恒流多通道動(dòng)物機(jī)器人遙控刺激系統(tǒng)的研制

謝合瑞　郭　策　戴振東

摘 要：遙控刺激系統(tǒng)是動(dòng)物機(jī)器人擺脫各種信號(hào)線束縛實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)的必經(jīng)之路，也是動(dòng)物機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室的必需設(shè)備，它的研制在動(dòng)物機(jī)器人研究中具有重要的意義。恒流多通道動(dòng)物機(jī)器人遙控刺激系統(tǒng)由“刺激信號(hào)發(fā)射站”和“背負(fù)式微刺激器”兩大部分組成，其不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)物機(jī)器人雙相的恒流脈沖刺激，而且每通道的多個(gè)刺激參數(shù)分別可調(diào)，同時(shí)還具有多點(diǎn)位聯(lián)合刺激和延時(shí)刺激的功能。其中，“背負(fù)式微刺激器”尺寸小，重量輕，能耗低，性能可靠，適合小型動(dòng)物的無(wú)線刺激實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)物機(jī)器人；微刺激器；多通道；恒流脈沖刺激

中圖分類(lèi)號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004－373X(2009)04－068－04

Research and Development of Remote Multi－channel and Constant Current

Pulse Animal－Robot Stimulation System

XIE Herui,GUO Ce,DAI Zhendong

(Bionic Structure and Material Research Institute,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016,China )

Abstract：Remote stimulation system is the unique choice,through which animal－robot can move freely without distur－bance from signal wires.It is the essential device for animal－robot to walk out of laboratory too.Therefore,the development of remote stimulation system is very important in the study of animal－robot.A remote multichannel and constant current pulse stimulation system which is made of "signal transmit station"and "micro－stimulator" have been developed ,it can achieve multichannel constant current and bipolar stimulation,the parameter can be adjusted independently and freely.Furthermore,joint stimulation can be achieved in the equipment.Small size,light weight,low energy consumption and reliable performance made "piggyback style micro－stimulator" extremely suitable for the wireless stimulation experiment of small animals.

Keywords：animal－robot;micro－stimulator;multi－channel;constant current pulse stimulation

0 引 言

動(dòng)物機(jī)器人是利用自然界中的動(dòng)物作為運(yùn)動(dòng)本體的機(jī)器人，通過(guò)把微電極植入與動(dòng)物運(yùn)動(dòng)相關(guān)的腦核團(tuán)或者方向感受區(qū)，并施加人工模擬的神經(jīng)電信號(hào)，從而達(dá)到控制動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的目的。動(dòng)物機(jī)器人與仿生機(jī)器人相比，因其具有更好的環(huán)境適應(yīng)性，隱蔽性，運(yùn)動(dòng)的靈活性和可靠性等優(yōu)點(diǎn)受到世界各強(qiáng)國(guó)的重視［1］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外動(dòng)物機(jī)器人的研究工作蓬勃發(fā)展，科學(xué)家們已開(kāi)展了對(duì)機(jī)器人蟑螂、機(jī)器人老鼠、機(jī)器人海龜、機(jī)器人鴿子、機(jī)器人壁虎的研制工作，并取得了許多令人振奮的成績(jī)。2001年，日本東京大學(xué)Isao Shimoyama教授給蟑螂裝上“電子背包”，通過(guò)適當(dāng)?shù)拇碳?，可使蟑螂能根?jù)指令向左轉(zhuǎn)和向右轉(zhuǎn)；2002年，Nature雜志報(bào)道了美國(guó)紐約州立大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的Chapin教授通過(guò)將電極植入大鼠的不同腦區(qū)，在人工模擬電信號(hào)的刺激下，控制大鼠按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的路線行走［2］；2007年，山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心初步實(shí)現(xiàn)了控制鴿子按照人的指令飛行，成為世界上第一只機(jī)器人鳥(niǎo)［3］；南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，選擇了具有特殊運(yùn)動(dòng)能力的大壁虎作為研究對(duì)象，率先在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了對(duì)大壁虎運(yùn)動(dòng)的人工誘導(dǎo)研究，測(cè)定了大壁虎腦區(qū)與運(yùn)動(dòng)相關(guān)核團(tuán)的空間分布，揭示了大壁虎神經(jīng)電信號(hào)的時(shí)空編碼規(guī)律，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)大壁虎左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前行和躲避等基本運(yùn)動(dòng)行為的人工誘導(dǎo)。

在諸多決定動(dòng)物機(jī)器人研制成功與否的因素中，“動(dòng)物機(jī)器人遙控刺激系統(tǒng)”便是關(guān)鍵因素之一，它是動(dòng)物機(jī)器人擺脫各種束縛實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)的必經(jīng)之路，也是動(dòng)物機(jī)器人甩掉信號(hào)線，走出實(shí)驗(yàn)室的必要條件。它要求工作可靠、能耗低、效率高、傳輸遠(yuǎn)，為了對(duì)存在個(gè)體差異的動(dòng)物進(jìn)行精確的控制，遙控刺激系統(tǒng)還要求能對(duì)各項(xiàng)電刺激參數(shù)獨(dú)立調(diào)節(jié)，此外，受動(dòng)物體態(tài)和動(dòng)物負(fù)重能力的限制，控制動(dòng)物運(yùn)動(dòng)行為的“背負(fù)式遙控微刺激器”一般都有嚴(yán)格的尺寸和重量的要求［4］。

1 無(wú)線信號(hào)發(fā)射站的研制

這里研制的動(dòng)物機(jī)器人遙控刺激系統(tǒng)從整體功能上來(lái)說(shuō)，由2部分組成：“遙控信號(hào)發(fā)射站”和“背負(fù)式微刺激器”（如圖1所示）。

“無(wú)線信號(hào)發(fā)射站”是由安裝“LabVIEW8.20程序操作界面的PC機(jī)”和“無(wú)線信號(hào)發(fā)射臺(tái)”兩部分通過(guò)RS 232串口線相連接組成。位于無(wú)線信號(hào)發(fā)射臺(tái)上的Atmega8L微處理器，首先接收來(lái)自PC機(jī)串口的刺激參數(shù)信號(hào)，數(shù)據(jù)接收完畢后就根據(jù)作者規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)正誤判斷，如果數(shù)據(jù)正確，位于無(wú)線信號(hào)發(fā)射臺(tái)上的ATmega8L微處理器就把這個(gè)命令字符串送入無(wú)線信號(hào)發(fā)送機(jī)（Transmitter），這些數(shù)據(jù)在送入的瞬間就發(fā)射出去，如果數(shù)據(jù)錯(cuò)誤微處理器自動(dòng)將其舍棄。在這個(gè)過(guò)程中的每一步，位于無(wú)線信號(hào)發(fā)射臺(tái)上的2個(gè)發(fā)光二極管，以不同的點(diǎn)亮方式提示給操作者。

1.1 基于PC機(jī)的LabVIEW控制程序

在該系統(tǒng)中PC機(jī)和無(wú)線信號(hào)發(fā)射臺(tái)的微處理器ATmega8L之間通過(guò)RS 232串口進(jìn)行通信。在LabVIEW中使用串口通信的方法有2種：使用VISA和使用AxtiveX（采用MScomm）。使用AxtiveX編程相對(duì)來(lái)講比較復(fù)雜，而使用LabVIEW中自帶的VISA進(jìn)行通信，既方便又不易出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，在設(shè)計(jì)中采用了前者，既在虛擬環(huán)境中使用VISA功能模塊向串行設(shè)備讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。LabVIEW8.20的串口通信VI位于“Instrument I/O Platte”的“Serial”中，它包括8個(gè)VI節(jié)點(diǎn)。在使用VISA進(jìn)行串行通信時(shí)需要安裝相應(yīng)版本的驅(qū)動(dòng)，否則不能進(jìn)行通信。

(1) 調(diào)用“VISA Configure Serial Port”完成串口參數(shù)的設(shè)置，包括串口資源分配、波特率、校驗(yàn)位等，在進(jìn)行串行通信時(shí)波特率必須要設(shè)置正確，否則通信數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，在該系統(tǒng)中波特率設(shè)為9 600 b/s；

(2) 使用“VISA Write”發(fā)送數(shù)據(jù)，使用“VISA Read”接收數(shù)據(jù)。在接收數(shù)據(jù)之前需要使用“VISA Bytes at Serial Port”查詢(xún)當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；

(3) 串口使用結(jié)束后，使用“VISA Close”結(jié)束與VISA resource name指定的串口之間的會(huì)話(huà)，關(guān)閉占用的串口資源。

刺激參數(shù)以雙精度（DBL）數(shù)據(jù)格式在PC機(jī)的LabVIEW操作界面上進(jìn)行設(shè)置，在單擊“刺激”按鈕后，這些雙精度格式的數(shù)據(jù)便按照順序創(chuàng)建一個(gè)包含所有刺激參數(shù)的數(shù)組，由于LabVIEW串口只能讀寫(xiě)字符串，因此，必須把這個(gè)雙精度數(shù)據(jù)格式的數(shù)組進(jìn)行必要的變換才能通過(guò)串口進(jìn)行傳輸，在此采用了“數(shù)組至字符串的變換命令”把雙精度數(shù)據(jù)數(shù)組轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的字符串。為了防止計(jì)算機(jī)向無(wú)線信號(hào)發(fā)射站傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，規(guī)定了串口通信的數(shù)據(jù)包格式：刺激參數(shù)數(shù)據(jù)字符串長(zhǎng)度為24，數(shù)據(jù)的前2位和第24位字符都是“Y”。數(shù)據(jù)的正誤由無(wú)線信號(hào)發(fā)射站的微處理器進(jìn)行判斷，數(shù)據(jù)判斷無(wú)誤后就發(fā)射出去，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤則自動(dòng)舍棄。從使用安全角度著想，急停功能是背負(fù)式微刺激器必須具備的，為了實(shí)現(xiàn)該功能，給第23個(gè)命令字節(jié)賦予定義，如果第23字節(jié)為“Y” 背負(fù)式微刺激器便認(rèn)為是刺激命令；如果為 “0”則是急停命令，背負(fù)式微刺激器的微處理器立即進(jìn)入急停狀態(tài)。在命令字節(jié)中，有一部分?jǐn)?shù)據(jù)是為以后系統(tǒng)功能的擴(kuò)充預(yù)留的，它們沒(méi)有實(shí)際意義，以字符“0”傳輸?；贚abVIEW8.20的PC機(jī)與微控制器的通信程序如圖2所示。

1.2 無(wú)線信號(hào)發(fā)射臺(tái)

無(wú)線信號(hào)發(fā)射臺(tái)的作用是把PC機(jī)設(shè)置的刺激參數(shù)以無(wú)線信號(hào)的形式發(fā)送到“背負(fù)式微刺激器”中去。它由下列幾部分組成：無(wú)線信號(hào)發(fā)射機(jī)(Transmitter)，由AMS1117－3.3構(gòu)成的降壓穩(wěn)壓電路，Atmega8L微處理器，PC機(jī)串口與單片機(jī)串口之間的電平轉(zhuǎn)換電路。無(wú)線信號(hào)發(fā)射臺(tái)各部分電路的連接關(guān)系如圖3所示?；贑C1100無(wú)線收發(fā)器CC1100A－01(立奇國(guó)際貿(mào)易有限公司)是一款低成本、低功耗的超高頻(UHF)收發(fā)器，該模塊的尺寸小(20 mm×30 mm×6 mm)，重量輕(2.3 g)，傳輸距離大于200 m，主要工作于ISM和SRD頻率波段。

由于RS 232串口的邏輯0規(guī)定為5～15 V之間，邏輯1規(guī)定為-5～-15 V之間。而單片機(jī)只能接收TTL電平（輸入高電平>2.4 V，輸入低電平<0.8 V，噪聲容限為0.4 V）。因此，PC機(jī)與單片機(jī)之間并不能通過(guò)串口線直接進(jìn)行通信，必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，在此選用MAXIM公司生產(chǎn)的RS 232接口芯片MAX3232，它使用單一電源電壓供電，電源電壓在3.0～5.5 V范圍內(nèi)都可以正常工作。該系統(tǒng)采用了9針串口，通過(guò)3根線完成通信：RXD，TXD和GND，對(duì)應(yīng)9針串口上的2號(hào)線、3號(hào)線和5號(hào)線。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，芯片MAX323采用5.0 V電壓供電，單片機(jī)采用3.3 V電壓供電。因此，選擇3.3 V的穩(wěn)壓芯片AMS1117－3.3，整個(gè)發(fā)射臺(tái)可以通過(guò)USB接口從PC機(jī)取電。

2 背負(fù)式微刺激器的研制

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)動(dòng)物背負(fù)式微刺激器占據(jù)著核心地位，它的重要性大于系統(tǒng)的其他部分，研制難度也較高。它既要求工作性能可靠，又要求能耗低，尺寸小，重量輕，遙控距離遠(yuǎn)。為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，該微刺激器的設(shè)計(jì)采用以下部分組成：Atmega8L微處理器、無(wú)線信號(hào)接收機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5310與OP07運(yùn)算放大器構(gòu)成的雙相電壓脈沖發(fā)生單元、雙向模擬開(kāi)關(guān)CD4051B、由運(yùn)算放大器LM358和電阻構(gòu)成的壓控恒流電路、TC7660芯片組成的負(fù)壓電路、TC7660芯片組成的倍壓電路、發(fā)光二極管工作狀態(tài)指示電路以及兩塊可充電聚合物鋰電池（4.1 V，180 mAh）。

無(wú)線收發(fā)模塊CC1100A－01既可以發(fā)送數(shù)據(jù)也可以接收數(shù)據(jù)，并且它的尺寸較小，重量較輕，因此，它也適合作為微刺激器遙控刺激參數(shù)數(shù)據(jù)的接收模塊。單10位串行D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5310與OP07組合產(chǎn)生雙相電壓脈沖信號(hào)［5］（如圖4所示），這些雙相電壓信號(hào)通過(guò)由LM358和電阻構(gòu)成的電壓控制電流源電路（VCCS）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的雙相恒流脈沖信號(hào)。模擬開(kāi)關(guān)CD4051在單片機(jī)的控制下，把這些恒流脈沖輪流送到第一到第4個(gè)刺激通道，這樣就在4個(gè)通道上依次產(chǎn)生需要的恒流脈沖信號(hào)（如圖5所示）。該設(shè)備能夠達(dá)到多通道聯(lián)合刺激，并且每通道都是電流強(qiáng)度可調(diào)的雙相脈沖。當(dāng)需要選擇4個(gè)通道中任意幾個(gè)進(jìn)行多點(diǎn)位聯(lián)合刺激時(shí)，將不需要選擇的那些通道刺激強(qiáng)度設(shè)置為0即可。為了提高電路帶動(dòng)負(fù)載的能力，選擇4.1 V聚合物鋰電池，通過(guò)TC7660進(jìn)行倍壓和負(fù)壓，專(zhuān)用于給壓控恒流電路和模擬開(kāi)關(guān)CD4051進(jìn)行±8.2 V供電；用于產(chǎn)生雙相電壓脈沖的運(yùn)算放大器OP07選擇±4.1 V供電；無(wú)線接收機(jī)用5 kΩ和41 kΩ電阻把4.1 V分成約3.6 V供電。在背負(fù)式微刺激器的設(shè)計(jì)中都采用小封裝的表貼電子元件（0603封裝），及電能密度大的聚合物鋰電池（4.4 g，180 mAh）。因此，大大降低了該微刺激器整體尺寸，整體尺寸約為33 mm×24 mm×16 mm，帶電池質(zhì)量約為14.8 g，在大壁虎自由運(yùn)動(dòng)的負(fù)重范圍之內(nèi)。超低功耗的電路設(shè)計(jì)，使得該微刺激器在電池充滿(mǎn)電時(shí)能夠使用5個(gè)小時(shí)以上。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)某绦蜓訒r(shí)，該背負(fù)式微刺激器能夠產(chǎn)生脈寬為1 ms，頻率為50～125 Hz，強(qiáng)度約為0～40 μA（負(fù)載電阻100kΩ時(shí)）的雙向恒流脈沖。由于該系統(tǒng)使用了成熟的商業(yè)無(wú)線通信模塊，因此它的無(wú)線通信性能穩(wěn)定，遙控距離約為200 m。

在大壁虎運(yùn)動(dòng)的人工誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中，該設(shè)備對(duì)于敏感度居中以及中偏高的腦核團(tuán)刺激表現(xiàn)的性能較好，能夠滿(mǎn)足對(duì)大壁虎運(yùn)動(dòng)腦核團(tuán)刺激的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了控制壁虎運(yùn)動(dòng)行為的目標(biāo)。但是，有些腦核團(tuán)對(duì)電刺激不夠敏感，或者是腦電極植入位置與腦核團(tuán)實(shí)際位置偏差較大，其要求的刺激強(qiáng)度太大（40 μA以上），這時(shí)大壁虎對(duì)電刺激的反應(yīng)就不夠明顯。背負(fù)式微刺激器不能達(dá)到很高的刺激強(qiáng)度，是該設(shè)備的不足之處，但是，它對(duì)大壁虎基本運(yùn)動(dòng)（例如左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、躲避）的誘導(dǎo)已經(jīng)能夠滿(mǎn)足要求。微刺激器產(chǎn)生不同刺激參數(shù)的恒流脈沖（100 kΩ負(fù)載端電壓波形）如圖6所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

動(dòng)物機(jī)器人遙控刺激系統(tǒng)，在動(dòng)物機(jī)器人的研制中具有重要的意義。它的研制不但涉及電路設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)和無(wú)線通信方面的知識(shí)，還與生命科學(xué)有著密切的聯(lián)系。在多學(xué)科科研人員的共同努力下，研制的背負(fù)式微刺激器能夠?qū)崿F(xiàn)多通道雙相恒流脈沖刺激，并且每個(gè)通道的刺激強(qiáng)度可以靈活調(diào)節(jié)。此外，它還具有多點(diǎn)位聯(lián)合刺激和延時(shí)刺激的功能。其尺寸小，重量輕，耗能低，無(wú)線通信距離遠(yuǎn)，適合于小型動(dòng)物的在體刺激試驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］郭策，戴振東.動(dòng)物機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展［J］.機(jī)器人，2005,27(2):187－192.

［2］張韶岷.大鼠遙控導(dǎo)航及其行為訓(xùn)練系統(tǒng)的研究［J］.中國(guó)動(dòng)物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2007,6(26):830－836.

［3］佚名.“機(jī)器人鳥(niǎo)”達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平.http://www.qingdaonews.com/epaper/cjrb/html/2007－03/22/content_731656.htm,2007.

［4］戴振東.生物機(jī)器人的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.科學(xué)前沿，2008,7(1):58－61.

［5］揚(yáng)宇祥.微功耗高速串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5300及其應(yīng)用［J］.國(guó)外電子元器件，2001(11)11:23－25.

［6］楊俊卿.基于新型多通道腦神經(jīng)刺激遙控系統(tǒng)的動(dòng)物機(jī)器人研究［J］.自然科學(xué)進(jìn)展,2007,17(3):379－384.

［7］王永玲.一種新型的動(dòng)物機(jī)器人遙控訓(xùn)練系統(tǒng)［J］.高技術(shù)通訊,2007,17(7):697－702.

［8］王勇．動(dòng)物機(jī)器人遙控導(dǎo)航系統(tǒng)［J］．機(jī)器人，2006，28(2):183－186.

［9］Feng Zhouyan.A Remote Control Training System for Rat Navigation in Complicated Environment［J］.Journal of Zhejiang University,2007,8(2):323－330.

［10］Song Weiguo.A Remote Controlled Multimode Micro－stimulator for Freely Moving Animals［J］.Acta.Physiologica.Sinica.,2006，58 (2)：183－188.

［11］Xu Shaohua.A Multi－channel Telemetry System for Brain Microstimulation in Freely Roaming Animals［J］.Journal of Neuroscience Methods，2004，133(1－2):57－63.

作者簡(jiǎn)介 謝合瑞 男，1981年出生，山東濟(jì)寧，碩士。研究領(lǐng)域生物機(jī)器人遙控系統(tǒng)的研制、無(wú)線通信、單片機(jī)開(kāi)發(fā)。

郭 策 女，1971年出生，南京，博士，教授。研究領(lǐng)域?yàn)榉律Y(jié)構(gòu)與材料、動(dòng)物機(jī)器人。

戴振東 男，1962年出生，博士，南京，教授。研究領(lǐng)域?yàn)榉律Y(jié)構(gòu)與材料、摩擦學(xué)。