 “漂游 ”。這些仿生企鵝在德國漢農(nóng)沃 -梅塞（ Hannover Messe ）貿(mào)易 展覽會上展出。 這兩種仿生企鵝都攜帶著由柏林 EvoLogics研制的 3D 聲納系統(tǒng)， 該系統(tǒng)能夠 監(jiān)控企鵝的周圍環(huán)境，避免與水池壁或其他企鵝相碰撞。 賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈極嚕。 7.6.5 機器龍蝦 機器龍蝦 (如圖）是艾爾斯為美國海軍位于東北的海洋學(xué)中心研制。機器龍蝦擁有很高的靈

38、 活性， 可用于探測水下礦藏。 就像真龍蝦一樣， 這種小型機器人也長著能夠感知障礙物的觸須，8 條腿允許它們朝著任意一個方向移動，爪子和尾巴則幫助它們在湍急的水流以及其它 環(huán)境下保持身體穩(wěn)定性。 塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊庫麩適。 8 / 12 7.6.6 機器蒼蠅 哈佛大學(xué)研制出了一款體型小巧的機器蒼蠅， 可用于隱蔽地偵察有毒物質(zhì)。 目前，首只機器 蒼蠅原型機已經(jīng)制造完畢，重量只有 60 毫克，

39、翼展不超過 3 厘米。 裊樣祕廬廂顫諺鍘羋藺遞燦。 為了讓機器蒼蠅看起來更像是真正的蒼蠅，研究人員在研制過程中還用到了激光加工技術(shù)。 借助激光，科學(xué)家們成功制造出了極其纖薄的碳纖維薄片。 通過將這些碳纖維薄片進行連接， 研究人員成功地將各種功能組件連接在了一起。 倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁絛鯛。 7.6.7 機器雨燕 一種模擬雨燕似的機器鳥 ——機器雨燕進行首次飛行后， 證實其可變形的羽毛翅膀的飛翔能 力不同凡響，它能像普通雨燕那樣改變翅膀的形

40、狀，高速靈活地飛行。 綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧恒 蟬。 機器雨燕翼展達 51 厘米，重量不超過 80 克，攜帶 3 個微型攝像機，可以讓它成為翱翔天 空的空中間諜。此外，其電子馬達可以驅(qū)動它跟隨真鳥群飛行 20 分鐘，在不打擾野鳥的情 況下對野鳥進行科學(xué)觀察； 或盤旋在人群或車輛上方， 為政府和司法部門執(zhí)行一個小時的對 地偵察。 驍顧燁鶚巰瀆蕪領(lǐng)鱺賻驃弒。 7.6.8 仿生蚱蜢跳躍機器人 9 / 12 由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院智

41、能系統(tǒng)實驗室的研究人員發(fā)明的仿生蚱蜢跳躍機器人就身長和 體重而言，其跳躍距離比現(xiàn)存任何跳躍式機器人都要遠出 10 倍以上。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的 研究生米可 -科瓦克表示： “我們設(shè)計的這個機器人擁有同蚱蜢一樣的跳躍性能。沙漠蚱蜢身 長只有 3 厘米，可是它的跳躍距離高達 1 米。為了設(shè)計出跳躍性能如此好的機器人， 我們對 蚱蜢進行了仔細分析，并應(yīng)用了同樣的生物力學(xué)設(shè)計原理。 ”瑣釙濺曖惲錕縞馭篩涼貿(mào)錒。 7.6.9 仿生機器壁虎 仿生機器人壁

42、虎 “神行者 ”作為一種體積小、 行動靈活的新型智能機器人， 有可能在不久的將來廣泛應(yīng)用于搜索、 救援、反恐，以及科學(xué)實驗和科學(xué)考察。 機器人壁虎能在各種建筑物的墻面、 地下和墻縫中垂直上下迅速攀爬， 或者在天花板下倒掛行走，對光滑的玻璃、粗糙或 者粘有粉塵的墻面以及各種金屬材料表面都能夠適應(yīng)， 能夠自動辨識障礙物并規(guī)避繞行， 動 作靈活逼真。其靈活性和運動速度可媲美自然界的壁虎。 鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類礙穡。 7.6.10 仿生快速穿越沙地機器人 對于大多數(shù)車輛而

43、言， 一旦陷入沙地便無計可施， 只有等待救援。 美國科學(xué)家利用仿生學(xué)研 制出一種機器人，它通過模仿沙漠動物的移動技巧，可以快速安全地穿越松散的地形。 櫛緶 歐鋤棗鈕種鵑瑤錟奧傴。 穿越松軟沙地時， 機動車高速行駛的后果往往是陷入 “沙沼 ”無法自拔， 其主要原因在于車輛 的重量使得松散的沙地在輪胎下方塌陷。 美國宇航局火星探測器等也受同樣問題困擾： 如果 它們的 “肢體 ”在結(jié)構(gòu)松軟的表面前進得過快， 探測器便有下陷的危險； 而慢速行駛則會讓它 們在穿越這種地帶時浪費太多時間。 轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)頁諳。 佐治亞理工學(xué)院科學(xué)家丹尼爾 戈德曼領(lǐng)導(dǎo)的研究小

44、組找到了一個折中的方法。 他們注意到， 沙漠中生活的蜥蜴和蟑螂等動物在穿越沙漠時有獨特的方法： 它們的四肢在與沙地接觸過程 10 / 12 中運動非常緩慢， 而在四肢騰空至再次觸地之前的運動則非常迅速。 這使得這些動物能夠在松散的沙漠中安全快速前行。 峴揚斕滾澗輻灄興渙藺詐機。 7.6.11 仿生機器蛇 機器蛇是一種新型的仿生物機器人， 與傳統(tǒng)的輪式或兩足步行式機器人不同的是， 它實現(xiàn)了

45、像蛇一樣的 “無肢運動 ”，是機器人運動方式的一個突破。它具有結(jié)構(gòu)合理、控制靈活、性能 可靠、可擴展性強等優(yōu)點。在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如在有輻射、有粉塵、有毒及 戰(zhàn)場環(huán)境下，執(zhí)行偵察任務(wù)；在地震、塌方及火災(zāi)后的廢墟中找尋傷員；在狹小和危險條件 下探測和疏通管道； 為人們在實驗室里研究數(shù)學(xué)、 力學(xué)、 控制理論和人工智能等提供實驗平 臺。 詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁靈韜。 以色列的這款 “機器蛇 ”長約 2 米，其外觀和動作與真蛇別無二致， 因此能夠方便用來進行軍 事偽裝。它能通過穿越洞穴、隧道、 裂縫和建筑物秘密地到達目的地， 同時發(fā)送圖片和

46、聲音 給士兵，士兵通過一臺由電腦控制的裝置接收其發(fā)回的信息。其次， “機器蛇 ”還可以用于攜 帶爆炸物到指定地點。 則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧華縉。 中國研制的這條長 1.2 米、直徑 0.06 米、重 1.8 公斤的機器蛇，能像蛇一樣扭動身軀在地上 或草叢中自主地運動，可前進、后退、拐彎和加速，其最快運動速度可達每分鐘 20 米。頭 部是機器蛇的控制中心， 安裝有視頻監(jiān)視器， 在其運動過程中可將前方景象實時傳輸?shù)胶蠓? 的電腦中，科研人員根據(jù)實時傳輸?shù)膱D像觀察運動前方的情景，

47、向機器蛇發(fā)出各種遙控指令。 這條機器蛇披上 “蛇皮 ”外衣后，還能像蛇一樣在水中游泳。 脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻鏘詠。 11 / 12 7.6.12 水面行走機器人 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)， 昆蟲之所以能夠在水面上迅速行走， 是靠水下微小漩渦形成的推力， 而并非是 像過去人們想象的那樣完全依靠水的表面張力。 受到自然界昆蟲能在水面行走的啟發(fā)， 來自 卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)的邁汀 斯廷教授在美國麻省理工學(xué)院 (MIT) 科學(xué)家的協(xié)助下， 帶領(lǐng)科研人員 研制出首個具備水面行走能力的微型機器人， 這部裝置在外形上看起來與人們所熟知的水面 掠行蟲或水上蚤非常相似。 鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減萵輳。 12 / 12