恒流多通道動物機器人遙控刺激系統(tǒng)的研制

動物機器人是利用自然界中的動物作為運動本體的機器人，通過把微電極植入與動物運動相關的腦核團或者方向感受區(qū)，并施加人工模擬的神經(jīng)電信號，從而達到控制動物運動的目的。動物機器人與仿生機器人相比，因其具有更好的環(huán)境適應性，隱蔽性，運動的靈活性和可靠性等優(yōu)點受到世界各強國的重視。近年來，國內外動物機器人的研究工作蓬勃發(fā)展，科學家們已開展了對機器人蟑螂、機器人老鼠、機器人海龜、機器人鴿子、機器人壁虎的研制工作，并取得了許多令人振奮的成績。2001年，日本東京大學Isao Shimoyama教授給蟑螂裝上“電子背包”，通過適當?shù)拇碳ぃ墒贵肽芨鶕?jù)指令向左轉和向右轉；2002年，Nature雜志報道了美國紐約州立大學醫(yī)學中心的Chapin教授通過將電極植人大鼠的不同腦區(qū)，在人工模擬電信號的刺激下，控制大鼠按照預先設計好的路線行走；2007年，山東科技大學機器人研究中心初步實現(xiàn)了控制鴿子按照人的指令飛行，成為世界上第一只機器人鳥Ⅲ；南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所，選擇了具有特殊運動能力的大壁虎作為研究對象，率先在國內外開展了對大壁虎運動的人工誘導研究，測定了大壁虎腦區(qū)與運動相關核團的空間分布，揭示了大壁虎神經(jīng)電信號的時空編碼規(guī)律，成功實現(xiàn)了對大壁虎左轉、右轉、前行和躲避等基本運動行為的人工誘導。
??? 在諸多決定動物機器人研制成功與否的因素中，“動物機器人遙控刺激系統(tǒng)”便是關鍵因素之一，它是動物機器人擺脫各種束縛實現(xiàn)自由運動的必經(jīng)之路，也是動物機器人甩掉信號線，走出實驗室的必要條件。它要求工作可靠、能耗低、效率高、傳輸遠，為了對存在個體差異的動物進行精確的控制，遙控刺激系統(tǒng)還要求能對各項電刺激參數(shù)獨立調節(jié)，此外，受動物體態(tài)和動物負重能力的限制，控制動物運動行為的“背負式遙控微刺激器”一般都有嚴格的尺寸和重量的要求。

l 無線信號發(fā)射站的研制
??? 這里研制的動物機器人遙控刺激系統(tǒng)從整體功能上來說，由2部分組成：“遙控信號發(fā)射站”和“背負式微刺激器”(如圖1所示)。

??? “無線信號發(fā)射站”是由安裝“LabVIEW8．20程序操作界面的PC機”和“無線信號發(fā)射臺”兩部分通過RS 232串口線相連接組成。位于無線信號發(fā)射臺上的Atmega8L微處理器，首先接收來自PC機串口的刺激參數(shù)信號，數(shù)據(jù)接收完畢后就根據(jù)作者規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)正誤判斷，如果數(shù)據(jù)正確，位于無線信號發(fā)射臺上的ATmega8L微處理器就把這個命令字符串送入無線信號發(fā)送機(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)錯誤微處理器自動將其舍棄。在這個過程中的每一步，位于無線信號發(fā)射臺上的2個發(fā)光二極管，以不同的點亮方式提示給操作者。
1．1 基于PC機的LabVIEW控制程序
??? 在該系統(tǒng)中PC機和無線信號發(fā)射臺的微處理器ATmega8L之間通過RS 232串口進行通信。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編程相對來講比較復雜，而使用LabVIEW中自帶的VISA進行通信，既方便又不易出現(xiàn)錯誤。因此，在設計中采用了前者，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VI節(jié)點。在使用VISA進行串行通信時需要安裝相應版本的驅動，否則不能進行通信。
??? (1)調用“VISAConfigure Serial Port”完成串口參數(shù)的設置，包括串口資源分配、波特率、校驗位等，在進行串行通信時波特率必須要設置正確，否則通信數(shù)據(jù)是錯誤的，在該系統(tǒng)中波特率設為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)串口使用結束后，使用“VISA Close”結束與VISA resource name指定的串口之間的會話，關閉占用的串口資源。
??? 刺激參數(shù)以雙精度(DBL)數(shù)據(jù)格式在PC機的LabVlEW操作界面上進行設置，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，必須把這個雙精度數(shù)據(jù)格式的數(shù)組進行必要的變換才能通過串口進行傳輸，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)組轉換為相應的字符串。為了防止計算機向無線信號發(fā)射站傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，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)的正誤由無線信號發(fā)射站的微處理器進行判斷，數(shù)據(jù)判斷無誤后就發(fā)射出去，數(shù)據(jù)錯誤則自動舍棄。從使用安全角度著想，急停功能是背負式微刺激器必須具備的，為了實現(xiàn)該功能，給第23個命令字節(jié)賦予定義，如果第23字節(jié)為“Y”背負式微刺激器便認為是刺激命令；如果為“O”則是急停命令，背負式微刺激器的微處理器立即進入急停狀態(tài)。在命令字節(jié)中，有一部分數(shù)據(jù)是為以后系統(tǒng)功能的擴充預留的，它們沒有實際意義，以字符“0”傳輸。基于LabVIEw8．20的PC機與微控制器的通信程序如圖2所示。

1．2 無線信號發(fā)射臺
??? 無線信號發(fā)射臺的作用是把Pc機設置的刺激參數(shù)以無線信號的形式發(fā)送到“背負式微刺激器”中去。它由下列幾部分組成：無線信號發(fā)射機(Transmitter)，由AMSlll7—3．3構成的降壓穩(wěn)壓電路，Atmega8L微處理器，PC機串口與單片機串口之間的電平轉換電路。無線信號發(fā)射臺各部分電路的連接關系如圖3所示?；贑CllOO無線收發(fā)器ccllOOA—01(立奇國際貿易有限公司)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機與單片機之間并不能通過串口線直接進行通信，必須經(jīng)過電平轉換，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，對應9針串口上的2號線、3號線和5號線。在系統(tǒng)設計中，芯片MAX323采用5．0 V電壓供電，單片機采用3．3 V電壓供電。因此，選擇3．3 V的穩(wěn)壓芯片AMSlll7—3．3，整個發(fā)射臺可以通過USB接口從PC機取電。

2 背負式微刺激器的研制
??? 對于整個系統(tǒng)來說動物背負式微刺激器占據(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。為了滿足設計要求，該微刺激器的設計采用以下部分組成：Atmega8L微處理器、無線信號接收機、D／A轉換芯片AD5310與()P07運算放大器構成的雙相電壓脈沖發(fā)生單元、雙向模擬開關CD4051B、由運算放大器LM358和電阻構成的壓控恒流電路、TC7660芯片組成的負壓電路、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轉換芯片AD5310與()P07組合產(chǎn)生雙相電壓脈沖信號(如圖4所示)，這些雙相電壓信號通過由LM358和電阻構成的電壓控制電流源電路(VCcs)轉化為相應的雙相恒流脈沖信號。模擬開關cD4051在單片機的控制下，把這些恒流脈沖輪流送到第一到第4個刺激通道，這樣就在4個通道上依次產(chǎn)生需要的恒流脈沖信號(如圖5所示)。該設備能夠達到多通道聯(lián)合刺激，并且每通道都是電流強度可調的雙相脈沖。當需要選擇4個通道中任意幾個進行多點位聯(lián)合刺激時，將不需要選擇的那些通道刺激強度設置為0即可。為了提高電路帶動負載的能力，選擇4．1 V聚合物鋰電池，通過TC7660進行倍壓和負壓，專用于給壓控恒流電路和模擬開關CD4051進行±8．2 V供電；用于產(chǎn)生雙相電壓脈沖的運算放大器()P07選擇±4．1 V供電；無線接收機用5 kQ和41 kQ電阻把4．1 V分成約3．6 V供電。在背負式微刺激器的設計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，帶電池質量約為14．8 g，在大壁虎自由運動的負重范圍之內。超低功耗的電路設計，使得該微刺激器在電池充滿電時能夠使用5個小時以上。經(jīng)過適當?shù)某绦蜓訒r，該背負式微刺激器能夠產(chǎn)生脈寬為1 ms，頻率為50～125 Hz，強度約為O～40μA(負載電阻100 kΩ時)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。

在大壁虎運動的人工誘導實驗中，該設備對于敏感度居中以及中偏高的腦核團刺激表現(xiàn)的性能較好，能夠滿足對大壁虎運動腦核團刺激的強度，實現(xiàn)了控制壁虎運動行為的目標。但是，有些腦核團對電刺激不夠敏感，或者是腦電極植入位置與腦核團實際位置偏差較大，其要求的刺激強度太大(40μA以上)，這時大壁虎對電刺激的反應就不夠明顯。背負式微刺激器不能達到很高的刺激強度，是該設備的不足之處，但是，它對大壁虎基本運動(例如左轉、右轉、前進、躲避)的誘導已經(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負載端電壓波形)如圖6所示。

3 結 語
??? 動物機器人遙控刺激系統(tǒng)，在動物機器人的研制中具有重要的意義。它的研制不但涉及電路設計，程序設計和無線通信方面的知識，還與生命科學有著密切的聯(lián)系。在多學科科研人員的共同努力下，研制的背負式微刺激器能夠實現(xiàn)多通道雙相恒流脈沖刺激，并且每個通道的刺激強度可以靈活調節(jié)。此外，它還具有多點位聯(lián)合刺激和延時刺激的功能。其尺寸小，重量輕，耗能低，無線通信距離遠，適合于小型動物的在體刺激試驗。