CN108127662A - 一种控制熊蜂机器人爬行偏转行为的方法及研究系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉回路刺激控制熊蜂机器人爬行偏转行为的方法及研究系统，属于昆虫机器人技术领域。所述控制方法包括：(1)对熊蜂机器人的侧前脑前视结节给予电脉冲刺激，记录其行为响应的数据信息；(2)分析电脉冲刺激参数与行为响应之间的定量关系，获得控制指令集；(3)根据控制指令集向熊蜂机器人的侧前脑前视结节输送电脉冲刺激，控制熊蜂机器人产生特定的爬行偏转行为。本发明通过对熊蜂机器人的前视结节进行电刺激，实现其爬行偏转行为的控制，为熊蜂机器人的行为控制研究提供新的刺激位点。

Description

一种控制熊蜂机器人爬行偏转行为的方法及研究系统

技术领域

本发明涉及昆虫机器人技术领域，具体涉及一种基于视觉回路刺激控制熊蜂机器人爬行偏转行为的方法及研究系统。

背景技术

昆虫机器人是以昆虫为载体，结合微机电(MEMS)控制模块形成的一种新型动物机器人系统。这类特殊机器人能够借助其生物载体本身的运动能力，不需要考虑复杂的机械及动力系统。相比于普通的微型机器人或微型飞行器，昆虫机器人具有如下优势：第一，得益于其小巧灵活的体型以及天然的昆虫外形，昆虫机器人在科学研究、国防安保、工业生产等领域有广泛的应用前景；第二，昆虫机器人的研究也对深入了解昆虫认知行为以及其神经生理学的知识起到了一定的作用。

如何控制昆虫机器人借助其本身的生物优势产生特定行为反应是应用领域研究中需首要解决的问题。传统的研究方法中，控制昆虫机器人的研究一般包括行为刺激模块、昆虫行为采集与分析模块、控制指令决策优化三个部分，直接对昆虫的控制肌群或者相关功能脑区进行微电刺激，搭建合适的数据采集平台来记录相应的运动行为，随后分析电刺激参数与行为响应之间的定量模型关系，从诱导出的特定行为反向优化控制指令集，保证该控制指令集可以高效并稳定地控制昆虫机器人运动行为的再实现。

目前昆虫机器人研究的实验对象主要包括蟑螂、甲虫、烟草天蛾以及蜻蜓等体型较大的昆虫，其行为控制的技术难点主要集中在固定状态、爬行状态以及非完全飞行状态的研究，实验对象和技术难点的局限性使得在昆虫机器人的研究上难以有大的突破。为实现对昆虫机器人的行为控制，研究人员直接对控制肌群或者相关功能脑区进行电刺激，这些刺激位点主要集中在昆虫的前足各节、触角、前胸背板以及参与视觉通路的视叶，如通过电刺激蟑螂机器人的触角控制其左右偏转以及针对甲虫机器人的前足刺激而实现的行走控制。然而，刺激位点仅局限在上述的区域，相对其他脑区的控制研究几乎是空白的。因此，选择合适的刺激位点成为实现昆虫机器人的行为控制的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于视觉回路刺激控制熊蜂机器人爬行偏转行为的方法，为能够直接通过电子背包刺激熊蜂机器人的神经回路准确控制熊蜂机器人的行为提供研究基础。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于视觉回路刺激控制熊蜂机器人爬行偏转行为的方法，包括以下步骤：

(1)对熊蜂机器人的侧前脑前视结节给予电脉冲刺激，记录其行为响应的数据信息；

(2)分析电脉冲刺激参数与行为响应之间的定量关系，获得控制指令集；

(3)根据控制指令集向熊蜂机器人的侧前脑前视结节输送电脉冲刺激，控制熊蜂机器人产生特定的爬行偏转行为。

熊蜂的神经回路主要涉及嗅觉回路、视觉回路等，不同的回路涉及不同的脑区，并且信息在传递过程存在并行通路，所以相关脑区结构可能位于不同的平面位置，考虑到当前的金属微电极制作和针对昆虫脑区的精细手术操作的难度，选择合适的刺激位点对于后续的研究至关重要。本发明为熊蜂机器人的行为控制研究提供新的刺激位点，研究证实视觉回路的侧前脑前视结节参与视觉信息的处理，对该位点进行电脉冲刺激能够控制熊蜂机器人的爬行偏转行为。

作为优选，所述熊蜂机器人的侧前脑前视结节处植入有刺激电极。所述刺激电极由直径为35μm镍铬合金微丝作为刺激电极，直径为35μm钨丝作为接地电极的双股电极组成。

作为优选，所述电脉冲刺激的参数包括电压值、占空比、时长以及频率。

作为优选，所述行为响应包括体节运动变化。

为减少其他干扰因素影响行为响应，步骤(1)中，将熊蜂机器人的头部固定在防震平台上，记录其在头部固定的状态下，接受电刺激后腹部的运动变化，进而分析电脉冲刺激与行为响应之间的关系。

作为优选，步骤(1)中，利用同步控制系统将数据信息和电脉冲刺激输出同步到同一个时间坐标上。

利用同步控制系统分析电刺激参数与熊蜂机器人行为响应之间的定量关系，从而获取控制熊蜂机器人行为的精确控制指令集。

作为优选，步骤(2)中，根据得到的行为响应再对电脉冲刺激参数进行调整，获得优化的控制指令集。

步骤(3)中，利用分析获取的控制指令集对处于自由爬行状态下的熊蜂机器人给予电刺激，使其产生特定的爬行偏转行为，实现人为控制熊蜂机器人行为的目的。

作为优选，所述熊蜂机器人上负载有用于接受刺激指令的微型无线电子背包，其与所述刺激电极电连接。

为实现熊蜂机器人的自由运动状态，负载在熊蜂机器人胸部背板上的微型无线电子背包的重量约为150mg，达到熊蜂负载的标准，同时能够接受无线信号进而控制刺激电极输出电刺激，在最大程度上实现熊蜂机器人在运动范围和运动行为上的自由度，突破传统电刺激方式对熊蜂机器人的运动范围上的影响。

本发明的另一个目的是一种控制熊蜂机器人爬行偏转行为的研究系统，上述的基于视觉回路刺激控制熊蜂机器人爬行偏转行为的方法可以通过该研究系统实现。

所述的研究系统包括：

负载微型无线电子背包的熊蜂机器人，其侧前脑前视结节植入有刺激电极，所述刺激电极与微型无线电子背包电连接；

控制单元，向微型无线电子背包发送刺激指令；

图像采集器，用于记录熊蜂机器人爬行行为响应的图像信息。

所述的熊蜂机器人以熊蜂为载体，通过前期开窗手术的电极植入坐标及对刺激位点的精准性验证确定了前视结节的坐标数据，利用该坐标数据无需开窗手术即能实现在前视结节处精准植入刺激电极。熊蜂机器人上负载轻量级微型无线电子背包，接收控制单元发送的刺激指令，进而向熊蜂机器人的前视结节输送电脉冲序列，熊蜂机器人的视觉回路被电刺激后，发生爬行偏转行为；图像采集器记录下爬行偏转行为，通过分析刺激指令与行为响应之间的定量关系，即能实现精准控制熊蜂机器人爬行偏转行为，为熊蜂机器人行为控制提供研究基础。

所述控制单元包括PC机、USB转串口、无线发射器。

所述图像采集器为摄像头，采集熊蜂机器人所产生的体节运动变化。

所述研究系统的实验平台均按照熊蜂机器人个体的特点进行设计，防止实验过程中不必要的振动对实验造成影响，本发明将实验平台的所有设备均放置在防震台面上。防震台面提供了较好的接地环境，最大可能地减小了行为采集过程中的噪音问题。

作为优选，所述研究系统还包括同步系统模块，用于将图像采集器采集的图像信息和控制单元的刺激指令输出同步到同一个时间坐标上。

所述同步系统模块能够同时触发控制单元发送刺激指令并开启图像采集器，实现刺激指令与行为之间的时间同步，有助于获取控制熊蜂机器人行为的精确控制指令集。

本发明具备的有益效果：

(1)本发明通过对熊蜂机器人的前视结节进行电刺激，实现其爬行偏转行为的控制，为熊蜂机器人的行为控制研究提供新的刺激位点。

(2)本发明采用的微型无线电子背包的重量达到熊蜂机器人能够负载的标准，实现熊蜂机器人爬行状态下的自由运动，为爬行状态下电刺激控制熊蜂机器人奠定基础。

附图说明

图1为熊蜂的脑组织结构的示意图。

图2为手术过程中剥离脑壳、除去脑膜、腺体等组织后的暴露出的熊蜂脑组织示意图。

图3为实验结束后，对植入电极的位点进行切片验证示意图。

图4为固定状态熊蜂电刺激实验平台的示意图。

图5为固定状态下对熊蜂机器人前视结节位点进行电刺激产生的腹部偏转的实验图，(A)位电刺激前熊蜂机器人的状态；(B)为电刺激后熊蜂机器人的腹部变化。

图6为爬行状态熊蜂机器人电刺激实验平台的示意图。

图7为刺激背包控制熊蜂机器人产生爬行偏转行为，白色实线为微电刺激前熊蜂机器人的运动方向，白色虚线为微电刺激后熊蜂机器人的运动方向。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

(1)熊蜂神经回路刺激位点的选择

根据目前已有的对熊蜂生理结构、形态结构的了解所绘制的脑部结构示意图(图1)，其中按照已有的文献资料将昆虫脑部中主要的脑区结构包括视叶、触角叶、蘑菇体等都标注出来，视叶主要参与昆虫的视觉信息的处理，触角叶参与嗅觉信息的处理，结构示意图方便了解昆虫的神经回路和寻找合适的刺激记录位点，脑部轮廓参考论文[Segregationof Visual Inputs From Different Regions of the Compound Eye in Two ParallelPathways Through the Anterior Optic Tubercle of the Bumblebee(Bombusignitus)]。

在本实例中，结合已有的文献资料和研究进展了解到前视结节参与视觉信息的处理，但是没有进行过电生理控制相关的研究，遂将前视结节脑区选为电刺激位点，研究是否在此位点刺激可控制产生相应的行为响应。

(2)熊蜂手术以及位点的精准性验证

为了保持头部的稳定方便后续的实验操作，利用蜂蜡将昆虫的头部固定在实验支架上，见图2得到真实的脑组织结构，其中存在明显的参照脑区，用来作为坐标系的参考。

图3为实验结束后，对植入电极的位点进行切片验证示意图。整个刺激实验完成后，将电极从熊蜂脑组织中取出，固定48h以上后石蜡包埋，对脑组织进行组织切片，最后使用普鲁士蓝试剂对切片进行染色，确认蓝色的电极植入点位置，通过与其他脑区的坐标系进行对比，判断电极是否准确植入到了预定的脑区位点。该实验方法能够保证电极植入位点的精准性，并判断在实验过程中是否出现了电极的偏移，影响实验的最终效果和行为数据的分析。

将开窗手术中的前视结节测量数据进行处理整合，用于后续不开窗手术电极植入的坐标基础。基于固定状态开窗手术的电极植入坐标和对刺激位点的精准性验证，实现了针对熊蜂的非开窗电极植入方法，即不用完全将熊蜂大脑打开，借助测量的坐标和特制的电极夹持器，保证了电极植入位点的精准性，并在一定程度上减小了对实验熊蜂的损伤。

(3)固定状态电刺激实验平台搭建

图4为同步记录电刺激和昆虫运动行为的实验平台示意图。该实验平台的所有设备都放置在防震台面上，保证了实验过程中不必要的震动以及实验设备的接地问题。

实验平台主要由PC机11、摄像头12、红外装置(包括红外光源和红外传感器)、电刺激器、同步控制系统等主要实验设备组成，另外还包括协助金属微电极植入脑区的体视显微镜、显微操纵器，以及固定熊蜂13的固定支架。

电刺激器的作用是设置电刺激脉冲的参数(电压值、占空比、时长和频率)，通过植入到熊蜂脑区特定位点的金属微电极将电刺激输入至熊蜂脑部；摄像头被放置在熊蜂的正前方和侧面，用以同时记录电刺激后熊蜂在两个方向上的体节行为响应，便于后续分析熊蜂体节的空间位置变化；由红外光源和红外传感器组成的红外装置的主要作用是记录熊蜂在电刺激后的翅膀行为，包括翅膀的振翅频率和振幅等，这些高频参数无法由摄像头记录；PC机的主要功能是触发所有设备的启动和停止，可以通过自主开发的同步操作系统实时观察到所有记录数据的变化，同步控制系统的主要作用是通过采集卡将所有的输入都同步到同一个时间坐标上，便于更好地分析电刺激参数和昆虫机器人行为响应之间的定量关系。体视显微镜和显微操作器在示意图中没有具体描述，其作用是放大熊蜂脑部，协助将金属微电极准确而顺利地植入到熊蜂脑部特定的刺激位点。

在本实例中，给予固定状态熊蜂机器人电刺激参数为3V电压值，50％占空比，0.5S时长，100HZ频率的单侧正负方波电刺激脉冲(实验参数可根据具体行为响应自行调节并进行优化)，如图5所示，熊蜂机器人的腹部在单侧电刺激的条件下发生了明显的同侧偏转。

(4)控制指令集的获取：根据固定状态电刺激实验得到的视频数据和红外数据，可以分析出电刺激后昆虫体节以及翅膀的运动变化，同时借助同步控制系统的时间同步作用，可以准确分析出电刺激参数与熊蜂机器人行为响应之间的定量关系，根据得到的运动行为再对电刺激指令的电压、时长、频率等参数进行精确调整，从而获得能够控制特定行为的精准控制指令集(合适的刺激参数)。

(5)爬行状态熊蜂机器人电刺激控制平台

图6为爬行状态下控制熊蜂机器人行为的实验平台示意图。熊蜂21胸部背板上用蜂蜡固定了研制的刺激背包系统22，该刺激背包的重量完全可以保证熊蜂在场景内自由爬行。刺激背包前端引出的金属电极线按固定实验获得的数据通过非开窗手术实验植入到熊蜂机器人脑区的前视结节位点，并用生物硅胶固定保证在实验过程中电极的稳定，不会因为熊蜂机器人本身的运动而造成电极位置的移动，从而减小对熊蜂脑组织的损伤，并且避免了熊蜂机器人自身对异物植入产生的拉拽作用。在实验过程中，背包系统替代电刺激器对熊蜂脑部输入电刺激，缓解了传统电刺激器对熊蜂机器人自由运动范围的影响，由PC机23远程调节电刺激参数(该电刺激参数为固定状态电刺激实验控制指令集优化所得)，并控制刺激背包系统的触发和停止电脉冲序列的输送，受到刺激后的熊蜂机器人产生明显的爬行偏转行为。

在本实例中，爬行状态行为控制时，刺激背包输送3V电压值，50％占空比，0.5S时长，100HZ频率的单侧正负方波电刺激脉冲至熊蜂机器人前视结节。如图7所示，熊蜂机器人在单侧电刺激的条件下明显发生了同侧的偏转。

Claims (10)

1.一种基于视觉回路刺激控制熊蜂机器人爬行偏转行为的方法，包括以下步骤：

(1)对熊蜂机器人的侧前脑前视结节给予电脉冲刺激，记录其行为响应的数据信息；

(2)分析电脉冲刺激参数与行为响应之间的定量关系，获得控制指令集；

(3)根据控制指令集向熊蜂机器人的侧前脑前视结节输送电脉冲刺激，控制熊蜂机器人产生特定的爬行偏转行为。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熊蜂机器人的侧前脑前视结节处植入有刺激电极。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述熊蜂机器人上负载有用于接受刺激指令的微型无线电子背包，其与所述刺激电极电连接。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电脉冲刺激的参数包括电压值、占空比、时长以及频率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述行为响应包括体节运动变化。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，利用同步控制系统将数据信息和电脉冲刺激输出同步到同一个时间坐标上。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，根据得到的行为响应再对电脉冲刺激参数进行调整，获得优化的控制指令集。

8.一种控制熊蜂机器人爬行偏转行为的研究系统，包括：

负载微型无线电子背包的熊蜂机器人，其侧前脑前视结节植入有刺激电极，所述刺激电极与微型无线电子背包电连接；

控制单元，向微型无线电子背包发送刺激指令；

图像采集器，用于记录熊蜂机器人爬行行为响应的图像信息。

9.如权利要求8所述的研究系统，其特征在于，还包括同步系统模块，用于将图像采集器采集的图像信息和控制单元的刺激指令输出同步到同一个时间坐标上。

10.如权利要求8所述的研究系统，其特征在于，所述控制单元包括PC机、USB转串口、无线发射器。