CN100583180C

CN100583180C - 一种用于机器人鸟的制导方法

Info

Publication number: CN100583180C
Application number: CN200810000886A
Authority: CN
Inventors: 苏学成; 槐瑞托; 杨俊卿; 刘小峰; 李玉霞; 王敏; 戴文; 王海霞; 苏琳; 张秀娟
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2028-01-25
Also published as: CN101218897A

Abstract

本发明公开了机器人鸟的一种制导方法，采取适当的微刺激信号，根据需要并适时地刺激鸟的丘脑腹前背中核与古纹状体，导致其主动逃避行为，从而制导鸟的飞行行为。本发明利用由微电刺激鸟上述特定神经核团导致的主动逃避行为来制导其运动行为，也即用微电刺激神经核团来虚拟“伤害”的原理来制导其运动行为。本发明用于机器人鸟的制导方法的优点是：由于这种原理利用了鸟逃避伤害的本能，故其制导功能强大，因而无需对鸟事先训练。机器人鸟具有的巨大使用价值，鸟类与地面动物相比，有更大的活动空间、更快的运动速度，显然有更大的应用优势，现实和潜在用途是非常广泛的。

Description

一种用于机器人鸟的制导方法

技术领域

本发明涉及用于控制系统的控制方法，尤其是一种机器人鸟的制导方法。

背景技术

机器人动物的研究已引起世界的广泛关注，但主要集中于哺乳动物，如老鼠、猴子等，因为它们都是典型的实验动物，而对鸟类的同类研究，即“机器人鸟”的研究却未见制导方法的报导。鸟类因其广阔的活动范围和快速的运动能力而具有突出的应用优势，这是我们开展“机器人鸟”研究的主要原因。目前，国内外研发机器人动物所用的导航方法都是基于奖赏机制，因而控制和导航效果严重依赖训练(不仅训练需要专业人员完成，而且训练停止后，随着时间延长，由训练所获得的功能也逐渐衰退)，这在很大程度上限制了基于奖赏机制开发的机器人动物的实际应用。鸟类与哺乳动物的生理差异非常大，已有的方法并不适用于鸟类。因此，开发研制出一种机器人鸟的制导原理和方法，将具有极其重要深远的意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有机器人动物导航技术和方法中的不足，提供一种无需对鸟事先训练，制导功能强，使用价值高，有利于机器人动物进入实用阶段的机器人鸟的制导方法。

为达到上目的，本发明提供的一种用于机器人鸟的制导方法，该方法通过包括由计算机控制的发射站和微刺激信号发生器构成的制导系统，对机器人鸟的飞行动作和方向实施控制，该方法执行如下步骤：

1)在所述机器人鸟背部或头顶部放置微刺激信号发生器；

2)通过所述由计算机控制的发射站，向所述机器人鸟所携带的微刺激信号发生器发出控制指令；

3)所述微刺激信号发生器接收所述控制指令信号后，按所述控制指令产生相应的微刺激信号并将所述微刺激信号传输至所述机器人鸟的神经核团部位，所述机器人鸟的神经核团为与恐惧有关的古纹状体神经核团和传递痛觉的丘脑腹前背中核神经核团，分别用于控制机器人鸟起飞、向前飞和在飞行中向左/右转变飞行方向。

4)重复步骤2)和步骤3)，完成所述由计算机控制的发射站对所述机器人鸟的不同飞行行为和方向的制导。

本发明用于机器人鸟的制导方法，其中所述丘脑腹前背中核神经核团包括传递右侧躯体痛觉的左侧丘脑腹前背中核神经核团和传递左侧躯体痛觉的右侧丘脑腹前背中核神经核团，所述古纹状体神经核团包括左侧古纹状体神经核团和右侧古纹状体神经核团。

本发明用于机器人鸟的制导方法，其中所述微刺激信号发生器设置有无线接收模块、微处理器和若干微电极，所述无线接收模块接收所述由计算机控制的发射站发出的指令控制信号并传输至所述微处理器，所述微处理器产生相应的微刺激信号分别接至各所述微电极。

本发明用于机器人鸟的制导方法，其中所述由计算机控制的发射站发出的指令控制信号采用频率为1-4Hz的脉冲序列。

本发明用于机器人鸟的制导方法，其中所述微刺激信号采用双相脉冲序列，其参数范围为：每个脉冲序列为5-15个双相脉冲，脉冲幅值为70-90微安，每个单相脉宽为0.2-0.5ms，脉冲频率为50-150Hz。

本发明用于机器人鸟的制导方法的优点在于：由于利用了由微电刺激鸟脑的上述神经核团导致其主动逃避行为来控制和导航其运动行为，即利用了鸟逃避伤害的本能，故其制导功能强，因而无需对鸟进行事先训练。机器人鸟具有的巨大使用价值，鸟类与地面动物相比，有更大的活动空间、更快的运动速度，显然有更大的应用优势，现实和潜在用途是非常广泛的。例如，带有特定微型传感器的鸟可用于特定(或目标)区域的景物、声言和环境参数等的采集与回传等；可用于将特殊物品送达或投掷到目的地等等。当飞行距离超出“视距”时，则可借助GPS导航其飞行路径。由于飞行是靠鸟类自身的体能，故其飞行时间和飞行距离就不像微小型无人机那样受自身携带能量能力的限制。显然，与机电式移动机器人相比，依据本发明获得的机器人鸟将具有巨大优势。

下面将结合实施例参照附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明中机器人鸟的制导系统示意图；

图2为本发明用于机器人鸟的制导方法中机器人鸟在室内空间飞行的示意图；

图3为本发明用于机器人鸟的制导方法中机器人鸟沿设定直线路径行走的示意图；

图4为本发明用于机器人鸟的制导方法中机器人鸟沿设定方框线路径行走的示意图；

图5为本发明用于机器人鸟的制导方法中机器人鸟沿设定“8”字线路径行走的示意图。

下面结合附图对本发明进行说明。

具体实施方式

本发明机器人鸟的制导方法采用由微电刺激机器人动物(机器人鸟)的脑部特定神经核团导致其主动逃避行为来控制和导航其运动行为，克服现有机器人动物导航技术和方法中的不足，把机器人动物的应用推向更高、更广阔的实用阶段。

该制导方法，采取适当的微刺激信号，适时地刺激鸟的丘脑腹前背中核(the thalamicnucleus dorsalis intermedius ventralis anterior，DIVA)与古纹状体(archistriatum)，导致其主动逃避行为，从而控制鸟的飞行行为和方向。

神经核团包括传递痛觉的DIVA和与情绪有关的古纹状体神经核团。其中DIVA神经核团包括传递右侧躯体痛觉的左侧DIVA和传递左侧躯体痛觉的右侧DIVA，古纹状体神经核团包括左侧古纹状体神经核团和右侧古纹状体神经核团。

脑神经中的“核团”(往往也称“位点”)与动物躯体上各部位具有对应关系。科学上已证实，脑的右侧与躯体左侧对应、脑的左侧与躯体右侧对应，即左脑控制右侧肢体、右脑控制左侧肢体；并且右侧躯体的感觉传至左侧大脑、左侧躯体的感觉传至右侧大脑。

本发明机器人鸟的制导方法中，参照图1，采取由计算机控制的发射站1发出指令信号，传递给背在鸟背部或头项部的含有微处理器和无线接收模块的微刺激信号发生器2，微刺激信号发生器2设置有无线接收模块、微处理器和微电极3，无线接收模块接收由计算机控制的发射站发出的控制指令信号并传输至微处理器，微处理器产生相应的微刺激信号分别接至各微电极3。

DIVA是传送痛觉的。据上述知，若用与动物体内电信类似的微刺激信号刺激左侧DIVA，则会在鸟脑中形成自己的右侧躯体的皮肉受到了“损伤”的“感觉”、并且感到了“痛”，而为避“痛”，鸟就向左躲避；同理，刺激右侧DIVA，则可控制其向右躲避。值得指出的是，这时鸟脑中感到的痛是“虚拟”感觉，实际上并未伤及其皮肉，是脑的误判，因而可反复实施。

古纹状体是与恐惧有关的神经核团，鸟脑内的左右两侧各有一个古纹状体，二者具有同等功能，所以从理论上说，不论刺激一个、还是同时刺激二个，都能使鸟感到恐俱。为提高成功率，实用中，我们用二对电极分别植入两侧的古纹状体，若实验证明只有其中的一个控制效果较好，那就使用较好的那个；若实验证明二个均有效，则可只选用其中的一个。所谓“有效”，即若用微刺激信号刺激古纹状体，则会在鸟脑中形成恐惧感，鸟就会因恐惧而起飞或加速向前飞。需要指出的是，这时鸟脑中感到的“恐惧”同样是“虚拟”的感觉，实际上并不存在使它产生恐惧的条件与环境，是脑的误判。由于这种操作并不产生对鸟的皮肉伤害，因而可反复实施。

采用微刺激信号控制动物的关键有二：

①正确的选取拟刺激的神经核团。因脑里有成千上万个神经核团，而每个神经核团都有各自的功能，必须根据控制需要选取相应的核团。

②选取合适的刺激电信号。各种动物，其神经系统内传递信息的都是电信号，而这些电信号的基本波形、或确切地说单独的一个波形而言，都是一个脉冲波形，并且对各种动物而言，它的基本形状都是一样的。而动物神经系统怎样区分和利用这些信息，这主要靠两点，一是信号来自哪里(例如是头还是脚，等等)，二是脉冲串的差别(如脉冲频率、脉冲幅度、脉冲个数、脉宽度等)。关于“来自哪里”，这已在“①”考虑了，关于“脉冲串”，则用“脉冲参数”来描述。

在本发明机器人鸟的制导方法中，由计算机控制的发射站发出的指令控制信号采用频率为0.5-4Hz的脉冲序列。微刺激信号采用双相脉冲序列，其参数范围为：每个脉冲序列为5-15个双相脉冲，脉冲幅值为70-90微安，每个单相脉宽为0.2-0.5ms，脉冲频率为50-150Hz。

下面以实施例说明本发明机器人鸟的制导应用。

实施例一

选用家鸽作为机器人鸟，在家鸽头上或背上安装一个带有微处理器、可遥控的微刺激信号发生器2。根据远程的控制命令，微刺激发生器2可产生编码微刺激电信号分别经微电极3施加于相应的DIVA或古纹状体。编码的微刺激电信号为双相脉冲序列，脉冲的参数范围为：每个脉冲序列(脉冲串)为5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15个双相脉冲，脉冲幅值为70、75、80、85或90微安，每个单相脉宽为0.2、0.3、0.4或0.5ms，脉冲频率为50、60、70、80、90、100、110、120、130、140或150Hz；频率升高时，脉宽应随之适当变窄。上述脉冲的参数，都是由计算机控制的发射站1通过无线传送给微刺激发生器2。脉冲序列的发送频率为1、2、3或4Hz。控制实验表明，家鸽对微电刺激的反应(响应)强度与脉冲幅度、脉冲频率、每个脉冲序列中脉冲的个数、脉冲宽度甚至脉冲序列的频率等有关系，其中尤以脉冲幅度、脉冲频率影响最显著。

本发明机器人鸟的制导方法的关键之处在于正确地选取刺激神经位点。在刺激神经位点的选取上，选取的神经核团应在受到刺激时，使家鸽产生恐惧，导致其发生主动逃避行为，如从静止状态起飞和/或在飞行中向前飞、向左/向右调整飞行方向等，从而达到对家鸽的飞行的“控制和导航”(简称“制导”)。这里，给出一组经过检验的具有上述功能的神经核团：鸟的丘脑背中腹前核(DIVA)和古纹状体(archistriatum)。DIVA是家鸽的外周刺激的触觉和痛觉信息上传到脑的主要“中转”神经核团，通过分别用微电刺激家鸽的丘脑左侧/右侧的DIVA，来虚拟外界对其右侧/左侧躯体、翅膀和爪的伤害(仅仅是虚拟，而实际上对鸽子的皮肉毫无伤害，故可反复进行)，会在脑中产生右/左侧驱体的“触觉”和“痛觉”，有效地迫使家鸽为躲避而起飞或/和在飞行中向左/右转变方向。鸟类的古纹状体是恐惧反应的关键核团，刺激它能导致家鸽恐惧，迫使其惊恐地起飞和在飞行中快速向前飞。虽然这二类核团都能导致家鸽主动逃避，但刺激DIVA主要是为了使其左/右转向，其次才是起飞；而刺激古纹状体则主要是为了使其“起飞”和“向前”。这两类核团相比，后者能更有效地迫使家鸽起飞和“向前”飞。

本发明机器人鸟的制导方法用在室外的时候，在微刺激信号发生器中还设置有结合为一体的GPS定位系统，GPS定位系统与由计算机控制的发射站无线相连，可以实现距离的制导应用。

实施例二：室内的飞行制导。在一个足够空阔的房间内，我们用幅值为80微安的微刺激信号制导家鸽飞行，目的是在视距范围内检验“机器人鸟(鸽)”的可行性和适用性。

首先迫使家鸽起飞。对于站立着的家鸽，不论是刺激单侧(左/右侧)还是同时刺激两侧的古纹状体，家鸽肯定都会起飞；但对于站立着的家鸽，分别刺激左/右侧DIVA，多数情况下它也能向左/右的方向起飞。相对而言，刺激古纹状体迫使家鸽起飞的可靠性更高，因而刺激古纹状体作为强迫家鸽起飞的主要方法。

接着对飞行中的家鸽进行制导。在家鸽飞行过程中，若同时或分别刺激家鸽左右两侧或某一侧的古纹状体，它会惊恐地快速向前飞行，但若分别刺激它的左/右DIVA，则可灵敏地使它相应地向左/右转变飞行方向，连续地刺激可使得它在空中盘旋。根据录相整理的制导家鸽飞行的示意图参见图2。

在上述控制中，事先并未对家鸽进行训练，这说明通过适当的、及时的刺激DIVA和古纹状体，我们可以实现无需事先训练就可以有效地控制和导航(即制导)家鸽的飞行。迫使起飞和向前以及在飞行中改变方向，是确保机器人鸟能够沿设定路线运动到预期目标的必要条件，二者缺一不可。特别需要说明的是，强迫家鸽起飞和向前飞，对于实际应用必不可少，这样可以防止家鸽中途休息时间过长，仅仅靠调节家鸽飞行方向无法保证家鸽及时到达目的地。之所以能够可靠实现上述制导功能，主要是选用的神经核团包含了痛觉和恐惧功能，因而刺激这些核团能够强制性地改变鸟类的行为。

实施例三：机器人鸟在地面上的“行走”制导。鉴于飞行中家鸽的速度很快，不易看清楚微刺激信号的制导作用，为充分展示和清晰观察家鸽在微刺激信号作用时的瞬间行为，进一步验证对家鸽行为制导的效果。将家鸽翅膀的部分大羽捆扎，使其不能飞翔而只能在地面上行走，然后用较低幅度的刺激序列(50至70μA)控制和导航家鸽沿着预期的路线(6cm宽的红色胶带贴在地面作为设定路径)到达预定目标地。这里降低电流幅度的原因，是因为在家鸽对微电刺激反应与电流幅值密切相关。电流小时，家鸽尚能够以行走的方式逃避；电流大时，则不再行走，而是迅速飞起来。

控制表明，分别刺激家鸽的左/右侧的DIVA可有效地使它向左/右转向；同时(或分别)刺激家鸽左右两侧(或某一侧)的古纹状体，它会惊恐地快速向前走。实验也反复表明，若将家鸽有意识地置于地面预设红线的某个“起点”，而后根据需要，适时地刺激相应的上述神经核团，使其向前/向左/向右，一般都能大致沿设定线路前进，最终到达(或穿越)预期的“目标点/目标区域”。几种具有代表性的录相的示意图参见图3-5。从中可清晰地看出微刺激信号对家鸽的制导作用：当家鸽偏离“预期路线(红线)”时，适时施加所需的制导信号，控制器的信号灯显示，正是在家鸽“转弯”前的瞬间收到了制导信号，使得家鸽能够沿设定线路曲折前进，大致沿着预期路线到达目的地，这充分表明本发明的有效性。尽管制导是有效的，但家鸽有时会偏离“预期路线”，这主要是由于家鸽在行进的过程中还同时受到周围的视觉和听觉等信息的干扰所致。

本发明机器人鸟的制导方法利用由微电刺激鸟脑的上述神经核团导致其主动逃避行为来控制和导航其运动行为。由于这种原理利用了鸟逃避伤害的本能，故其制导功能强大，因而无需对鸟进行事先训练。机器人鸟具有的巨大使用价值，鸟类与地面动物相比，有更大的活动空间、更快的运动速度，显然有更大的应用优势，现实和潜在用途是非常广泛的。例如，带有特定微型传感器的鸟可用于特定(或目标)区域的景物、声言和环境参数等的采集与回传等；可用于将特殊物品送达或投掷到目的地等等。当飞行距离超出“视距”时，则可借助GPS导航其飞行路径。由于飞行是靠鸟类自身的体能，故其飞行时间和飞行距离就不像微小型无人机那样受自身携带能量能力的限制。显然，与机电式移动机器人相比，依据本发明获得的机器人鸟将具有巨大优势。本发明适用于所有鸟类。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明涉及精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1、一种用于机器人鸟的制导方法，该方法通过包括由计算机控制的发射站(1)和微刺激信号发生器(2)构成的制导系统，对机器人鸟的飞行动作和方向实施控制，其特征在于：该方法执行如下步骤：

1)在所述机器人鸟背部或头顶部放置微刺激信号发生器(2)；

2)通过所述由计算机控制的发射站(1)，向所述机器人鸟所携带的微刺激信号发生器(2)发出控制指令；

3)所述微刺激信号发生器(2)接收所述控制指令信号后，按所述控制指令产生相应的微刺激信号并将所述微刺激信号传输至所述机器人鸟的神经核团部位，所述机器人鸟的神经核团为与恐惧有关的古纹状体神经核团和传递痛觉的丘脑腹前背中核神经核团，分别用于控制机器人鸟起飞、向前飞和在飞行中向左/右转变飞行方向；

4)重复步骤2)和步骤3)，完成所述由计算机控制的发射站(1)对所述机器人鸟的不同飞行行为和方向的制导。

2、根据权利要求1所述的用于机器人鸟的制导方法，其特征在于：其中所述丘脑腹前背中核神经核团包括传递右侧躯体痛觉的左侧丘脑腹前背中核神经核团和传递左侧躯体痛觉的右侧丘脑腹前背中核神经核团，所述古纹状体神经核团包括左侧古纹状体神经核团和右侧古纹状体神经核团。

3、根据权利要求1或2所述的用于机器人鸟的制导方法，其特征在于：其中所述微刺激信号发生器(2)设置有无线接收模块、微处理器和若干微电极(3)，所述无线接收模块接收所述由计算机控制的发射站发出的指令控制信号并传输至所述微处理器，所述微处理器产生相应的微刺激信号分别接至各所述微电极(3)。

4、根据权利要求3所述的用于机器人鸟的制导方法，其特征在于：其中所述由计算机控制的发射站(1)发出的指令控制信号采用频率为1-4Hz的脉冲序列。

5、根据权利要求4所述用于机器人鸟的制导方法，其特征在于：其中所述微刺激信号采用双相脉冲序列，其参数范围为：每个脉冲序列为5-15个双相脉冲，脉冲幅值为70-90微安，每个单相脉宽为0.2-0.5ms，脉冲频率为50-150Hz。