恒流多通道动物机器人遥控刺激系统的研制

 0 引 言

动物机器人是利用自然界中的动物作为运动本体的机器人，通过把微电极植入与动物运动相关的脑核团或者方向感受区，并施加人工模拟的神经电信号，从而达到控制动物运动的目的。动物机器人与仿生机器人相比，因其具有更好的环境适应性，隐蔽性，运动的灵活性和可靠性等优点受到世界各强国的重视。近年来，国内外动物机器人的研究工作蓬勃发展，科学家们已开展了对机器人蟑螂、机器人老鼠、机器人海龟、机器人鸽子、机器人壁虎的研制工作，并取得了许多令人振奋的成绩。2001年，日本东京大学Isao Shimoyama教授给蟑螂装上“电子背包”，通过适当的刺激，可使蟑螂能根据指令向左转和向右转;2002年，Nature杂志报道了美国纽约州立大学医学中心的Chapin教授通过将电极植人大鼠的不同脑区，在人工模拟电信号的刺激下，控制大鼠按照预先设计好的路线行走;2007年，山东科技大学机器人研究中心初步实现了控制鸽子按照人的指令飞行，成为世界上第一只机器人鸟Ⅲ;南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，选择了具有特殊运动能力的大壁虎作为研究对象，率先在国内外开展了对大壁虎运动的人工诱导研究，测定了大壁虎脑区与运动相关核团的空间分布，揭示了大壁虎神经电信号的时空编码规律，成功实现了对大壁虎左转、右转、前行和躲避等基本运动行为的人工诱导。

在诸多决定动物机器人研制成功与否的因素中，“动物机器人遥控刺激系统”便是关键因素之一，它是动物机器人摆脱各种束缚实现自由运动的必经之路，也是动物机器人甩掉信号线，走出实验室的必要条件。它要求工作可靠、能耗低、效率高、传输远，为了对存在个体差异的动物进行精确的控制，遥控刺激系统还要求能对各项电刺激参数独立调节，此外，受动物体态和动物负重能力的限制，控制动物运动行为的“背负式遥控微刺激器”一般都有严格的尺寸和重量的要求。

l 无线信号发射站的研制

这里研制的动物机器人遥控刺激系统从整体功能上来说，由2部分组成：“遥控信号发射站”和“背负式微刺激器”(如图1所示)。

 

 

“无线信号发射站”是由安装“LabVIEW8.20程序操作界面的PC机”和“无线信号发射台”两部分通过RS 232串口线相连接组成。位于无线信号发射台上的Atmega8L微处理器，首先接收来自PC机串口的刺激参数信号，数据接收完毕后就根据作者规定的数据格式进行数据正误判断，如果数据正确，位于无线信号发射台上的ATmega8L微处理器就把这个命令字符串送入无线信号发送机(Transmitter)，这些数据在送入的瞬间就发射出去，如果数据错误微处理器自动将其舍弃。在这个过程中的每一步，位于无线信号发射台上的2个发光二极管，以不同的点亮方式提示给操作者。

1.1 基于PC机的LabVIEW控制程序

在该系统中PC机和无线信号发射台的微处理器ATmega8L之间通过RS 232串口进行通信。在Lab-VIEW中使用串口通信的方法有2种：使用VISA和使用AxtiveX(采用MScomm)。使用AxtiveX编程相对来讲比较复杂，而使用LabVIEW中自带的VISA进行通信，既方便又不易出现错误。因此，在设计中采用了前者，既在虚拟环境中使用VISA功能模块向串行设备读写数据。LabVIEW8.20的串口通信VI位于“In-strlament I/O Platte”的“Serial”中，它包括8个VI节点。在使用VISA进行串行通信时需要安装相应版本的驱动，否则不能进行通信。

(1)调用“VISAConfigure Serial Port”完成串口参数的设置，包括串口资源分配、波特率、校验位等，在进行串行通信时波特率必须要设置正确，否则通信数据是错误的，在该系统中波特率设为9600 b./s;

(2)使用“VISA Write”发送数据，使用“VISARead”接收数据。在接收数据之前需要使用“VISABytes at Serial Port”查询当前串口接收缓冲区中的数据字节数;

(3)串口使用结束后，使用“VISA Close”结束与VISA resource name指定的串口之间的会话，关闭占用的串口资源。

刺激参数以双精度(DBL)数据格式在PC机的LabVlEW操作界面上进行设置，在单击“刺激”按钮后，这些双精度格式的数据便按照顺序创建一个包含所有刺激参数的数组，由于LabVIEw串口只能读写字符串，因此，必须把这个双精度数据格式的数组进行必要的变换才能通过串口进行传输，在此采用了“数组至字符串的变换命令”把双精度数据数组转换为相应的字符串。为了防止计算机向无线信号发射站传输数据出现错误，规定了串口通信的数据包格式：刺激参数数据字符串长度为24，数据的前2位和第24位字符都是“Y”。数据的正误由无线信号发射站的微处理器进行判断，数据判断无误后就发射出去，数据错误则自动舍弃。从使用安全角度着想，急停功能是背负式微刺激器必须具备的，为了实现该功能，给第23个命令字节赋予定义，如果第23字节为“Y”背负式微刺激器便认为是刺激命令;如果为“O”则是急停命令，背负式微刺激器的微处理器立即进入急停状态。在命令字节中，有一部分数据是为以后系统功能的扩充预留的，它们没有实际意义，以字符“0”传输。基于LabVIEw8.20的PC机与微控制器的通信程序如图2所示。

 

 

1.2 无线信号发射台

无线信号发射台的作用是把Pc机设置的刺激参数以无线信号的形式发送到“背负式微刺激器”中去。它由下列几部分组成：无线信号发射机(Transmitter)，由AMSlll7—3.3构成的降压稳压电路，Atmega8L微处理器，PC机串口与单片机串口之间的电平转换电路。无线信号发射台各部分电路的连接关系如图3所示。基于CCllOO无线收发器ccllOOA—01(立奇国际贸易有限公司)是一款低成本、低功耗的超高频(UHF)收发器，该模块的尺寸小(20 mm×30 mm×6 mm)，重量轻(2.3 g)，传输距离大于200 m，主要工作于ISM和SRD频率波段。

 

 

由于RS 232串口的逻辑O规定为5～15 V之间，逻辑1规定为一5～一15 V之间。而单片机只能接收TTL电平(输入高电平>2.4 V，输入低电平<0.8 V，噪声容限为O.4 V)。因此，Pc机与单片机之间并不能通过串口线直接进行通信，必须经过电平转换，在此选用MAXIM公司生产的.RS 232接口芯片MAX3232，它使用单一电源电压供电，电源电压在3.0～5.5 V范围内都可以正常工作。该系统采用了9针串口，通过3根线完成通信：RXD，TXD和GND，对应9针串口上的2号线、3号线和5号线。在系统设计中，芯片MAX323采用5.0 V电压供电，单片机采用3.3 V电压供电。因此，选择3.3 V的稳压芯片AMSlll7—3.3，整个发射台可以通过USB接口从PC机取电。

2 背负式微刺激器的研制

对于整个系统来说动物背负式微刺激器占据着核心地位，它的重要性大于系统的其他部分，研制难度也较高。它既要求工作性能可靠，又要求能耗低，尺寸小。重量轻，遥控距离远。为了满足设计要求，该微刺激器的设计采用以下部分组成：Atmega8L微处理器、无线信号接收机、D/A转换芯片AD5310与()P07运算放大器构成的双相电压脉冲发生单元、双向模拟开关CD4051B、由运算放大器LM358和电阻构成的压控恒流电路、TC7660芯片组成的负压电路、TC7660芯片组成的倍压电路、发光二极管工作状态指示电路以及两块可充电聚合物锂电池(4.1 V，180 mAh)。

无线收发模块CCll00A一01既可以发送数据也可以接收数据，并且它的尺寸较小，重量较轻，因此，它也适合作为微刺激器遥控刺激参数数据的接收模块。单10位串行D/A转换芯片AD5310与()P07组合产生双相电压脉冲信号(如图4所示)，这些双相电压信号通过由LM358和电阻构成的电压控制电流源电路(VCcs)转化为相应的双相恒流脉冲信号。模拟开关cD4051在单片机的控制下，把这些恒流脉冲轮流送到第一到第4个刺激通道，这样就在4个通道上依次产生需要的恒流脉冲信号(如图5所示)。该设备能够达到多通道联合刺激，并且每通道都是电流强度可调的双相脉冲。当需要选择4个通道中任意几个进行多点位联合刺激时，将不需要选择的那些通道刺激强度设置为0即可。为了提高电路带动负载的能力，选择4.1 V聚合物锂电池，通过TC7660进行倍压和负压，专用于给压控恒流电路和模拟开关CD4051进行±8.2 V供电;用于产生双相电压脉冲的运算放大器()P07选择±4.1 V供电;无线接收机用5 kQ和41 kQ电阻把4.1 V分成约3.6 V供电。在背负式微刺激器的设计中都采用小封装的表贴电子元件(0603封装)，及电能密度大的聚合物锂电池(4.4 g，180 mAh)。因此，大大降低了该微刺激器整体尺寸，整体尺寸约为33 mm×24 mm×16 mm，带电池质量约为14.8 g，在大壁虎自由运动的负重范围之内。超低功耗的电路设计，使得该微刺激器在电池充满电时能够使用5个小时以上。经过适当的程序延时，该背负式微刺激器能够产生脉宽为1 ms，频率为50～125 Hz，强度约为O～40μA(负载电阻100 kΩ时)的双向恒流脉冲。由于该系统使用了成熟的商业无线通信模块，因此它的无线通信性能稳定，遥控距离约为200 m。

 

 

在大壁虎运动的人工诱导实验中，该设备对于敏感度居中以及中偏高的脑核团刺激表现的性能较好，能够满足对大壁虎运动脑核团刺激的强度，实现了控制壁虎运动行为的目标。但是，有些脑核团对电刺激不够敏感，或者是脑电极植入位置与脑核团实际位置偏差较大，其要求的刺激强度太大(40μA以上)，这时大壁虎对电刺激的反应就不够明显。背负式微刺激器不能达到很高的刺激强度，是该设备的不足之处，但是，它对大壁虎基本运动(例如左转、右转、前进、躲避)的诱导已经能够满足要求。微刺激器产生不同刺激参数的恒流脉冲(100 kΩ负载端电压波形)如图6所示。

 

 

3 结 语

动物机器人遥控刺激系统，在动物机器人的研制中具有重要的意义。它的研制不但涉及电路设计，程序设计和无线通信方面的知识，还与生命科学有着密切的联系。在多学科科研人员的共同努力下，研制的背负式微刺激器能够实现多通道双相恒流脉冲刺激，并且每个通道的刺激强度可以灵活调节。此外，它还具有多点位联合刺激和延时刺激的功能。其尺寸小，重量轻，耗能低，无线通信距离远，适合于小型动物的在体刺激试验。