0 引 言
    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。

1．2 無線信號發(fā)射臺
    無線信號發(fā)射臺的作用是把Pc機設置的刺激參數以無線信號的形式發(fā)送到“背負式微刺激器”中去。它由下列幾部分組成：無線信號發(fā)射機(Transmitter)，由AMSlll7—3．3構成的降壓穩(wěn)壓電路，Atmega8L微處理器，PC機串口與單片機串口之間的電平轉換電路。無線信號發(fā)射臺各部分電路的連接關系如圖3所示?；贑CllOO無線收發(fā)器ccllOOA—01(立奇國際貿易有限公司)是一款低成本、低功耗的超高頻(UHF)收發(fā)器，該模塊的尺寸小(20 mm×30 mm×6 mm)，重量輕(2．3 g)，傳輸距離大于200 m，主要工作于ISM和SRD頻率波段。

    由于RS 232串口的邏輯O規(guī)定為5～15 V之間，邏輯1規(guī)定為一5～一15 V之間。而單片機只能接收TTL電平(輸入高電平>2．4 V，輸入低電平<0．8 V，噪聲容限為O．4 V)。因此，Pc機與單片機之間并不能通過串口線直接進行通信，必須經過電平轉換，在此選用MAXIM公司生產的．RS 232接口芯片MAX3232，它使用單一電源電壓供電，電源電壓在3．0～5．5 V范圍內都可以正常工作。該系統(tǒng)采用了9針串口，通過3根線完成通信：RXD，TXD和GND，對應9針串口上的2號線、3號線和5號線。在系統(tǒng)設計中，芯片MAX323采用5．0 V電壓供電，單片機采用3．3 V電壓供電。因此，選擇3．3 V的穩(wěn)壓芯片AMSlll7—3．3，整個發(fā)射臺可以通過USB接口從PC機取電。

2 背負式微刺激器的研制
    對于整個系統(tǒng)來說動物背負式微刺激器占據著核心地位，它的重要性大于系統(tǒng)的其他部分，研制難度也較高。它既要求工作性能可靠，又要求能耗低，尺寸小。重量輕，遙控距離遠。為了滿足設計要求，該微刺激器的設計采用以下部分組成：Atmega8L微處理器、無線信號接收機、D／A轉換芯片AD5310與()P07運算放大器構成的雙相電壓脈沖發(fā)生單元、雙向模擬開關CD4051B、由運算放大器LM358和電阻構成的壓控恒流電路、TC7660芯片組成的負壓電路、TC7660芯片組成的倍壓電路、發(fā)光二極管工作狀態(tài)指示電路以及兩塊可充電聚合物鋰電池(4．1 V，180 mAh)。
    無線收發(fā)模塊CCll00A一01既可以發(fā)送數據也可以接收數據，并且它的尺寸較小，重量較輕，因此，它也適合作為微刺激器遙控刺激參數數據的接收模塊。單10位串行D／A轉換芯片AD5310與()P07組合產生雙相電壓脈沖信號(如圖4所示)，這些雙相電壓信號通過由LM358和電阻構成的電壓控制電流源電路(VCcs)轉化為相應的雙相恒流脈沖信號。模擬開關cD4051在單片機的控制下，把這些恒流脈沖輪流送到第一到第4個刺激通道，這樣就在4個通道上依次產生需要的恒流脈沖信號(如圖5所示)。該設備能夠達到多通道聯合刺激，并且每通道都是電流強度可調的雙相脈沖。當需要選擇4個通道中任意幾個進行多點位聯合刺激時，將不需要選擇的那些通道刺激強度設置為0即可。為了提高電路帶動負載的能力，選擇4．1 V聚合物鋰電池，通過TC7660進行倍壓和負壓，專用于給壓控恒流電路和模擬開關CD4051進行±8．2 V供電；用于產生雙相電壓脈沖的運算放大器()P07選擇±4．1 V供電；無線接收機用5 kQ和41 kQ電阻把4．1 V分成約3．6 V供電。在背負式微刺激器的設計中都采用小封裝的表貼電子元件(0603封裝)，及電能密度大的聚合物鋰電池(4．4 g，180 mAh)。因此，大大降低了該微刺激器整體尺寸，整體尺寸約為33 mm×24 mm×16 mm，帶電池質量約為14．8 g，在大壁虎自由運動的負重范圍之內。超低功耗的電路設計，使得該微刺激器在電池充滿電時能夠使用5個小時以上。經過適當的程序延時，該背負式微刺激器能夠產生脈寬為1 ms，頻率為50～125 Hz，強度約為O～40μA(負載電阻100 kΩ時)的雙向恒流脈沖。由于該系統(tǒng)使用了成熟的商業(yè)無線通信模塊，因此它的無線通信性能穩(wěn)定，遙控距離約為200 m。

    在大壁虎運動的人工誘導實驗中，該設備對于敏感度居中以及中偏高的腦核團刺激表現的性能較好，能夠滿足對大壁虎運動腦核團刺激的強度，實現了控制壁虎運動行為的目標。但是，有些腦核團對電刺激不夠敏感，或者是腦電極植入位置與腦核團實際位置偏差較大，其要求的刺激強度太大(40μA以上)，這時大壁虎對電刺激的反應就不夠明顯。背負式微刺激器不能達到很高的刺激強度，是該設備的不足之處，但是，它對大壁虎基本運動(例如左轉、右轉、前進、躲避)的誘導已經能夠滿足要求。微刺激器產生不同刺激參數的恒流脈沖(100 kΩ負載端電壓波形)如圖6所示。

3 結 語
    動物機器人遙控刺激系統(tǒng)，在動物機器人的研制中具有重要的意義。它的研制不但涉及電路設計，程序設計和無線通信方面的知識，還與生命科學有著密切的聯系。在多學科科研人員的共同努力下，研制的背負式微刺激器能夠實現多通道雙相恒流脈沖刺激，并且每個通道的刺激強度可以靈活調節(jié)。此外，它還具有多點位聯合刺激和延時刺激的功能。其尺寸小，重量輕，耗能低，無線通信距離遠，適合于小型動物的在體刺激試驗。