恒流多通道動(dòng)物機(jī)器人遙控刺激系統(tǒng)的研制

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)國的重視。近年來，國內(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)道了美國紐約州立大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的Chapin教授通過將電極植人大鼠的不同腦區(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；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Ⅲ；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，率先在國內(nèi)外開展了對(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。

l 無線信號(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)從整體功能上來說，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“無線信號(hào)發(fā)射臺(tái)”兩部分通過RS 232串口線相連接組成。位于無線信號(hào)發(fā)射臺(tái)上的Atmega8L微處理器，首先接收來自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)過程中的每一步，位于無線信號(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)和無線信號(hào)發(fā)射臺(tái)的微處理器ATmega8L之間通過RS 232串口進(jìn)行通信。在Lab-VIEW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)備讀寫數(shù)據(jù)。LabVIEW8．20的串口通信VI位于“In-strlament 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“VISAConfigure 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9600 b．／s；
??? (2)使用“VISA Write”發(fā)送數(shù)據(jù)，使用“VISARead”接收數(shù)據(jù)。在接收數(shù)據(jù)之前需要使用“VISABytes at Serial Port”查詢當(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，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LabVlEW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“O”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 無線信號(hào)發(fā)射臺(tái)
??? 無線信號(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：無線信號(hào)發(fā)射機(jī)(Transmitter)，由AMSlll7—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CllOO無線收發(fā)器ccllOOA—01(立奇國際貿(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O規(guī)定為5～15 V之間，邏輯1規(guī)定為一5～一15 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O．4 V)。因此，Pc機(jī)與單片機(jī)之間并不能通過串口線直接進(jìn)行通信，必須經(jīng)過電平轉(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AMSlll7—3．3，整個(gè)發(fā)射臺(tái)可以通過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)來說動(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、無線信號(hào)接收機(jī)、D／A轉(zhuǎn)換芯片AD5310與()P07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)。
??? 無線收發(fā)模塊CCll00A一01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()P07組合產(chǎn)生雙相電壓脈沖信號(hào)(如圖4所示)，這些雙相電壓信號(hào)通過由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TC7660進(jìn)行倍壓和負(fù)壓，專用于給壓控恒流電路和模擬開關(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()P07選擇±4．1 V供電；無線接收機(jī)用5 kQ和41 kQ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電時(shí)能夠使用5個(gè)小時(shí)以上。經(jīng)過適當(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O～40μA(負(fù)載電阻100 kΩ時(shí))的雙向恒流脈沖。由于該系統(tǒng)使用了成熟的商業(yè)無線通信模塊，因此它的無線通信性能穩(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(40μA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
??? 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，無線通信距離遠(yuǎn)，適合于小型動(dòng)物的在體刺激試驗(yàn)。