微小型动物机器人遥控刺激系统的研制

摘  要： 以鸽子为实验动物，研制了基于CC1110无线单片机的动物机器人遥控系统。该系统由无线信号发射站和背负在动物身上的多通道微刺激器组成，能够产生双向电压脉冲信号对动物机器人进行刺激，实现了无线刺激器对微型化、轻量化以及低能耗的要求。通过实验证明了该系统的有效性、可靠性和稳定性。
关键词： 动物机器人； 无线单片机； 微刺激器； 双向电压脉冲信号
   　动物机器人是指利用动物体的运动机能、动力供应体制，从动物运动的感受传入或神经支配入手，实现对动物的运动和某些行为的人为控制[1]。与机电式机器人相比，在设计理念和控制方式上两者有天壤之别：动物机器人的设计不需考虑复杂的机械结构,控制上只需发送控制命令，具体动作由受控动物自己完成。不像机电式机器人的设计那样，为使它完成某个简单动作，设计者不得不进行大量的软、硬件设计。此外，现代非结构环境下的机器人的运动平稳性、灵活性、健壮性、环境适应性及能源利用效率等方面远远落后于动物机器人[2]。
　近年来,动物机器人的研究受到越来越多的关注，科学家们已开展了对蟑螂机器人、老鼠机器人、甲虫机器人、壁虎机器人的研制工作[3-6]，并且取得了许多令人振奋的成绩。
　动物机器人的研究,关键是如何通过植入式电极，对动物脑内的特殊核团施加有效的电刺激来控制动物的行为。电刺激用于脑研究已经有很长的历史，常用的方法是通过连接线将刺激装置与动物头部的刺激电极直接相连。虽然该方法常用于动物行为实验，但连接线严重限制了动物的活动自由,而且连接线容易缠绕和断裂，分散动物注意力或使其产生痛苦情绪，达不到完全自由控制的目的。因此，研究可靠且体积小、重量轻、能耗低、效率高、传输远的动物机器人遥控系统就变得非常重要[7]。本文以鸽子为实验动物，研制了一款微小型动物机器人无线遥控刺激系统。
1 无线遥控系统的组成
　无线遥控系统由无线遥控发射站和背负在动物身上的多通道无线遥控刺激器两部分组成,如图1所示。无线遥控系统的发射站由Labview 8.5的控制界面PC机和无线信号发射台组成，通过USB进行通信。发射模块上的无线单片机CC1110首先接收来自PC机上的刺激参数信号，数据接收完成后，根据已制定的数据格式来判断数据是否正确，如果正确，则无线单片机将数据发射出去；如果数据错误，则无线单片机将数据丢弃，等待接收下一次数据。位于发射台上的两个不同的LED灯通过闪烁来提示操作者数据是否发送正确。无线遥控刺激器接收来自发射端的数据，首先判断数据是否正确，然后根据接收的命令在特定的通道产生相应的刺激信号，对动物进行控制。
   
   1.1 基于LabView的控制面板的研制
     位于PC机上的控制面板程序采用LabView 8.5软件编写，控制界面共分为：刺激通道选择、刺激参数设置、串口通信设置、数据接收区和刺激命令发射。
     动物机器人刺激系统共设计有8个独立通道可选择。刺激参数设置包括设置每个通道的刺激强度、刺激频率、刺激脉冲宽度和刺激时间。每个通道的刺激强度从0~5 V可选，调节精度为0.1 V。刺激频率和脉冲宽度可以根据实验要求在一定范围内调节，刺激频率的调节精度为1 Hz，脉冲宽度的调节精度为0.1 ms，刺激时间在0~255 s内可调，调节精度为1 s。串口通信设置用来设置串口资源和串口波特率。数据接收区用来接收发射端反馈的信息。刺激命令用来发射刺激信号。
　在LabView中利用VISA节点进行串行通信编程。LabView将这些VISA节点单独组成一个子模块，共包含8个节点，分别实现初始化串口、串口写/读、中断以及关闭串口等功能。在本文中用到如下节点：
     (1)调用“VISA配置串口”节点完成参数的设置，包括串口资源分配、波特率等。在本系统中波尔率设为57 600 b/s，串口资源由计算机自动辨认。
     (2)使用“VISA写入”节点发送数据，使用“VISA读取”节点接收数据。
     (3)串口使用结束后，使用“VISA关闭”节点结束与指定串口之间的会话，关闭占用的串口资源。
　在进行实验时，串口通信的任务是将上述参数打包并发送到发射基站。由于LabView串口只能读写字符串，因此，必须将双精度的数据格式参数进行必要的变换才能进行传输。本文采用了“数组至字符串”的转变命令将双精度数据数组转换为相应的字符串。为了防止计算机向无线信号发射台传输的数据出现错误，本系统规定了串口通信的数据包格式为：数据包的长度为24，数据的前两位和后两位都是字符“Y”。数据的正确与否由发射基站的MCU进行判断，如果数据正确可将数据发射出去；如果数据错误则被自动舍弃，等待接收新的数据。
1.2 无线遥控发射台和刺激器的研制
　遥控系统的控制器采用了美国TI公司的CC1110芯片。CC1110是一块包含了CC1100 RF收发机,并内嵌有加强型51内核单片机的芯片。芯片内嵌32 KB的Flash存储器、4 KB的RAM存储器、8通道8~14 bit A/D转换器、1个16 bit定时器和3个8 bit定时器、2个UART/SPI、RTC和21个通用I/O。基于CC1100芯片的高性能无线收发器工作在433 MHz，频率稳定性好、灵敏度高、无线数据传输最大速度可达500 Kb/s，采用低供电电压(2.3 V～3.6 V),在数据采集发送期间的电流消耗为18 mA，休眠期间，电流消耗非常低只有0.5 μA;工作温度范围为-40℃～85℃，适应恶劣环境。CC1110采用6 mm×6 mm的QLP36封装,对外部元件的需求量很低，无需外置滤波器或Tx/Rx开关，其外围硬件电路如图2所示。因此可最大程度减少电路设计的复杂性。
   
       无线遥控发射台的作用是接收来自计算机串口传来设置的参数并发送到接收端刺激器，由AMS1117-3.3构成的降压稳压电路、CP2102构成的串口通信电路和无线发射模块组成。无线信号发射台各部分电路的连接关系如图3所示。在本系统中，通过USB供电，但是由于无线芯片的电压在2.3 V~3.6 V之间，所以选用3.3 V降压稳压芯片为无线发射模块供电。