国家级创新项目-蟑螂半机器人的设计及其应用

1、大学生创新训练项目申报书 项 目 名 称 离网光伏发电系统的优化设计与实现 项 目 负 责 人 袁杨 负责人所在单位 武汉大学电气工程学院 负责人联系方式填 表 日 期 2014年3月10日 二0一四年三月武汉大学2013年度大学生创新创业训练计划申报书填表时间： 2014 年 03 月 10 日项目名称离网光伏发电系统的优化设计与实现 项目创新特色概述1、；2、传统机器人拥有体积大、制造复杂、耗能、操作控制难等问题，生物机器人能很好解决这些问题。项目所属一级学科工学、理学申请经费13200元起止时间2014年3月至2016年3月申请人或申请团队信息姓 名学 号院（系

2、）、专业联系电话E-mail秦启尧2011302540080电气工程学院|电气工程与自动化18672963206563518258姚宗2011302540138电气工程学院|电气工程与自动化13163292053511039544祝超2011302540151电气工程学院|电气工程与自动化13237121130972774846高沁2011302540298电气工程学院|电气工程与自动化13163380683363735721陈懿2011302540110电气工程学院电气工程与自动化13164681359598191396注：项目负责学生的信息填写在本栏目的第一行，成员共计不超过5人。导师信息

3、姓名院（系）职称联系电话E-mail查晓明电气工程学院教授、博mzha一、申请理由（包括自身具备的知识条件：特长、兴趣等）本小组成员因为共同的兴趣和爱好而走到了一起，并在指导老师的带领下，经过讨论与思考，最终确定申请“蟑螂半机器人的设计及其应用”这一项目,所谓蟑螂半机器人，是指在蟑螂等昆虫体上附加控制电路，使得蟑螂等昆虫能根据人类的要求受控动作，并实现人类预设的功能。对于这一项目，我们的申请理由如下：1、从2012年11月开始预研本项目,蟑螂因其生理构造特殊、细小灵活、具有极强生命力，有望在事故或灾害现场的搜救工作中或者管道检测发挥重要作用，而国内在此方面的研究较为匮

4、乏。四个月来，我们小组查找大量资料，同时与指导老师进行讨论，自主开展了一些实验，我们对蟑螂的行为与生物电流的关系及如何通过电流控制蟑螂行为有了较深入的了解；在研究的过程中，每周开一次例会，定期做学术报告，对项目有一定的把握程度。2、2012年2月，小组成员在生命科学学院教授的带领下参观了国家实验室并就蟑螂的行为及其控制进行了深入的讨论，了解到，目前国内对于蟑螂的研究更多地关注于蟑螂的防治，而在昆虫与电力控制等学科融合领域研究极少，蟑螂机器人具有重要的研究意义及广阔运用前景。3、该项目难度适宜，适合本科生层次的科研，学院实验室已有不少相关实验设备和仪器，而本小组成员已在指导老师的帮助下学习了la

5、bview等编程软件和单片机，初步确定了可行性较强的实验方案，并进行了一些具体的生物学、电学实验。4、项目需对专业课程有深入的理解与灵活运用能力，同时要求我们对生物学方面有所思考。在此过程中我们有机会更深入地了解所学专业知识及专业领域的思维方式、解决问题的方法等，同时对我们扩展知识面有着十分重要的作用。5、项目涉及诸多本专业的多种课程，如模电、数电、微机原理及接口技术、单片机、工程电磁场以及multism、matlab、labview、protel电路板设计等分析仿真软件的使用，我们已经学完、自学完或者即将学习。该项目针对性很强，有助于达到理论与实践相结合的效果。6、本小组成员已经做好了充足的

6、准备，在学院老师以及生命科学院相关老师的指导下，我们有信心在规定期限内将项目完成。二、立项背景（研究现状、趋势、研究意义等，参考文献和其他有关背景材料）1、生物机器人定义以及优势生物机器人是指利用动物体的运动机能、动力供应体制，从动物运动的感受传入或神经支配入手，实现对动物运动和某些行为的人为控制。与传统仿生机器人相比，生物机器人在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面较之有更明显的优势，而且利用生物本身的特性，可以适应人类、仿生机器人不能适应的极端环境，完成特殊任务。2、蟑螂机器人应用前景（1）本课题主要研究方向为生物机器人分支昆虫（蟑螂）机器人。以蟑螂为例，蟑螂本身体积小、行动迅

7、速，每秒运动速度可达0.9m，一秒可改变方向2430次。利用这些特点，在蟑螂身上安装信号发生器、无线接收装置控制蟑螂的行走路径，可以很好地胜任危险环境、灾区搜救以及情报收集工作。（2）工业内表面的状态检测需求。我国现有的各类管道长度超过13300km，未来几年我国油田集输、高压输送、中压配送管道的长度将会增加到810*10km。人为检修将会面临极大困难。生物机器人作为管道机器人的重要补充思路，在管道空间受到限制，转角、特殊形状的管道应用中，生物机器人有广泛的应用市场。3、蟑螂机器人的研究现状国外：日本东京大学的教授Isao Shimoyama从上世纪90年代初开始研究蟑螂的生物控制技术。他选择

8、体态最大、负重能力最强的美洲蟑螂做为实验对象。实验装置原理图如下： 实验装置主要由轻质聚苯乙烯泡沫球、光编码器、微处理器和计算机等组成，微处理器与计算机之间可实现双向数据传。蟑螂被固定在球体上，刺激电极安放在蟑螂的探须和尾须处，在球体的下方和侧面安放编码器，由编码器记录球体在两个平面的转动，即蟑螂前行和转向的运动量，通过微处理器解码，将数据传输到计算机中进行数据处理和存储。然后计算机再发出刺激命令，由蟑螂体上的刺激发生器产生10100A刺激电流，电流通过刺激蟑神经系统，使蟑螂形成障碍错觉，从而产生运动行为。改变电刺激强度和电极安放位置，就可以得到蟑螂不同的运动行为规律。掌握蟑螂的运动行为规律后

9、，就可以通过遥控信号（方波信号，占空比50%，周期10ms）产生电刺激（36v电压），再利用传感器的实时信号反馈实现对蟑螂运动行为的控制控制。研究人员已在实验室初步实现了控制蟑螂沿直线方向运动。Alper Bozkurt(NC State University，2012.09) 在马达加斯加蟑螂身上装置无线接收器和发射机，装置仅有0.7克，该装置中还配备有微控制器，它与蟑螂的触须和尾须连接，可以帮助研究人员监视埋藏电极和组织之间的界面，以此来避免潜在的神经系统损毁。蟑螂的尾须就是其腹部上的感觉器，它可以帮助蟑螂判断周围移动的物体，电线连接到尾须部分，刺激时电子注射进入蟑螂神经组织，蟑螂产生物理

10、障碍错觉从而逃跑。最近的一次实验他们成功实现了远程操控蟑螂沿不同方向的路线爬行。国内：国内尚无昆虫（或者蟑螂）机器人的研制。国内主要进行的是仿生机器人的研究。生物机器人研究相比于发达国家起步较晚。2003年南京航空航天大学的戴振东教授以壁虎为生物机器人研究对象，初步探索了壁虎脑对运动控制的映射关系，表明能够通过对脑区特定部位的点刺激实现壁虎特定的运动行为。目前正在研究模拟神经放电脉冲的时空编码顺序。4.无线遥控部分随着微电子技术、计算机网络技术和通信技术的发展,无线控制网络日益成为互联网领域研究的热点之一。无线控制网络具有无处不在和节点数量庞大等特点,适用于军事、智能家居、环境监测和预报、医疗

11、护理、建筑物状态监控、工业控制等领域，在无线控制领域国内已取得较为丰硕的成果。针对小范围无线控制，国内提出一种基于MSP430单片机和CC1100射频收发器组成的无线控制网络节点以及由这种节点构成的小范围无线控制网络。该无线控制网络功耗低、节点体积小、通信可靠、安装布置方便,可以广泛应用于无线数据采集和控制系统。该无线控制网络节点由MSP430单片机、射频收发器CC1100、LCD显示屏、A/D模块、D/A模块、I/O模块、RS-232接口以及电池等部分组成。其中A/D模块为4通道输入、D/A模块为单通道输出、开关量输入为8点, 开关量输出8点。如图1所示, 该传感器节点模块可通过拨码开关设置

12、为主节点和分节点, 同时可设置自身的工作频率和地址。当设置为主节点时, 与PC机通过RS-232接口相连, 采用PC机作为数据处理中心。 本小范围无线控制网络上位机软件采用VB开发, 可视化直观的界面使该系统使用方便、操作简单。该无线控制网络对于一些不易布线、需要采集控制的信号较多、实时性要求不高、系统安装调试周期短的应用场合具有很大的应用价值。因此，针对本项目，国内无线控制已达到较为成熟的阶段，应用于蟑螂机器人也较为可行，而且可以大大扩展蟑螂机器人的应用前景。5.小组研究方向 目前国外蟑螂机器人的设计采取程序预先设置的方法，即对蟑螂的控制程序是预先固定，虽然初步实现了对蟑螂机器人的控制，但未

13、能进行实时控制，对蟑螂的控制还存在不稳定性。同时，生物机器人的研制在美国、日本尚属非完全公开资料，在大致了解生物学原理以及相关控制方法之后还需要我们对控制装置进行重现和改进；同时在此基础上，国外蟑螂机器人的制作尚处于开发试验阶段，我们小组希望在研制的基础上在机器人身上安装相关应用装置使机器人能够朝应用方向进一步发展。（具体方向如下）本次课题希望在原有的蟑螂的对于外界的感知方式以及电流对蟑螂行为的影响研究成果上：第一，设计出发射脉冲遥控蟑螂的电路控件，通过无线电小范围内实时控制蟑螂行为第二，通过实验和电路设计，加强蟑螂操控的稳定性，排除一定生物自身其它感知系统影响；第三，在蟑螂机器人身上安装例如

14、摄像头、红外线感应等测量装置，发挥蟑螂的生物优势，可应用于核爆炸或核泄漏后的环境监测数据的收集以及废墟搜索救助，增加蟑螂机器人的实用性以及推广价值；第四，蟑螂机器人是半机器人中的一个典型例子，在蟑螂机器人的研究过程中，我们可以为生物和电子控制等融合领域的研究提供参考，并试图展示半机器人研究过程中出现的某些普遍问题，以及提供对于这些问题的较为简易和有效的解决方法。第五，昆虫类生物结构典型，研究蟑螂有益于为研制其它昆虫机器人提供思路和方案，研制成功的电子设备很有可能在其它昆虫身上应用推广。 参考文献1郭策，戴振东、孙久荣. 生物机器人的研究现状及其未来发展 机器人2005.032戴振东，孙久荣，王

15、文波，谭华. 生物机器人的发展及其关键技术 科学前沿613王文波，戴振东. 动物机器人的研究现状与发展 中图分类号: TP242文献标志码:A文章编号167125276 (2010) 02200012074王勇，苏学成，王敏等. 动物机器人遥控导航系统 机器人2006.035李海鹏，戴振东，谭华，郭策，孙久荣. 基于BCI 的壁虎动物机器人遥控刺激系统 中国科技论文在线TP246谢合瑞. 微小型多通道生物机器人遥控刺激系统的研制 硕士学位论文7高 勇，陈伟海，陆 震，刘敬猛. 蟑螂机器人仿生机理及运动控制 机械工程学报2010.078 Raphael Holzer, Isao Shimoyam

16、a. Locomotion Control of a Bio-Robotic System via Electric Stimulation 9 M. Burrows. The Neurobiology of an Insect Brain Oxford University Press, 199610 Y. Kuwana, I. Shimoyama, H. Miura. Steering Controlof a Mobile Robot Using Insect Antennae proceedings of the IEEE IROS95 conference inPittsburgh,

17、1995.11 R. Plonsey, R. C. Barr, “Electric Field Stimulation of excitable tissue,” IEEE Transactions on Siomedical Engineering, Vol. 42, No. 4, April 1995, pp.329-336.12 D. Schield, A. Gennerich, H. A. Schultens, “Microcontrollers as inexpensive pulse generators and parallel processors in electrophys

18、iological experiments,” Journal of Medical & Biological Engineering & Computing, July 1996, Vol. 34, pp.305-30713马瑞燕，杜佳纬. 昆虫的触角感器 昆虫知识 2000 37（3）14杜家纬. 昆虫信息素及其应用 北京:中国林业出版社,198815Cuperus P.L. A comparative election micropical study on antennae of small ermine moths(Lepidoptera:Yponmeutidae).

19、 Ph.D dissertation,Sweden,1983.16冯怀亮,张东学,常廷荣 等. 昆虫知识,1992,29(5):292-294.17赵新成,阎云花,王睿,王琛柱. 昆虫神经生物学研究技术:触角电位图记录 昆虫知识，2004 41（3）18袁毅君，张敏，马纲. 生物电现象与神经细胞动作电位 天水师范学院学报,2003.0419田承云,张国雄. 微型电流式生物传感器 化学传感器20童强民. 一种基于单片机系统的无线遥控技术 电脑知识技术，2009.03 21周计文.基于单片机的多路无线遥控开关设计J.微处理机,2008(3):159-161.22肖景和,赵健.无线电遥控组件其应用电

20、路M.北京:人民邮电出版社,2004.23陈龙.可编程无线电遥控多通道开关系统的设计J.半导体技术,2004,29(9):61-63.24邬伟奇.PT2262 编码芯片的软件解码J.微计算机信息,2004,20(7):110-112.25徐渺.基于51 单片机的低价型远程多用途无线遥控模块J.工业控制计算机,2006,19(5):69-72.26沈红卫. 单片机应用系统设计实例与分析 北京航空航天大学出版社27李朝青. 单片机原理及接口技术(第三版) 北京航空航天大学出版社28魏星，何海燕，张建斌，陈伟海. 多传感器融合技术在蟑螂机器人控制中的应用 计算机测量与控制，2007.15（12）29

21、赵春红, 杨勇. 基于单片机和无线电遥控技术的密码锁设计 文章编号: 1000- 8829( 2005) 09- 0009- 0330何立民. MCS 51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术M . 北京: 北京航空航天大学出版社, 1999.31刘建武. 利用vb开发无线通讯程序 工业控制计算机，2011.14（5）32龙绪明. 用单片机实现机器人自适应控制(MRAC)算法 工业仪表与自动化装置1991（2）33张增芳,胡迎,春龙华强. 智能机器人遥控技术的算法研究 技术与应用34Smith, Chirs. Theory and the Art of Communications Des

22、ign. State of the University Press, 1997. 35蔡自兴. 机器人学M . 北京: 清华大学出版社, 2000 2 孙迪生, 王炎. 机器人控制技术M . 北京: 机械工业出版社, 1997 三、项目方案1项目流程图2.生物学原理及方案查阅相关生物学资料可知，蟑螂的主要感觉神经集中在触角、尾须上。触角上的细毛可以感知环境温度、空气震动甚至是气味，然后将外界信号转化为电信号传入蟑螂的神经中枢，进行信号处理后指挥蟑螂产生相应行为；蟑螂腹部的尾须可以感知危险信号使蟑螂产生自主性神经反射进而前进。在预研过程中，小组成员秦启尧曾拜访过武汉大学生命科学院教授赵华斌老师

23、，赵老师指出蟑螂等昆虫类生物神经信号传递形式为电信号，通过不同的电位指导其进行不同的活动。我们小组由此做出猜想，利用一定幅值的电压（电流）信号刺激蟑螂尾须可以控制其前行与停止；通过触角两端产生电位差可以使蟑螂发生左转右转动作。在前期预研的过程中，感谢生科院周教授提供的13只实验用蟑螂，为我们做了相应生物生理方面知识的普及与介绍。我们利用这些蟑螂着手开展相关实验（2013.03.10）。首先我们剪断触角，将收音机铜丝插进蟑螂头部进行电击测试，之后我们再将铜丝固定在其尾须上，用万用表和信号发生器改装成的刺激探针对蟑螂进行刺激，实验初步结论如下：1. 刺激触角，蟑螂有轻微反应，反应强度随电压强度增加

24、而增加；2. 刺激尾须部分，蟑螂反应明显，当电压超过16.8v时蟑螂被击翻但未死亡；在实验之前我们在生物学原理部分提出过几个可能出现的难点：1. 在实验过程中蟑螂活动能力强很难受到控制；2. 铜丝安置部位不易确定；解决方案：1. 生物学老师介绍，蟑螂在4左右活动能力较弱，可以事先冷冻处理降低其活动性；在实验中我们发现，当剪掉蟑螂触角之后蟑螂的活动能力大大下降，达到开展实验的标准要求；2. 铜丝固定我们采取粘附和插入两种方式，初步判定采用插入方式，但牢固性有待加强；在测量蟑螂行动的时候，我们搭建了相关实验平台，原理图、实际操作如下：图1为蟑螂爬行实验的平面平台 其中外围为一栅栏，中间四个为立方体

25、，构建出一个十字路口效应，操控蟑螂的运动方向，多次试验得出结论。（为了防止蟑螂向上爬，在立方体上涂抹有一层油，蟑螂会自动避开油剂路径） 图1 蟑螂爬行实验平台3.实验电路原理分析及设计蟑螂身体的刺激电路用万用表测量蟑螂触角至尾部的电阻约值，用欧姆定律U=I*R计算输入电压值，已知I=10100uA。得出的电压由信号源经放大控制，信号源即为蟑螂机器人无线接收部分输出信号。无线开关1、2是由主控部分直接控制的，在常态时两个无线开关均为断开状态，当主控部分产生动作，即有“左”或“右”信号发出，依次对应的无线开关“2”“1”将会闭合，从而实现通路，此时，从信号源流入的电流将会刺激蟑螂触角，实现蟑螂左右

26、动作。下图为实现蟑螂动作的控制原理图。4.蟑螂机器人的无线模块原理及设计： 如上图所示，机器人的主控模块由一块DM430型单片机和一个无线发射模块nRF905构成。DM430系统板的核心模块为MSP430F149。无线发射模块nRF905启动ShockBurstTM发射模式，即把 MCU设置TRX_CE和TX_EN为高电平。通过单片机的I/O口模拟SPI接口进行两者通信。而DM430单片机与计算机之间是通过串口（即COM口）进行数据交换的。计算机主要是用来与人行为交互，人通过操作计算机间接控制昆虫机器人的运行。为实现此功能，我们利用图形化编辑语言G编写程序Labview编写程序，Labview

27、的VI是程序化和模块化的，可以作为其他程序的子程序，被其他程序调用，即能实现与单片机的信息交流。Mutisim绘制昆虫机器人无线接收电路：昆虫背负的电路结构由电磁波接收、信号放大滤波、信号解调、信号功率放大四部分组成。其中，信号接收装置如右图所示，装置由一根接收天线及一个LC回路组成，调节LC回路中的可变电容可接受来自外界不同频率的电磁波，且满足关系式 。在此我们选择无线发射模块nRF905发射的433MHZ频率的无线电波。在装置的另外一端是与地连接，从接受装置上引出一条导线即可实现对信号的下一步处理。信号放大部分如下图所示，信号放大分两部分，第一部分是对接受到的信号进行电压放大滤波处理，信号

28、引进后经过一个同相输入电压放大电路进行放大，它的输出电压V0=（1+R1/R2）*Vi；第二级是个带通滤波电路，由于收集到的信号仍有一些其他干扰信号，采用带通滤波电路能将这些干扰信号清除。对上述电路图进行交流仿真，得到如下曲线，由于在电路设计时并未采集到调制信号，故我们简单的运用正弦信号（12mV，140MHz）代替，高频正弦波在经过电路处理后将会带通滤波，即滤出高频、低频信号，保留我们需要的信号。控制电路的第三部分是一个解调电路，如下图所示。由于电磁波传输时需要将低频信号进行调制，即将信号源的信息加载到高频载波上，这样能使得信号利于传输，经调制后的信号被接收之后需要解调得到原来的信号信息。因此，在接受到来自无线模块的电磁波信号后，为得到刺激昆虫的方波信号，我们需要对信号按如下电路进行解调处理。第四部分是对信号进行功率放大处理。功率放大电路采用的是具有较强抑制交越失真能力的