仿生机器人学概论
仿生机器人综述
Ⅰ、研究背景
自然界在亿万年的演化过程中孕育了各种各样的生物, 每种生物都 拥有神奇的特性与功能,能够在复杂多变的环境中生存下来。因此,人类 通过研究、学习、模仿来复制和再造某些生物特性和功能,可以极大的 提高人类对自然的适应和改造能力,产生巨大的社会经济效益。
• 仿生学（Bionics） 仿生学诞生于20世纪60年代, 是生
仿生水母是一种模仿水母运动机理以 及外形柔软的机器人。由生物感应记忆合 金制成的细线连接，当这些金属细线被加 热时，就会像肌肉组织一样收缩。
Ⅳ、仿生机器人研究中亟需解决的问题
• 体积重量过大 • 平台承载能力不强 • 视觉研究不成熟 • 步行敏捷性不强 • 控制方法控制算法需要改进 • 供能续航问题
• 机器蜘蛛
左图为美国宇航局喷气推进实验室于 2002年12月研制成功的机器蜘蛛Spiderpot。
该机器蜘蛛上装有一对可以用来探测 障碍的天线，且拥有异常灵活的腿。它们 能跨越障碍，攀登岩石，探访靠轮子滚动 前进的机器人无法抵达的区域。机器蜘蛛 一类微型仿生机器人非常适合勘探彗星、 小行星等小型天体。在国际空间站上它们 可以充当维护员，及时发现空气泄漏等意 外故障。
• 水下仿生机器人
水下机器人又称为水下无人潜器，是一种工作于水下的极限作业机 器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又为开发海洋的重要工具。
•
英国埃塞克斯大学的环境检测机器人 主要用于环境检测和绘制3D污染图
机器鱼
鱼类的高效、快速、机动灵活的水 下推进方式吸引了国内外的科学家们从 事仿生机器鱼的研究。
Ⅳ、仿生机器人研究发展方向
➢ 微型化 将驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源等集成到一 块硅片上,构成微机电系统；
➢ 仿生机器人的仿形 仿生机器人的外形与所模仿的生物的相似性
仿生机器人概述范文
仿生机器人概述范文仿生机器人是一种模仿生物形态、结构、功能和行为的机器人，旨在实现与真实生物相似或接近的外观、运动和行为能力。
仿生机器人结合了生物学、工程学和计算机科学等多个学科的知识，具有广泛的应用前景，在机器人技术领域引起了广泛的关注和研究。
近年来，仿生机器人技术取得了许多突破，研究人员通过模仿生物的外形和运动方式，设计出了具有更加自然、灵活和逼真动作的机器人。
仿生机器人不仅在外观上与生物相似，在功能上也越来越接近生物。
比如，一些仿生机器人可以像人类一样行走、摔倒后自己爬起来，还可以在复杂环境中进行感知、决策和控制，具备一定的智能。
仿生机器人的研究领域非常广泛，涉及机械设计、电子技术、材料科学、传感器技术、控制理论等众多学科。
研究人员们试图通过对生物形态、结构和运动机制的研究，将其应用于机器人设计中，以实现更高的性能和灵活性。
目前已经出现了一些具有生物形态的仿生机器人，比如仿鸟类的机器人，可以像鸟儿一样在空中飞行。
还有仿鱼类的机器人，可以在水中自如游动。
仿生机器人在军事、医疗、救援、娱乐等领域有着广泛的应用前景。
在军事领域，仿生机器人可以用于侦察、侦测敌情、辅助作战等任务，具有高度机动性和适应性。
在医疗领域，仿生机器人可以用于手术机器人，提高手术准确性和安全性，减少手术风险。
在救援领域，仿生机器人可以用于搜救、救援被困人员，具有适应复杂环境和高强度工作的能力。
在娱乐领域，仿生机器人可以用于制作电影特效、展览等，给人们带来更加逼真的视觉和体验。
尽管仿生机器人的研究和应用领域仍然面临许多挑战，比如传感器技术的改进、能源供给的改进、控制策略的改进等，但其前景依然十分广阔。
随着科技的不断进步，我们越来越接近创造出与生物相似、能够在各种环境中执行各种任务的仿生机器人。
这将会对我们的生活和社会产生深远的影响，推动科技的发展和人类文明的进步。
仿生机器人概述
仿生机器人概述一、仿生机器人的定义简单来说，仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。
从本质上来讲,所谓“仿生机器人”就是指利用各种机、电、液、光等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境下精确地、灵活地、可靠地、高效地完成各种复杂任务的机器人系统.（摘自《仿生机器人的研究》许宏岩,付宜利,王树国,刘建国著）二、对仿生机器人的理解仿生机器人是一个很宏大的概念，字面上讲任何模仿自然界生物的机器都可以称之为仿生机器人。
但是根据诸多文献的定义，现在人们倾向于将第四代及之后的机器人称之为仿生机器人，也就是2000年之后产生的机器人。
我认为这样界定的根据在于第四代机器人具有了完备的感知能力和面对简单问题时的处理能力，如现在的两足机器人能够根据地形的变化自行调整行走模式，从容的绕开障碍物并且保持重心平衡，而这是以前的机器人所无法实现的。
所以我们认为这时的机器人初步具有了人的智力，可以与生物的智能相比拟，是仿生机器人。
三、仿生机器人的产生前提与发展动力生物在经过了千百万年的进化之后,由于遗传和变异的原因,已经形成了从执行方式、感知方式、控制方式,一直到信息加工处理方式、组织方式等诸多方面的优势和长处.仿生机器人这门学科产生和存在的前提就在于,生物经过了长期的自然选择进化而来,在结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等多方面具有高度的合理性、科学性和进步性.而非结构化的、未知的工作环境、复杂的精巧的高难度的工作任务和对于高精确度、高灵活性、高可靠性、高鲁棒性、高智能性的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力. （摘自《仿生机器人的研究》许宏岩,付宜利,王树国,刘建国著）生物在漫长的进化过程中演变出的无比精巧、合理的结构，是目前人类所有的理论和技术都无法达到的。
仿生机器人提纲
2012-12-06
仿生机器人概论
12
2
2012-12-06
位置检测和位移检测
机器人最基本的感觉要求，可以通过多种传感器来实现。 常用的机器人位置、位移传感器有电阻式位移传感器、电容式 位移传感器、电感式位移传感器、光电式位移传感器、霍尔元 件位移传感器、磁栅式位移传感器以及机械式位移传感器等。 二值输出的位置检出用传感器大体上分接触式( 触点式) 与非接 触式(无触点式)两大类。 接触式主要有机械式限位开关与微动开关；非接触式传感器常 用的有光电开关及各种接近开关。 光电开关与各种接近开关是随着电子机械技术的进步而急速发 展起来的新型开关。
2. 相关术语
相数：产生不同N、S对磁场的激磁线圈对数。 相数： 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四 拍数： 相四拍运行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式： AAB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表 步距角： 示。一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。 失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。 失步：
2012-12-06
仿生机器人概论
6
1
2012-12-06
机器人的感觉方式
按感知形式：接触型，非接触型 1.接触型——与被测对象接触； 2.非接触型 2 非接触型——经特殊物质联系，与被测 经特殊物质联系 与被测 物保持一定距离。如:检测机器人周围的声 波、光和其他电磁波，以及电、磁和静电 场之间的相互作用。
9 2012-12-06 仿生机器人概论 10
2012-12-06
仿生机器人概论
外部传感器
视觉： 简单视觉——对象的有无，孔、边线、拐角检测等 复合视觉——对象形状、大小、种类 对象位置、姿态 对象伤痕、缺欠、好坏 对象上的图样、文字的识别、图形指令识别 触觉： 简单触觉——确定工作对象是否存在、到位 复合触觉 —— 确定对象尺寸、形状、表面状态、硬 度、光滑……2012-2-06仿生机器人概论
《仿生机械学概论》PPT课件
精选课件ppt
25
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。
精选课件ppt
16
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，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。
精选课件ppt
11
三、仿生机械学 仿生机械学是上世纪60年代初期出现的一门综 合性的新兴边缘学科，它是生命科学与工程技 术科学相互渗透、相互结合而形成的。包含着 对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动 作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要 求付之实用化。 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，可把传 统的机械称之为一般机械。表1．1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。
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)。
仿生机器人技术简介解读
解读仿生机器人技术：从原理到应用一、仿生机器人技术概述仿生机器人技术是一种以生物仿生学为基础，结合机械工程、电子工程、信息工程等多个学科的综合性技术。
其基本概念源于生物体的结构和功能，目的是设计和制造出具有类似生物体结构和功能的机器人。
这种机器人不仅具有人类或生物体的某些能力，如行走、攀爬、感知等，而且可以模拟生物体的某些智慧和适应能力，使其在复杂和未知的环境中具有更好的生存和执行能力。
二、技术原理与核心领域仿生机器人技术主要涉及生物仿生学、机械动力学、电子工程、信息工程等多个学科领域。
其中，生物仿生学是基础，它研究生物体的结构和功能，为机器人设计提供灵感。
机械动力学则关注如何将生物体的结构和功能转化为机械系统和运动学模型。
电子工程和信息工程则负责机器人的硬件和软件系统的设计和实现。
三、主要应用场景和案例分析仿生机器人技术在许多行业和领域都有广泛的应用，如救援、医疗、农业、娱乐等。
在救援领域，仿生机器人可以模仿蝙蝠的飞行方式，用于搜索和救援任务，尤其是在地震等灾害发生后，可以在废墟中寻找被困者。
在医疗领域，仿生机器人可以模仿人类的肌肉和神经系统，用于辅助康复训练和治疗。
在农业领域，仿生机器人可以模仿昆虫的行走和采集方式，用于高效地采集农产品。
在娱乐领域，仿生机器人可以模仿动物的形态和动作，作为玩具或表演节目等。
四、关键技术与挑战仿生机器人技术虽然具有广泛的应用前景，但仍面临着许多挑战。
首先，生物体的结构和功能非常复杂，如何将其转化为机械系统和运动学模型是一个难题。
其次，仿生机器人的感知和适应能力还需要进一步提高，以便更好地适应复杂和未知的环境。
此外，仿生机器人的能源效率也是一个关键问题，如何提高其能源效率以保证其长时间运行也是一个挑战。
五、发展趋势与前景展望随着科学技术的不断进步，仿生机器人技术也在不断发展。
未来仿生机器人技术可能的发展方向包括：更逼真的生物体模拟、更高效的能源系统、更智能的控制系统等。
仿生机器人概述
仿生机器人概述一、仿生机器人的定义简单来说，仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。
从本质上来讲,所谓“仿生机器人”就是指利用各种机、电、液、光等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境下精确地、灵活地、可靠地、高效地完成各种复杂任务的机器人系统.（摘自《仿生机器人的研究》许宏岩,付宜利,王树国,刘建国著）二、对仿生机器人的理解仿生机器人是一个很宏大的概念，字面上讲任何模仿自然界生物的机器都可以称之为仿生机器人。
但是根据诸多文献的定义，现在人们倾向于将第四代及之后的机器人称之为仿生机器人，也就是2000年之后产生的机器人。
我认为这样界定的根据在于第四代机器人具有了完备的感知能力和面对简单问题时的处理能力，如现在的两足机器人能够根据地形的变化自行调整行走模式，从容的绕开障碍物并且保持重心平衡，而这是以前的机器人所无法实现的。
所以我们认为这时的机器人初步具有了人的智力，可以与生物的智能相比拟，是仿生机器人。
三、仿生机器人的产生前提与发展动力生物在经过了千百万年的进化之后,由于遗传和变异的原因,已经形成了从执行方式、感知方式、控制方式,一直到信息加工处理方式、组织方式等诸多方面的优势和长处.仿生机器人这门学科产生和存在的前提就在于,生物经过了长期的自然选择进化而来,在结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等多方面具有高度的合理性、科学性和进步性.而非结构化的、未知的工作环境、复杂的精巧的高难度的工作任务和对于高精确度、高灵活性、高可靠性、高鲁棒性、高智能性的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力. （摘自《仿生机器人的研究》许宏岩,付宜利,王树国,刘建国著）生物在漫长的进化过程中演变出的无比精巧、合理的结构，是目前人类所有的理论和技术都无法达到的。
仿生机器人的基本原理和设计技术
仿生机器人的基本原理和设计技术随着科技发展的日益迅速，人工智能和仿生机器人的研究也逐渐得到突破。
仿生机器人是指利用生物学原理和技术，将机器人的设计和制造与生物学息息相关的特点相结合，以达到更高的效率和性能。
下面，本文将从仿生机器人的基本原理和设计技术两个方面来探究这一科技的发展趋势。
一、仿生机器人的基本原理1. 生物学仿生机器人的设计基础来自于生物学的研究。
生物学的研究涉及到生物的结构、功能和特性等多个方面。
这些方面都是仿生机器人设计者需要了解和理解的。
2. 机械学仿生机器人的设计也涉及到一些机械学方面的知识。
机械学对于设计机器人的运动系统十分重要。
机器人的运动系统需要能够模拟人类和其他生物的运动方式，具备足够的稳定性和抗干扰性，以完成机器人的各种任务。
3. 传感技术仿生机器人需要与环境进行交互，这就需要传感技术的应用。
传感技术可以获取环境的相关信息，例如光线、色彩、声音、气体等等。
这些信息可以为机器人的行为决策提供帮助。
4. 控制技术控制技术是仿生机器人的关键技术之一。
控制技术可以有效控制机器人的运动方式、行为等其他方面，帮助机器人更好的完成任务。
二、仿生机器人的设计技术1. 运动仿真运动仿真是仿生机器人的设计关键技术之一。
仿生机器人的运动仿真需要考虑机器人的运动模式、速度、位置等等因素。
通过运动仿真，设计者可以更好地预测仿生机器人的运动特性和趋势，从而对其进行更好的设计。
2. 材料研究材料研究是仿生机器人设计的基础。
合适的材料可以为机器人的性能和功能提供良好的支撑。
目前，一些仿生机器人已经开始采用新型材料，例如高分子材料、碳纳米管等材料，能够有效提升其性能和工作效率。
3. 人工智能人工智能是仿生机器人发展的重点。
通过人工智能算法，机器人能够更好地自主学习和适应环境，实现自身优化和升级。
例如现在已经有一些仿生机器人可以在无需人类干预的情况下进行动态规划和路径规划等任务。
4. 自主行为管理仿生机器人需要具备自主行为管理能力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
仿生机器人学概论
——读Direct control of paralysed muscles by cortical
neurons有感
机械设计制造及其自动化XXXX班
Wdl
U201XXXXXX
关于侵入式脑-机接口的探索
读Direct control of paralysed muscles by cortical neurons有感Direct control of paralysed muscles by cortical neurons（神经运动弥补
术）于2008年发表于nature。
并被评为当年的最佳论文。
因为其打破先前的常规研究，省去了对神经电信号的采集、解码、再输出的繁琐过程，直接将脑细胞的电信号通过人造电路传输到运动神经元从而实现对目标肌肉的意识控制。
这样便省去了复杂的解码过程，也大大降低了技术难度和设备体积。
使通过人工设备恢复神经中枢受损而导致的瘫痪病人恢复运动能力变得更加现实。
下面便是我读过这篇文章后的一些感想与受到的启发。
文章指出将控制信号从大脑直接通过人工电路连接到执行器是一个潜在的治疗脊髓损伤所造成的瘫痪的方法。
然后，这样的信号可以控制肌肉的电刺激，从而恢复瘫痪肢体的运动。
以前独立的实验表明，无论是与真实运动或虚拟运动有关的运动皮质神经元的活动，都已经证实可以被用于控制电脑光标或机器人手臂，并且可以用功能性电刺激来激活瘫痪肌肉。
在这里，本文中所述实验表明，可以用运动皮质的神经元细胞的活动来直接控制肌肉的刺激信号，从而恢复目标定向运动的暂时瘫痪的手臂。
此外，神经细胞可以控制得同样出色，无论之前与运动的联系如何，神经元都可以很好地控制功能性电刺激，这一发现大大扩展了脑-机接口控制信号源。
猴子学会使用这些人造肌肉皮层细胞连接，产生双向手腕扭矩，并同时控制多个神经肌肉对。
这种直接转换可以实现由独立电子电路实现从皮层活动到肌肉刺激的连接，创造一个相对自然的神经假肢。
这些结果首次证明了直接人工皮质细胞和肌肉之间的连接可以弥补中断生理的途径从而恢复瘫痪肢体运动的意志控制。
脊髓受伤损坏了从大脑到肢体的神经通路，但运动皮质和肢体事实上都是正常的，近年的研究显示，瘫痪多年的患者仍然可以有意识地调节手部的运动皮质。
其它的脑-机接口研究都使用复杂的算法来解码与任务相关的大量神经活动，并以此来计算所需的对外部设备的控制参数。
作者另辟蹊径，直接连接皮质神经元细胞活动控制病人的瘫痪肢体刺激来重新建立肢体功能。
这个实验表明了猴子可以学会使用从任意运动皮质神经元细胞的人工联系对传递到多块肌肉上的刺激分级，从而在瘫痪的手臂上恢复有目的的运动。
在先前的生物反馈研究中，猴子迅速地学会控制运动皮层中的孤立神经元的放电率来获得奖励。
作者将相似的自发反应调节技术应用于两只猴子的运动皮层中控制手和手腕区域的单个神经元。
通过平滑的放电率使光标在显示屏上位置的显示对用意志控制细胞运动进行了测试，在实验中猴子会因维持细胞活动在任意的高放电率或低放电率目标值之间而得到奖励。
对大部分细胞的定向调谐也是以等距的二维腕目标追踪任务为特征，该实验对与运动或定向调谐没有选择性偏差。
虽然细胞活动直接控制光标，在先期试验中猴子经常会继续产生手腕转矩。
然后我们阻断外围神经刺激，将腕部肌肉进行局部麻醉。
尽管前臂失去了运动功能和感觉反馈，在神经阻滞后猴子依然用细胞活动控制光标。
实验显示虽然进行局部麻醉后失去了屈肌和伸肌扭矩，猴子依然用意识控制细胞活动。
猴子无法完成二维扭矩追踪任务确认了神经的阻滞。
试验中将细胞活动转化为相应的刺激传递给瘫痪的肌肉，产生功能性电刺激。
现在光标由手腕转矩控制，猴子会因维持功能性电刺激所引发的转矩在中心（即零转矩）周围范围内持续0.5到1.0秒而受到奖励。
为了让猴子给收缩力分级，当细胞放电率高于阈值时，使刺激电流与细胞放电率成线性关系。
在后续的练习中，猴子也学会了通过细胞活动更加精确地控制转矩，从而产生更少的错误，总是在最初的尝试后便达到目标。
目标采集误差是指当目标显示于中心时触发器却获得了其周边的目标。
最佳表现时，猴子只会产生0.8±5.1%，在训练初期每个细胞20.7±28.9%。
它们在最佳时候会比训练初期获得目标失败率减少81%。
为了测试功能性电刺激是否会受到细胞活动减少的控制，我们用与细胞率成反比例的刺激电流作用于11个细胞。
猴子学会了控制刺激用这个反比例关系与正比例关系一样好，在细胞率和刺激电流之间，每分钟获得13.4±3.9个目标并且在最佳状态时实现零错误。
文中还通过实验证明，单个细胞的活动也可以被用来控制刺激拮抗肌组织和恢复双向运动。
虽然整个实验都是在猴子身上做的，但是这项技术有望用于人体中。
有很多实验室都对非侵入式脑-机接口进行了深入的研究,包括华中科技大学的实验室。
非侵入式脑-机接口由记录电极记录头皮脑电信号,信号经过放大、滤波、模式转换后通过特征量提取及模式识别以控制外部装置。
头皮脑电信号的记录相对容易许多,缺点是这些信号是一种被滤过的,平均的反映大脑状态的信号,而且对头皮脑电波的解码是相当繁重和消
耗时间的。
而侵入式脑-机接口可以精确的反映大脑皮层神经活动,因此运动神经弥补术有着更好的应用前景。
这篇论文对侵入式脑-机接口又有了不一样的研究，而不是拘泥于已有的技术。
这种通过人工电路直接将大脑发出的神经信号传输于受控部位的运动神经元使得大脑对肢体的控制更加精确而不会引入机器计算的误差。
随着技术的不断发展，我们还可以将电磁发射设备做到芯片级并且使其与人体有着很好的相容性。
这样我们便可以将脑细胞电刺激采集设备做成芯片植入脑中，再在运动神经元出植入相应的接收设备，从而使脑部控制信号可以很好的传递到目标肌肉，从而使因神经通道受到损坏的瘫痪病人得到有效的治疗。
谢谢！。