高中科展 · 工程學科(一) 電子、電機、機械

結合果蠅腦神經系統之仿生昆蟲設計

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第一階段目標

做出一隻能用手機從遠端遙控的六足昆蟲:打開網址、輸入操作密碼,就能讓它前進、後退、轉彎;放開按鈕或網路斷線時,昆蟲會自己慢慢站好。

這是之後加上觸角避障、果蠅大腦迴路的基礎:先確定「指令送得到、腳動得對、斷線不會亂跑」。

系統架構

手機網頁 │ WebSocket(按鈕、狀態) ▼ 雲端網站(Coolify) │ MQTT ▼ MQTT 中繼站(Coolify) ▲ │ WiFi + MQTT StickC 昆蟲 ── I2C ──▶ 6 顆 SG-90

手機和昆蟲不用在同一個地方:昆蟲只要連得上網路,就能被遙控。

硬體

零件用途
M5StickC大腦板:ESP32 晶片,負責 WiFi 連線和步態計算
Hat 8Servos v1.1伺服馬達擴充板,用 I2C(G0、G26)控制 8 個通道
SG-90 × 6六隻腳。左腳接 CH6~8,右腳接 CH2~4

三腳架步態

六隻腳分成兩組:{左前、左後、右中} 和 {左中、右前、右後},兩組相差半個週期輪流擺動,所以任何時候都有三隻腳撐在地上,身體不會倒。這和真的果蠅走路的方式一樣。

每隻腳的角度 = 90° + 30° × 波形(相位),波形是 sin(p) + 0.25·sin(2p),讓腳往前收得快、往後推地慢。轉彎時讓左右兩邊反著走,身體就原地旋轉。

安全設計

情況昆蟲怎麼做
放開按鈕200 毫秒內慢慢收腳站好
手機、網路或雲端斷線0.8 秒沒收到「我還按著」,就自己站好
按「緊急站好」或 StickC 的 A 鍵六隻腳馬上回到 90°
很多人同時打開網頁都能看,但要密碼才能操作,而且同一時間只有一人能操作

收腳時慢慢滑回去,是因為六顆馬達同一瞬間一起轉動,電流太大會讓擴充板斷電。

可以量測的數據