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的腦核團或者方向感受區(qū)，并施加人工模擬的神經電信號，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”，通過適當的刺激，可使蟑螂能根據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機串口的刺激參數信號，數據接收完畢后就根據作者規(guī)定的數據格式進行數據正誤判斷，如果數據正確，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)，這些數據在送入的瞬間就發(fā)射出去，如果數據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據。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，否則通信數據是錯誤的，在該系統(tǒng)中波特率設為9600 b．／s；
(2)使用“VISA Write”發(fā)送數據，使用“VISARead”接收數據。在接收數據之前需要使用“VISABytes at Serial Port”查詢當前串口接收緩沖區(qū)中的數據字節(jié)數；
(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。
刺激參數以雙精度(DBL)數據格式在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據便按照順序創(chuàng)建一個包含所有刺激參數的數組，由于LabVIEw串口只能讀寫字符串，因此，必須把這個雙精度數據格式的數組進行必要的變換才能通過串口進行傳輸，在此采用了“數組至字符串的變換命令”把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(fā)射站傳輸數據出現(xiàn)錯誤，規(guī)定了串口通信的數據包格式：刺激參數數據字符串長度為24，數據的前2位和第24位字符都是“Y”。數據的正誤由無線信號發(fā)射站的微處理器進行判斷，數據判斷無誤后就發(fā)射出去，數據錯誤則自動舍棄。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，有一部分數據是為以后系統(tǒng)功能的擴充預留的，它們沒有實際意義，以字符“0”傳輸?；贚abVIEw8．20的PC機與微控制器的通信程序如圖2所示。
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