昆虫仿生

当水黾运动时，其前后四条腿保持与水面接触，主要起对水黾本体 的支撑作用；当向前运动时，水黾的前后四条腿保持与水面接触，左 右两条驱动腿按相同的运动规律前后划动，不同时刻运动位置相同， 这样就能保证水黾平衡的向前运动；当拐弯运动时，如向左拐弯，水 黾前后四条支撑腿保持不动，同时左驱动腿也保持不动，只有右驱动 腿进行划动，这样就实现了水黾的向左拐弯运动。可以看出，水黾的 运动方式同划船的运动方式是相同的，因此设计的水上行走机器人将 采用椭圆形运动轨迹进行机器人驱动。
水黾机器人的发展史
1. 2004年卡内基梅隆大学的 Metin Sitt（迈汀－斯廷）教授研制出首个 具备水面行走能力的微型机器人。
2. 美国麻省理工学院的数学家约翰〃布什教授研制同水黾更为相似的 机器人模型。 3. 哥伦比亚大学的Girard（戈德）教授研制出的水上机器人。 4. 日本的中央大学研发的水陆两用的水黾机器人。
基于国内外对水黾的研究，以及国内外学者对仿生水上行走机 器人的研究，在采用圆柱体作为支撑腿下，本论文设计的水上行走 机器人也采用六条腿结构，其前后四条腿主要起支撑作用，两边两 条腿为驱动腿。 采用四条腿漂浮机构相对于整体漂浮机构具有很多优点，采用整 体作为漂浮机构，如船型，其平衡性较差；采用四条腿漂浮机构，水 上行走机器人的整体重量将分配到四条腿上，能够较好的使机器人保 持运动平衡，并且具有较大的漂浮力。
1
昆虫形 态的仿 生。
I.
2
昆虫感 觉器官 的仿生 。
3
昆虫运 动功能 的仿生 。
4
昆虫其 他特异 能力的 仿生。
形态的仿生：应用于军事和航空航天领域，例如：模仿蝴蝶色彩和 花纹的军事伪装设施 感觉器官的仿生：研究昆虫复眼电子模型以及听觉和嗅觉感受器电 子模型，并将昆虫的这类特异的感觉原理用于机器人导航系统，以 提高机器人的自主功能水平。
水上行走机器人采用三个微型电磁铁作为驱动器，其中电磁铁 3作为左右两条驱动腿共用，电磁铁1和电磁铁2分别驱动左右两条 驱动腿。当向前运动时，电磁铁1和电磁铁3驱动左腿形成椭圆运 动轨迹，电磁铁2和电磁铁3驱动右腿形成椭圆运动轨迹，并且电 磁铁1和电磁铁2运动规律相同，这样就可以驱动水上行走机器人 平衡的向前运动；当拐弯时，如向右拐弯运动，驱动电磁铁2保持 静止，右驱动腿保持不动，只有电磁铁1和电磁铁3驱动左驱动腿 进行划动，而右腿只有在电磁铁3驱动下进行的上下摆动，并不会 形成前后滑动的运动轨迹，这样水上行走机器人就可以实现向右 拐弯运动。支撑腿通过金属丝同本体连接在一起。
II.
III. 运动功能的仿生：微小昆虫则是大自然创造的“微型飞行器”。 IV. 其他特异能力的仿生：蚂蚁、蜜蜂等具有其特有的社会群体协作性， 研究它们的这些群体习性，有的提出所谓“蚂蚁算法”,有的将其原 理用于研究MAV和多个机器人之间的协同工作。
昆虫机器人应用
1. 军事的侦查和防恐。
2. 农业上可以用来杀灭害虫、定点洒农药。
昆虫机器人
Insect robot
目录
昆虫机器人介绍
昆虫机器人发展史 昆虫机器人分类
典型案例-水黾仿生机器人
国内外现状 结构研究 本体设计 总结与展望
昆虫机器人
仿生学是1960年正式诞生的一门综合的边缘科学。它研究生物系统 的结构性质能量转换和信息过程，并将所获得的知识用来改善现在的 或创造暂新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程。 而昆虫仿生则是仿生的一个分支。昆虫是地球生物总的一个独特群 体，它们个体较小，数量庞大，占现存动物的75%以上。在长期的进 化过程中，昆虫发展出与其生存环境相适应的具有特殊构造和功能的 器官系统，它们有各自的生存技巧，有些技巧连人类都自叹不如。 例如：昆虫的高度发到的极其灵敏的嗅觉感受系统受其启发，通过 对其具有独特功能器官系统的构造的研究和模仿，有能使我们找到解 决人类社会实际问题的有效方物科学家仿生研究的重要目标。
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驱动技术
仿生机器人的驱动方式主要有压电驱动、静电驱动、记忆合金驱动、 微型电机驱动和微型电磁铁驱动等。 水上行走机器人由于其特殊的工作环境，所以对驱动器有特殊的要 求，如要求安装简单单，重量轻。对于水上行走机器人设计目标， 机器人未来是能够独立实现远离工作，因此需要把能源、控制器安装 在机器人本体上，所以所选择的驱动器还需要具有电压较小、能耗低 等特点。微电机驱动器不选，因为防水性比较差，选用电磁铁驱动器
总结与展望
仿生机器人的研究是当今机器人研究领域的前沿课题，而昆虫 机器人的仿生是一个研究不完的课题。昆虫种群庞大、种类多样、 外形迥异、功能奇特，是极其重要的仿生资源。今后需要大力开展 昆虫仿生资源研究，面对数以百万计的昆虫种类及其复杂精妙的结 构，常见的昆虫易被作为仿生对象，但不太常见功能更为奇特的昆 虫(如：在极端环境下生活的昆虫)更是值得开发的资源。与此同时, 要进一步开拓仿生研究的新领域，尤其要注重昆虫特异能力(如： 特异的感觉能力、信息处理能力)的仿生。研究昆虫仿生机器人应 该要通过多学科，多领域的交融，加强对昆虫生物学特性、功能及 其机理的基础研究，相信随着新能源、新材料、新型加工技术等发 展和机械学科、生物学科、控制技术的不断融合和发展，仿生机器 人越来越逼真，功能越来越多。
水黾研究
经过高分辨率分析型全数字化控制透射电镜对水黾的腿部结构进行 了扫描。得出以下图
可以看出，水黾腿部是由无数的微细毛组成；最后一张是对微细毛 进行了倍数放大，可以清晰地看出微细毛的表层是由沟槽构成的。水 黾腿上的这些微细刚毛产生空隙，当压在水面上时，水分子不能够浸 到空隙里面，就会压在腿面上，而在缝隙上形成空气压力腔，从而使 刚毛在水面上的压力增大，而使水黾腿在水面上具有较大的浮力。所 以水黾的腿可以压在水面上而不会扎入水里，并能够支撑水黾本体在 水面上自由的行走。
昆虫仿生发展史
I. 二战时期，苏联昆虫学家施万维奇根据当时人们对伪装缺乏认识的 情况, 提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发现的道理,在军事设施 上覆盖蝴蝶花纹般的伪装。根据同样的原理,后来人们还生产出了迷 彩服,大大减少了战斗中的伤亡。 20世纪40，50年代左右受蜻蜓等昆虫的启发德国科学家福克设计制 造的FW－61横列式双旋翼直升机。
本体设计方案
设计原则
水上行走机器人设计目标是设计的机器人未来可以脱离实验室环 境，能够集控制器、能源、检测侦察等设备于一体，能够在远距离 水面上工作，实现遥控控制。因此水上行走机器人的设计应遵循以 下设计原则： (1)驱动机构能够很好的同本体相结合，并能够实现仿水黾运动； (2)水上行走机器人体积小，机构紧凑，传动链短； (3)应当具有微小化的可能； (4)在水面上运动时，水对机器人阻力应尽量小； (5)水上行走机器人能够容易实现防水保护，并且驱动器应尽可能 的远离水面； (6)水上行走机器人应当具有一定的负载能力，以便今后搭载摄像 头、检测器等设备。
为了实现划船式推进器，利用了曲柄滑块机构。
在通常使用中，主要以曲柄滑块机构的曲柄1 作为主 动件，滑块3 为从动件，实现把转动转换为直线运动。 在本论文驱动机构设计中，采用滑块3 作为主动件，连 杆1 作为从动杆，实现把电磁铁的直线运动转化为杆1 绕 O 点的转动。
为了很好的仿生模拟水黾的运动机理，即机器人划动腿能够实现椭 圆形的划动轨迹，基于并联机理，对曲柄滑块机构进行变形，即采用两 个微型电磁铁进行驱动，设计了水上行走机器人单腿并构，单腿并联机 构示意图如图5所示。单腿并联机构具有两个驱动，驱动电磁铁1和驱动 电磁2，驱动电磁铁1驱动机构实现前后的运动，驱动电磁铁2实现机构 的抬起运动，对两个驱动器进调控制，驱动机构就可以实现预定的椭圆 形运动轨迹，如图3.6所示。在机器人本体上左右两边装一个驱动机构 作为机器人的划动腿，机器人就可以很好的实现前进和拐弯等运动。
II.
III. 1991年左右南京航空学院研制出一台8 自由度空间运动型的两足步 行机器人, 命名为NAIWR——1
IV. 2014年美国哈佛大学的科学家们在昆虫的启发下，研制出如苍蝇般 大小的机器人将成为世界上最小的无人机。
V. 2015年德国自动化公司费斯托研发了能协同工作的蚂蚁机器人。
4
昆虫机器人分类
3. 在狭小的管状通道或缝隙行走进行检测, 维 修等作业。 4. 在危险和恶劣的环境下做搜索工作和探险工 作。
典型案例-水黾仿生机器人
简 介
水上行走机器人的研究是基于昆虫能够在水面行走的基本原理而进 行的研究，水上行走昆虫主要有水黾、蜥蜴、水上蜘蛛等，国内外对 这些仿生原型都进行了不同方面的研究。通过分析国内外的研究成果， 选择水黾作为水上行走机器人的仿生原型，并对水黾的运动方式和结 构进行进一步的研究分析，了解仿生原型水黾的运动方式和结构，并 提出水上行走机器人驱动机构、整体机构等方面的设计指标。
机构研究
螺旋桨作为推进器 水黾运动启发 结构尺寸大、重量大、噪音大、 划船启发 密封性能差、可靠性不足、能 耗高、效率低(一般小于45%}、 动态响应差。
划水方式驱动推进器
结构简单，控制简单，噪音较小， 在水面运动时产生水波纹较小， 易于实现隐蔽等特点。 机器人划动腿能够实现椭圆形的 划动轨迹，采用微型电磁铁驱动 的基础下，为了很好的仿生模拟 水黾的运动机理。
现状遇到的重要困难
1.对昆虫的结构，生活习惯以及各方面的特性理解不够深入 2.由于某些昆虫皮肤的特殊性，现有材料的限制（变色龙；蛇 的蜕皮，能否发明某种材料用在机器人上生锈了能自动蜕皮） 3.由于大多数昆虫个体比较小，电源的限制了机器人的大小和 续航能力。
4.现有的控制技术和加工技术等其他技术水平的限制。
意
义
水黾可以在水面上停留并具有快速滑行和跳跃的活动机能。受水黾 启发，人们对在水面这一非结构环境下能快速移动的仿水黾机器人的 研究产生了浓厚兴趣。仿水黾机器人以其效率高、机动性好、噪音低、 对环境扰动小的优势将在军事侦察、环境监测、水体检测、地下管网 检测等军事和民用等方面得到广泛应用。因此，开展仿水黾机器人的 研究将具有重要的理论意义和实际应用价值。