恒流多通道動物機器人遙控刺激系統(tǒng)的研制
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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(guān)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(yīng)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(nèi)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)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/刺激">刺激，可使蟑螂能根據(jù)指令向左轉(zhuǎn)和向右轉(zhuǎn)；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(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(guān)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(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、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(guān)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(diào)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(shè)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(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VI節(jié)點。在使用VISA進行串行通信時需要安裝相應(yīng)版本的驅(qū)動，否則不能進行通信。
(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、校驗位等，在進行串行通信時波特率必須要設(shè)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(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機的LabVlEW操作界面上進行設(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(zhuǎn)換為相應(yīng)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。
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