北京信息大学国家级创新项目-蟑螂半机器人的设计及其应用(DOC)

2020年11月25日发(作者：元友直)

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

- 1 -

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

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。

项目创新特

色概述

项目所属一级学

工学、理学

科

起止时

申请经费

13200

元

间

姓

学

号

名

专业

院（系）

、

联系电话

E-mail

2014

年

3< /p>

月至

2016

年

3

月

秦

启

2

尧

申

请

人

或

申

请

< br>团

队

信

息

姚

2

宗

祝

2

超

高

2

沁

陈

懿

2 < /p>

电气工

程学院

|

电气

工程与

自动化

电气工

程学院

|

电气

工程与

自动化

电气工

程学院

|

电气

工程与

自动化

电气工

程学院

|

电气

工程与

自动化

电气工

程学院

电气工

程与自

< p>
动化

- 2 -

563518258@

511039544@

972774846@

363735721@

598191396@

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

姓

名

查

晓

明

院（系）

电气工程学院

职称

教授、

博导

联系电话

E-mail

xmzha@

- 3 -

一、申请理由（包括自身具备的知识条件：特长、兴趣等）

< p>
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< /p>

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

< br>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

labvie w

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

、

< /p>

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< /p>

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

mult ism

、

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、行动迅速，每秒运动速度可达

0.9m

，一秒可改变方向

< p>24~30

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。< /p>

- 4 -

（

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

8~10*10km

< p>。

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 Shimoyam a

从上世纪

90

年代初开始研究蟑螂的生物控

制技术。他选择体态最大、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

< br>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

10~100

μ

A

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，就可以通过遥控信号 （方波信号，占空比

50%

，周期

10ms

）产< /p>

生电刺激（

3~6v

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。

- 5 -

针对小范围无线控制，国内提出一种基于

< p>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

< p>
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、

< p>I/O

模块、

RS-232

接口以及电池等部分组成。其中< /p>

A/D

模块为

4

通道输入、

D/A< /p>

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< /p>

定，虽然初步实现了对蟑螂机器人的控制，但未能进行实时控制，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

< p>
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）< /p>

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。

- 6 -

[

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

2005.03

[2]

戴振东，孙久荣，王文波，谭华

.

生物机器人的发展及其关键技术

科学前沿

61

[3]

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)

[4]

王勇，苏学成，王敏等

.

动物机器人遥控导航系统

机器人

2006.03

[5]

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

TP24

[6]

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

2010.07

[8]

Raphael Holzer, Isao Shimoyama.

Locomotion Control of a Bio-Robotic System

via Electric Stimulation

[9]

M.

Burrows.

The

Neurobiology

of

an

Insect

Brain

Oxford

University

Press,

1996

[10]

Y. Kuwana, I. Shimoyama, H. Miura. Steering Controlof a Mobile Robot Using

Insect Antennae proceedings of the IEEE IROS

’

95 conference inPittsburgh,

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

electrophysiological

experiments,

”

Journal of

Medical &

Biological Engineering &

Computing, July

1996, Vol. 34, pp.305-307

[13]

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

,1988

[15]Cuperus P.L. A comparative election micropical study on antennae of small

ermine moths(Lepidoptera:Yponmeutidae). 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< /p>

,

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

,2003.04

[19]

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

- 7 -

[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

< p>
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):1 10-112.

[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]

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- 03

[30]

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

[34]Smith, Chirs. Theory and the Art of Communications Design. 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

- 8 -

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，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。

< /p>

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；

- 9 -