專利名稱：用于機器人動物控制的編碼信號發(fā)生器與無線遙控裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及控制裝置，特別涉及一種用于機器人動物控制的編碼信號發(fā)生器與無線遙控 裝置。
背景技術：
機器人動物的研究是世界上的熱門前沿課題，目前世界各大軍事和科技大國或強國(如 美、俄、日、以色列等)都在競相開展。例如，美國研發(fā)的機器人鼠，尤其是用于軍事和反 恐的鯊魚、海豚，正在打造的"昆蟲部隊"等；俄國研究的軍用海龜、海鷗、鷹等；英國和 德國研究的關于假肢或神經(jīng)毀損者的肢體控制等等。我國對機器人動物的研究也非常重視， 早已將其研究列入了國家的重大科研計劃，如國家863計劃、973計劃、國家自然基金、國 際合作計劃等(軍方研究計劃除外)。因此實用價值不言而喻，是個熱門前沿課題。動物和人體內(nèi)的信息是通過神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的電信號傳遞的，換句話說，動物和人體內(nèi)的信 息是以電信號的形式在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)傳遞的；信息的內(nèi)容是由電信號的時間編碼和空間編碼表 達的。"時間編碼"系指某個信息編碼本身的時程、頻率和時域分布，信息編碼的基本單元是"全或無(all-or-none)"的電脈沖；"空間編碼"系指與信息相關的神經(jīng)元在神經(jīng)系統(tǒng)中的 空間位置與分布范圍。在此背景下，人類一直夢想"讀懂"大腦、解碼大腦電信號編碼，以 致"看透"人和動物的所思、所想；反之，人類也在"模擬"或"仿造"神經(jīng)電信號，用模 擬(或仿制)的編碼信號施加到所需的神經(jīng)位點上，神經(jīng)系統(tǒng)將這個外加的模擬(或仿制)信號"誤"當作體內(nèi)信息執(zhí)行，這樣就能夠以人工模擬動物體內(nèi)信息的編碼電信號的方法與技術 控制動物行為。當前，在機器人動物控制系統(tǒng)中，決定機器人動物控制的成敗與控制效果的，有二個基 本要素 一是所要刺激的神經(jīng)位點的選擇；二是用于進行微刺激的編碼電信號發(fā)生器的設計 與實現(xiàn)。針對后者，目前已有的同類系統(tǒng)存在兩個主要問題①輸出信號僅限于"電壓源" 型，而實用中真正對機器人動物的控制成敗與控制效果有決定性影響的是刺激電流，因此"恒流源"型更實用、更合理；②控制功能僅限于操作者的"視野"內(nèi)，與實際使用的需求差距 很大。
在實施國家自然基金項目、國家863計劃項目、國際合作計劃項目的實踐中產(chǎn)生了相應課題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種使用方便的、可以多通道輸出具有恒流特性的編碼信號的編 碼信號發(fā)生器，以及既可以在視野內(nèi)也在可野外實時監(jiān)視與控制機器人動物的無線遙控裝置。為達到上述目的，本發(fā)明提供的編碼信號發(fā)生器，包括微處理器、D/A變換器、恒流源 和多路模擬開關，微處理器經(jīng)D/A變換器輸出模擬電壓信號至恒流源的輸入端；微處理器輸 出的編碼信號和恒流源輸出的恒流信號分別接至多路模擬開關的輸入端，多路模擬開關被選 通的開關通道輸出恒電流型編碼信號。本發(fā)明編碼信號發(fā)生器，其中所述恒電流型編碼信號的參數(shù)值為脈沖幅值50-100^iA、 脈沖頻率50-200Hz、單相脈寬0.3-0.5mA、脈沖個數(shù)5-20個。本發(fā)明編碼信號發(fā)生器，其中所述恒流源為壓控型恒流源，采用由型號為LM324的運算 放大器構成。本發(fā)明編碼信號發(fā)生器，其中所述多路模擬開關采用型號為SN74CBT3253的芯片。 為達到上述目的，本發(fā)明提供的采用上述編碼信號發(fā)生器的用于機器人動物控制的無線 遙控裝置，包括由微控制器、控制端無線通訊模塊、控制端GPRS模塊組成的遙控器，以及由 編碼信號發(fā)生器、受控端無線通訊模塊、受控端GPRS模塊和受控端GPS模塊組成的受控器， 受控器固定于動物身體上；控制端無線通訊模塊、控制端GPRS模塊通過串口與微控制器相連， 編碼信號發(fā)生器通過串口與受控端無線通訊模塊、受控端GPRS模塊和受控端GPS模塊分別相 連。本發(fā)明編碼信號發(fā)生器的優(yōu)點是1. 編碼信號發(fā)生器輸出的編碼信號具有恒流源特性，恒流信號更實用，更合理。2. 多通道輸出，并且每個通道的輸出信號的參數(shù)可獨立調(diào)整。3. 利用GPS和GPRS技術，可以實時監(jiān)控視野外的動物機器人的位置及運動狀態(tài)，且顯示 其運動軌跡，從而可實現(xiàn)對視野外動物機器人的實時控制。下面將結合實施例參照附圖進行詳細說明，以對本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點有深入的理解。


圖1為本發(fā)明用于機器人動物控制的無線遙控裝置的方框圖2為本發(fā)明用于機器人動物控制的編碼信號發(fā)生器的方框圖； 圖3為本發(fā)明用于機器人動物控制的編碼信號發(fā)生器的電路圖； 圖4為圖2中微處理器產(chǎn)生編碼信號的程序流程圖 圖5為機器人動物受控的示意圖。
具體實施方式
鑒于目前已有的同類控制裝置存在兩個主要問題①輸出信號僅限于"電壓源"型，而 實用中真正對機器人動物的控制成敗與控制效果有決定性影響的是刺激電流，因此"恒流源"型更實用、更合理；②控制功能僅限于操作者的"視野"內(nèi)，與實際更遠距離應用的需求差距很大。本發(fā)明針對上述二個主要問題，發(fā)明內(nèi)容包括恒流型編碼信號發(fā)生器和視野內(nèi)外均 能監(jiān)視和控制機器人動物的無線遙控裝置。其中，編碼信號發(fā)生器發(fā)出的信號具備神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)傳遞信息的電信號的基本特征，該信 號采用恒流源型的多通道輸出、并且每個通道的編碼電信號的參數(shù)均可獨立遙控調(diào)整。視野內(nèi)外均能無線遙控機器人動物的無線遙控裝置，是將編碼信號發(fā)生器與微GPS及 GPRS模塊結合為一體，不論在視野內(nèi)還是在視野外均能做到可靠地控制動物行為，使動物沿 預期路徑運動。通訊系統(tǒng)是雙向的。下面以實施例對技術方案做詳細說明。參照圖2，本發(fā)明編碼信號發(fā)生器包括微處理器l、 D/A變換器2、恒流源3和多路模擬 開關4。微處理器1、 D/A變換器2和恒流源3依次相連，微處理器1和恒流源3分別與多路 模擬開關4相連。微處理器1經(jīng)D/A變換器2輸出模擬電壓信號至恒流源3的輸入端。微處 理器1輸出的編碼信號和恒流源3輸出的恒流信號分別接至多路模擬開關4的輸入端，多路 模擬開關4被選通的開關通道輸出恒電流型編碼信號。輸出恒電流型編碼信號分別通過輸出 端子、經(jīng)由導線連接至動物身體上被刺激的位點或接至固定于動物身體上的各對刺激電極。 本發(fā)明是提.供一種能夠輸出恒流源型編碼信號的遙控裝置，至于用戶如何使用該裝置去控制 動物，則由用戶根據(jù)實際需要確定，比如，放于動物體上的哪一部位、用何種方式放置、采 用何種形式的電極(平板式或針式等)等，均由用戶決定。參照圖3，其中恒流源3為壓控型恒流源，采用由型號為LM324的運算放大器構成，其 輸出范圍為10-2000uA。多路模擬開關4采用型號為SN74CBT3253的芯片。在本發(fā)明編碼信號發(fā)生器其他的實施例中，恒流源3也可以采用其他型號的運算放大器 構成，多路模擬電子開關4也可以采用其他型號。下面對主要電路進行說明。
參照圖2和圖3,由微處理器輸出的數(shù)字量經(jīng)D/A變換器后變成為模擬量Vin, Vin作 為控制信號施加于恒流源電路的輸入端，選取R3=R1, R2=R4，有Iset-R2XVin/ (R1XR5)， 由于當電阻Rl, R2和R5的阻值一定時，恒流源電路的輸出電流Iset的大小只取決于Vin， 所以圖3所示的電路是一壓控型恒流源。Iset與多路模擬開關相連接，選定多路模擬開關的 哪個通道，將由微處理器發(fā)出的指令確定；被選通的多路模擬開關的通斷狀態(tài)由微處理器產(chǎn) 生的編碼電信號控制，因而被選通的通道的輸出電信號的波形與編碼信號波形相同、但其脈 沖幅值卻為Iset，這就保證輸出信號為恒電流型編碼信號。輸出通道各自獨立，每一通道能 為一個位點提供恒流編碼信號，若某個時刻需要刺激某個神經(jīng)位點時，則由微處理器選通與 之對應的通道，使按參數(shù)要求編碼的恒流型電信號施加到相應位點。圖3中的RL為編碼信號 發(fā)生器的輸出負載。多路模擬開關被選通的開關通道輸出的恒電流型編碼信號分別接至編碼 器的輸出端子上；當使用者需用某些通道時，只需用導線將輸出端子與負載相連接，這個"負 載"可以是被刺激的動物身體上的某些位點，也可以是其他刺激對象，或者是刺激電極。刺 激電極可以是平板式或針式的。圖中所示為"一通道輸入-多通道輸出"的多路模擬電子開關 選用芯片SN74CBT3253,在微處理器控制下通過開關的切換，即可在RL上得到恒電流型編碼 信號。下面說明采用上述編碼信號發(fā)生器的監(jiān)視和控制機器人動物的無線遙控裝置。 參照圖1，視野內(nèi)外均能無線遙控機器人動物的無線遙控裝置分為遙控和受控兩大部分。 它除了包含上述的恒流源型編碼信號發(fā)生器外，還有無線通訊系統(tǒng)、微GPS系統(tǒng)和GPRS系統(tǒng)。 其中，"控制"部分包括以單片機為核心構成的微控制器ll、控制端無線通訊模塊13和控制 端GPRS模塊12，本發(fā)明中的該部分被稱為"遙控器"；"受控"部分包括編碼信號發(fā)生器21、 受控端無線通訊模塊23、受控端GPRS模塊22和受控端GPS模塊24，本發(fā)明中的該部分被稱 為"受控器"。受控器20固定于動物身體上。控制端無線通訊模塊13、控制端GPRS模塊12 通過串口與微控制器ll相連，編碼信號發(fā)生器21各輸出通道均有相應的輸出端子，可從各 端子引出導線到相應的動物身體上的某些刺激位點或其他對象或刺激電極，并通過串口與受 控端無線通訊模塊23、受控端GPRS模塊22和受控端GPS模塊24分別相連。其中，GPS—Global Positioning System,即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)；GPRS~Gerneral Packer Radio Service,通用 無線分組業(yè)務。通俗地講，GPRS是一項高速數(shù)據(jù)處理的技術，方法是以"分組"的形式傳送資 料到用戶手上。具體說明如下(l)無線通訊系統(tǒng)。傳統(tǒng)的動物電刺激系統(tǒng)均為"有線"系統(tǒng)，即電信號是通過導線施加
于動物的刺激位點的，近年來出現(xiàn)了 "無線"系統(tǒng)，即信號是通過無線遙傳方式施加于動物 的刺激位點的，后者的優(yōu)點是動物可在開放空間自由活動，更實用。無線通訊系統(tǒng)包含控制 端無線通訊模塊13和受控端無線通訊模塊23兩部分前者為放置于實驗臺上或拿在操作者 手中的收發(fā)裝置；后者為放置于"受控器"內(nèi)的收發(fā)裝置。兩個模塊可雙向通訊，由圖1知， 在實驗室內(nèi)，微控制器11發(fā)出的指令可通過控制端無線通訊模塊13發(fā)給動物身上的受控端 無線通訊模塊23,將指令直接送給受控器20,使受控器20按指令規(guī)定的內(nèi)容工作。指令的 內(nèi)容通常包括編碼信號的參數(shù)、選定多路模擬開關的地址，以及編碼電信號的輸出命令等。 在實驗中，實驗者根據(jù)自己的意圖或需要在遙控器10的電腦中選定一組參數(shù)，這組參數(shù)包括 編碼電信號的全部參數(shù)和選通的通道地址，這些參數(shù)信息經(jīng)過數(shù)據(jù)打包、加密后，通過遙控 器10的控制端無線通訊模塊13發(fā)送到動物身上的受控端無線通訊模塊23，受控器20讀取 并存儲這組參數(shù)，當接收到控制命令時，則按此組參數(shù)輸出恒流源型的編碼電信號。(2)GPS和GPRS系統(tǒng)。使用中，機器人動物運動到操作者視野之外是正常現(xiàn)象，因此必 須在控制系統(tǒng)中配置GPS和GPRS系統(tǒng)，用以確定動物的當前位置及運動方向，從而能繼續(xù) 對動物實施控制。控制端GPRS模塊12置于手持式"遙控器"中，受控端GPRS模塊22和 受控端GPS模塊24置于"受控器"端。GPS和GPRS系統(tǒng)工作原理是，動物當前位置的三 維坐標值隨時會被受控端GPS模塊24測出并通過受控端GPRS模塊22實時傳遞到遙控器10 的控制端GPRS模塊12，微控制器11通過串口線讀取坐標值，經(jīng)單片機軟件處理，其相應 的點就會顯示在微控制器的LCD顯示屏上。并且當其運動時，由這些點構成的運動軌跡也會 顯示在遙控器端的屏幕上。若由屏幕上發(fā)現(xiàn)動物停止不前或其運動路徑偏離預期路徑的值已 超出允許范圍，則通過遙控器10向機器人動物身上的受控器20發(fā)出相應的控制信號來刺激 相應的神經(jīng)位點，使其改變停止狀態(tài)、或改變運動方向，以糾正其對運動路徑的偏離*為能 較清晰地判斷動物的位置和運動狀態(tài)，在遙控器10的軟件中加入屏幕的局部放大功能，可觀 察動物的運動。下面對本發(fā)明用于機器人動物控制的控制系統(tǒng)的具體使用說明如下-1. 微控制器11通過串口線與控制端無線通訊模塊13、控制端GPRS模塊12相連，啟 動微控制器中的單片機，運行機器人動物監(jiān)控軟件。2. 根據(jù)應用要求，完成控制器部分的資源配置如果是在視野外應用，編碼信號發(fā)生器21通過串口與受控端GPRS模塊22和受控端 GPS模塊24相連；如在視野內(nèi)應用，編碼信號發(fā)生器通過串口與受控端無線通訊模塊23相
連。然后，將受控器20固定在動物身上。根據(jù)動物種類的不同，為固定方便和盡量不影響動 物運動，可用膠粘結或用尼龍帶捆扎等辦法，將其固定于動物的頭頂部或背部等。3. 固定好之后，根據(jù)需要，從輸出端子引出導線到動物體上所要刺激的刺激位點或刺激 電極，每一個刺激位點或每對刺激電極獨自使用一個通道，使用者必須記清楚輸出通道與刺 激位點或每對刺激電極的對應關系，連接之后，接通電源。4. 刺激參數(shù)的設置與調(diào)節(jié)。通過機器人動物監(jiān)控軟件的人機界面，分別對每一通道的編 碼電信號進行設定與調(diào)整。關于應調(diào)整的參數(shù)，其重要性(即對控制效果的影響)依次為 脈沖電流幅值、脈沖頻率、脈沖寬度、(l個脈沖列的)脈沖個數(shù)，這些參數(shù)都設置在遙控器 的程序中。在實驗或使用過程中可以修改這些參數(shù)，修改時，實驗者根據(jù)自己的想法或需要 在遙控器的電腦中選定各個參數(shù)，這組參數(shù)包括編碼電信號的全部參數(shù)和選通的通道編號， 該組參數(shù)信息經(jīng)過數(shù)據(jù)打包、加密后，由遙控器10以無線通訊的方式發(fā)送到動物身上的受控 器20，并被存儲在受控器20的內(nèi)存中，然后，發(fā)應答信息到遙控器，告知信息已被接收并 處理完畢。以同樣的方式完成所有通道的刺激參數(shù)的設置與調(diào)節(jié)。根據(jù)經(jīng)驗，這些初選的參 數(shù)值一般為脈沖電流的幅值選為50pA左右、脈沖頻率選為60Hz左右、單相脈寬度選為 0.3ms左右但不超過0.5ms、脈沖個數(shù)選為10個左右。這些初選的參數(shù)值一般偏低，這樣做 的目的是為了實驗動物的安全；同時也為了留足調(diào)整空間。5. 完成所有工作通道的刺激參數(shù)的設置與調(diào)節(jié)后，選定工作通道，點擊與該通道對應的 "命令"按鍵，命令信息被無線發(fā)送到受控器20，信號發(fā)生器就會在與該通道相連的電極上，根據(jù)所配置的參數(shù)產(chǎn)生相應編碼信號。命令執(zhí)行結束后，發(fā)反饋信息至遙控器IO,以告知該 信息已被接收并處理完畢。因為每當某命令鍵按下，就意味著動物身上的受控器20開始輸出 編碼信號，該編碼信號為一串脈沖，其參數(shù)(脈沖電流幅值、脈沖頻率、脈沖寬度、l個脈沖 列的脈沖個數(shù))即是按上述方法設定的。所以點擊命令鍵的頻率即是重復施加控制信號的頻率 (如上所3^，頻率一般為0.5-3Hz)。當按下命令鍵時的同時，應注意觀察實驗效果，根據(jù)動 物對刺激的反應強弱調(diào)整信號參數(shù)，以達到最佳效果。上述介紹的僅是"有效"情況下的調(diào)試。對于某個動物的某一通道而言，實驗結果總是 存在刺激有效與無效二種可能。無效的原因主要是電信號未能作用到神經(jīng)位點上，這是因為 人們采用的動物《腦圖譜》是基于該種動物的典型品種給出的，而實際上動物的個體差別卻普遍存在。按上述參數(shù)對實驗動物進行刺激時， 一般都會有反應，例如當操作者向動物發(fā)出向前/向 左/向右的控制指令時，動物將相應地向前/向左/向右運動，但由于參數(shù)選擇不合適，動物的 反應或比較遲鈍或緩慢，或反應過于強烈。在此情況下，應當適當調(diào)整編碼信號的參數(shù)若 反應較遲鈍或緩慢，則逐步增大上述參數(shù)，直至控制效果最好為止；若反應過于強烈，則應適當減小參數(shù)，控制效果最好為止。所謂"控制效果最好"，是指動物能靈敏地跟隨操作者的 指令運動。根據(jù)經(jīng)驗，較好參數(shù)(統(tǒng)計)值為脈沖幅值為80nA、脈沖頻率為80-150Hz、單相脈寬為 0.3-0.5mA、脈沖個數(shù)為10-15個。 一個通道調(diào)好后，接著再調(diào)試另一個通道，直至將該動物 的所有刺激位點調(diào)完為止。這里需要指出的是，并不是這些參數(shù)越大越好，而是在獲得相同 控制效果的情況下，參數(shù)較小為好，過大的刺激強度會造成神經(jīng)的損毀與失效。尤其需要強 調(diào)指出的是，對于每個動物而言，調(diào)試完成之后，其每個位點所用的控制信號參數(shù)值必須準 確記錄在案，以備今后某個時候使用該動物時，將這些參數(shù)作為該動物的實際控制參數(shù)。6.在視野外控制/制導機器人動物。實驗之前，先將用戶預期的機器人動物運動路線存 入微控制器中的單片機，再將所用動物的實驗室實驗確定的參數(shù)通過遙控器io存入機器人動 物身上的受控器20的微處理器。實驗開始后，動物的當前位置和運動軌跡實時地顯示在無線 遙控器的屏幕上，操作者即可根據(jù)預期路線與動物實際運動路線的偏差，適時地向動物發(fā)出 相應的控制指令，以糾正出現(xiàn)的偏差。例如當動物停止不前時，則發(fā)出讓其向前運動的指令； 當其運動路線向左/右偏離預期路線的值超出允許范圍時，則發(fā)出向右/左調(diào)整運動方向的指 令，直至動物按預期路線到達目標點或目標區(qū)域。
權利要求
1.一種用于機器人動物控制的編碼信號發(fā)生器，其特征在于包括微處理器(1)、D/A變換器(2)、恒流源(3)和多路模擬開關(4)，微處理器(1)經(jīng)D/A變換器(2)輸出模擬電壓信號至恒流源(3)的輸入端；微處理器(1)輸出的編碼信號和恒流源(3)輸出的恒流信號分別接至多路模擬開關(4)的輸入端，多路模擬開關(4)被選通的開關通道輸出恒電流型編碼信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述的用于機器人動物控制的編碼信號發(fā)生器，其特征在于其中所 述恒電流型編碼信號的參數(shù)值為脈沖幅值50-100^A、脈沖頻率50-200Hz、單相脈寬 0.3-0.5mA、脈沖個數(shù)5-20個。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的用于機器人動物控制的編碼信號發(fā)生器，其特征在于其 中所述恒流源(3)為壓控型恒流源，采用由型號為LM324的運算放大器構成。
4. 根據(jù)權利要求3所述的用于機器人動物控制的編碼信號發(fā)生器，其特征在于其中所 述多路模擬開關(4)采用型號為SN74CBT3253的芯片。
5. —種采用權利要求1或2或4中任何一種編碼信號發(fā)生器的用于機器人動物控制的無 線遙控裝置，其特征在于包括由微控制器(11)、控制端無線通訊模塊(13)和控制端GPRS 模塊(12)組成的遙控器(10)，以及由編碼信號發(fā)生器(21)、受控端無線通訊模塊(23)、 受控端GPRS模塊(22)和受控端GPS模塊(24)組成的受控器(20)，受控器(20)固定 于動物身體上；控制端無線通訊模塊(13)和控制端GPRS模塊(12)通過串口與微控制器(11)相連，編碼信號發(fā)生器(21)通過串口與受控端無線通訊模塊(23)、受控端GPRS模 塊(22)和受控端GPS模塊(24)分別相連。
6. —種采用權利要求3所述的編碼信號發(fā)生器的用于機器人動物控制的無線遙控裝置， 其特征在于'包括由微控制器(11)、控制端無線通訊模塊(13)和控制端GPRS模塊(12) 組成的遙控器(10),以及由編碼信號發(fā)生器(21)、受控端無線通訊模塊(23)、受控端GPRS 模塊(22)和受控端GPS模塊(24)組成的受控器(20)，受控器(20)固定于動物身體上； 控制端無線通訊模塊(13)和控制端GPRS模塊(12)通過串口與微控制器(11)相連，編 碼信號發(fā)生器(21)通過串口與受控端無線通訊模塊(23)、受控端GPRS模塊(22)和受控 端GPS模塊(24)分別相連。
全文摘要
本發(fā)明編碼信號發(fā)生器包括微處理器、D/A變換器、恒流源和多路模擬開關，微處理器、D/A變換器和恒流源依次相連，微處理器和恒流源分別與多路模擬開關相連。微處理器經(jīng)D/A變換器輸出模擬電壓信號至恒流源，微處理器輸出的編碼信號和恒流源輸出的恒流信號分別接至多路模擬開關，被選通的開關通道輸出的恒電流型編碼信號由其輸出端子引出導線到動物身體上的刺激位點或刺激電極。本發(fā)明還提供了采用上述編碼信號發(fā)生器的無線遙控裝置，包括遙控器和固定于動物身體上的受控器。本發(fā)明編碼信號發(fā)生器及其控制系統(tǒng)的優(yōu)點是編碼信號具有恒流源特性，更實用，更合理，利用GPS和GPRS技術實現(xiàn)了對視野外機器人動物的實時控制。
文檔編號G08C17/00GK101127152SQ200710152070
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月30日 優(yōu)先權日2007年9月30日
發(fā)明者劉小峰, 楊俊卿, 槐瑞托, 蘇學成 申請人:山東科技大學