CN109394208A - 一种生物机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物机器人系统，包括植入式神经刺激电路系统和生物机器人脑电信号采集系统；其中，植入式神经刺激电路系统包括背包，背包被固定在大鼠背上，等待大鼠恢复平静后，由C8051F330芯片产生微电流刺激脑部核团来控制大鼠运动方向；采集过程中对信号进行滤波处理；选用AD620作为前置放大器，前置放大器和运放LM324构成的带通滤波器放置在主板上，测量电极被植入M1区，通过屏蔽的软线与测量电极相连接，脑电信号在被QN8027发射之前会通过50Hz陷波器，主板上的MCU C8051F330采集脑电信号后通过QN8027和功放电路发射脑电信号至移动部分。本发明的有益效果是采用微电流刺激使其转向，具备单独刺激或者记录脑电信号的功能。
Description
技术领域
本发明属于生物机器人技术领域，涉及一种生物机器人系统。
背景技术
“生物机器人”也称为“半电子人(cyborg)”，其原理是，根据动物运动行为的神经生物学原理，选取活体动物的相关脑区，将运动功能和现代电子技术、传感技术、网络控制等技术结合来实现对动物脑电(EEG)信号的人为控制。由于生物机器人研究在神经科学与工程、国家安全等领域具有重要的理论和应用价值，特别是它具有天然隐蔽性和抗恶劣外部(如雷电、大风等)干扰以及具备自身运动能源供给等突出优点，目前已经成为备受关注的国内外前沿研究课题之一。自上世纪90年代末，科学界开始研究生物机器人运动控制技术，它
是电子信息技术、微制造技术和神经生物学高度发展与相互融合的产物，是目前交叉学科发展最活跃的领域之一。到目前为止，绝大部分生物机器人运动控制均为开环控制。如果能够实现对生物机器人的闭环控制(即遥控+遥测)，使得生物机器人可以脱离实验室环境、克服生物疲劳性、增强适应性以及可靠实现预期运动行为控制等方面具有重要意义。进入21世纪后，神经生物学和电子学的高速发展，在多年动物实验的实践基础上，应用于人体的早期植入设备被设计及制造出来，用于恢复损伤的听觉、视觉和肢体运动能力。随着研究的深入，一些研究者开始对脑电信号的非线性特点进行了进一步的探讨，越来越多的观点认为脑电可能是高维混沌信号，并致力于发展适合分析可能是源自于高维系统的脑电的非线性分析方法。自然界中的非线性是普遍存在的，动物大脑更是一个典型的非线性系统，同时脑电的非线性研究是非线性科学中的一个重要部分。一方面，基于脑电非线性特征，设计给予动物大脑相匹配的特定刺激，可能进一步提高遥控的精准性，这就要求实时检测脑电信号并加以分析，即遥测；另一方面，生物机器人在搜寻、搜救和探测等军民应用领域亦要求在遥控的同时能实时采测动物的神经信号用于对特定任务的效果进行实时评估。本项目针对以往的生物机器人开环控制和脑电信号具有非线性特点，充分融合神经生物学和混沌理论方法，研究生物机器人闭环控制方法及其行为模式，以期进一步提高遥控的精准性和生物机器人执行任务的“鲁棒性”。
目前，国内外生物机器人控制均采用微电压脉冲刺激和开环控制方式，根据神经核团的等效电路，神经核团经长期微电压刺激后会产生神经疲劳，从而导致控制效果不佳。从实际应用方面来看，单纯采用微电压方式刺激神经核团不能长时间很好的控制生物机器人的运动。有线遥测脑电的方式虽然精度相对较高，但会限制动物的运动范围，实验过程中可能会发生导线缠绕或被动物撕咬等情况。因此，需要设计新型的基于微电流刺激的生物机器人闭环运动控制系统，同时利用无线遥控遥测系统采集并分析其脑电信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物机器人系统，本发明的有益效果是改变以往虚拟触觉诱导生物机器人转向的控制模式，采用微电流刺激使其转向，利用已经证明的丘脑腹后外侧核(VPL)和初级运动皮层(M1)之间存在的神经通路，重点研究感觉、动机和情绪相关的神经系统与运动行为控制之间关系。同时，在动物自由活动的状态下，将采集的动物脑电经滤波、放大后用无线传输芯片将信号无线发射出去，由接收端接收后传送给计算机显示和处理，双向通信距离达到100m，具备单独刺激或者记录脑电信号的功能。
本发明所采用的技术方案是包括植入式神经刺激电路系统和生物机器人脑电信号采集系统；其中，植入式神经刺激电路系统包括背包，背包被固定在大鼠背上，等待大鼠恢复平静后，由C8051F330芯片产生微电流刺激脑部核团来控制大鼠运动方向；C8051F330芯片的P0.4和P0.5端口分别控制A0、A1的高低电平来选择具体通道，P0.6端口控制MAX333A的INA口的电平高低进行开关切换，通过合适的高低电平时序组合即可实现双相电流脉冲；
由于动物脑电信号具有多个频率范围和微伏级幅值的特点，采集信号过程中很容易受到元器件噪声和交流信号干扰，为了使干扰降到最低，脑电信号采集部分由多级运放组合构成，并在采集过程中对信号进行滤波处理；选用高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的AD620作为前置放大器，前置放大器和运放LM324构成的带通滤波器放置在主板上，测量电极被植入M1区，通过屏蔽的软线与测量电极相连接，为了排除50Hz工频干扰，脑电信号在被QN8027发射之前会通过50Hz陷波器，主板上的MCU C8051F330采集脑电信号后通过QN8027和功放电路发射脑电信号至移动部分。
附图说明
图1是生物机器人遥控通道；
图2是生物机器人脑电信号遥测电路；
图3是PL2303系统电路图；
图4是通过SPICE模型仿真的遥测系统中滤波电路的频率响应曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种生物机器人系统，包括植入式神经刺激电路系统和生物机器人脑电信号采集系统。
其中，植入式神经刺激电路系统包括背包，背包(体积25×15×2mm，重量无电池时4g，有电池时10g)由主板、FM发射器和接收器组成。背包被固定在大鼠背上，等待大鼠恢复平静后，由C8051F330芯片产生微电流刺激脑部核团来控制大鼠运动方向。由于系统需要3路独立的刺激通道，而C8051F330芯片只有1路DAC，我们选用模拟开关MAX4534和MAX333A(MaximInc.)来实现由1路DAC产生多路的双相微电流脉冲。图1为植入式微电流电路图，图中RL1～RL3表示被刺激的脑部核团等效阻抗(左右VPL区和前脑内侧束MFB区)，C8051F330芯片的P0.4和P0.5端口分别控制A0、A1的高低电平来选择具体通道，P0.6端口控制MAX333A的INA口的电平高低进行开关切换，通过合适的高低电平时序组合即可实现双相电流脉冲，生物机器人遥控通道分别如图1所示。
由于动物脑电信号具有多个频率范围和微伏级幅值的特点，采集信号过程中很容易受到元器件噪声和交流信号干扰，为了使干扰降到最低，脑电信号采集部分由多级运放组合构成，并在采集过程中对信号进行滤波处理。为满足设计指标，选用高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的AD620作为前置放大器(如图2中a所示)，前置放大器和运放LM324构成的带通滤波器(图2中b,c)放置在主板上，测量电极被植入M1区，通过屏蔽的软线与测量电极相连接。为了排除50Hz工频干扰，脑电信号在被QN8027发射之前会通过50Hz陷波器(图2中d)，主板上的MCU C8051F330采集脑电信号后通过QN8027和功放电路(图2中e)发射脑电信号至移动部分。
如图3所示，PL2303(Prolific,Inc.)为一款USB转UART芯片，该器件内集成了USB总线控制器、数据收发器、晶体振荡器和带有调制解调器功能的UART。使用时，只需要在芯片外围添加几只电容就能够将USB信号转换为UART信号。该芯片在工作时可以实现USB数据格式和UART数据格式的双相收发，通过利用USB块传输模式和庞大的数据缓冲器和自动流量控制，PL2303能够实现比传统的UART(通用异步收发器)端口更高的数据流量，高达115200bps的波特率可用于更高的性能使用。C8051F330通过I2C接口与QN8027/QN8025通信，刺激参数经过功放电路(PACircuits)放大后，QN8027的发射距离可以提升至200m。分别选用QN8027和QN8025(Qunitic,Inc.)作为无线发射和接收模块。QN8027/QN8025是目前市面上比较流行的数字广播调频发射/接收芯片，主要应用于便携式MP3/MP4播放器、智能手机、GPS导航仪及汽车收音机等设备。芯片集成了发射/接收、搜索电台、天线调谐等功能，主要特点如下：
(1)支持全球FM 76～108MHz波段发射，步长50/100/200KHz；
(2)易于集成，小封装3×3×0.95mm MSOP10尺寸；
(3)仅需要两个外部元件天线自动调谐；
(4)GPS和手机通讯频段的低杂散，对TDMA(GSM/GPRS)突发噪音有强抗干扰能力；
(5)支持多晶振频率，I2C及3线控制接口；
(6)低功耗，7.0mAFCC输出电平；
(7)集成了稳压器，可直接连接电池，带有省电和待机模式；
(8)高性能FM发射机/接收机，65dB立体声信噪比；
(9)最大119dBμVp RF输出电平，34dB调节范围；
(10)RDS/RBDS发射/接收机；支持美国和欧洲的数据服务,包括TMC(交通信息频道)；
(11)在-25℃到+85℃范围内运行，所有输入和输出管脚都有静电保护。
采用C8051F330作为固定部分的微处理器(MCU)，该处理器与8051完全兼容，使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器内核可以使用标准Keil C51编译器进行软件开发。主要特征如下[56]：
(1)内核具有流水线结构，与8051内核兼容，运行速度最高达25MIPS；
(2)含有10位16通道的差分ADC，且带有模拟多路器；
(3)带有电流型输出的DAC,输出量程可以调节，最大为1.5mA；
(4)4个通用型16位定时器；
(5)带有硬件实现的SPI接口，SMBus/I2C接口和1个UART串行接口；
(6)低电压供电(2.7～3.6V),两种封装形式，20脚DIP或MLP封装；
(7)能够在比较宽的温度范围内工作(-40～85℃)。
为了进一步提高接收端的数据精度，在此设定为单向刺激占空比，实际接收端单片机中作乘法运算后输出双向刺激占空比。我们设定刺激脉冲周期为10ms，双向刺激脉冲个数为10个，刺激串周期为1000ms，刺激电流为100μA，刺激串个数为10个，通过7.5kΩ的取样电阻和示波器(GDS-3000,GWINSTEK Inc.)来测试遥控系统输出100μA双相微电流波形。从示波器可以读出幅值、周期、占空比等参数。图4所示为通过SPICE模型仿真的遥测系统中滤波电路的频率响应曲线图。从图中可以看出，遥测系统的放大增益大约为44.5dB，带通频率范围为1Hz～40Hz和200Hz～5KHz，且能够对50Hz工频干扰陷波，仿真结果表明滤波器部分满足测量大鼠脑电信号的要求。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种生物机器人系统，其特征在于：包括植入式神经刺激电路系统和生物机器人脑电信号采集系统；其中，植入式神经刺激电路系统包括背包，背包被固定在大鼠背上，等待大鼠恢复平静后，由C8051F330芯片产生微电流刺激脑部核团来控制大鼠运动方向；
由于动物脑电信号具有多个频率范围和微伏级幅值的特点，采集信号过程中很容易受到元器件噪声和交流信号干扰，为了使干扰降到最低，脑电信号采集部分由多级运放组合构成，并在采集过程中对信号进行滤波处理；选用AD620作为前置放大器，前置放大器和运放LM324构成的带通滤波器放置在主板上，测量电极被植入M1区，通过屏蔽的软线与测量电极相连接，为了排除50Hz工频干扰，脑电信号在被QN8027发射之前会通过50Hz陷波器，主板上的MCUC8051F330采集脑电信号后通过QN8027和功放电路发射脑电信号至移动部分。
2.按照权利要求1所述一种生物机器人系统，其特征在于：所述C8051F330芯片的P0.4和P0.5端口分别控制A0、A1的高低电平来选择具体通道，P0.6端口控制MAX333A的INA口的电平高低进行开关切换，通过合适的高低电平时序组合即可实现双相电流脉冲。
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| 张典: "大鼠机器人遥控遥测系统与行为模式研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110554389A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-12-10 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 一种改善宽温工作增益起伏的77GHz雷达接收机电路 |
| CN110554389B (zh) * | 2019-09-26 | 2024-03-15 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 一种改善宽温工作增益起伏的77GHz雷达接收机电路 |
| CN114947869A (zh) * | 2021-02-25 | 2022-08-30 | 哈尔滨工业大学 | 具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统及方法 |
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