行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
總計畫-微型仿生生物體之研發(1/3)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC92-2213-E-002-051- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學電機工程學系暨研究所 計畫主持人： 陳永耀 共同主持人： 顏家鈺，連豊力 計畫參與人員： 李源華 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 6 月 1 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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計畫類別：□個別型計畫 █整合型計畫
計畫編號：NSC 92-2213-E-002 -051
執行期間：92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳永耀 國立台灣大學電機系教授
共同主持人：顏家鈺 國立台灣大學機械系教授
連豐力 國立台灣大學電機系助理教授
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立台灣大學電機工程學系暨研究所
中 華 民 國 93 年 5 月
微型仿生生物體之研發
總計畫：微型仿生生物體之研發(1/3)
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
微型仿生生物體之研發
總計劃: 微型仿生生物體之研發(1/3)
計畫編號：NSC 92-2213-E-002 -051
執行期限：92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
主持人：陳永耀 臺大電機系教授
共同主持人：顏家鈺 臺大機械系教授
連豐力 臺大電機系助理教授
計畫參與人員：李源華 臺大電機系
一、前言
本計畫為”微型仿生生物體之研發”整 合型計畫之總計劃，希望藉由大自然的靈 感，模仿微型生物體的肢體結構，如某些 用腳行走的動物（昆蟲）在表面粗糙及不 規則地形上的操控及性能上都可輕易勝 過最靈巧的機械人，藉由研究這些生物體 的系統特性來改良我們的機械人；再者模 仿其感測致動行為，如在昆蟲(蛾)上觀察 到藉由特殊的行為模式收集感測到的異 性的費洛蒙氣味來幫助微型蟲作氣味源 定位的任務。最後利用現有高科技通訊技 術完成同群體間的溝通來發展群集的微 型機械蟲，幫助我們完成人類所不可及之 工作，如在惡劣的地形下進行探索，具有 昆蟲特性的仿生機械可藉由其特性有效 率的橫越困難地形，並利用微型感測系統 進行探查，加上群體間的互助合作在進行 災難救援時能發揮卓越的性能。二、摘要
中文摘要 總計劃第一年的執行內容分成三部 份來個別進行，分別如下： 子計畫一完成收集昆蟲動態資料，設 計昆蟲腳驅動機構，以達成類似昆蟲的運 動機能，同時初步完成昆蟲腳驅動機制特 性分析，以期設計出的彷生昆蟲載具能搭 載子計劃二的訊息與溝通模組與子計劃 三的大腦與小腦感應模組。 子計畫二主要在探討探討螞蟻、蜜蜂 等多群體生物系統中包括合作性或競爭 性行為之協調行為的產生機制，以及了解 此類行為產生時之資訊交換模式，然後依 此模式設計出一套適用於多群組系統的 動態資訊通訊之演算法。 子計畫三，主要在探討有限感測能力 下，仿生昆蟲之行為反應模式設計及所能 達成之預期工作目標；成果主要包含兩主 題，氣體擴散環境的建立以及氣味追蹤演 算法在氣味來源定位的應用。 英文摘要The content of the first-year main project includes three sub-programs :
Subsidiary project(1) : In order to simulate the behavior of the bugs. We observe and collect the hebaviors of the bugs. We design the driver of the bug’s foot. Then, we want to design the brain module and the communictation module. In order to design a robot bug to exactly mimic the beavior and property of a real bug.
Subsidiary project (2) : This sub-program’s topic is to try to study the competetion and reaction between the group being (ex. ant or bee ) and information exchange rule. Then, use this mothodology to develop a dynamic algorithm for
communication.
Subsidiary project (3) : Project 3 is focused on studying the bio-mimetic robot responding to the design module to achieve the anticipated goal under the finite senor capacity. There are two objectives in the project: construction of odor distribution environment and odor tracking algorithm which is used to determine the position of odor source.
三、研究目的
總計劃之主要目的為進行各子計畫 之整合，進行微型機械在力學仿生以及資 訊與控制仿生上，司法大自然中微型甲蟲 有利的機構設計及運動行為、有效率的感 測致動行為以及群體間合作型行為的資 訊互換機制。 子計畫一發展總計劃所需的彷生昆 蟲載具， 為達成類似昆蟲的運動機能， 這部份進行昆蟲運動模式分析，藉由對昆 蟲運動模式的了解，設計適合本總計劃使 用的昆蟲腳步機構，初步將以蟑螂的運動 機構為模仿的目標，蟑螂的機構對地形有 極大的適應性，對於本計畫所發展的彷生 昆蟲日後的應用有較大的幫助。 子計畫二設計數個或是一群具備基 本智慧與行動能力的微型機械運動體以 取代人類，於微型運動體的設計法則乃專 注於將基本的功能，因此必須精巧地建築 於一個體積微小的空間之中，如何設計一 套機制能將整體性的工作目標，適切地傳 遞到群體中的每一個個體之中，則是一項 極具挑戰的研究目標。 子計畫三建立一套感測系統能讓微 型仿生機械有能力去尋找及定位一個或 多各氣味來源。氣味來源定位是尤其吸引 我們作相關及深入的研究在這氣體感測 的領域裡；因為此類應用被高度需求在瓦 斯漏氣偵測、氣體污染源的追蹤以及救災 救難中失火的起始點。 總言之，本總計劃的目的在利用子 計畫一的模仿生物體肢體結構及行走模 式，建立支撐整個計畫的載具，搭載子計 劃二的訊息與溝通模組與子計劃三的感 測反應行為，以期設計出數個或是一群具 備基本智慧與行動能力的微型機械運動 體以取代人類在一個危險或是微小而不 易到達之環境中進行監視、勘查、廢棄物 清除以及路徑搜尋等工作。四、文獻探討
近年來，設計仿生機器人一直是一個 熱門的研究項目，不論是機器人的機構或 是運動形式，都盡量設計成與生物體相 近。六足機器人多以模仿昆蟲為對象，有 模仿蟑螂的如[1,6,8]，有模仿竹節蟲的如 [2,3,4]，四足機器人多模仿哺乳類，如[5]。 而在行走的動力來源方面則眾人選擇皆 不盡相同，如使用直流馬達的較大型傳統 行 走 機 器 人 [4] ， 或 使 用 空 氣 活 塞 ， 如 [1,6] ， 也 有 使 用 熱 動 式 致 動 器 (thermal bimorph actuator)，如[7]，或 IPMC(Ionic Polymer Metal Composite)致動器[8]，以及 使用形狀記憶合金致動器的仿生機械，如 [3]。在通訊行為方面則參考蜜蜂採蜜[9] 以及螞蟻合作找尋食物源[10]之間的群 體溝通行為，而溝通的機制在無線網路部 份有 RF 射頻技術[11]以及光通訊技術[12] 以及考慮在真實環境中這些無線通訊所 會面對到的干擾問題[13][14][15]。最後 在模仿昆蟲的感測反應方面，則參考了近 來的生物行為仿生，諸如以已應用在氣味 來源定位以及追蹤，如在蛾的研究裡發展 的費洛蒙氣味追蹤[16],[17]以及老鼠藉 由空氣中的氣味找尋食物[18]，以及龍蝦 藉 由 釋 放 在 水 中 的 氣 味 做 追 蹤 [19], [20]。生物學利用嗅覺來完成多種的任務 包括找到相同的種類中、同伴間的通訊和4 行為修正、避開敵人並且尋找食物來源。
五、研究方法
本 總 計 劃 因 整 合 了 三 個 子 計 畫 之 故，所以研究方法將分成三部分來探討及 簡述其內容。 5.1 子計畫一 為達成類似蟑螂的複雜運動功能，將 先探討六足機器人的步態分析，進而再針 對蟑螂的步態作研究。為達成機構微小化 的目的，則嘗試使用以形狀記憶合金為基 礎的腳步驅動裝置，形狀記憶合金可以使 致動器的體積有效的縮小，重量減輕，且 易於加熱，但要使其快速冷卻可能不易做 到。本計畫將對形狀記憶合金的特性進行 探討，同時以所收集的資料進行驅動裝置 的設計，同時對製作完成的驅動裝置進行 性能測試。內容包含 5.1.1 六足機器人之步態分析 要 對 六 足 機 器 人 進 行 之 步 態 分 析 前，我們首先將機器人的六支腳進行編 號，如圖 1 所示。接著我們探討何種情形 會讓機器人不穩定，進而訂定這六支腳的 步態準則，利用一串的步態分析完成前進 後退或轉彎等動作中。 圖 1 六足機器人各肢腳之編號順序 5.1.2 形狀記憶合金 形狀記憶合金是一種能夠記憶原先 形狀的機能材料，在特定溫度以下，受到 有限大小的應變時，將其加熱到臨界溫度 以上，則材料會回復到原來的形狀，此即 為 形 狀 記 憶 效 應 (shape memory effect, SME)。一般金屬材料之彈性回復應變量不 超 過 0.1%；而形狀記憶合金卻擁有約 7~8%的形狀回復量此為與一般金屬最大 的不同。目前最被廣泛利用的形狀記憶合 金為 NiTi、CuZnAl 和 CuAlNi 合金。形狀 記憶合金可用於致動器的製作，傳統機械 人所使用的致動器，一般皆為馬達或是氣 壓缸、油壓缸；其體積均較大，輸出功率 與重量比非常小，效率低，不適用於小型 機械人使用。利用形狀記憶合金的致動器 具有體積小、重量輕的優點，適合應用於 微型仿生機械的開發。 5.2 子計畫二 基 於 對 生 物 群 體 系 統 行 為 科 學 的 了 解，以建構一套合適之動態資訊通訊協 定，以符合整體系統在功能性目標之需求 與系統強健性與擴展性之實現，著重於研 究生物系統中群體行為科學，以及特徵化 其行為模式之構成要素，進而建立生物行 為表現與環境感測的關係因素，以及設計 合作型行為的資訊互換機制等課題 5.2.1 生物多群組系統間的合作與競爭行 為 螞蟻在行經的過程中，所產生的資訊 主要是為了使下一隻螞蟻能夠走較佳的 路徑，因此必須由每隻行經的螞蟻留下一 些關於走過路徑的資訊。在螞蟻社會中， 是以留下”費洛蒙(pheromone)”作為傳遞的 資訊。每當螞蟻走過任一條路徑的時候， 螞蟻的腹部便會分泌一種化學物質稱為” 費洛蒙”。而每一隻螞蟻一個單位時間內 可以走一個固定距離並且留下一個單位 的費洛蒙。所以當第一隻螞蟻發現食物 時，是以隨機的方式，選擇蟻窩到食物的 路徑。並且再固定距離留下一單位的費洛蒙。而下一隻螞蟻，則由於前ㄧ隻螞蟻所 留下的費洛蒙氣味，會有較大的機率選擇 上一隻螞蟻走過的路徑。且由於費洛蒙的 濃度是會隨著時間而遞減，所以較長路徑 上的費洛蒙濃度相對會較低。所以經由每 隻螞蟻不斷的選擇路徑，最後會找出一條 蟻窩與食物間的最短路徑。為蟻群模式之 最佳化路徑產生之演算法。 5.2.2 生物環境資訊傳輸效能頻估： 在多群組系統中，主要是利用無線的 通訊方式，讓微型仿生體彼此交換資料， 以達成溝通合作的目的。例如：量測一整 塊未知地形的溫度。而在這種探測溫度的 功能需求之下，以及資料更新的速率考 量，網路即時性的需求極為一項重要設計 因素。因此，針對溝通時所產生的傳輸時 間需求現象與網路壅塞時產生的時間延 遲等重要因素對於時間參數必須分析其 效能，並且針對產生的因素加以改進。 在網路上傳送不同類型的資料，均需 要考慮不同網路使用層級上的問題。在講 究「即時」的條件下，該如何設計我們傳 輸的機制，才能使得不同類型的資料，均 能有效率的在微型仿生個體之間傳輸，這 是這部份要研究的主題。 5.2.3 無線傳輸模式： 無線傳輸模式根據規格和原理的不同 可分為射頻(RF)模式和光學技術傳輸模 式。 在 RF 模式下之 transceiver 的接收和 發射機制，在有限的距離和功率上讓每個 仿 生 個 體 間 可 以 交 換 他 們 收 集 到 的 資 訊。主要的目標乃是希望在多群組系統中 個體之間可以主動溝通，主動交換訊息， 並可以將其探勘到的訊息傳送出來。在多 群 組 系 統 進 行 群 體 溝 通 之 時 ， RF transceiver 之間傳送的資料會因為多方傳 送或者是接收而發生傳輸上的碰撞，這一 方面需要一個有系統的控制法則來加以 管理。 對於仿生群體系統中的溝通模式探 討，另一種無線的傳輸的模式乃是利用光 學通訊的技術，以達到資訊互換的可行 性。運用光學通訊技術的種類很多，而且 在設計上所需要考慮的因素盛多，因此， 先針對光學通訊傳輸的種類和基本特性 進行討論，接著對其原理以及其運用在微 型仿生物系統的可行性作深入之研究。 5.3 子計畫三 藉由理解昆蟲追尋異性費洛蒙的行 為建立一套感測系統，來完成環境、行為 與氣味源之間的關連性。 5.3.1 氣味搜尋系統的建立與設計 為了縮小微型機械的體積，我們假設 機械蟲的運算能力受到限制；因此這部份 採用反應式的氣味引導演算方式。其中偵 測到的氣體濃度的位能場是因為氣體在 環境中擴散的緣故，所以氣體擴散的形成 跟位能場的建立是類似。所以，我們的微 型機械並不需要事先知道環境的資訊如 障礙物的位置以及氣味來源的位置，藉由 解決位能場的問題可以幫助微型機械找 到氣味來源的位置。總而言之，子計劃三 提出一各不需要高度計算能力、結合階段 性且能夠整合於微型機械的演算法。 子計畫三中氣味來源定位的工作被 分為如圖 2 四個方塊，其各部功能如下： A. 氣體擴散及微型機械所在的環境 在此方塊中所需的資訊是微型機械蟲 所在的位置，之後根據這個位置相對於 環境中氣味來源點以及障礙物所在的 位置去推算在這個位置的氣味濃度值。 B. 偵測的氣體濃度補償演算法
6 一旦微型機械找到並宣告一個氣味來 源點，之後氣體感測器所讀到的濃度值 必須加以補償修正，而點氣味源消去法 是我們用來計算所需要補償的氣味濃 度。 C. 氣味引導和追蹤演算法 當微型機械蟲被置於一個氣體擴散的 環境當中，此方塊的功用便是引領它走 向氣味來源點以及在行走的過程中避 開障礙物。 其中氣味搜尋的演算法可以大致分成 三個工作，包括 – 氣味偵測: 偵測漸漸增加的氣味濃 度。 – 氣味追蹤: 藉由氣體濃度梯度以及 延伸的卡爾曼濾波器演算法引領微 型機械走向氣味來源。 – 氣味來源宣告: 決定微型機械蟲所 在的 位置是否是氣味來源點。 圖 2 搜尋氣味來源的系統方塊圖 5.3.2 氣味搜尋的演算法 這裡分別介紹氣味追蹤演算法的三 個部分： 首先介紹階段整合的氣味追蹤，依照 偵測到的氣味濃度作等級區分，根據氣體 的擴散模型，氣體濃度分佈是隨著遠離來 源點而驟降的；而在整各環境中氣味濃度 的分佈大概在0.1左右，根據這樣的濃度 分佈，我們將氣味搜尋的供作分成三各階 段。分別是spiral surge, zigzag 路徑以及氣
味梯度方式搜尋，這三各階段形成本演算 法的主要模型。 第二，介紹氣味來源宣告的方法以及 氣味補償的演算法，這部分主要為了讓微 型仿生機械可以尋找不只單一個氣味源 而且是多個氣味來源。 最後，介紹一個簡單的避開障礙物的 方法，用來幫助微型仿生機械可以在氣味 追蹤的路途中避開障礙物。
六、研究結果與進度
本計劃為整合型計劃，整合了仿生學 的三個領域(力學、資訊與智慧型控制)， 模仿生物體的運動模式和身體結構、單一 生物體的感測系統及生物群體間的協調 行為並模仿及資訊交換機制，進而設計出 微型仿生生物體機構。 據此，本整合型計畫將第一年度各子 計畫的研究結果分述如下： 6.1 子計畫一 6.1.1 形狀記憶合金致動器試驗 這部份跟日本 TOKI CORPORATION 購買了編號 BMF100 的形狀記憶合金致動 器，其線直徑為 100μm，可拉動約 80g 的重量。我們取 12.75cm 的長度來作試 驗，將 BMF 的一端固定，另一端接上一 個彈簧，接彈簧的目的是因為 BMF 只有 在縮短時會產生力，伸長時並不會產生 力，故接上彈簧當作一個回復偏壓。測試 如圖 3 所示，圖 3(a)為 BMF 未經加熱時 的長度，圖 3(c)為其局部放大圖，可看出 原長度為 12.75cm。圖 3(b)為 BMF 經過通 電流加熱收縮後的長度，圖 3(d)為其局部 放大圖，可看出長度變為 12.2cm。其伸縮 量約為原長的 4.3％。
圖 3 BMF 之伸縮量試驗圖 6.1.2 利用 BMF 進行關節彎曲設計
利用形狀記憶合金致動器來驅動關 節彎曲通常有兩種形式：偏壓形式(bias force type) 及 差 動 形 式 (differential force type)。圖 4 為其示意圖。圖中之「SMA wire」即為形狀記憶合金致動器。圖 5 為 我們參考偏壓形式所自行設計的關節，我 們使用一條 6cm 的 BMF100 做為關節的動 力來源，使用一顆 AA(1.5V)的鹼性電池 作為電壓源，BMF 的伸縮量約為 0.3cm， 可產生約 50 度的旋轉角度。由此可知雖 然形狀記憶合金致動器所產生的伸縮量 約只有原長的 5％，但我們可以透過機構 的放大來達到我們所需要的較大行程。 圖 4 關節之設計形式 (a)偏壓形式 (b)差 動形式 圖 5 偏壓形式之關節設計 (a)未通電壓前 (b)按下開關使通電壓 6.1.3 微型仿生機械之足部設計 我們針對微型仿生機械足部的設計 提出了如圖 6 的設計概念，設計原則是讓 肢腳可提供身體做 x，y 以及 z 三度空間 的運動。 首先看圖 6 中，肢腳與身體靠著一個 旋轉接點(revolute joint)連接，此接點限制 肢腳只能在 z 方向作轉動，在肢腳上靠近 旋轉接點的部分我們使用一條纖維型的 形狀記憶合金致動器(BMF)以及一條偏壓 彈簧使其可作 z 方向的轉動，也就是 x-y 平面上的移動；在肢腳的末端為分離式的 兩小節，靠著一條螺旋型的形狀記憶合金 致動器(BMX)以及一對偏壓彈簧使兩小 節彼此連結，並可產生 z 方向的位移。 圖 6 微型仿生機械之足部設計圖
8 6.2 子計畫二 這部份主要是決定未來群體與群體之 間的訊息交流是透過何種通訊方式。在此 部分暫定使用的測試射頻通訊模組 RFID: CC1010 乃是屬於 UHF 的 868MsHz 頻段。 6.2.1 RF 電路介紹 在利用 RF 為主要的傳輸模式系統 中，最重要的的兩個參數就是 reader 產生 的磁場和可以傳送到的最大距離，以下即 以這兩個參數為主的一個電路介紹。 圖 7 為一個簡單的 RF system，左邊為 一個 reader，由它產生磁場，去 wake-up 右邊的 transceiver，之後開始傳輸資料。 Reader 收到的資料可以再傳到電腦裡面 做進一步的處理。
圖 7 Typical RFID system 6.2.1 可用之 RF 頻段整理
ITU (International Telecommunication Union) 規定了很多頻段給 short range device 使用，在這幾個頻段使用時是不需 要申請的。其中有 ISM (industrial, scientific, and medical ) band，LF(low frequency)， UHF (ultra high frequency)。表 1 為這些可 用之頻段之整理。 Frequency Type 9-135KHz LF 6.765-6.795 MHz ISM 13.553-13.567MHz ISM 26.957-27.283 MHz ISM 40.66-40.70 MHz ISM 865-870 MHz UHF 902-928 MHz ISM 2.4-2.5GHz ISM 5.725-5.785 GHz ISM 24-24.25 GHz ISM 表 1 射頻通訊可用之頻段 6.2.3 系統架構 開始想到的是利用 RFID 來當作其溝 通的媒介，但是因為 RFID 大部分都是被 動式的，他必須要有一個 reader 產生磁 場，藉著這個磁場可以提供 transceiver 電 壓並且傳送資料，所以需要一個主動式的 RFID transceiver，讓它可以主動發送和接 收資料。 目前所使用之 RFID 通訊模組 CC1010EM chipcon 公司所生產之 evaluation module，為一個帶有主動為處理 機 8051 和 RF 晶片的 RF transceiver。 主要的資料交換程式乃是建構於 8051 上，讓 RFID 主動的傳送資料，以完成個 體間之溝通與協調之目標。利用 chipcon 公司所給的應用程式已經可以探測到區 域性之溫度資料，並且可以將遠方探測到 的溫度資料透過 RF 傳送到使用者端再經 過 RS232 和電腦連接，最後顯示在電腦 上。接下來即是依據實際環境所需之特性 建構相關之程式碼，利用 CC1010EM 可以 傳送的資料至不同的接收體。 由於我們使用的 RF transceiver 是主動 式的，並且帶有一個 8051 processor 所以 其要消耗的功率一定會比普通的 RFID 多 很多，這是其主要缺點，但是也是因為有
一個 8051 processor 所以多很多 I/O port 可以利用，在收集資料和資料輸出方面有 很大的幫助。 這個問題將會修正無 線傳輸之媒體存取控制機制之演算法來 加以改進。 在射頻無線通訊的機制上所遇到的問 題乃是能量的使用。因為當初的構想是要 讓仿生物可以長時間的工作，所以現在用 上了主動式的 RFID，所要花的功率應該 會增加很多，所以最後在使用 CC1010 在 仿生機械系統上時可能要在電源的地方 設計一個開關，一段時間 ON 一次，然後 收集資料發送出來，接著就 OFF，這樣才 可以節省功率。另一個問題大概就是體積 方面的問題，CC1010EM 的體積並不小， 所以在應用方面可能會有很多問題，之後 這一方面的硬體，應該要自己設計之電路 版，並可以在上面加入適當感測元件。 6.3 子計畫三 6.3.1 階段式整合的氣味追蹤演算法 整個氣味來源定位的演算法主要被 分為三個階段，其階段與階段間的關係圖 如圖 8 所示，每個階段的演算法如下： 圖 8 氣味搜尋演算法的個各階段間的關係 Phase1. Spiral surge
一個氣味濃度臨界值, Sth1 ,被設定 在 0.03 用來消除氣體感測器的初始臨界 點，在氣體感測器偵測到的濃度值大於 0.03 時，才算真正感測到氣體。在這之前 氣味來源的搜尋一開始先讓微型機械作 Spiral surge 的運動路徑，這個路徑是一開 始由內向外螺旋旋出,(Spiral Gap)。這樣可 以大致覆蓋到所在位置的周圍區域，如果 搜尋的範圍過於龐大，一開始可以讓微型 機械作較大 Spiral Gap 的運動，這種運動 方式在尚未偵測到氣體前算是一種不錯 猜測的搜尋路徑。
Phase2. Zigzag walking (延伸的卡爾曼濾 波器) 當氣體感測器偵測的濃度值大於初 始臨界點,Sth1,微型機械將進入第二階段 的氣味追蹤方式。這樣的氣味追蹤方法是 啟 發 於 大 自然中蛾的行為模式(Bombyx mori)。將此種行為模式應用到微型機械的 氣味追蹤，一開始先讓微型蟲作一連串固 定方向的 Zigzag 路徑行走；相對於整體前 進的方向，每個 Zigzag 轉角大約在 60 度， 之後將這個路徑上取樣的微型機械相對 位置以及對應的氣體濃度，帶入延伸的卡 爾曼率波器，則可以預先估算出氣味來源 的位置。之後微型機械開始作 two zigzag turns 的運動，不同的地方在於這一次 two zigzag turns 的運動，其整體前進的方向是 根據前面估算出來的氣味來源位置，同時 也將此次運動獲得的資訊帶入濾波器中 作估算；此後，繼續做重複的 two zigzag turns 運動，也一直改變其整體的行進方 向。如此可將預估的氣體來源的位置不斷 的作修正，進而引導微型機械到達氣味元 附近。 Phase3. 梯度追蹤演算法 當微型機械蟲藉由 zigzag 運動往氣味
10 濃度高的地方行走時，如果到達一個區域 使得偵測到的氣體濃度值大於第二個臨 界點,Sth2,0.08 ；則進入第三各階段的氣味 追蹤演算法---梯度追蹤演算法。假設微 型蟲身上還有其他的氣體感測器，藉由這 幾個感測器的相對位置可以去推算氣體 濃度的梯度值，進而直接指引到氣味來源 的位置；至於為什麼要在濃度高的時候才 用梯度演算法？因為微型機械的體積過 小，導致在濃度低時的感測值都幾乎依 樣；在濃度高的時候，其差異性才會變 大，並計算出所在位置的濃度梯度值。 6.3.2 完整的氣味來源定位 圖 9 完整的氣味來源定位及階段性的追 蹤方式 圖 9 呈現完整的氣味來源定位工作。一開 始微型蟲的位置置於(3, 1)，其中綠色的路 徑被標記為在作 spiral surge 的運動。如果 在路途中有障礙物的話，避開障礙物的演 算法將指引它沿著障礙物邊緣走；在繞過 障礙物之後，微型蟲作 zigzag 的行走利用 延伸的卡爾曼濾波器去預測接近自己的 氣味來源位置。最後，同樣經過梯度追蹤 以及氣味來源宣告，微型蟲找到氣味來源 並透過補償而找到另一個氣味來源點。
七、計畫成果自評
總計畫目前已完成計畫書中各子計 畫所預計完成之目標 1. 搜尋昆蟲動態資料並建立彷生昆蟲動 態模型。 2. 提出微型彷生昆蟲機構及蟲腳的驅動 機構，現正進行整體微型彷生昆蟲機 構設計。預計完成之建立彷生昆蟲動 態模型，目前已完成仿生昆蟲之步態 分析，正著手進行動態模型之推導。 3. 探討群體生物系統中合作型與競爭型 行為的產生模式，以及特徵化此類行 為模式之構成要素。 4. 完成生物系統中多群體間之行為科學 的探討與模式建立，並且將此溝通行 為模式之構成要素，以及確立與環境 感測的關係因素所代表之資訊格式， 進而設計具合作型行為的資訊互換通 訊機制，同時探討在資訊傳輸時資料 之即時性與完整性之特 5. 探討昆蟲類生物之感測能力、感覺受 器，分析環境、目標與反應行為的關 聯性，據此分析生物在環境感測因素 下，產生的自主式行為---利用氣味感 測器以及昆蟲行為演算法去追蹤氣味 源。 未來一年的進度勢必加強三個子計畫間 的溝通協調，並在各自的進度上加快腳 步，以期能如期完成微型甲蟲的雛形。八、參考文獻
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