仿生機(jī)器人課程報(bào)告

1、.仿生機(jī)器人概論課程報(bào)告人機(jī)接口方向一、前言本文是作者在閱讀reference 2021中相關(guān)文檔以及查閱相關(guān)資料之后編寫而成，選取的課程報(bào)告方向?yàn)槿藱C(jī)接口方向Neural Interfacing。文中主要包含了參考文獻(xiàn)的讀后感，作者平時(shí)了解到的一些資料，以及很多個(gè)人感悟和對(duì)先前個(gè)人經(jīng)歷的總結(jié)。根據(jù)文件課程考察說明2021的指導(dǎo)思想，本文可能并不會(huì)像一般學(xué)術(shù)論文那樣具有無可挑剔的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性，感性認(rèn)識(shí)和個(gè)人感情將會(huì)占據(jù)一定比重。我個(gè)人認(rèn)為，從事科學(xué)研究和技術(shù)工作的人員，在從事具體的工作時(shí)應(yīng)當(dāng)具有理性精神，但是，支持我們進(jìn)展理性思考和分析的原動(dòng)力，必然是熱情，是對(duì)科研工作的熱愛，是對(duì)未知領(lǐng)域的

2、好奇，是對(duì)自然規(guī)律的敬畏和贊賞當(dāng)然，同樣也包含對(duì)更高工資水平和生活質(zhì)量的追求。仿生機(jī)器人概論就是這樣一門能燃起“鉆研的熱情的課程。課堂不注重對(duì)具體機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造和控制算法的講解，而是更多地從功能和目的的角度，去講解仿生機(jī)器人這一門類的重要意義。X教師也是一位非常有熱情的教師，每節(jié)課我們都會(huì)自然而然地受到鼓勵(lì)。教師給我們布置的這一篇課程報(bào)告，想必也是希望我們能擁有這種力量，能在之后的工作和生活中走得更好。綜上，這篇文章不是專業(yè)的、學(xué)術(shù)的、論文性質(zhì)的文章。教師希望我們?cè)谕瓿蛇@篇文章之后，能做出更好的研究，寫出更多的優(yōu)秀文章。所以如果今后此文假設(shè)被上傳至網(wǎng)絡(luò)，也只是一名普通學(xué)生的拙見，并不能到達(dá)作

3、為參考文獻(xiàn)的要求。二、參考文獻(xiàn)我智能手機(jī)老實(shí)說，這是我第一次進(jìn)展全英文文獻(xiàn)的閱讀。假設(shè)是換做幾年以前，我必然會(huì)被這項(xiàng)工作難住，覺得自己不能勝任。但是，經(jīng)過這幾年在大學(xué)的磨練或者說，混日子，我明白了一個(gè)普適，同時(shí)又容易被忽略的道理：任何看起來會(huì)讓你感到無所適從、不能輕松駕馭的事情，硬著頭皮去做，搞那么一段時(shí)間，也就不會(huì)那么困難了。古詩有云，“曾經(jīng)滄海難為水，除卻巫山不是云，用現(xiàn)在的話來說，“我見得多了，已經(jīng)是老油條了，還有什么事情能讓我害怕的？于是乎，文獻(xiàn)被打印，有道詞典app被下載到手機(jī)，舊鋼筆被塞進(jìn)書包，我開場(chǎng)了文獻(xiàn)的閱讀。首先是一篇在新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志上發(fā)表的文章，名為一位承受神經(jīng)移植手術(shù)的

4、被截肢者的基于肌電信號(hào)解碼的機(jī)械腿控制Robotic Leg Control with EMG Decoding in an Amputee with Nerve Transfers。此文章主要講述了通過對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)展識(shí)別，機(jī)械腿可以根據(jù)人的思維進(jìn)展相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，研究人員設(shè)置了對(duì)照，經(jīng)過對(duì)照之后發(fā)現(xiàn)，承受了神經(jīng)移植手術(shù)的患者，控制機(jī)械腿的準(zhǔn)確度更高。神經(jīng)移植手術(shù)TMR，在我個(gè)人看來，是把殘肢的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)末梢移植到皮膚表層附近，這樣大腦發(fā)射運(yùn)動(dòng)信號(hào)的時(shí)候，可以在體表產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的電信號(hào)，檢測(cè)起來比較方便，直接在殘肢外表貼上電極，就可以獲取這些信號(hào)。大腦在發(fā)射不同的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，如肌肉收縮或放松，肌

5、電信號(hào)在殘肢上產(chǎn)生的位置會(huì)有區(qū)別，通過分析和鑒別這些區(qū)別，我們可以對(duì)這些信號(hào)進(jìn)展分類，讓機(jī)械腿實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。文章照片中的這位實(shí)驗(yàn)志愿者在經(jīng)過長期的訓(xùn)練之后，在照片拍攝的時(shí)候成功登頂一棟高層建筑，讓人感到驚奇，同時(shí)贊賞科學(xué)的開展和志愿者本人的意志力。從圖片中我們能夠看出，這條機(jī)械退構(gòu)造緊湊，沒有外接電源，雖然只是實(shí)驗(yàn)室的試制品，但也已經(jīng)做得相當(dāng)好。不過，讀完這篇文章，我有一個(gè)主要的疑問，這種肌電信號(hào)的觸發(fā)位置是根本不變的還是因人而異？是與神經(jīng)移植的效果掛鉤還是要牽扯一些其他因素？如果因人而異的話，這類產(chǎn)品的商業(yè)化可能還需要一段時(shí)間，因?yàn)檎{(diào)試花費(fèi)的時(shí)間長，本錢短期內(nèi)難以下降。第一篇文章總體來講，

6、它的方向比較中規(guī)中矩，就是人的神經(jīng)信號(hào)直接控制機(jī)械設(shè)備，到達(dá)幫助殘疾人運(yùn)動(dòng)的目的。可以說，整個(gè)機(jī)械手機(jī)械腿研究的目的就在于此做出效果更好的機(jī)械義肢。然而在機(jī)械義肢的普及中，反響是一個(gè)非常大的問題。我記得第一次見到的比較完善的機(jī)械假肢是下面這種：“圖為2021年5月9號(hào)美國食品藥品監(jiān)視管理局FDA正式批準(zhǔn)的一種名為DEKA手臂系統(tǒng)DEKA Arm System的醫(yī)療器械，這是第一種獲批的通過肌電圖Electromyogram，即EMG電極傳輸信號(hào)來控制動(dòng)作的假肢?；颊咄ㄟ^這種假肢可以完成使用鑰匙及鎖、吃飯、使用拉鏈和梳頭等復(fù)雜動(dòng)作?？梢哉f，科幻電影里出現(xiàn)的半機(jī)械人的時(shí)代即將到來。以上是當(dāng)時(shí)相關(guān)文

7、章的報(bào)道，大局部我同意，最后一句我根據(jù)這幾年科技的開展，還不能認(rèn)可。這X圖片當(dāng)時(shí)放出來的時(shí)候非常震撼，但是從圖中我們可以看到，礦泉水瓶已經(jīng)被捏扁了。這說明這種神經(jīng)控制的機(jī)械手有一個(gè)非常大的問題缺少有效的反響機(jī)制。這在機(jī)械手中非常常見，因?yàn)檎鎸?shí)的人手皮膚外表有很多神經(jīng)末梢感受器，相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)，能感受溫度、濕度、壓力等信號(hào)，并將這些信息反響給中樞神經(jīng)系統(tǒng)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)以此來調(diào)整握持姿勢(shì)和力度。上一副圖片中的機(jī)械手的傳感系統(tǒng)可能就做得不是那么完善，志愿者可能并不知道自己終究讓機(jī)械手施加了多大的力量，需要憑目測(cè)。此外，機(jī)械手缺少一種“軀體感覺功能，即不通過肉眼觀察，人也知道自己身體的某一

8、局部在什么位置。我閱讀的第二篇文章致力于解決上述問題，文章名為一種能提供長期穩(wěn)定自然觸覺的神經(jīng)接口。文獻(xiàn)作者的思路在于在離體表比較近的神經(jīng)束上套上環(huán)形的電極，通過對(duì)相應(yīng)神經(jīng)的刺激，志愿者能感受到手上觸感，盡管已經(jīng)承受了手部截肢手術(shù)。刺激不同的神經(jīng)，能形成手上不同區(qū)域的觸感。這種技術(shù)讓機(jī)械手產(chǎn)生觸覺成為了可能。按照他們所說，這種技術(shù)讓這種虛擬觸覺的維持時(shí)間提升到了很多年，頓時(shí)讓人感受到了科學(xué)的進(jìn)步。第三篇文章偏重于控制算法，即如何更好地用意識(shí)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。個(gè)人感覺這個(gè)問題顯得比較工程化，在一個(gè)已有領(lǐng)域開辟了一種新的方法，這種方法超越了之前的所有方法，由于并沒有仔細(xì)地去研究之前的方法與現(xiàn)在的方

9、法的區(qū)別，我也沒有方法去很好地評(píng)論這篇文章，就此略過。讀了這些文獻(xiàn)之后，我感覺中國學(xué)生閱讀英文文獻(xiàn)的最大問題在于個(gè)人信心，其次在于專業(yè)詞匯的積累量。一見到這么大篇幅的英文就感到害怕，進(jìn)而不想看，這是非常常見，但又必須抑制的問題。其次，專業(yè)詞匯積累量缺乏，也會(huì)導(dǎo)致閱讀上的困難。右圖是我看文章時(shí)對(duì)生詞做的注解，可以發(fā)現(xiàn)，英語水平有待提高。不過，閱讀完之后，我發(fā)現(xiàn)這些英文文獻(xiàn)的句子構(gòu)造相對(duì)來說比較簡單，只是生詞較多?？此麄冏龅膱D表，也會(huì)感覺非常專業(yè)和嚴(yán)謹(jǐn)，同時(shí)又有比較好的美感，不愧是一流的文獻(xiàn)。三、動(dòng)漫男孩人機(jī)接口那一年，我中學(xué)二年級(jí)，整個(gè)人處在一種愛夢(mèng)想的狀態(tài)俗稱“中二，對(duì)動(dòng)畫片里面主人公們開著機(jī)

10、器人去拯救世界的故事感到熱血沸騰。其中最高端的技術(shù)莫過于將駕駛員與機(jī)器通過某種方式相連，到達(dá)“人機(jī)合一的境界，最大程度地提升機(jī)器的性能。當(dāng)時(shí)只覺得這種東西很玄，結(jié)果現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)世界上確實(shí)有學(xué)者在研究這些東西，內(nèi)心有一種莫名的喜悅。可能那些學(xué)者本身也是受了這些作品的影響吧。下面，我將大概介紹一下影視作品中的人機(jī)接口技術(shù)。首先是星球大戰(zhàn)，這部作品代表著美國70年代末理想主義的最后閃光，主人公Luke Skywalker在被大反派擊敗并斬?cái)嘁恢皇种?，逃脫并被救起，隨后斷手處被安裝了一只機(jī)械手，如以下圖所示。由于當(dāng)時(shí)的特效水平的限制，這只機(jī)械手并沒有展示給別人任何機(jī)械骨骼上的東西，只是在手臂上PS了一些

11、電路，檢修蓋一關(guān)上，跟普通的手臂沒有任何區(qū)別其實(shí)就是用普通手臂。于是這樣就造就了科幻史上最完善的一只仿生機(jī)械臂功能完全和人手一致，外觀完全和人手一致。這也成了之后很多科學(xué)家畢生追求的目標(biāo)。上圖中的“DEKA手臂系統(tǒng)，其產(chǎn)品名稱就叫做Luke，表示向這部科幻巨作致敬。隨后，在90年代的動(dòng)漫作品新世紀(jì)福音戰(zhàn)士中，人形機(jī)器人的駕駛系統(tǒng)中主要采用了人機(jī)接口技術(shù)。由于機(jī)器人過于龐大總高100m左右，切需要實(shí)現(xiàn)很多運(yùn)動(dòng)功能，所以駕駛艙整個(gè)泡在緩沖液中，由生命維持系統(tǒng)給駕駛員提供氧氣，同時(shí)有緩沖作用。戰(zhàn)斗服本身帶有信號(hào)接收和發(fā)射裝置，可以將駕駛員的意圖輸送給機(jī)器，同時(shí)將機(jī)器的狀態(tài)反響給駕駛員。機(jī)器收到損壞，駕駛員會(huì)感受到疼痛。整個(gè)系統(tǒng)做的比較玄乎，因?yàn)檫@部動(dòng)漫里面，就算是機(jī)器人，也不是純機(jī)械，而是通過生物技術(shù)制造出來的，其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不是通過電機(jī)，而是通過人造肌肉驅(qū)動(dòng)，整體來講比較的不科學(xué)。看起來稍微科學(xué)一點(diǎn)的是機(jī)動(dòng)戰(zhàn)士高達(dá)系列中的駕駛系統(tǒng)。在那個(gè)體系中，科學(xué)家們研發(fā)了一套名為“精神感應(yīng)框架的系統(tǒng)，如圖中綠色球體所示，該種框架可以承受駕駛員的腦電信號(hào)，將其傳達(dá)給機(jī)械的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，能到達(dá)輔助駕駛的目的。帶了這種系統(tǒng)的機(jī)器的性能和可操作性都高于不帶這種系統(tǒng)的機(jī)器，所以只有主人公和某些大反派的愛機(jī)能用上這種近乎作弊器的裝備。在另一部作品鐵血孤兒中，人機(jī)接口以一種更原始的技術(shù)展示了出來。