专利名称：一种用于控制动物机器人停止的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制动物机器人停止的方法，尤其涉及用于控制大鼠、小鼠 等哺乳动物机器人停止的方法。
背景技术：
“动物机器人”是指行为或动作可控的动物，它利用动物本身的运动机能及动力供 应体制，从动物的感觉传入和神经支配入手，实现对动物的运动和某些行为的人为控制。动 物机器人在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面较传统的机械机器人(或 仿生机器人)具有更明显的优势。动物机器人的实现中，关键问题之一是如何实现对动物 的精确控制。目前在动物机器人中，一般通过电脉冲刺激动物大脑内特定的神经核团，使动 物产生虚拟的感觉或提示，从而试图控制动物行为，使其可以代替人类或传统机器人在复 杂的环境下完成一些很难甚至不可能的任务。与机械机器人不同，在对动物机器人的控制 中，由于动物自身意愿的影响，动物对于人类发送的控制指令不能百分之百的精确完成；而 且动物由于其自身的个体差异，对于不同动物个体的控制往往有不同的差异；同时，不同于 机械机器人，动物机器人往往有着一个训练强化的过程，这个过程中掺杂了许多人为因素。 正是由于这样的问题，在机械机器人控制中的比较成熟的控制理论和技术往往不能有效地 移植到动物机器人的控制中来。因此，对动物行为的精确控制现已成为国内外动物机器人 领域的研究难点及热点。2002年美国纽约州立大学医学中心Chapin教授发现将电极植入大鼠脑部的体感 皮层和内侧前脑束(即通常所说的奖赏区)，并给予适当的刺激，可使实验动物按照人所 设想的路径行走；2006年山东科技大学苏学成教授团队利用电刺激的方法，实现了控制机 器人鸟的飞行；2007年浙江大学求是高等研究院郑筱祥教授等，利用电刺激大脑皮层的方 法，进一步实现了控制大鼠走八臂迷宫和穿越三维障碍物等复杂的动作。目前的技术水平只能控制动物机器人向前、向左、向右运动，而带停止功能的动物 机器人还未有报道，这大大限制了动物机器人的实用性。因此，开发研制一种能够控制动物 机器人停止的方法，实现对动物行为的更加精确控制，将具有极其深远的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够控制动物机器人停止的方法，弥补了当前动物机 器人不能实现停止功能的缺陷。本发明通过选取动物的中脑导水管周围灰质(Periaqueduetal Gray, PAG)作为 刺激的神经核团位点，通过电刺激该神经核团，从而控制动物机器人停止。为是实现上述目 的，本发明所采取的技术手段是该用于控制动物机器人停止的方法，其特征是包括如下步 骤(1)发射基站中的无线发射器通过发射天线向背包电路中的无线接收器发送用于 刺激动物机器人的刺激命令；
(2)无线接收器通过接收天线接收所述刺激命令，再将所接收到的刺激命令传递 给背包电路中的微控制器；(3)微控制器根据刺激命令产生刺激脉冲信号并将所述刺激脉冲信号发送给植入 到动物机器人的中脑导水管周围灰质中的刺激电极；(4)所述刺激电极根据所述刺激脉冲信号刺激动物机器人的中脑导水管周围灰 质，使动物机器人停止运动。 进一步地，本发明在所述背包电路中，所述微控制器还连接有电流源发生器、电压 源发生器和模拟开关，所述电流源发生器、电压源发生器分别与模拟开关连接。进一步地，本发明所述刺激电极采用直径为65微米的镍镉合金微丝制成。进一步地，本发明所述刺激脉冲信号为幅度、脉宽、周期、个数均可调的电流或电 压形式的双向方波。相对于现有技术，本发明具有以下优点(1)通过电刺激中脑导水管周围灰质，首 次实现了动物机器人可控的停止功能；(2)该方法利用动物本能的防御反应实现停止的功 能，无需事先训练，实现方便；(3)该方法进一步拓展了动物机器人的功能，为动物机器人
走向实用奠定基础。
图1为实现本发明的控制动物机器人停止系统的原理框图；图2为控制动物机器人停止系统中的微控制器的工作流程图；图3为控制动物机器人停止系统中的电流源发生器电路原理图；图4为控制动物机器人停止系统中的电压源发生器电路原理图；图5为控制动物机器人停止系统中的背包电路产生的刺激脉冲信号示意图。
具体实施例方式本发明用于控制动物机器人停止的方法，通过电刺激动物的中脑导水管周围灰质 (PAG)神经核团，使动物产生虚拟恐惧的感觉，从而诱发主动防御反应，实现控制动物机器 人停止运动的目的。为实现本发明的控制动物机器人停止的系统，发射基站13中的无线发射器通过 发射天线121向置于动物机器人身体上的背包电路14发送用于刺激动物机器人的刺激命 令，背包电路14中的无线接收器通过接收天线122接收到指令信号后，再将所接收到的刺 激命令传递给微控制器，微控制器根据刺激命令产生刺激脉冲信号并将刺激脉冲信号发送 给植入到动物机器人16的中脑导水管周围灰质中的刺激电极15，通过刺激电极15刺激该 大脑神经核团，使动物机器人停止运动。在图1中，本发明所采用的控制动物机器人停止的 系统由发射基站13和背包电路14两部分组成。发射基站13由PC机11、USB转串口、无线发 射器和发射天线121组成。PC机11通过USB转串口向无线发射器发送刺激命令，刺激命令 包括刺激脉冲信号的参数，如幅度a、脉宽b、周期C、个数d ；USB转串口模块由芯片CP2102 及其外围电路组成，CP2102可是Silicon Labs公司研发的一种高度集成的USB转UART桥 接芯片，具有价格低、开发简单等特点，能够用最简单的外部电路和最少的外部器件简便地 实现USB到串口的转换；无线发射器可由重庆金瓯公司生产的BTM4504C1H百米蓝牙模块(BC04)组成，与USB转串口模块通过串口线进行通讯，BTM4504C1H百米蓝牙模块(BC04)采 用蓝牙芯片供应商CSR的BlueC0re4-EXt芯片，完全兼容蓝牙2. 0规范，支持数据和语音传 输，最高可支持3M调制模式，其接收灵敏性高，成本低，体积小巧，功耗低，适用于蓝牙的长 距离传输。背包电路14包括接收天线122、无线接收器、微控制器、电流源发生器、电压源发 生器以及模拟开关。无线接收器由与上述发射基站13中无线发射器相同的蓝牙模块构成， 无线接收器与微控制器通过串口电连接，将接收到的指令信号传送至微控制器；微控制器 由C8051F020芯片及其外围电路组成，C8051F020芯片具有标准的8052的所有外设部件，包 括5个16位的计数器/定时器、2个全双工串口、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存 器(SFR)地址空间及8/4个字节宽的I/O 口，它采用流水线结构，与标准的8051结构相比， 指令执行速度有很大的提高。微控制器的工作流程图如图2所示，微控制器根据从串口接 收到的指令信号，在其数模(DA)输出口输出相应幅度a、脉宽b、周期C、个数d的刺激脉冲 信号，如果没有收到指令则处于低功耗的等待指令状态；微控制器的数模输出口与电流源 发生器、电压源发生器连接，电流源发生器采用豪兰德电流源电路，引入了深度负反馈，利 用集成运放来实现恒流输出，作为本发明的一种实施方案，如图3所示，运放可采用LM358， 电阻R12、R14为20K欧姆，R13、R15为IK欧姆；电压源发生器采用正向运算放大器，作为 本发明的一种实施方案，如图4所示，运放采用LM358，电阻R16、R17为IOK欧姆，电容C12 为0. 1微法。电流源发生器和电压源发生器分别与模拟开关电连接，模拟开关与所述刺激 电极15相连接。模拟开关可采用MAXIM公司生产的MAX4754开关芯片，它与微控制器的数 字输出口电连接，实现不同刺激通路的选择，将电流或电压刺激脉冲信号传至刺激电极15， 可以针对不同的刺激位点选用不同的刺激方式，以达到最优的刺激效果。本发明所实现的刺激脉冲信号波形如图5所示，为电流或电压形式的双向方波， 其中刺激脉冲信号的幅度a、脉宽b、周期C、个数d均可调。双向方波可以避免电荷在大脑 中累积，减少对动物大脑的损失；参数可调可以针对不同动物机器人进行个性化参数设置， 以达到最优的刺激效果。作为本发明的优选实施方式，所使用的刺激电极15可由直径为65微米的镍镉合 金微丝制成，每对刺激电极15由两根微丝构成，微丝电极涂有绝缘层，仅在尖端去除约0. 5 毫米的绝缘层，两根微丝互相缠绕组成一对双极刺激电极，该刺激电极电荷耦合效果好，且 对动物大脑损伤较小。在动物机器人16的中脑导水管周围灰质神经核团中植入一对刺激电极15，刺激 电极15与背包电路中的模拟开关连接，接收背包电路15产生的刺激脉冲信号。刺激中脑 导水管周围灰质可以使动物诱发防御反应，表现为行动的冻结，心动加速，血压升高，以及 肌肉张力的增加等，使动物产生“虚拟恐惧”的感觉，该虚拟恐惧可以用来控制动物停止运 动。作为本发明的一个实例，在动物机器人的内侧前脑束(MFB)，左初级感觉皮层(Si)、右 初级感觉皮层(Si)中也分别植入了一对刺激电极，分别用于控制动物机器人前进、左转和 右转。内侧前脑束一般被认为是大脑奖励系统的一部分，它连接腹侧被盖区和伏隔核两个 神经核团，而伏隔核是奖励系统的神经中枢，所以电刺激内侧前脑束可以激活伏隔核，产生 愉悦的“虚拟奖赏”，该奖赏可以用于控制动物前进；左初级感觉皮层、右初级感觉皮层接收 外界的感受，电刺激该区域可以使动物感觉到左侧或右侧有碰撞到物体的“虚拟触觉”，该 虚拟触觉可以用于控制动物左转或右转。
本发明所采取的刺激电极植入方式为使用的戊巴比妥钠对动物进行麻醉； 利用立体定位仪固定动物头部，利用所述内侧前脑束，左初级感觉皮层、右初级感觉皮层， 中脑导水管周围灰质区相对于动物头骨前囟以及后囟的距离进行钻孔定位，利用双臂立体 定位仪将刺激电极15植入动物大脑中；刺激电极15埋植后用牙科水泥进行固定，术后动 物恢复5至7天进行实验。根据Paxinos-Watson图谱，三个脑功能区的坐标为内侧前脑 束为前囟后3. 8mm，正中线1. 6mm,颅骨表面下8. 2mm(AP-3. 8，ML+1. 6，DV+8. 2)；左初级感 觉皮层为前囟后1.8mm，正中线5. 0mm，颅骨表面下2.8mm(AP-1. 8，ML-5. 0，DV+2. 8)；右初 级感觉皮层为前囟后1. 8mm，正中线5. Omm,颅骨表面下2. 8mm(AP-1. 8，ML+5. 0，DV+2. 8)； 中脑导水管周围灰质(PAG)坐标位置为头骨人字点正中线1.9mm，以16度角度颅骨表面下 5. Imm (lambda, ML+1. 9，DV+5. 1)。本发明控制动物机器人停止方法的实验过程为将四对刺激电极分别埋植到动物 大脑的四个功能区域内侧前脑束、左初级感觉皮层、右初级感觉皮层和中脑导水管周围灰 质众。手术恢复后首先训练动物机器人前进、左转、右转，动物学会后开始进行停止的试验。 将刺激的参数修改为幅度士5V，脉宽1ms，周期20ms，个数50，在动物自由活动时给予中脑 导水管周围灰质刺激，观察动物的静止时间，如果静止时间太短，则适当增加刺激脉冲信号 的幅度a、脉宽b、周期C、个数d ；如果静止时间太长，则适当减少上述参数，重复上述过程， 最终确定该动物的最优刺激参数；在给予前进、左转、右转命令后进行上述同样的实验，确 定最佳的刺激参数。这样，该动物机器人在原有的前进、左转、右转的基础上实现了 了停止 的功能。本发明不仅适用于大鼠、小鼠等啮齿类动物，还适用于其他的哺乳类动物。
权利要求
一种用于控制动物机器人停止的方法，其特征是包括如下步骤(1)发射基站(13)中的无线发射器通过发射天线(121)向背包电路(14)中的无线接收器发送用于刺激动物机器人的刺激命令；(2)无线接收器通过接收天线(122)接收所述刺激命令，再将所接收到的刺激命令传递给背包电路(14)中的微控制器；(3)微控制器根据刺激命令产生刺激脉冲信号并将所述刺激脉冲信号发送给植入到动物机器人(16)的中脑导水管周围灰质中的刺激电极(15)；(4)所述刺激电极(15)根据所述刺激脉冲信号刺激动物机器人(16)的中脑导水管周围灰质，使动物机器人停止运动。
2.根据权利要求1所述的用于控制动物机器人停止的方法，其特征是在所述背包电 路(14)中，所述微控制器还连接有电流源发生器、电压源发生器和模拟开关，所述电流源 发生器、电压源发生器分别与模拟开关连接。
3.根据权利要求1或2所述的用于控制动物机器人停止的方法，其特征是所述刺激 电极(15)采用直径为65微米的镍镉合金微丝制成。
4.根据权利要求1或2所述的用于控制动物机器人停止的方法，其特征是所述刺激 脉冲信号为幅度、脉宽、周期、个数均可调的电流或电压形式的双向方波。
全文摘要
本发明公开了用于控制动物机器人停止的方法，包括如下步骤(1)发射基站中的无线发射器通过发射天线向背包电路中的无线接收器发送用于刺激动物机器人的刺激命令；(2)无线接收器通过接收天线接收刺激命令，再将所接收到的刺激命令传递给背包电路中的微控制器；(3)微控制器根据刺激命令产生刺激脉冲信号并将所述刺激脉冲信号发送给植入到动物机器人的中脑导水管周围灰质中的刺激电极；(4)刺激电极根据所述刺激脉冲信号刺激动物机器人的中脑导水管周围灰质，使动物机器人停止运动。本发明利用了动物防御伤害的本能，无需训练即可使用，为动物机器人提供了更加精确的控制，其应用范围广泛。
文档编号G05B13/02GK101881940SQ20101018249
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者张巧生, 张韶岷, 林济延, 郑筱祥, 郑能干, 郝耀耀, 陈卫东 申请人:浙江大学