从人体解剖学分析机器人的人机交互及控制系统

1.从人体解剖学分析机器人的人机交互及控制系统

?目标:人体解剖学(神经系统)构件→结合机器人技术构件→机器人控制系统架构构件→人机交互界面的系统架构(硬件领域)

1.1.神经系统(nervous system)

神经细胞(神经元)是神经系统的响应细胞,神经系统通过电化学信号来处理和传送信息。运动神经细胞能接收从大脑和骨髓神经传来的信号,并控制肌肉的收缩。i

1.1.1.神经系统的分布

神经系统分为中枢部和周围部。

中枢部即中枢神经系统(CNS,central nervous system),包括脑和脊髓,它们分别位于颅腔和椎管内。

周围部又称周围神经系统(PNS,peripheral nervous system),包括脑神经、脊神经和内脏神经,周围神经一端同脑或脊髓相连,另一端通过各种末梢装置与神奇其他各器官、系统相联系。

根据分布对象的不同,将周围神经系统分为躯体神经和内脏神经。躯体神经分布于体表、骨骼肌、骨和关节;内脏神经分布于内脏、心血管、平滑肌和腺体。躯体神经和内脏神经在大脑皮质统一管辖与协调下,完成神经系统的各种功能。

1.1.

2.神经元的分类

神经系统的基本组织是神经组织(nervous tissue),神经组织主要由神经元和神经胶质做成。神经元(neuron)又称神经细胞(nerve cell),具有感受刺激和传导神经冲动的功能。神经胶质(neuroglia)又称神经胶质细胞(neuroglial cell),简称胶质细胞(glia或glia cell),无传导神经冲动的功能,而对神经元起支持、保护、分隔和营养等作用。

神经元基于功能及神经兴奋传导冲动方向分类如下:

感觉神经元(sensory neuron):又称传入神经元(afferent neuron),感受机器内、外环

境的各种影响,将相应信息自周围向中枢传递的神经元,包括单极(unipolar neuron)和双极神经元(bipolar neuron)。

运动神经元(motor neuron):又称传出神经元(efferent neuron),是将冲动由中枢传至周围,支配横纹肌、平滑肌和腺体等的活动的神经元,多数属于多极神经元(multipolar neuron)。

联络神经原(association neuron)又称中间神经元(interneuron),位于中枢神经系统的感觉和运动神经元之间,是广泛存在于中枢神经系统灰质内,起联络作用的神经元,多数属于多极神经元。动物越进化,中间神经元越多,人类神经系统的中间神经元占神经元总数的98%~99%,构成中枢神经系统内的复杂网络。

1.1.3.神经元的活动

神经系统的基本活动方式是反射(reflex)。即:神经系统通过与他相连的各种感受器,接收内、外环境的各种刺激,经传入神经传至中枢(脊髓和脑)的不同部位,经过整合后发出相应的神经冲动,经传出神经将冲动传至相应的效应器,产生各种反应。反射的形态学基础是反射弧(reflex arc),包括感受器、传入神经、中枢、传出神经和效应器5个部分。

1.1.4.中枢神经系统、脑科学(Brain Sciences)ii

脑科学(Brain Sciences)是研究人脑的结构与功能的综合性学科。由于脑并不是孤立存在的,研究的对象不只局限于脑,而是包括与脑缪可分得整个神经系统,甚至包括感觉和效应器官。因此,脑科学也成为神经科学(Neuro Sciences),也与神经生物学(Neurobiology)常常通用。

脑和脊髓一样,是中枢神经系统的一部分,而脑又由端脑(大脑和基底神经节)、间脑、中脑、脑桥、延髓和小脑构成。其中,脑干包括中脑、脑桥和延髓。延髓连接着脊髓,好像是脊髓的延长,故称延髓。

大脑各部分功能见表2.5和表2.6。

表2.5大脑中枢神经系统各部分的主要功能

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肌肉传入的感觉信息并进行加工。

延髓直接位于脊髓上方,内有许多与生命相关的自主性中枢,包括消化、呼吸及心律控制

脑桥位于延髓上方,把有关运动的信息传向小脑

小脑位于脑桥后方,有三对小脑脚与脑干相连,调制运动的力量与范围,并与运动技巧的学习有关

中脑位于脑桥的嘴侧,控制许多感觉及运动功能,包括眼球运动及视、听反射的协调

间脑位于中脑的嘴侧,包括丘脑及下丘脑两部分。丘脑加工从脑的其他部分进入大脑皮层的信息;下丘脑调节自主性、内分泌及内脏功能

大脑包括大脑皮层及三个深位置的结构:基底神经节参与运动调节;海马参与记忆存储的某些方面;杏仁核群协调与情绪有关的各种自主性及内分泌反应,也是恐惧性条

件反射的中枢之一。

表格2.6脑部组成及功能区

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间脑与感觉、内脏和内分泌等技能活动有关

小脑与多种运动功能相联系的调节中枢

脑干(中脑、脑桥、延髓)有些相当于脊髓,有些则高于脊髓,对脊髓具有一定的调节和控制作用,而且重要的生命中枢多存于脑干

脊髓1、传导机能:除头面部以外的全身的浅、深部感觉以及大部分内脏感觉,都通过脊髓传至脑。脑对躯干和四肢的骨骼机运动以及内脏(部分)的管理,也必须通过脊

髓才能完成。

2、反射机能:脊髓通过脊神经所完成的复杂功能,许多是在脑的各级中枢控制和调

节下,通过各上、下行纤维束来完成的。脊髓反射(躯体反射和内脏反射)不必经

过脑(尽管正常情况下受控于脑)。

3、低级中枢:存在有血管舒缩、排尿、排便和性功能活动的低级反射中枢。

人脑由左半球和右半球构成,其结构几乎完全一样。但两者有不同的功能,分管人的不

同行为。

右脑控制左半身体活动,它是处理表象和进行具体想象思维、发散思维、直觉思维的中

枢。主管人的视知觉、复杂知觉、模型再认、形象记忆、认知空间关系、识别几何图形、想

象、做梦、理解隐喻、音乐、节奏、舞蹈以及态度、情感等,具有补连续性、弥漫性、整体

性等功能,称之为“情感半球”或“形象半球”。

左脑分区功能:中央区、运动区、布氏语言区、嗅球、侧裂、主要听觉区、威氏语言区、

主要视觉区、角回、体觉区。

左右脑功能对比请参阅表2.7。

左右脑功能对比

表格2.7

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逻辑分析思维直觉和动觉知觉和表象

语言、分析、计算、抽象、逻辑、对时间感觉表象、综合、直观、音乐、对空间知觉和理解

对应能力具体思维能力、空间认知能力、对复杂关

系的理解力、创造活动(想象、直觉和整

体综合)

积极的技术公式化视觉化

消极的习惯紊乱空想

思考方式垂直的、连续的、因果式

[抽象分析]并行的、发散的、整体式[具体综合、想象力]

脑科学研究发现,一般儿童到2岁之后,左脑才开始慢慢发育,言语中枢逐步发达,此前基本上是生活在右脑形象世界里;到3岁左右,对于言语运用已达到一定程度的自如;4~6岁是幼儿在自己的形象库内选择语言,是语言头脑进一步发达的重要时期,但6岁以前,幼儿仍是以具体形象性的右脑思维为主。

一种基于人脑信号(ERP/EEG)的控制系统正在兴起,这种控制系统直接以人脑信号为基础,通过脑机接口(BCI,Brain-Computer Interface)技术来实现控制。BCI技术是一种可以让用户通过思想来控制特殊的计算机设备的通信方式。

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图2.3.1BCI基本框图

ERP——脑电位,Evenet-Related Brain Potential,一种无损伤性脑认知成像技术,其定义是:凡是外加一种特定的刺激,作用于感觉系统或脑的某一部位,再给予刺激或撤销刺激时,在脑区所引起的电位变化。这种电位变化是人类Array身体或心理活动与时间相关的脑电活动,可在头皮表面记

录到,并以信号过滤和叠加的方式从脑电图

(EEG,Electroencephalography)中分离出来。

1.1.5.脑和脊髓的传导通路

大脑皮质及皮质下中枢与感受器和效应器之间在中

枢内的联系路径,成为传导通路。有两大类传导通路:感

觉(上行)传导通路和运动(下行)传导通路。

1)感觉传导通路

1本体感觉传导通路

本体感觉又称深感觉,是指肌腱关节等运动器官本身

在运动或静止时产生的感觉,包括:位置觉、运动觉、震动觉。传导途径有两条:一条是传至大脑皮质,产生意识性本体感觉;另一条是传至小脑,产生非意识性本体感觉,亦称反射性本体感觉。

2浅感觉传导通路

3视觉传导通路和瞳孔对光反射通路

4听觉传导通路

5内脏感觉传导通路

2)运动传导通路

1锥体系

2锥体外系

3)神经系统的化学通路

1胆碱能通路

2胺能通路

3氨基酸能通路

4肽能通路

从感觉器官直接与脑部的连接的有十二对脑神经,概括为:“一嗅二视三动眼,四划五叉六外展,七面八听九舌咽,迷走及副舌下全。”具体是:(1)嗅神经(2)视神经(3)动眼神经(4)滑车神经(5)三叉神经(6)外展神经(7)面神经(8)位听神经(9)舌咽神经(10)迷走神经(11)副神经(12)舌下神经。

1.1.6.仿人神经体系机器人控制体系及人机交互方式

根据以上多方面的分析和探讨,结合人机交互系统技术可以发现,目前世界主流的机器人示教器尚处于图形用户界面的时代,其特点是:桌面隐喻、WIMP技术、直接操纵和“所见即所得”,很大程度上依赖于菜单选择和交互。同时也存在着极大的弊端:图形用户界面需要占用较多的屏幕空间,并且难以表达和支持非空间性的抽象信息的交互。

可以说工业机器人示教器尚处于人机交互技术的早期模式,因此可以断定,随着工业机器人行业的发展,虚拟现实技术(多通道多媒体)必将会很快的引入机器人的人机交互系统之中。

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图2.3.3仿人神经体系机器人控制体系

将感觉器官影射为传感器,而把运动器官影射为机器人的驱动电机,基于脑、脊髓、神经传导通路映射的机器人控制体系,融合人机交互技术的软硬件技术设备,经过映射和优化,我们建立新型的人机交互体系,请参阅图2.3.3。从中可以看到机器人示教器

硬件体系更人性化的一个发展方向,更多的虚拟现实技术将会应用在未来的机器人人机交互系统中。

[i]毛黎,《干细胞》:诱导多能干细胞分化出运动神经细胞,科技日报,2009-3-2

[ii]王志良,《人工心理》,北京,机械工业出版社,2007年,第23页(TP242.6/09)

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