專利名稱：一種用于控制動物機(jī)器人停止的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制動物機(jī)器人停止的方法，尤其涉及用于控制大鼠、小鼠 等哺乳動物機(jī)器人停止的方法。
背景技術(shù)：
“動物機(jī)器人”是指行為或動作可控的動物，它利用動物本身的運(yùn)動機(jī)能及動力供 應(yīng)體制，從動物的感覺傳入和神經(jīng)支配入手，實現(xiàn)對動物的運(yùn)動和某些行為的人為控制。動 物機(jī)器人在能源供給、運(yùn)動靈活性、隱蔽性、機(jī)動性和適應(yīng)性方面較傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)器人(或 仿生機(jī)器人)具有更明顯的優(yōu)勢。動物機(jī)器人的實現(xiàn)中，關(guān)鍵問題之一是如何實現(xiàn)對動物 的精確控制。目前在動物機(jī)器人中，一般通過電脈沖刺激動物大腦內(nèi)特定的神經(jīng)核團(tuán)，使動 物產(chǎn)生虛擬的感覺或提示，從而試圖控制動物行為，使其可以代替人類或傳統(tǒng)機(jī)器人在復(fù) 雜的環(huán)境下完成一些很難甚至不可能的任務(wù)。與機(jī)械機(jī)器人不同，在對動物機(jī)器人的控制 中，由于動物自身意愿的影響，動物對于人類發(fā)送的控制指令不能百分之百的精確完成；而 且動物由于其自身的個體差異，對于不同動物個體的控制往往有不同的差異；同時，不同于 機(jī)械機(jī)器人，動物機(jī)器人往往有著一個訓(xùn)練強(qiáng)化的過程，這個過程中摻雜了許多人為因素。 正是由于這樣的問題，在機(jī)械機(jī)器人控制中的比較成熟的控制理論和技術(shù)往往不能有效地 移植到動物機(jī)器人的控制中來。因此，對動物行為的精確控制現(xiàn)已成為國內(nèi)外動物機(jī)器人 領(lǐng)域的研究難點及熱點。2002年美國紐約州立大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Chapin教授發(fā)現(xiàn)將電極植入大鼠腦部的體感 皮層和內(nèi)側(cè)前腦束(即通常所說的獎賞區(qū))，并給予適當(dāng)?shù)拇碳ぃ墒箤嶒瀯游锇凑杖怂?設(shè)想的路徑行走；2006年山東科技大學(xué)蘇學(xué)成教授團(tuán)隊利用電刺激的方法，實現(xiàn)了控制機(jī) 器人鳥的飛行；2007年浙江大學(xué)求是高等研究院鄭筱祥教授等，利用電刺激大腦皮層的方 法，進(jìn)一步實現(xiàn)了控制大鼠走八臂迷宮和穿越三維障礙物等復(fù)雜的動作。目前的技術(shù)水平只能控制動物機(jī)器人向前、向左、向右運(yùn)動，而帶停止功能的動物 機(jī)器人還未有報道，這大大限制了動物機(jī)器人的實用性。因此，開發(fā)研制一種能夠控制動物 機(jī)器人停止的方法，實現(xiàn)對動物行為的更加精確控制，將具有極其深遠(yuǎn)的意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠控制動物機(jī)器人停止的方法，彌補(bǔ)了當(dāng)前動物機(jī) 器人不能實現(xiàn)停止功能的缺陷。本發(fā)明通過選取動物的中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)(Periaqueduetal Gray, PAG)作為 刺激的神經(jīng)核團(tuán)位點，通過電刺激該神經(jīng)核團(tuán)，從而控制動物機(jī)器人停止。為是實現(xiàn)上述目 的，本發(fā)明所采取的技術(shù)手段是該用于控制動物機(jī)器人停止的方法，其特征是包括如下步 驟(1)發(fā)射基站中的無線發(fā)射器通過發(fā)射天線向背包電路中的無線接收器發(fā)送用于 刺激動物機(jī)器人的刺激命令；
(2)無線接收器通過接收天線接收所述刺激命令，再將所接收到的刺激命令傳遞 給背包電路中的微控制器；(3)微控制器根據(jù)刺激命令產(chǎn)生刺激脈沖信號并將所述刺激脈沖信號發(fā)送給植入 到動物機(jī)器人的中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)中的刺激電極；(4)所述刺激電極根據(jù)所述刺激脈沖信號刺激動物機(jī)器人的中腦導(dǎo)水管周圍灰 質(zhì)，使動物機(jī)器人停止運(yùn)動。 進(jìn)一步地，本發(fā)明在所述背包電路中，所述微控制器還連接有電流源發(fā)生器、電壓 源發(fā)生器和模擬開關(guān)，所述電流源發(fā)生器、電壓源發(fā)生器分別與模擬開關(guān)連接。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述刺激電極采用直徑為65微米的鎳鎘合金微絲制成。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述刺激脈沖信號為幅度、脈寬、周期、個數(shù)均可調(diào)的電流或電 壓形式的雙向方波。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)通過電刺激中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)，首 次實現(xiàn)了動物機(jī)器人可控的停止功能；(2)該方法利用動物本能的防御反應(yīng)實現(xiàn)停止的功 能，無需事先訓(xùn)練，實現(xiàn)方便；(3)該方法進(jìn)一步拓展了動物機(jī)器人的功能，為動物機(jī)器人
走向?qū)嵱玫於ɑA(chǔ)。
圖1為實現(xiàn)本發(fā)明的控制動物機(jī)器人停止系統(tǒng)的原理框圖；圖2為控制動物機(jī)器人停止系統(tǒng)中的微控制器的工作流程圖；圖3為控制動物機(jī)器人停止系統(tǒng)中的電流源發(fā)生器電路原理圖；圖4為控制動物機(jī)器人停止系統(tǒng)中的電壓源發(fā)生器電路原理圖；圖5為控制動物機(jī)器人停止系統(tǒng)中的背包電路產(chǎn)生的刺激脈沖信號示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明用于控制動物機(jī)器人停止的方法，通過電刺激動物的中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì) (PAG)神經(jīng)核團(tuán)，使動物產(chǎn)生虛擬恐懼的感覺，從而誘發(fā)主動防御反應(yīng)，實現(xiàn)控制動物機(jī)器 人停止運(yùn)動的目的。為實現(xiàn)本發(fā)明的控制動物機(jī)器人停止的系統(tǒng)，發(fā)射基站13中的無線發(fā)射器通過 發(fā)射天線121向置于動物機(jī)器人身體上的背包電路14發(fā)送用于刺激動物機(jī)器人的刺激命 令，背包電路14中的無線接收器通過接收天線122接收到指令信號后，再將所接收到的刺 激命令傳遞給微控制器，微控制器根據(jù)刺激命令產(chǎn)生刺激脈沖信號并將刺激脈沖信號發(fā)送 給植入到動物機(jī)器人16的中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)中的刺激電極15，通過刺激電極15刺激該 大腦神經(jīng)核團(tuán)，使動物機(jī)器人停止運(yùn)動。在圖1中，本發(fā)明所采用的控制動物機(jī)器人停止的 系統(tǒng)由發(fā)射基站13和背包電路14兩部分組成。發(fā)射基站13由PC機(jī)11、USB轉(zhuǎn)串口、無線發(fā) 射器和發(fā)射天線121組成。PC機(jī)11通過USB轉(zhuǎn)串口向無線發(fā)射器發(fā)送刺激命令，刺激命令 包括刺激脈沖信號的參數(shù)，如幅度a、脈寬b、周期C、個數(shù)d ；USB轉(zhuǎn)串口模塊由芯片CP2102 及其外圍電路組成，CP2102可是Silicon Labs公司研發(fā)的一種高度集成的USB轉(zhuǎn)UART橋 接芯片，具有價格低、開發(fā)簡單等特點，能夠用最簡單的外部電路和最少的外部器件簡便地 實現(xiàn)USB到串口的轉(zhuǎn)換；無線發(fā)射器可由重慶金甌公司生產(chǎn)的BTM4504C1H百米藍(lán)牙模塊(BC04)組成，與USB轉(zhuǎn)串口模塊通過串口線進(jìn)行通訊，BTM4504C1H百米藍(lán)牙模塊(BC04)采 用藍(lán)牙芯片供應(yīng)商CSR的BlueC0re4-EXt芯片，完全兼容藍(lán)牙2. 0規(guī)范，支持?jǐn)?shù)據(jù)和語音傳 輸，最高可支持3M調(diào)制模式，其接收靈敏性高，成本低，體積小巧，功耗低，適用于藍(lán)牙的長 距離傳輸。背包電路14包括接收天線122、無線接收器、微控制器、電流源發(fā)生器、電壓源發(fā) 生器以及模擬開關(guān)。無線接收器由與上述發(fā)射基站13中無線發(fā)射器相同的藍(lán)牙模塊構(gòu)成， 無線接收器與微控制器通過串口電連接，將接收到的指令信號傳送至微控制器；微控制器 由C8051F020芯片及其外圍電路組成，C8051F020芯片具有標(biāo)準(zhǔn)的8052的所有外設(shè)部件，包 括5個16位的計數(shù)器/定時器、2個全雙工串口、256字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存 器(SFR)地址空間及8/4個字節(jié)寬的I/O 口，它采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比， 指令執(zhí)行速度有很大的提高。微控制器的工作流程圖如圖2所示，微控制器根據(jù)從串口接 收到的指令信號，在其數(shù)模(DA)輸出口輸出相應(yīng)幅度a、脈寬b、周期C、個數(shù)d的刺激脈沖 信號，如果沒有收到指令則處于低功耗的等待指令狀態(tài)；微控制器的數(shù)模輸出口與電流源 發(fā)生器、電壓源發(fā)生器連接，電流源發(fā)生器采用豪蘭德電流源電路，引入了深度負(fù)反饋，利 用集成運(yùn)放來實現(xiàn)恒流輸出，作為本發(fā)明的一種實施方案，如圖3所示，運(yùn)放可采用LM358， 電阻R12、R14為20K歐姆，R13、R15為IK歐姆；電壓源發(fā)生器采用正向運(yùn)算放大器，作為 本發(fā)明的一種實施方案，如圖4所示，運(yùn)放采用LM358，電阻R16、R17為IOK歐姆，電容C12 為0. 1微法。電流源發(fā)生器和電壓源發(fā)生器分別與模擬開關(guān)電連接，模擬開關(guān)與所述刺激 電極15相連接。模擬開關(guān)可采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX4754開關(guān)芯片，它與微控制器的數(shù) 字輸出口電連接，實現(xiàn)不同刺激通路的選擇，將電流或電壓刺激脈沖信號傳至刺激電極15， 可以針對不同的刺激位點選用不同的刺激方式，以達(dá)到最優(yōu)的刺激效果。本發(fā)明所實現(xiàn)的刺激脈沖信號波形如圖5所示，為電流或電壓形式的雙向方波， 其中刺激脈沖信號的幅度a、脈寬b、周期C、個數(shù)d均可調(diào)。雙向方波可以避免電荷在大腦 中累積，減少對動物大腦的損失；參數(shù)可調(diào)可以針對不同動物機(jī)器人進(jìn)行個性化參數(shù)設(shè)置， 以達(dá)到最優(yōu)的刺激效果。作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所使用的刺激電極15可由直徑為65微米的鎳鎘合 金微絲制成，每對刺激電極15由兩根微絲構(gòu)成，微絲電極涂有絕緣層，僅在尖端去除約0. 5 毫米的絕緣層，兩根微絲互相纏繞組成一對雙極刺激電極，該刺激電極電荷耦合效果好，且 對動物大腦損傷較小。在動物機(jī)器人16的中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)神經(jīng)核團(tuán)中植入一對刺激電極15，刺激 電極15與背包電路中的模擬開關(guān)連接，接收背包電路15產(chǎn)生的刺激脈沖信號。刺激中腦 導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)可以使動物誘發(fā)防御反應(yīng)，表現(xiàn)為行動的凍結(jié)，心動加速，血壓升高，以及 肌肉張力的增加等，使動物產(chǎn)生“虛擬恐懼”的感覺，該虛擬恐懼可以用來控制動物停止運(yùn) 動。作為本發(fā)明的一個實例，在動物機(jī)器人的內(nèi)側(cè)前腦束(MFB)，左初級感覺皮層(Si)、右 初級感覺皮層(Si)中也分別植入了一對刺激電極，分別用于控制動物機(jī)器人前進(jìn)、左轉(zhuǎn)和 右轉(zhuǎn)。內(nèi)側(cè)前腦束一般被認(rèn)為是大腦獎勵系統(tǒng)的一部分，它連接腹側(cè)被蓋區(qū)和伏隔核兩個 神經(jīng)核團(tuán)，而伏隔核是獎勵系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，所以電刺激內(nèi)側(cè)前腦束可以激活伏隔核，產(chǎn)生 愉悅的“虛擬獎賞”，該獎賞可以用于控制動物前進(jìn)；左初級感覺皮層、右初級感覺皮層接收 外界的感受，電刺激該區(qū)域可以使動物感覺到左側(cè)或右側(cè)有碰撞到物體的“虛擬觸覺”，該 虛擬觸覺可以用于控制動物左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。
本發(fā)明所采取的刺激電極植入方式為使用的戊巴比妥鈉對動物進(jìn)行麻醉； 利用立體定位儀固定動物頭部，利用所述內(nèi)側(cè)前腦束，左初級感覺皮層、右初級感覺皮層， 中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)區(qū)相對于動物頭骨前囟以及后囟的距離進(jìn)行鉆孔定位，利用雙臂立體 定位儀將刺激電極15植入動物大腦中；刺激電極15埋植后用牙科水泥進(jìn)行固定，術(shù)后動 物恢復(fù)5至7天進(jìn)行實驗。根據(jù)Paxinos-Watson圖譜，三個腦功能區(qū)的坐標(biāo)為內(nèi)側(cè)前腦 束為前囟后3. 8mm，正中線1. 6mm,顱骨表面下8. 2mm(AP-3. 8，ML+1. 6，DV+8. 2)；左初級感 覺皮層為前囟后1.8mm，正中線5. 0mm，顱骨表面下2.8mm(AP-1. 8，ML-5. 0，DV+2. 8)；右初 級感覺皮層為前囟后1. 8mm，正中線5. Omm,顱骨表面下2. 8mm(AP-1. 8，ML+5. 0，DV+2. 8)； 中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)(PAG)坐標(biāo)位置為頭骨人字點正中線1.9mm，以16度角度顱骨表面下 5. Imm (lambda, ML+1. 9，DV+5. 1)。本發(fā)明控制動物機(jī)器人停止方法的實驗過程為將四對刺激電極分別埋植到動物 大腦的四個功能區(qū)域內(nèi)側(cè)前腦束、左初級感覺皮層、右初級感覺皮層和中腦導(dǎo)水管周圍灰 質(zhì)眾。手術(shù)恢復(fù)后首先訓(xùn)練動物機(jī)器人前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，動物學(xué)會后開始進(jìn)行停止的試驗。 將刺激的參數(shù)修改為幅度士5V，脈寬1ms，周期20ms，個數(shù)50，在動物自由活動時給予中腦 導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)刺激，觀察動物的靜止時間，如果靜止時間太短，則適當(dāng)增加刺激脈沖信號 的幅度a、脈寬b、周期C、個數(shù)d ；如果靜止時間太長，則適當(dāng)減少上述參數(shù)，重復(fù)上述過程， 最終確定該動物的最優(yōu)刺激參數(shù)；在給予前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)命令后進(jìn)行上述同樣的實驗，確 定最佳的刺激參數(shù)。這樣，該動物機(jī)器人在原有的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了 了停止 的功能。本發(fā)明不僅適用于大鼠、小鼠等嚙齒類動物，還適用于其他的哺乳類動物。
權(quán)利要求
一種用于控制動物機(jī)器人停止的方法，其特征是包括如下步驟(1)發(fā)射基站(13)中的無線發(fā)射器通過發(fā)射天線(121)向背包電路(14)中的無線接收器發(fā)送用于刺激動物機(jī)器人的刺激命令；(2)無線接收器通過接收天線(122)接收所述刺激命令，再將所接收到的刺激命令傳遞給背包電路(14)中的微控制器；(3)微控制器根據(jù)刺激命令產(chǎn)生刺激脈沖信號并將所述刺激脈沖信號發(fā)送給植入到動物機(jī)器人(16)的中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)中的刺激電極(15)；(4)所述刺激電極(15)根據(jù)所述刺激脈沖信號刺激動物機(jī)器人(16)的中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)，使動物機(jī)器人停止運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于控制動物機(jī)器人停止的方法，其特征是在所述背包電 路(14)中，所述微控制器還連接有電流源發(fā)生器、電壓源發(fā)生器和模擬開關(guān)，所述電流源 發(fā)生器、電壓源發(fā)生器分別與模擬開關(guān)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于控制動物機(jī)器人停止的方法，其特征是所述刺激 電極(15)采用直徑為65微米的鎳鎘合金微絲制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于控制動物機(jī)器人停止的方法，其特征是所述刺激 脈沖信號為幅度、脈寬、周期、個數(shù)均可調(diào)的電流或電壓形式的雙向方波。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于控制動物機(jī)器人停止的方法，包括如下步驟(1)發(fā)射基站中的無線發(fā)射器通過發(fā)射天線向背包電路中的無線接收器發(fā)送用于刺激動物機(jī)器人的刺激命令；(2)無線接收器通過接收天線接收刺激命令，再將所接收到的刺激命令傳遞給背包電路中的微控制器；(3)微控制器根據(jù)刺激命令產(chǎn)生刺激脈沖信號并將所述刺激脈沖信號發(fā)送給植入到動物機(jī)器人的中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)中的刺激電極；(4)刺激電極根據(jù)所述刺激脈沖信號刺激動物機(jī)器人的中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)，使動物機(jī)器人停止運(yùn)動。本發(fā)明利用了動物防御傷害的本能，無需訓(xùn)練即可使用，為動物機(jī)器人提供了更加精確的控制，其應(yīng)用范圍廣泛。
文檔編號G05B13/02GK101881940SQ20101018249
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者張巧生, 張韶岷, 林濟(jì)延, 鄭筱祥, 鄭能干, 郝耀耀, 陳衛(wèi)東 申請人:浙江大學(xué)