微小型動物機(jī)器人遙控刺激系統(tǒng)的研制*

張春帥 ， 郭 策 ，蔡 雷 ,3

(1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，江蘇 南京210016；3.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京210016)

動物機(jī)器人是指利用動物體的運動機(jī)能、動力供應(yīng)體制，從動物運動的感受傳入或神經(jīng)支配入手，實現(xiàn)對動物的運動和某些行為的人為控制[1]。與機(jī)電式機(jī)器人相比，在設(shè)計理念和控制方式上兩者有天壤之別：動物機(jī)器人的設(shè)計不需考慮復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu),控制上只需發(fā)送控制命令，具體動作由受控動物自己完成。不像機(jī)電式機(jī)器人的設(shè)計那樣，為使它完成某個簡單動作，設(shè)計者不得不進(jìn)行大量的軟、硬件設(shè)計。此外，現(xiàn)代非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的機(jī)器人的運動平穩(wěn)性、靈活性、健壯性、環(huán)境適應(yīng)性及能源利用效率等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于動物機(jī)器人[2]。

近年來,動物機(jī)器人的研究受到越來越多的關(guān)注，科學(xué)家們已開展了對蟑螂機(jī)器人、老鼠機(jī)器人、甲蟲機(jī)器人、壁虎機(jī)器人的研制工作[3-6]，并且取得了許多令人振奮的成績。

動物機(jī)器人的研究,關(guān)鍵是如何通過植入式電極，對動物腦內(nèi)的特殊核團(tuán)施加有效的電刺激來控制動物的行為。電刺激用于腦研究已經(jīng)有很長的歷史，常用的方法是通過連接線將刺激裝置與動物頭部的刺激電極直接相連。雖然該方法常用于動物行為實驗，但連接線嚴(yán)重限制了動物的活動自由,而且連接線容易纏繞和斷裂，分散動物注意力或使其產(chǎn)生痛苦情緒，達(dá)不到完全自由控制的目的。因此，研究可靠且體積小、重量輕、能耗低、效率高、傳輸遠(yuǎn)的動物機(jī)器人遙控系統(tǒng)就變得非常重要[7]。本文以鴿子為實驗動物，研制了一款微小型動物機(jī)器人無線遙控刺激系統(tǒng)。

1 無線遙控系統(tǒng)的組成

無線遙控系統(tǒng)由無線遙控發(fā)射站和背負(fù)在動物身上的多通道無線遙控刺激器兩部分組成,如圖1所示。無線遙控系統(tǒng)的發(fā)射站由Labview 8.5的控制界面PC機(jī)和無線信號發(fā)射臺組成，通過USB進(jìn)行通信。發(fā)射模塊上的無線單片機(jī)CC1110首先接收來自PC機(jī)上的刺激參數(shù)信號，數(shù)據(jù)接收完成后，根據(jù)已制定的數(shù)據(jù)格式來判斷數(shù)據(jù)是否正確，如果正確，則無線單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)射出去；如果數(shù)據(jù)錯誤，則無線單片機(jī)將數(shù)據(jù)丟棄，等待接收下一次數(shù)據(jù)。位于發(fā)射臺上的兩個不同的LED燈通過閃爍來提示操作者數(shù)據(jù)是否發(fā)送正確。無線遙控刺激器接收來自發(fā)射端的數(shù)據(jù)，首先判斷數(shù)據(jù)是否正確，然后根據(jù)接收的命令在特定的通道產(chǎn)生相應(yīng)的刺激信號，對動物進(jìn)行控制。

圖1 動物機(jī)器人遙控示意圖

1.1 基于LabView的控制面板的研制

位于PC機(jī)上的控制面板程序采用LabView 8.5軟件編寫，控制界面共分為：刺激通道選擇、刺激參數(shù)設(shè)置、串口通信設(shè)置、數(shù)據(jù)接收區(qū)和刺激命令發(fā)射。

動物機(jī)器人刺激系統(tǒng)共設(shè)計有8個獨立通道可選擇。刺激參數(shù)設(shè)置包括設(shè)置每個通道的刺激強(qiáng)度、刺激頻率、刺激脈沖寬度和刺激時間。每個通道的刺激強(qiáng)度從0～5 V可選，調(diào)節(jié)精度為0.1 V。刺激頻率和脈沖寬度可以根據(jù)實驗要求在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，刺激頻率的調(diào)節(jié)精度為1 Hz，脈沖寬度的調(diào)節(jié)精度為 0.1 ms，刺激時間在0～255 s內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度為1 s。串口通信設(shè)置用來設(shè)置串口資源和串口波特率。數(shù)據(jù)接收區(qū)用來接收發(fā)射端反饋的信息。刺激命令用來發(fā)射刺激信號。

在LabView中利用VISA節(jié)點進(jìn)行串行通信編程。LabView將這些VISA節(jié)點單獨組成一個子模塊，共包含8個節(jié)點，分別實現(xiàn)初始化串口、串口寫/讀、中斷以及關(guān)閉串口等功能。在本文中用到如下節(jié)點：

(1)調(diào)用“VISA配置串口”節(jié)點完成參數(shù)的設(shè)置，包括串口資源分配、波特率等。在本系統(tǒng)中波爾率設(shè)為57 600 b/s，串口資源由計算機(jī)自動辨認(rèn)。

(2)使用“VISA寫入”節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，使用“VISA讀取”節(jié)點接收數(shù)據(jù)。

(3)串口使用結(jié)束后，使用“VISA關(guān)閉”節(jié)點結(jié)束與指定串口之間的會話，關(guān)閉占用的串口資源。

在進(jìn)行實驗時，串口通信的任務(wù)是將上述參數(shù)打包并發(fā)送到發(fā)射基站。由于LabView串口只能讀寫字符串，因此，必須將雙精度的數(shù)據(jù)格式參數(shù)進(jìn)行必要的變換才能進(jìn)行傳輸。本文采用了“數(shù)組至字符串”的轉(zhuǎn)變命令將雙精度數(shù)據(jù)數(shù)組轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的字符串。為了防止計算機(jī)向無線信號發(fā)射臺傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，本系統(tǒng)規(guī)定了串口通信的數(shù)據(jù)包格式為：數(shù)據(jù)包的長度為24，數(shù)據(jù)的前兩位和后兩位都是字符“Y”。數(shù)據(jù)的正確與否由發(fā)射基站的MCU進(jìn)行判斷，如果數(shù)據(jù)正確可將數(shù)據(jù)發(fā)射出去；如果數(shù)據(jù)錯誤則被自動舍棄，等待接收新的數(shù)據(jù)。

1.2 無線遙控發(fā)射臺和刺激器的研制

遙控系統(tǒng)的控制器采用了美國TI公司的CC1110芯片。CC1110是一塊包含了CC1100 RF收發(fā)機(jī),并內(nèi)嵌有加強(qiáng)型51內(nèi)核單片機(jī)的芯片。芯片內(nèi)嵌32 KB的Flash存儲器、4 KB的RAM存儲器、8通道8～14 bit A/D轉(zhuǎn)換器、1個 16 bit定時器和 3個 8 bit定時器、2個 UART/SPI、RTC和21個通用I/O?；贑C1100芯片的高性能無線收發(fā)器工作在433 MHz，頻率穩(wěn)定性好、靈敏度高、無線數(shù)據(jù)傳輸最大速度可達(dá)500 Kb/s，采用低供電電壓(2.3 V～3.6 V),在數(shù)據(jù)采集發(fā)送期間的電流消耗為18 mA，休眠期間，電流消耗非常低只有 0.5 μA;工作溫度范圍為-40℃～85℃，適應(yīng)惡劣環(huán)境。CC1110采用 6 mm×6 mm的QLP36封裝,對外部元件的需求量很低，無需外置濾波器或Tx/Rx開關(guān)，其外圍硬件電路如圖2所示。因此可最大程度減少電路設(shè)計的復(fù)雜性。

圖2 CC1110外圍硬件電路

無線遙控發(fā)射臺的作用是接收來自計算機(jī)串口傳來設(shè)置的參數(shù)并發(fā)送到接收端刺激器，由AMS1117-3.3構(gòu)成的降壓穩(wěn)壓電路、CP2102構(gòu)成的串口通信電路和無線發(fā)射模塊組成。無線信號發(fā)射臺各部分電路的連接關(guān)系如圖3所示。在本系統(tǒng)中，通過USB供電，但是由于無線芯片的電壓在2.3 V～3.6 V之間，所以選用3.3 V降壓穩(wěn)壓芯片為無線發(fā)射模塊供電。

圖3 無線信號發(fā)射臺的電路連接

刺激器是整個遙控系統(tǒng)的核心，也是系統(tǒng)研制的難點。它既要求工作穩(wěn)定可靠，還必須滿足能耗低、尺寸小、重量輕等要求。本設(shè)計中，為了減小刺激器尺寸和重量，電路中的電阻、電容和電感都采用0402小型貼片封裝(其他芯片亦都采用貼片封裝)。整個刺激器包括電池的重量約為7.3g（系統(tǒng)選用鋰電池，其重量 3.8 g，容量 140 mAh），體積為20 mm×30 mm×6 mm，適合于小型動物攜帶，并有利于減少由于動物負(fù)重對實驗效果的不利影響。

刺激器由無線單片機(jī)CC1110、2片REG710和TC7660組成的電源管理電路、D/A芯片AD5310與運放AD820組成的雙向電壓發(fā)生電路、CD4051模擬開關(guān)以及1塊電池組成,如圖4所示。

由于系統(tǒng)不同芯片對供電電壓的要求不同 (無線單片機(jī)的供電電壓在2.0 V～3.6 V，而其他芯片的供電電壓大都需要5 V以上)所以電路中穩(wěn)壓芯片電壓 (3.3 V和5 V)分別為不同的芯片供電。刺激器上的兩個LED組成指示電路。負(fù)壓發(fā)生電路由TC7660及兩個有極電容組成，產(chǎn)生-5 V電壓，分別為雙向電壓發(fā)生電路的AD820和模擬開關(guān)CD4051供電。雙向電壓發(fā)生電路如圖5所示，AD5310接收來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，輸出單向電壓。AD5310輸出到AD820的正向輸入，根據(jù)運放的特點，AD820的輸出電壓Vo等于兩倍的正向輸入電壓Vo1減去 5 V(2Vo1-5),當(dāng)Vo1在 0 V～5 V變化時，輸出電壓Vo在-5 V～5 V間變化，為雙向電壓脈沖。模擬開關(guān)CD4051根據(jù)選擇通道輸出正負(fù)脈沖信號。

圖4 微刺激器的電路框圖

圖5 雙向電壓發(fā)生電路

2 刺激信號的產(chǎn)生

本文利用 CC1110單片機(jī)的 p02、p03、p04控制模擬開關(guān)的8個輸出通道，根據(jù)實驗所選的通道分別輸出刺激電壓脈沖。刺激器的每個通道可以獨立輸出0～5 V頻率、幅值和時長均可調(diào)的雙向電壓脈沖，如圖6所示，電壓脈沖信號完全對稱。研究證明刺激脈沖的波形與極性對神經(jīng)沖動的發(fā)放有較直接的關(guān)系，電荷的積累將使機(jī)體組織產(chǎn)生永久性損傷。為此,本系統(tǒng)采用雙極刺激脈沖，使生物組織的總電荷為零，減小了刺激脈沖對神經(jīng)的損壞[8]。

圖6 不同刺激參數(shù)下的波形

3 無線遙控刺激系統(tǒng)用于鴿子運動行為的誘導(dǎo)實驗

在鴿子運動行為的遙控誘導(dǎo)實驗中，把微刺激器和鋰電池裝在鴿子頭上，如圖7所示。通過無線遙控發(fā)射臺向微刺激器發(fā)送控制命令，誘導(dǎo)鴿子產(chǎn)生相應(yīng)的行為動作。實驗過程中，根據(jù)實驗情況設(shè)置合適的頻率、波寬參數(shù)，刺激的電壓強(qiáng)度根據(jù)鴿子腦部刺激位點的不同進(jìn)行獨立設(shè)置。

圖7 刺激系統(tǒng)的實驗應(yīng)用

利用本文研制的微小無線遙控刺激系統(tǒng)發(fā)送刺激信號，可以初步實現(xiàn)人工誘導(dǎo)鴿子做出左、右轉(zhuǎn)以及飛行的動作，實驗動物在一周后再次利用該系統(tǒng)進(jìn)行電刺激，動作依然能夠重復(fù)出來，這證明了刺激信號的有效性，也說明該系統(tǒng)工作具有可靠性和穩(wěn)定性，適用于遙控動物機(jī)器人的運動行為。

本文設(shè)計了用于動物機(jī)器人的無線遙控系統(tǒng)，其中背負(fù)動物體上的微刺激器體積小、重量輕、能耗低，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多通道刺激，并且每個通道的參數(shù)根據(jù)不同的動物要求可進(jìn)行獨立調(diào)節(jié)。通過鴿子運動行為遙控誘導(dǎo)實驗證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

目前，動物機(jī)器人遙控系統(tǒng)在實驗室能夠有效地實現(xiàn)對動物運動行為的誘導(dǎo)，但考慮應(yīng)用于工程實踐，未來還需要進(jìn)一步增加系統(tǒng)的圖像采集功能，如微型CCD攝像頭等，以便將現(xiàn)場環(huán)境的實際情況實時傳輸給操作者,從而更加有效地控制動物的運動行為為人類服務(wù)。

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