張春帥 ， 郭 策 ，蔡 雷 ,3

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)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(dòng)物機(jī)器人是指利用動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)機(jī)能、動(dòng)力供應(yīng)體制，從動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的感受傳入或神經(jīng)支配入手，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)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(jì)理念和控制方式上兩者有天壤之別：動(dòng)物機(jī)器人的設(shè)計(jì)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(dòng)作由受控動(dòng)物自己完成。不像機(jī)電式機(jī)器人的設(shè)計(jì)那樣，為使它完成某個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作，設(shè)計(jì)者不得不進(jìn)行大量的軟、硬件設(shè)計(jì)。此外，現(xiàn)代非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(dòng)物機(jī)器人[2]。

近年來(lái),動(dòng)物機(jī)器人的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注，科學(xué)家們已開(kāi)展了對(duì)蟑螂機(jī)器人、老鼠機(jī)器人、甲蟲(chóng)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(jī)。

動(dòng)物機(jī)器人的研究,關(guān)鍵是如何通過(guò)植入式電極，對(duì)動(dòng)物腦內(nèi)的特殊核團(tuán)施加有效的電刺激來(lái)控制動(dòng)物的行為。電刺激用于腦研究已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史，常用的方法是通過(guò)連接線將刺激裝置與動(dòng)物頭部的刺激電極直接相連。雖然該方法常用于動(dòng)物行為實(shí)驗(yàn)，但連接線嚴(yán)重限制了動(dòng)物的活動(dòng)自由,而且連接線容易纏繞和斷裂，分散動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物，研制了一款微小型動(dòng)物機(jī)器人無(wú)線遙控刺激系統(tǒng)。

1 無(wú)線遙控系統(tǒng)的組成

無(wú)線遙控系統(tǒng)由無(wú)線遙控發(fā)射站和背負(fù)在動(dòng)物身上的多通道無(wú)線遙控刺激器兩部分組成,如圖1所示。無(wú)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(wú)線信號(hào)發(fā)射臺(tái)組成，通過(guò)USB進(jìn)行通信。發(fā)射模塊上的無(wú)線單片機(jī)CC1110首先接收來(lái)自PC機(jī)上的刺激參數(shù)信號(hào)，數(shù)據(jù)接收完成后，根據(jù)已制定的數(shù)據(jù)格式來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否正確，如果正確，則無(wú)線單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)射出去；如果數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則無(wú)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(tái)上的兩個(gè)不同的LED燈通過(guò)閃爍來(lái)提示操作者數(shù)據(jù)是否發(fā)送正確。無(wú)線遙控刺激器接收來(lái)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(hào)，對(duì)動(dòng)物進(jìn)行控制。

圖1 動(dòng)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(xiě)，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(dòng)物機(jī)器人刺激系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有8個(gè)獨(dú)立通道可選擇。刺激參數(shù)設(shè)置包括設(shè)置每個(gè)通道的刺激強(qiáng)度、刺激頻率、刺激脈沖寬度和刺激時(shí)間。每個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(lái)設(shè)置串口資源和串口波特率。數(shù)據(jù)接收區(qū)用來(lái)接收發(fā)射端反饋的信息。刺激命令用來(lái)發(fā)射刺激信號(hào)。

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

(1)調(diào)用“VISA配置串口”節(jié)點(diǎn)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(jì)算機(jī)自動(dòng)辨認(rèn)。

(2)使用“VISA寫(xiě)入”節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，使用“VISA讀取”節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)。

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

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(xiě)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(jì)算機(jī)向無(wú)線信號(hào)發(fā)射臺(tái)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)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(zhǎng)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(cuò)誤則被自動(dòng)舍棄，等待接收新的數(shù)據(jù)。

1.2 無(wú)線遙控發(fā)射臺(tái)和刺激器的研制

遙控系統(tǒng)的控制器采用了美國(guó)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(chǔ)器、4 KB的RAM存儲(chǔ)器、8通道8～14 bit A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè) 16 bit定時(shí)器和 3個(gè) 8 bit定時(shí)器、2個(gè) UART/SPI、RTC和21個(gè)通用I/O?；贑C1100芯片的高性能無(wú)線收發(fā)器工作在433 MHz，頻率穩(wěn)定性好、靈敏度高、無(wú)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(duì)外部元件的需求量很低，無(wú)需外置濾波器或Tx/Rx開(kāi)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(jì)的復(fù)雜性。

圖2 CC1110外圍硬件電路

無(wú)線遙控發(fā)射臺(tái)的作用是接收來(lái)自計(jì)算機(jī)串口傳來(lái)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(wú)線發(fā)射模塊組成。無(wú)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。在本系統(tǒng)中，通過(guò)USB供電，但是由于無(wú)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(wú)線發(fā)射模塊供電。

圖3 無(wú)線信號(hào)發(fā)射臺(tái)的電路連接

刺激器是整個(gè)遙控系統(tǒng)的核心，也是系統(tǒng)研制的難點(diǎn)。它既要求工作穩(wěn)定可靠，還必須滿(mǎn)足能耗低、尺寸小、重量輕等要求。本設(shè)計(jì)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(gè)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(dòng)物攜帶，并有利于減少由于動(dòng)物負(fù)重對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的不利影響。

刺激器由無(wú)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(yùn)放AD820組成的雙向電壓發(fā)生電路、CD4051模擬開(kāi)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(duì)供電電壓的要求不同 (無(wú)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(gè)LED組成指示電路。負(fù)壓發(fā)生電路由TC7660及兩個(gè)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(kāi)關(guān)CD4051供電。雙向電壓發(fā)生電路如圖5所示，AD5310接收來(lái)自單片機(jī)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，輸出單向電壓。AD5310輸出到AD820的正向輸入，根據(jù)運(yùn)放的特點(diǎn)，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(shí)，輸出電壓Vo在-5 V～5 V間變化，為雙向電壓脈沖。模擬開(kāi)關(guān)CD4051根據(jù)選擇通道輸出正負(fù)脈沖信號(hào)。

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(hào)的產(chǎn)生

本文利用 CC1110單片機(jī)的 p02、p03、p04控制模擬開(kāi)關(guān)的8個(gè)輸出通道，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所選的通道分別輸出刺激電壓脈沖。刺激器的每個(gè)通道可以獨(dú)立輸出0～5 V頻率、幅值和時(shí)長(zhǎng)均可調(diào)的雙向電壓脈沖，如圖6所示，電壓脈沖信號(hào)完全對(duì)稱(chēng)。研究證明刺激脈沖的波形與極性對(duì)神經(jīng)沖動(dòng)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(duì)神經(jīng)的損壞[8]。

圖6 不同刺激參數(shù)下的波形

3 無(wú)線遙控刺激系統(tǒng)用于鴿子運(yùn)動(dòng)行為的誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

在鴿子運(yùn)動(dòng)行為的遙控誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中，把微刺激器和鋰電池裝在鴿子頭上，如圖7所示。通過(guò)無(wú)線遙控發(fā)射臺(tái)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(dòng)作。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)的不同進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置。

圖7 刺激系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

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

本文設(shè)計(jì)了用于動(dòng)物機(jī)器人的無(wú)線遙控系統(tǒng)，其中背負(fù)動(dòng)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(gè)通道的參數(shù)根據(jù)不同的動(dòng)物要求可進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)。通過(guò)鴿子運(yùn)動(dòng)行為遙控誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

目前，動(dòng)物機(jī)器人遙控系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)行為的誘導(dǎo)，但考慮應(yīng)用于工程實(shí)踐，未來(lái)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(chǎng)環(huán)境的實(shí)際情況實(shí)時(shí)傳輸給操作者,從而更加有效地控制動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)行為為人類(lèi)服務(wù)。

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