微小型動物機器人遙控刺激系統的研制*

張春帥 ， 郭 策 ，蔡 雷 ,3

(1.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學 仿生結構與材料防護研究所，江蘇 南京210016；3.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京210016)

動物機器人是指利用動物體的運動機能、動力供應體制，從動物運動的感受傳入或神經支配入手，實現對動物的運動和某些行為的人為控制[1]。與機電式機器人相比，在設計理念和控制方式上兩者有天壤之別：動物機器人的設計不需考慮復雜的機械結構,控制上只需發送控制命令，具體動作由受控動物自己完成。不像機電式機器人的設計那樣，為使它完成某個簡單動作，設計者不得不進行大量的軟、硬件設計。此外，現代非結構環境下的機器人的運動平穩性、靈活性、健壯性、環境適應性及能源利用效率等方面遠遠落后于動物機器人[2]。

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

動物機器人的研究,關鍵是如何通過植入式電極，對動物腦內的特殊核團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生痛苦情緒，達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、傳輸遠的動物機器人遙控系統就變得非常重要[7]。本文以鴿子為實驗動物，研制了一款微小型動物機器人無線遙控刺激系統。

1 無線遙控系統的組成

無線遙控系統由無線遙控發射站和背負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。無線遙控系統的發射站由Labview 8.5的控制界面PC機和無線信號發射臺組成，通過USB進行通信。發射模塊上的無線單片機CC1110首先接收來自PC機上的刺激參數信號，數據接收完成后，根據已制定的數據格式來判斷數據是否正確，如果正確，則無線單片機將數據發射出去；如果數據錯誤，則無線單片機將數據丟棄，等待接收下一次數據。位于發射臺上的兩個不同的LED燈通過閃爍來提示操作者數據是否發送正確。無線遙控刺激器接收來自發射端的數據，首先判斷數據是否正確，然后根據接收的命令在特定的通道產生相應的刺激信號，對動物進行控制。

圖1 動物機器人遙控示意圖

1.1 基于LabView的控制面板的研制

位于PC機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、刺激參數設置、串口通信設置、數據接收區和刺激命令發射。

動物機器人刺激系統共設計有8個獨立通道可選擇。刺激參數設置包括設置每個通道的刺激強度、刺激頻率、刺激脈沖寬度和刺激時間。每個通道的刺激強度從0～5 V可選，調節精度為0.1 V。刺激頻率和脈沖寬度可以根據實驗要求在一定范圍內調節，刺激頻率的調節精度為1 Hz，脈沖寬度的調節精度為 0.1 ms，刺激時間在0～255 s內可調，調節精度為1 s。串口通信設置用來設置串口資源和串口波特率。數據接收區用來接收發射端反饋的信息。刺激命令用來發射刺激信號。

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

(1)調用“VISA配置串口”節點完成參數的設置，包括串口資源分配、波特率等。在本系統中波爾率設為57 600 b/s，串口資源由計算機自動辨認。

(2)使用“VISA寫入”節點發送數據，使用“VISA讀取”節點接收數據。

(3)串口使用結束后，使用“VISA關閉”節點結束與指定串口之間的會話，關閉占用的串口資源。

在進行實驗時，串口通信的任務是將上述參數打包并發送到發射基站。由于LabView串口只能讀寫字符串，因此，必須將雙精度的數據格式參數進行必要的變換才能進行傳輸。本文采用了“數組至字符串”的轉變命令將雙精度數據數組轉換為相應的字符串。為了防止計算機向無線信號發射臺傳輸的數據出現錯誤，本系統規定了串口通信的數據包格式為：數據包的長度為24，數據的前兩位和后兩位都是字符“Y”。數據的正確與否由發射基站的MCU進行判斷，如果數據正確可將數據發射出去；如果數據錯誤則被自動舍棄，等待接收新的數據。

1.2 無線遙控發射臺和刺激器的研制

遙控系統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收發機,并內嵌有加強型51內核單片機的芯片。芯片內嵌32 KB的Flash存儲器、4 KB的RAM存儲器、8通道8～14 bit A/D轉換器、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。基于CC1100芯片的高性能無線收發器工作在433 MHz，頻率穩定性好、靈敏度高、無線數據傳輸最大速度可達500 Kb/s，采用低供電電壓(2.3 V～3.6 V),在數據采集發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℃，適應惡劣環境。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，其外圍硬件電路如圖2所示。因此可最大程度減少電路設計的復雜性。

圖2 CC1110外圍硬件電路

無線遙控發射臺的作用是接收來自計算機串口傳來設置的參數并發送到接收端刺激器，由AMS1117-3.3構成的降壓穩壓電路、CP2102構成的串口通信電路和無線發射模塊組成。無線信號發射臺各部分電路的連接關系如圖3所示。在本系統中，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降壓穩壓芯片為無線發射模塊供電。

圖3 無線信號發射臺的電路連接

刺激器是整個遙控系統的核心，也是系統研制的難點。它既要求工作穩定可靠，還必須滿足能耗低、尺寸小、重量輕等要求。本設計中，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重對實驗效果的不利影響。

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

由于系統不同芯片對供電電壓的要求不同 (無線單片機的供電電壓在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。負壓發生電路由TC7660及兩個有極電容組成，產生-5 V電壓，分別為雙向電壓發生電路的AD820和模擬開關CD4051供電。雙向電壓發生電路如圖5所示，AD5310接收來自單片機的數據，經過轉換后，輸出單向電壓。AD5310輸出到AD820的正向輸入，根據運放的特點，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CD4051根據選擇通道輸出正負脈沖信號。

圖4 微刺激器的電路框圖

圖5 雙向電壓發生電路

2 刺激信號的產生

本文利用 CC1110單片機的 p02、p03、p04控制模擬開關的8個輸出通道，根據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沖動的發放有較直接的關系，電荷的積累將使機體組織產生永久性損傷。為此,本系統采用雙極刺激脈沖，使生物組織的總電荷為零，減小了刺激脈沖對神經的損壞[8]。

圖6 不同刺激參數下的波形

3 無線遙控刺激系統用于鴿子運動行為的誘導實驗

在鴿子運動行為的遙控誘導實驗中，把微刺激器和鋰電池裝在鴿子頭上，如圖7所示。通過無線遙控發射臺向微刺激器發送控制命令，誘導鴿子產生相應的行為動作。實驗過程中，根據實驗情況設置合適的頻率、波寬參數，刺激的電壓強度根據鴿子腦部刺激位點的不同進行獨立設置。

圖7 刺激系統的實驗應用

利用本文研制的微小無線遙控刺激系統發送刺激信號，可以初步實現人工誘導鴿子做出左、右轉以及飛行的動作，實驗動物在一周后再次利用該系統進行電刺激，動作依然能夠重復出來，這證明了刺激信號的有效性，也說明該系統工作具有可靠性和穩定性，適用于遙控動物機器人的運動行為。

本文設計了用于動物機器人的無線遙控系統，其中背負動物體上的微刺激器體積小、重量輕、能耗低，該系統能夠實現多通道刺激，并且每個通道的參數根據不同的動物要求可進行獨立調節。通過鴿子運動行為遙控誘導實驗證明，該系統工作穩定可靠。

目前，動物機器人遙控系統在實驗室能夠有效地實現對動物運動行為的誘導，但考慮應用于工程實踐，未來還需要進一步增加系統的圖像采集功能，如微型CCD攝像頭等，以便將現場環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。

[1]郭策,戴振東.動物機器人的研究現狀及其未來發展[J].機器人,2005,27(2):187-192.

[2]DICKINSON M H,FARLEY C T,FULL R J,et al.How animalsmove:an integrative view[J].Science,2000,288(7):100-106.

[3]HOLZER R,SHIMOYAMA I.Locomotion control of a biorobotic system via lectric stimulati[J].IEEE,1997(8):1514-1518.

[4]楊俊卿,蘇學成,槐瑞托,等.基于新型多通道腦神經刺激遙控系統的生物機器人研究[J].自然科學展,2007,17(3):379-384.

[5]SATO H,PEERI Y,BAGHOOMIAN E,et al.Radio controlled cyborg beetles:A radio frequency system for insect neural flight control[C].2009 IEEE 22nd International Conference on MicroElectroMechanical Systems,MEMS 2009,2009:2162219.

[6]謝合瑞，郭策，戴振東.恒流多通道動物機器人遙控刺激系統的研制[J].現代電子技術,2009,25(4):68-71.

[7]戴振東.生物機器人的發展及其關鍵技術[J].科學前沿,2008,7(1):58-61.

[8]TEHOVNIK E J.Electrical stimulation of neural tissue to evoke behavioral responses[J].J Neurosci Methods,1996,65(1):1-7.