仿生机器人课程报告

仿生机器人概论课程报告

——人机接口方向

一、前言

本文是作者在阅读reference 2016中相关文档以及查阅相关资料之后编写而成，选取的课程报告方向为人机接口方向（Neural Interfacing）。文中主要包含了参考文献的读后感，作者平时了解到的一些资料，以及很多个人感悟和对先前个人经历的总结。根据文件《课程考察说明2016》的指导思想，本文可能并不会像一般学术论文那样具有无可挑剔的严谨性和科学性，感性认识和个人感情将会占据一定比重。我个人认为，从事科学研究和技术工作的人员，在从事具体的工作时应当具有理性精神，但是，支持我们进行理性思考和分析的原动力，必然是热情，是对科研工作的热爱，是对未知领域的好奇，是对自然规律的敬畏和赞赏（当然，同样也包含对更高工资水平和生活质量的追求）。

《仿生机器人概论》就是这样一门能燃起‚钻研的热情‛的课程。课堂不注重对具体机器人的机械结构和控制算法的讲解，而是更多地从功能和目的的角度，去讲解仿生机器人这一门类的重要意义。张老师也是一位非常有热情的老师，每节课我们都会自然而然地受到激励。老师给我们布置的这一篇课程报告，想必也是希望我们能拥有这种力量，能在之后的工作和生活中走得更好。

综上，这篇文章不是专业的、学术的、论文性质的文章。老师希望我们在完成这篇文章之后，能做出更好的研究，写出更多的优秀文章。所以如果今后此文若被上传至网络，也只是一名普通学生的拙见，并不能达到作为参考文献的要求。

二、参考文献·我·智能手机

老实说，这是我第一次进行全英文文献的阅读。若是换做几年以前，我必然会被这项工作难住，觉得自己不能胜任。但是，经过这几年在大学的磨练（或者说，混日子），我明白了一个普适，同时又容易被忽略的道理：任何看起来会让你感到无所适从、不能轻松驾驭的事情，硬着头皮去做，搞那么一段时间，也就不会那么困难了。古诗有云，‚曾经沧海难为水，除却巫山不是云‛，用现在的话来说，‚我见得多了，已经是老油条了，还有什么事情能让我害怕的？‛于是乎，文献被打印，有道词典app被下载到手机，旧钢笔被塞进书包，我开始了文献的阅读。

首先是一篇在《新英格兰医学杂志》上发表的文章，名为《一位接受神经移植手术的被截肢者的基于肌电信号解码的机械腿控制》（Robotic Leg Control with EMG Decoding in an Amputee with Nerve Transfers）。此文章主要讲述了通过对肌电信号进行识别，机械腿可以根据人的思维进行相应的运动。同时，研究人员设置了对照，经过对照之后发现，接受了神经移植手术的患者，控制机

械腿的准确度更高。神经移植手术（TMR），在我个人看来，是把残肢的运动神经末梢移植到皮肤表层附近，这样大脑发射运动信号的时候，可以在体表产生比较强烈的电信号，检测起来比较方便，直接在残肢表面贴上电极，就可以获取这些信号。大脑在发射不同的运动信号，如肌肉收缩或放松，肌电信号在残肢上产生的位置会有区别，通过分析和鉴别这些区别，我们可以对这些信号进行分类，让机械腿实现相应的运动。

文章照片中的这位实验志愿者在经过长期的训练之后，在照片拍摄的时候成功登顶一栋高层建筑，让人感到惊奇，同时赞赏科学的发展和志愿者本人的意志力。

从图片中我们能够看出，这条机械退结构紧凑，没有外接电源，虽然只是实验室的试制品，但也已经做得相当好。

不过，读完这篇文章，我有一个主要的疑问，这种肌电信号的触发位置是基本不变的还是因人而异？是与神经移植的效果挂钩还是要牵扯一些其他因素？如果因人而异的话，这类产品的商业化可能还需要一段时间，因为调试花费的时间长，成本短期内难以下降。

第一篇文章总体来讲，它的方向比较中规中矩，就是人的神经信号直接控制机械设备，达到帮助残疾人运动的目的。可以说，整个机械手机械腿研究的目的就在于此——做出效果更好的机械义肢。然而在机械义肢的普及中，反馈是一个非常大的问题。我记得第一次见到的比较完善的机械假肢是下面这种：

‚图为2014年5月9号美国食品药品监督管理局（FDA）正式批准的一种名为‘DEKA手臂系统’（DEKA Arm System）的医疗器械，这是第一种获批的通过肌电图（Electromyogram，即EMG）电极传输信号来控制动作的假肢。患者通过这种假肢可以完成使用钥匙及锁、吃饭、使用拉链和梳头等复杂动作。可以说，科幻电影里出现的半机械人的时代即将到来。‛

以上是当时相关文章的报道，大部分我同意，最后一句我根据这几年科技的发展，还不能认可。这张图片当时放出来的时候非常震撼，但是从图中我们可以看到，矿泉水瓶已经被捏扁了。这说明这种神经控制的机械手有一个非常大的问题——缺少有效的反馈机制。这在机械手中非常常见，因为真实的人手皮肤表面有很多神经末梢感受器，相当于一个复杂的传感器系统，能感受温度、湿度、压力等信号，并将这些信息反馈给中枢神经系统，中枢神经系统以此来调整握持姿势和力度。上一副图片中的机械手的传感系统可能就做得不是那么完善，志愿者可能并不知道自己究竟让机械手施加了多大的力量，需要凭目测。此外，机械手缺少一种‚躯体感觉‛功能，即不通过肉眼观察，人也知道自己身体的某一部分在什么位置。

我阅读的第二篇文章致力于解决上述问题，文章名为《一种能提供长期稳定自然触觉的神经接口》。文献作者的思路在于在离体表比较近的神经束上套上环形的电极，通过对相应神经的刺激，志愿者能感受到手上触感，尽管已经接受了手部截肢手术。刺激不同的神经，能形成手上不同区域的触感。这种技术让机械手产生触觉成为了可能。按照他们所说，这种技术让这种虚拟触觉的维持时间提

升到了很多年，顿时让人感受到了科学的进步。

第三篇文章偏重于控制算法，即如何更好地用意识控制机器人的运动。个人感觉这个问题显得比较工程化，在一个已有领域开辟了一种新的方法，这种方法超越了之前的所有方法，由于并没有仔细地去

研究之前的方法与现在的方法的区别，我也没

有办法去很好地评论这篇文章，就此略过。

读了这些文献之后，我感觉中国学生阅读

英文文献的最大问题在于个人信心，其次在于

专业词汇的积累量。一见到这么大篇幅的英文

就感到害怕，进而不想看，这是非常常见，但

又必须克服的问题。其次，专业词汇积累量不

足，也会导致阅读上的困难。

右图是我看文章时对生词做的注解，可以

发现，英语水平有待提高。不过，阅读完之后，

我发现这些英文文献的句子结构相对来说比较

简单，只是生词较多。看他们做的图表，也会

感觉非常专业和严谨，同时又有比较好的美感，

不愧是一流的文献。

三、动漫·男孩·人机接口

那一年，我中学二年级，整个人处在一种爱幻想的状态（俗称‚中二‛），对动画片里面主人公们开着机器人去拯救世界的故事感到热血沸腾。其中最高端的技术莫过于将驾驶员与机器通过某种方式相连，达到‚人机合一‛的境界，最大程度地提升机器的性能。当时只觉得这种东西很玄，结果现在发现世界上确实有学者在研究这些东西，内心有一种莫名的喜悦。可能那些学者本身也是受了这些作品的影响吧。

下面，我将大略介绍一下影视作品中的人机接口技术。

首先是《星球大战》，这部作品代表着美国70年代末理想主义的最后闪光，主人公Luke Skywalker在被大反派击败并斩断一只手之后，逃脱并被救起，随后断手处被安装了一只机械手，如下图所示。由于当时的特效水平的限制，这只机械手并没有展示给别人任何机械骨骼上的东西，只是在手臂上PS了一些电路，检修盖一关上，跟普通的手臂没有任何区别（其实就是用普通手臂）。于是这样就造就了科幻史上最完善的一只仿生机械臂——功能完全和人手一致，外观完全和人手一致。这也成了之后很多科学家毕生追求的目标。上图中的‚DEKA手臂系统‛，其产品名称就叫做Luke，表示向这部科幻巨作致敬。