仿生机械学概论

1、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 1 第第1 1章章 仿生学系统概论仿生学系统概论 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、仿生机械学的含义 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。 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。 3 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

2、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。 4 生活中生活中 的的 仿生学仿生学 凤蓬草凤蓬草 轮子轮子 鱼尾鱼尾 船橹船橹 人眼晶状体人眼晶状体 透镜透镜 生物电生物电 电池电池 鸟鸟 飞机飞机 5 6 例如，人的细胞有例如，人的细胞有100150亿个神经元，但亿个神经元，但 每小时约有每小时约有1000个神经元发生障碍，一年之个神经元发生障碍，一年之 内就差不多有内就差不多有900万个神经元丧失机能。然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而，令人惊叹

3、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多方面，电子计算机甚至不及昆虫的区区之 脑。螳螂能在脑。螳螂能在0.05秒的一瞬间，计算出飞掠秒的一瞬间，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。型电子跟踪系统所望尘莫及的。 仿生学的研究 通过对人脑机制(欲望、感情、睡眠

4、、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。 7 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

5、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。 8 9 实际上它是一门涉及广阔领域的综合性的边缘 学科， 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)。 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

6、，可把传 统的机械称之为一般机械。表11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。 10 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 仿生学的研究方法仿生学的研究方法 图图1-1 仿生学的研究方法仿生学的研究方法 仿生技法仿生技法 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

7、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。 12 13 上述三个过程可以用框图来表示。见图上述三个过程可以用框图来表示。见图11。 图图1-2 仿生技法构成图仿生技法构成图 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、从执独想到坦克、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

8、想到吸盘、从贝壳想到建筑等等。如通 过对蜜蜂筑巢的研究，人们模仿蜂巢已制造出自重轻、强 度高的烽巢夹层结构(在B52轰炸机上就采用这种结构)。 但如果再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： 14 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，

9、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。 15 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“

10、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。 16 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“领顽肌”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

11、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。 17 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。 18 5技术仿生 在隧道工程中得到广泛使用的“构质施

12、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”。 19 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

13、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。 20 21 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

14、优论的观点来学习、模拟 建造工程结构系统是很有价值的。 二、仿生机械学的研究动向 22 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。 23 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

15、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。 24 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

16、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。 25 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。 26 三、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

17、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。 27 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。 28 为了要使机器人

18、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

19、运用。 29 (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。 图图1.2高级机器人的软件高级机器人的软件 人；人； 一环境；一环境； 1一知识一知识(事实和规则、假说、外界棋型事实和规则、假说、外界棋型)；2一自然语言处理；一自然语言处理；3一问题对策一问题对策 4一运动控制；一运动控制； 5一输入信息分析；一输入信息分析； 6一效果器一效果器 ； 7一感觉器一感觉器 30 四、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

20、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。 图图1.3工业机器人的系统组成工业机器人的系统组成 机械手部机械手部 控制部控制部 人类人类 1手臂；手臂；2手抓；手抓；3传感器；传感器；4驱动器驱动器 5控制器；控制器；6存储器；存储器；7示教器示教器 31 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

21、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。 图图1.4 智能机器人的控制系统智能机器人的控制系统 1一操作人员；一操作人员；2指令处理与判断装置；指令处理与判断装置；3一驱动机构；一驱动机构； 4一工作对象；一工作对象；5一传感器；一传感器；6识别装置识别装置 32 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 33 近些年来，这些研究与超大规模集成电路、半导体传感器

22、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。 康复工程与假肢技术康复工程与假肢技术 34 根据对功能障

23、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

24、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。 35 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。 直接代偿的器械直接代偿的器械 图图1-5全臀电动因手的研究系统全臀电动因手的研究系统 17自由度电动假手；自由度电动假手；2 手套、臂筒；手套、臂筒；3微型计算机；微型计算机；4肌电控制；肌电控制； 5电源；电源；6人比和电动假手的运动分析；人比和电动假手的运动分析；7声音控制声音控制 36 图图1-6 肌电控制前臂假手传动与控制系统肌电控制前臂假手传动与控制系统 (a)传动系统；传动系统；(b)控制电路控制电路 I一伸肌；一伸肌； 一屈肌一屈肌 1一电极；一电极；2放大；放大；3一整流滤波；一整流滤波；4一阈值电路；一阈值电路； 5一欠压保护；一欠压保护；6电子开关；电子开关；7一电动机一电动机 37 38 图图1-7 多自由度假手肌电控制信号系统