CN101467515A - 一种用于机器人哺乳动物的制导方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于机器人哺乳动物的制导方法，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。本发明一种用于机器人哺乳动物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

一种用于机器人哺乳动物的制导方法

技术领域

本发明涉及机器人动物的控制方法，特别涉及一种用于机器人哺乳动物的制导方法。

背景技术

“机器人动物”也称“动物机器人”或“智能动物”。

机器人哺乳动物是利用参照动物自身固有的神经编码信号而编制的“微刺激信号”来控制动物的神经，使其按人的期望和要求行动、完成人交给的任务，使动物变成“机器人式”的动物。机器人哺乳动物的研究已引起世界的广泛关注，目前世界各大国都在投巨资争相研发，已经研制成功一批机器人哺乳动物。机器人哺乳动物研发的关键在于：正确的选取拟刺激的神经核团和选取合适的刺激电信号。但前者则取决于所采用的制导原理和方法。到目前为止，国内外报道的研发机器人哺乳动物所用的导航方法都是基于“奖赏”机制。所谓“奖赏”机制，也是人们常见的一种训练动物的方法，就是训练动物时，若动物做对了，就给予食物奖赏，未做对，则不给，这样反复实施，久而久之，动物就会听从人的指挥。在现有机器人动物的制导技术中，其“奖赏”机制不是利用食物奖赏，而是用电信号微刺激动物能使它感到“愉悦”的神经核团(或神经位点)，让动物感到受到了“奖赏”，这样做同样能达到食物奖赏的效果。由于这种“奖赏”是由微电刺激神经带给动物的，并未给真实的食物奖赏，因此常称为“虚拟”奖赏或“虚拟”强化。但是，该制导方法的重要缺陷，是在其应用时依赖训练(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。

发明内容

本发明的目的，是提供一种制导功能强大、无需对动物事先训练，实用价值高，是切实有利于机器人哺乳动物实用化的新型的机器人哺乳动物制导方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于机器人哺乳动物的制导方法，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，对机器人哺乳动物的运动行为和方向实施控制，该方法执行如下步骤：

1)在所述机器人哺乳动物背部或头顶部设置所述微刺激信号发生器；

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受所述控制指令后，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哺乳动物的神经核团部位，所述机器人哺乳动物的神经核团为与痛觉有关的丘脑腹后外侧核和与恐惧有关的杏仁核神经核团，分别用于改变所述机器人哺乳动物的运动行为和方向；

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哺乳动物的不同运动行为和方向的制导。

本发明用于机器人哺乳动物的制导方法，其中所述丘脑腹后外侧核神经核团包括传递右侧躯体痛觉的左侧丘脑腹后外侧核和传递左侧躯体痛觉的右侧丘脑腹后外侧核，所述杏仁核神经核团包括左侧杏仁核神经核团和右侧杏仁核神经核团。

本发明用于机器人哺乳动物的制导方法，其中所述微刺激信号发生器包括无线接收模块、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控制指令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。

本发明用于机器人哺乳动物的制导方法，其中所述由计算机控制的发射站发出的控制指令信号采用频率为0.5-4Hz的脉冲序列。

本发明用于机器人哺乳动物的制导方法，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3-20个双相脉冲，脉冲幅值为50-90微安，每个单相脉宽为0.1-0.5ms，脉冲频率为50-150Hz。

本发明用于机器人哺乳动物的制导方法的优点在于：由于利用了由微电刺激大鼠脑部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，即利用了动物逃避伤害的本能，故其制导功能强，因而无需对动物进行事先训练。与原有的基于奖赏机制机器人哺乳动物研究相比，原有技术中，动物每正确完成一个动作后，都要对其进行奖赏刺激，从而进行强化。这种方法一方面需要耗费很长的时间来训练，另一方面，训练成功的动物，如果有一段时间没有进行强化训练则已经习得的技能会消失，需要重新进行学习训练。

机器人哺乳动物目前已经显示了巨大的应用优势，已被人们广泛接受。例如，美军的“机器人海豚”已为世人所熟知；“机器猫(狗)”也因其夜视能力强，即将被用于矿山探测与矿难搜救；机器人哺乳动物在意外事故中(如建筑物倒塌等)的搜救、管道系统的巡检、危险环境的探测等方面都有广泛的应用前景等等，不一枚举。本发明所提供的新型制导方法将大大加速机器人哺乳动物的研究和实用化进程。

附图说明

图1为本发明用于机器人哺乳动物的制导方法的系统示意图；

图2为本发明用于机器人哺乳动物的制导方法中对机器人鼠向前、左转和右转的控制图；

图3为本发明用于机器人哺乳动物的制导方法中对机器人鼠沿设定的“8”字形路线行走的控制图；

图4为本发明用于机器人哺乳动物的制导方法中对机器人猫爬树的控制图。

下面结合附图对本发明进行说明。

具体实施方式

本发明是根据我们提出的基于“动物‘主动逃避’伤害的本能的这一原理”，给出利用微电刺动物的特定神经团核、导致动物主动逃避，从而控制动物行为的方法；本发明述方法仅涉及哺乳类的“机器人哺乳动物”，因此本发明给出的“特定神经团核”只适用于哺乳类动物，这里选用大鼠。因为大鼠是一种典型的控制动物，容易得到。

本发明制导机器人动物的方法，与基于“奖赏机制”的方法截然不同，而是利用“动物逃避伤害的本能”来制导机器人动物。人们都有这样的常识，从低级的毛毛虫到高级的人类，都有逃避伤害的本能，伤害的种类是多种多样的，本发明所述的伤害仅限于疼痛、惊恐和触压。人们常见的用鞭子、棍棒、触摸和恐吓等来训练动物，如训练牛、马、鸟、蛇等等，这些训练不可避免地会带给动物皮肉之苦；但本发明利用“动物逃避伤害的本能”来制导机器人动物的方法，却不是利用真实的对动物皮肉的伤害，而是利用微电刺激机器人动物的与所述“伤害觉”有关的神经核团(或神经位点)，使动物误以为自己受到了“伤害”而逃避，从而改变自己原先所处的状态和行为，如由静止变为运动、由向正前方变为左转或右转、由慢走变为快跑等等。由于这种“痛觉”、“触压觉”和“惊恐”都是由微电刺激在动物脑内形成的“幻觉”，即“伤害”是“虚拟”的，所以电刺激一旦停止，则所述“感觉”立即消失，对动物皮肉毫无伤害。本发明的方法，制导功能强并带有强制性，无需进行训练。因此这种新型的制导方法，具有极其重要深远的意义和巨大的实用价值。本发明用于机器人哺乳动物的制导方法采用由微电刺激动物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，克服了现有动物导航技术和方法中的不足，把机器人哺乳动物推向更高、更广阔的实用阶段。

在本发明用于机器人哺乳动物的制导方法中，采取适当的微刺激信号，适时地刺激大鼠的丘脑腹后外侧核(Ventral posterolateral nucleus，VPL)与杏仁核(Amygdala)，导致其主动逃避行为，从而控制大鼠的运动行为和方向。

上述神经核团包括与痛觉传递相关的神经核团VPL和与恐惧、厌恶等情绪有关的杏仁核。其中VPL神经核团包括传递右侧躯体痛觉的左侧VPL和传递左侧躯体痛觉的右侧VPL，杏仁核神经核团包括左侧杏仁核神经核团和右侧杏仁核神经核团。

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。

本发明用于机器人哺乳动物的制导方法，采取由计算机控制的发射站发出指令信号，传递给背在大鼠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，微刺激信号发生器包括无线接收模块、微处理器和微电极，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。

VPL是与痛觉传递相关的神经核团。若用与动物体内电信号类似的微刺激信号刺激左侧VPL，则会在大鼠脑中形成虚拟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”，大鼠就向左躲避；同理，刺激右侧VPL，则可控制其向右躲避。值得指出的是，这时大鼠脑中感到的痛是“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。

杏仁核是与恐惧、厌恶等情绪有关的神经核团，大鼠脑内的左右两侧各有一个杏仁核，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，都能使大鼠感到恐俱。为提高成功率，实用中，我们用二对电极分别植入两侧的杏仁核，若控制证明只有其中的一个控制效果较好，那就使用较好的那个；若控制证明二个均有效，则可只选用其中的一个。所谓“有效”，即若用微刺激信号刺激杏仁核，则会在大鼠脑中形成恐惧感，大鼠就会因恐惧而向前行走或在行走过程中加速。需要指出的是，这时大鼠脑中感到的“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大鼠的皮肉伤害，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。

②选取合适的刺激电信号。

在本发明用于机器人哺乳动物的制导方法中，由计算机控制的发射站1发出的控制指令采用频率为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3-15个双相脉冲，脉冲幅值为50-80微安，每个单相脉宽为0.1-0.4ms，脉冲频率为50-130Hz。

下面以实施例说明本发明在机器人哺乳动物制导中的应用。

实施例1

选用大鼠作为控制动物，在大鼠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，微刺激信号发生器2可产生微刺激电信号分别经微电极3施加于相应的VPL或杏仁核神经核团。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3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15个双相脉冲，脉冲幅值为50、55、60、65、70、75或80微安，每个单相脉宽为0.1、0.2、0.3或0.4ms，脉冲频率为50、60、70、80、90、100、110、120、130Hz；频率升高时，脉宽应随之适当变窄。上述脉冲的参数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0.5、1、2、3或4Hz。控制表明，大鼠对微电刺激的反应(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。

本发明用于机器人哺乳动物的制导方法的关键之处在于正确地选取刺激神经位点。选取的神经核团应在受到刺激时，使大鼠有效产生恐惧，导致其发生主动逃避行为，如从静止状态开始运动或在运动过程中加速前进、向左/向右调整运动方向等，从而达到对大鼠的运动行为和方向的控制和导航。具有上述功能的神经核团就是大鼠的VPL和杏仁核神经核团。VPL是大鼠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大鼠的丘脑左侧/右侧的VPL，来虚拟外界对其右侧/左侧躯体或爪的伤害(仅仅是虚拟，而实际上对大鼠的皮肉毫无伤害，故可反复进行)，会在脑中产生右/左侧的“触觉”和“痛觉”，有效地迫使大鼠为躲避而运动或在运动中向左/右转变方向。大鼠的杏仁核是恐惧反应的关键核团，刺激它能导致大鼠恐惧，迫使其惊恐地向前跑。

通过适当的微刺激信号刺激大鼠上述神经核团导致大鼠向前、左转和右转的控制效果图参见图2。

实施例2

为了进一步验证本发明对于机器人哺乳动物的制导效果。我们在控制室内设计了大鼠沿固定路线行走的控制。

在控制室内，我们设计了大鼠的预期行走路线(6cm宽的红色胶带贴在地面作为设定路径)。该路线由两个长方形对角连接构成，称之为“8”字形路线。将大鼠置于设定的起点，通过控制其运动行为和方向制导其沿设定路线到达预定目标点。

控制发现，当大鼠在某一点停留不动时，通过刺激单侧(左/右侧)或者同时刺激两侧的杏仁核，都能够使大鼠向前运动；若当大鼠在某一点停留不动时，刺激左/右侧VPL，多数情况下它也能向左/右的方向行走。

在大鼠行走过程中，若同时或分别刺激大鼠左右两侧或某一侧的杏仁核，它会惊恐地快速向前走，但若分别刺激它的左/右VPL，则可使它灵敏地相应向左/右转变方向，连续地刺激可使得它在原地转圈。反复控制表明，若将控制大鼠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，最终到达预期的“目标点/目标区域”。根据试验绘制的大鼠沿固定路线行走的示意图见图3。

在上述控制过程中，事先并未对大鼠进行训练，这说明通过适当的、及时的刺激VPL和杏仁核，可以实现无需事先训练就可以有效地控制和导航大鼠的行为和方向。迫使大鼠从静止状态下开始运动以及在行走过程中改变方向，是确保机器人哺乳动物能够大致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，强迫大鼠向前运动，对于实际应用必不可少，这样可以防止大鼠在完成任务时，中途停止不前，休息时间过长，如果仅靠调节动物的运动方向无法保证其及时到达目的地。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，刺激这些核团能够强制性地改变大鼠的行为。

实施例3

本实施例为机器人猫。与实施例1和实施例2相类似，关键同样是正确地选取刺激神经位点，选取的神经核团应在受到刺激时，使猫产生恐惧，导致其发生主动逃避行为，如从静止状态开始运动或在运动过程中加速前进、向左/向右调整运动方向等，从而达到对猫的运动行为和方向的制导。这里具有上述功能的神经核团为猫的VPL神经核团和杏仁核神经核团。VPL是猫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猫的丘脑左侧/右侧的VPL，来虚拟外界对其右侧/左侧躯体或爪的伤害(仅仅是虚拟，而实际上对猫的皮肉毫无伤害，故可反复进行)，会在脑中产生右/左侧的“触觉”和“痛觉”，有效地迫使猫为躲避而运动或在运动中向左/右转变方向。猫的杏仁核是恐惧反应的关键核团，刺激它能导致猫恐惧，迫使其惊恐地向前跑。

在猫顶头上或背上安装微刺激信号发生器，根据远程的控制命令，微刺激信号发生器产生微刺激电信号经微电极施加于相应的VPL神经核团或杏仁核神经核团。微刺激电信号为双相脉冲序列，与机器人哺乳动物不同的是，机器人猫的刺激脉冲的参数范围为：每个脉冲序列(脉冲串)为8、9、10、11、12、13、14或15、16、17、18、19、或20个双相脉冲，脉冲幅值为50、55、60、65、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，由计算机控制的发射站通过无线传送给微刺激发生器。脉冲序列的发送频率为0.5、1、2、3或4Hz。猫对微电刺激的反应(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。

考虑到猫的众所熟悉的特点是会爬树。所以本实施例设计了一个机器人猫爬树的控制方案。不需要对猫进行事先训练，参照实施例1和实施例2的类似操作方法，即可制导其完成前进、左转和右转等行为。目标首先是制导其向树根部走动，其次是当其到达树根部后，制导其爬向树干。对机器人猫而言，制导其爬树与制导其地面上行走，几乎看不到什么差别；当它从树上下来后，再制导其沿设定的路线到达目的地。整个过程的示意图参见图4。

本发明用于机器人动物的制导方法，由于哺乳动物产生行为反应的神经核团均为相同的神经核团，所以不仅适用于大鼠和猫，而且适用于其他的陆生或水生哺乳动物。

本发明用于机器人动物的制导方法，利用了动物逃避伤害的本能，故其制导功能强大，因而无需对动物进行事先训练。机器人动物具有巨大的应用优势，利用本发明制导的机器人动物由于其不需要事先训练，当动物经验证能够被有效制导后，即可投入使用，大大加快了机器人动物应用于实际的速度。

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 (5)

1、一种用于机器人哺乳动物的制导方法，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，对机器人哺乳动物的运动行为和方向实施控制，其特征在于：该方法执行如下步骤：

1)在所述机器人哺乳动物背部或头顶部设置所述微刺激信号发生器(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)接受所述控制指令后，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哺乳动物的神经核团部位，所述机器人哺乳动物的神经核团为与痛觉有关的丘脑腹后外侧核和与恐惧有关的杏仁核神经核团，分别用于改变所述机器人哺乳动物的运动行为和方向；

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)对所述机器人哺乳动物的不同运动行为和方向的制导。

2、根据权利要求1所述的用于机器人哺乳动物的制导方法，其特征在于：其中所述丘脑腹后外侧核神经核团包括传递右侧躯体痛觉的左侧丘脑腹后外侧核和传递左侧躯体痛觉的右侧丘脑腹后外侧核，所述杏仁核神经核团包括左侧杏仁核神经核团和右侧杏仁核神经核团。

3、根据权利要求1和2所述的用于机器人哺乳动物的制导方法，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所述的用于机器人哺乳动物的制导方法，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0.5-4Hz的脉冲序列。

5、根据权利要求4所述用于机器人哺乳动物的制导方法，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3-20个双相脉冲，脉冲幅值为50-90微安，每个单相脉宽为0.1-0.5ms，脉冲频率为50-150Hz。

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