仿生機械學(xué)概論

第1章 仿生學(xué)系統(tǒng)概論 仿生學(xué)的定義 仿生機械學(xué)的含義 仿生機械學(xué)的研究動向 機器人技術(shù)概述 機器人的發(fā)展 1 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。相傳早在大禹時期，我國古代勞動人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動、轉(zhuǎn)彎，他們就在船尾上架置木槳。通過反復(fù)的觀察、模仿和實踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動力，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。 2 一、仿生學(xué)的定義 3 英 國 Essex大 學(xué) .avi 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)計和制造了一架撲翼機，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，人類在運用自己創(chuàng)造本領(lǐng)的同時，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，最終實現(xiàn)了我們想要的功能。那么，這一切要歸功于，或者劃分在什么領(lǐng)域呢？其實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。 4 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)， 若以機械學(xué)為中心來考慮，則構(gòu)成了仿生機械學(xué)(biomechanisms)。 5 二、仿生學(xué)的研究對象 研究生命的結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換和信息流動的過程，并利用電子、機械技術(shù)對這些過程進(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。 6 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 7 8 例如，人的細(xì)胞有100150億個神經(jīng)元，但每小時約有1000個神經(jīng)元發(fā)生障礙，一年之內(nèi)就差不多有900萬個神經(jīng)元喪失機能。然而，令人驚嘆的是，大腦并沒有因此而喪失其各種機能?？墒?，電子計算機卻不行，只要其中任何一個元件損壞或發(fā)生故障，便會影響整個系統(tǒng)的工作性能。極而言之，在許多方面，電子計算機甚至不及昆蟲的區(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)的研究對象 通過對人腦機制(欲望、感情、睡眠、學(xué)習(xí)和記憶等)的研究，出現(xiàn)了利用計算機的教育系統(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)用于機器人的人工眼； 通過對生物聽覺模型和機制的研究(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)、水中聲納和聲音識別裝置等； 通過研究有關(guān)肌肉收縮的物理化學(xué)機制及其在運動神經(jīng)指揮下的動作機制，研制了人工肌肉、電子假手、機械手、人力放大器、自動機，并在這基礎(chǔ)上制造接近人類智能的機械等。 9 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；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；蚊子測向器；水母風(fēng)暴預(yù)警器； 沙蟹制圖機；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。 10 11 三、仿生機械學(xué) 仿生機械學(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。包含著對生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對生物的運動、動作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會的要求付之實用化。 仿生機械從其構(gòu)詞成分來看，它應(yīng)該是指添加有人類智能的一類機械。為區(qū)別起見，可把傳統(tǒng)的機械稱之為一般機械。表11列出一般機械與人類能力的比較，可以看出在物理和機械機能方面，一般機械較為優(yōu)越，但在智能方面卻比人類要顯得特別低劣。因此，若把人機結(jié)合起來，就有可能使一般機械進(jìn)化到仿生機械。 12 四、仿生機械學(xué)的研究方法 仿生技法的核心是研究對象(問題)與生物系統(tǒng)相關(guān)問題的類比。這一技法實施大體分為 (1)根據(jù)生產(chǎn)實際提出技術(shù)問題，選擇性地研究生物體的某些結(jié)構(gòu)和功能，簡化所得的生物資料，擇其有益內(nèi)容，得到一個生物模型。 (2)對生物資料進(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)、機械等技術(shù)手段。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，最終實現(xiàn)對生物系統(tǒng)的工程模擬。 13 生物體生物模型數(shù)學(xué)模型技術(shù)模型技術(shù)裝置 四、仿生機械學(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、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。如通過對蜜蜂筑巢的研究，人們模仿蜂巢制造出自重輕、強度高的烽巢夾層結(jié)構(gòu)(B52轟炸機上就采用這種結(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方面： 15 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“檢測器”，研制了用來對機器人眼送來的信息進(jìn)行處理的特殊計算機；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，其靈敏度甚至可達(dá) 狗鼻子的1000倍。 16 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)、運動控制、動物的定向與導(dǎo)航、生態(tài)系統(tǒng)的漲落及人機系統(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“儲光天文羅盤”。這種羅盤對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陀螺儀，廣泛應(yīng)用于高速飛行的火箭和飛機上。 17 3力學(xué)仿生 主要通過研究模擬生物的機械原理以及結(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”的形式成對地排列的。這種利用兩個產(chǎn)生拉力的“單向力裝置”組成的雙向運動機械系統(tǒng)，遠(yuǎn)比工程技術(shù)上慣用的一個推拉“雙向動力裝置”組織的系統(tǒng)優(yōu)越得多。對額頑肌的模擬，圓滿地解決了各種“機器人”、“步行機”等的行走機構(gòu)的設(shè)計。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)。 18 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。 19 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”。 20 6原理仿生 蘇聯(lián)科學(xué)院動物研究所研究了地球上許多動物的運動后，模仿其運動原理設(shè)計研制了各種新穎的交通工具：按蜘蛛的爬行原理設(shè)計出軍用越野車；根據(jù)蛇的爬行原理設(shè)計并改善了履帶車的噪聲；利用企鵝奔跑的原理設(shè)計了雪地汽車；甚至還準(zhǔn)備參照袋鼠的運動方式來設(shè)計一種可以跳越障礙的越野車。 21 22 1生物材料力學(xué)和機械力學(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)作為對象，通過模型實驗方法，測定其應(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)的評價函數(shù)，例如人體骨骼系統(tǒng)具有最少材料、最大強度的構(gòu)造形態(tài)。這些最優(yōu)評價函致是物質(zhì)的數(shù)量和能量消耗量的函數(shù)，所以按這種最優(yōu)論的觀點來 學(xué)習(xí)、模擬建造工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是很有價值的。 六、仿生機械學(xué)的研究動向 23 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脈中的脈動波作為彈性管中的波動傳播問題進(jìn)行處理分析，已有血流動力學(xué)的專著出版，但是這部分仍有許多問題未解決，特別是因為它的研究與心血管疾病關(guān)系十分密切，所以已成為一門很受關(guān)注的學(xué)科。 24 3生物運動學(xué)生物的運動十分復(fù)雜，因為它與骨骼和肌肉的力學(xué)現(xiàn)象、感覺反饋及中樞控制牽連在一起。雖然各種動物的運動或人體各種器官的運動測定與分析都是重要的基礎(chǔ)研究，但是在仿生機械學(xué)中，特別重視人體上肢運動及步行姿態(tài)的測定與分析，因為人體上肢運動機能非常復(fù)雜，而下膠運動分析對動力學(xué)研究十分典型。另外，若能從包含有力學(xué)問題的綜合觀點對復(fù)雜的動作和作業(yè)進(jìn)行分析，對下述的康復(fù)工程研究將有很大幫助。 25 4生物運動能量學(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。從運動能量消耗最優(yōu)性的觀點對生物體的運動形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能等進(jìn)行分析、研究，特別是對有關(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)在與仿生機械學(xué)有關(guān)的康復(fù)工程學(xué)科中，包括有如動力假肢、電動車椅子、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)，例如對于動力假肢，只有在解決了材料、能源、控制方式、信號反饋與精密機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系統(tǒng)進(jìn)行評價、實用，所以它們通往實用化的道路是很嚴(yán)格的。 26 6機器人工程學(xué)它是把生物學(xué)的知識應(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)害時等異常環(huán)境中幫助人類進(jìn)行作業(yè)。機器人不僅要具有移動功能的人造手足，而且還要有感覺反饋功能及人工智能。目前，關(guān)于人造手、步行機械、三維物體或聲音的類型識別等的研究都在積極進(jìn)行。 27 七、機器人技術(shù)概述 機器人的組成機 器 人 這 個 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 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 ， 在 市 場 上 出 現(xiàn) 了 兩 種 工 業(yè) 機 器 人 ， 一 種 取 名為 Unimate(萬 能 自 動 機 械 )， 一 種 取 名 為 Versatran(通 用 搬 運機 械 )， 并 構(gòu) 成 為 今 天 機 器 人 發(fā) 展 的 基 型 。一 般 說 來 ， 可 以 從 兩 個 角 度 對 機 器 人 進(jìn) 行 定 義 。 若 從 工程 角 度 ， 認(rèn) 為 它 是 屬 于 一 種 自 動 機 械 ， 具 有 對 環(huán) 境 的 通 用 性和 適 應(yīng) 性 ， 操 作 程 序 易 變 ， 且 可 實 現(xiàn) 獨 立 的 隨 意 的 運 動 。 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 械 ， 它 能 執(zhí) 行 與 人 類 似 的 動 作 ， 且 具 有 類 似 人 的 某 種 智 能 ，如 記 憶 、 再 現(xiàn) 、 邏 輯 運 算 、 學(xué) 習(xí) 、 判 斷 、 感 知 等 。 28 機 器 人 的 組 成 可 包 括 硬 件 和 軟 件 兩 大 部 分 。 從 著 重 于 對 生物 機 能 模 擬 的 觀 點 ， 高 級 機 器 人 的 典 型 硬 件 結(jié) 構(gòu) 可 用 圖 1.1表示 。 29 為 了 要 使 機 器 人 能 夠 從 事 復(fù) 雜 的 工 作 ， 執(zhí) 行 與 人 相 似 的 一些 動 作 ， 必 須 要 使 它 的 機 構(gòu) 和 功 能 都 具 有 很 大 的 靈 活 性 ， 即是 不 僅 要 有 像 生 物 運 動 器 官 那 種 高 性 能 的 硬 件 ， 而 且 還 要 有能 對 運 動 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 器 人 的 軟 件 ， 是 人 工 智 能 研 究 的 主 要 實 際 目 標(biāo) ， 其 最 根本 問 題 有 ：(1)問 題 求 解 (對 策 )。 指 機 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 劃 ， 求 解 問 題 。(2)環(huán) 境 了 解 。 指 機 器 人 能 通 過 各 種 信 息 傳 感 器 對 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 表 達(dá) 。 這 是 人 工 智 能 的 一 個 關(guān) 鍵 問 題 。 指 機 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 等 知 識 ， 并 能 自由 地 運 用 。 30 (4)自 然 語 言 處 理 。 指 機 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 話 。(5)動 作 控 制 。 指 機 器 人 能 按 人 所 給 予 的 任 務(wù) 要 求 ； 對 機 械手 、 足 進(jìn) 行 運 動 控 制 。綜 合 上 述 ， 可 用 圖 1.2表 示 。 圖1.2高級機器人的軟件 人； 一環(huán)境；1一知識(事實和規(guī)則、假說、外界棋型)；2一自然語言處理；3一問題對策4一運動控制； 5一輸入信息分析； 6一效果器 ； 7一感覺器 31 八、機器人的發(fā)展第 一 代 機 器 人 ， 是 使 用 存 儲 器 、 程 序 控 制 的 自 動 機 ， 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 器人 ， 常 稱 為 工 業(yè) 機 器 人 。 它 的 動 作 包 括 示 教 、 存 儲 、 再 現(xiàn) 和操 作 四 個 步 序 。 這 種 機 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)機器人的系統(tǒng)組成 機械手部 控制部 人類1手臂；2手抓；3傳感器；4驅(qū)動器5控制器；6存儲器；7示教器 32 第 二 代 機 器 人 ， 是 指 具 有 某 些 感 覺 功 能 的 機 器 人 ， 屬 于 一種 過 渡 性 類 型 。第 三 代 機 器 人 ， 是 具 有 感 覺 識 別 又 有 某 些 思 維 功 能 ， 并 有這 些 功 能 控 制 動 作 的 智 能 機 器 人 具 有 與 人 類 相 類 似 智 能的 自 動 機 械 。 它 的 發(fā) 展 主 要 開 始 于 70年 代 。 已 成 為 開 拓 高 級自 動 化 的 課 題 ， 并 著 手 應(yīng) 用 到 生 產(chǎn) 實 際 中 。 圖1.4 智能機器人的控制系統(tǒng)1一操作人員；2指令處理與判斷裝置；3一驅(qū)動機構(gòu)；4一工作對象；5一傳感器；6識別裝置 33 從 對 機 器 人 的 研 究 內(nèi) 容 來 看 ， 其 發(fā) 展 動 向 主 要 有 下 列 幾 個方 面 ：(1)重 視 傳 感 器 的 研 究 ， 以 使 機 器 人 具 有 視 覺 、 觸 覺 和 聽 覺等 功 能 。(2)新 型 伺 服 機 構(gòu) 的 研 究(3)人 工 智 能 的 研 究(4)微 型 計 算 機 在 機 器 人 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 的 研 究 34 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 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 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 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 。九、康復(fù)工程與假肢技術(shù) 35 根 據(jù) 對 功 能 障 礙 代 償 的 目 的 不 同 ， 可 把 代 償 器 械 分 為 兩 大類 ： 一 類 是 直 接 安 裝 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(jìn) 行 操 作 ， 所 以 器 械 的 動 作指 令 必 須 利 用 殘 疾 人 殘 存 的 機 能 。 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 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 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 。(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 ， 是 研 究 醫(yī) 療機 器 人 的 一 個 重 要 課 題 。 36 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 直 接 代 償 器 械 的 主 要 問 題 。十、直接代償?shù)钠餍?圖1-5全臀電動因手的研究系統(tǒng)17自由度電動假手；2 手套、臂筒；3微型計算機；4肌電控制；5電源；6人比和電動假手的運動分析；7聲音控制 37圖1-6 肌電控制前臂假手傳動與控制系統(tǒng)(a)傳動系統(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)；7一電動機 38 39圖1-7 多自由度假手肌電控制信號系統(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； 8一刺激定時控制；9一動作方向切換；10、12一電刺激；11一刺激電極；13一判斷 40圖1-8 簡易型電動假手及電路 41 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 直 接 代 償 器 械 的 主 要 問 題 。十一、間接代償?shù)钠餍?圖1-9動力假足構(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；7模數(shù)變換；8伺服放大；9角度傳感器；10足部傳感器 42 43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； 一連接機器；1一傳感器2一環(huán)境控制裝置本體3一顯示器 44 45圖1-11盲導(dǎo)犬機器人系統(tǒng)A一移動用知識數(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；9一移動機構(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 46 謝謝! 二、仿生學(xué)的研究對象 研究生命的結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換和信息流動的過程，并利用電子、機械技術(shù)對這些過程進(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停录夹g(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。 47 48 三、仿生機械學(xué) 仿生機械學(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。包含著對生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對生物的運動、動作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會的要求付之實用化。 仿生機械從其構(gòu)詞成分來看，它應(yīng)該是指添加有人類智能的一類機械。為區(qū)別起見，可把傳統(tǒng)的機械稱之為一般機械。表11列出一般機械與人類能力的比較，可以看出在物理和機械機能方面，一般機械較為優(yōu)越，但在智能方面卻比人類要顯得特別低劣。因此，若把人機結(jié)合起來，就有可能使一般機械進(jìn)化到仿生機械。 四、仿生機械學(xué)的研究方法 仿生技法的核心是研究對象(問題)與生物系統(tǒng)相關(guān)問題的類比。這一技法實施大體分為 (1)根據(jù)生產(chǎn)實際提出技術(shù)問題，選擇性地研究生物體的某些結(jié)構(gòu)和功能，簡化所得的生物資料，擇其有益內(nèi)容，得到一個生物模型。 (2)對生物資料進(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)、機械等技術(shù)手段。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，最終實現(xiàn)對生物系統(tǒng)的工程模擬。 49 50 3生物運動學(xué)生物的運動十分復(fù)雜，因為它與骨骼和肌肉的力學(xué)現(xiàn)象、感覺反饋及中樞控制牽連在一起。雖然各種動物的運動或人體各種器官的運動測定與分析都是重要的基礎(chǔ)研究，但是在仿生機械學(xué)中，特別重視人體上肢運動及步行姿態(tài)的測定與分析，因為人體上肢運動機能非常復(fù)雜，而下膠運動分析對動力學(xué)研究十分典型。另外，若能從包含有力學(xué)問題的綜合觀點對復(fù)雜的動作和作業(yè)進(jìn)行分析，對下述的康復(fù)工程研究將有很大幫助。 51 機 器 人 的 組 成 可 包 括 硬 件 和 軟 件 兩 大 部 分 。 從 著 重 于 對 生物 機 能 模 擬 的 觀 點 ， 高 級 機 器 人 的 典 型 硬 件 結(jié) 構(gòu) 可 用 圖 1.1表示 。 52 從 對 機 器 人 的 研 究 內(nèi) 容 來 看 ， 其 發(fā) 展 動 向 主 要 有 下 列 幾 個方 面 ：(1)重 視 傳 感 器 的 研 究 ， 以 使 機 器 人 具 有 視 覺 、 觸 覺 和 聽 覺等 功 能 。(2)新 型 伺 服 機 構(gòu) 的 研 究(3)人 工 智 能 的 研 究(4)微 型 計 算 機 在 機 器 人 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 的 研 究 53 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 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 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 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 。九、康復(fù)工程與假肢技術(shù) 54