CN115531722A - 一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统及方法，该系统包括控制模块、电极模块和选择模块，控制模块用于输出参数可调的刺激信号，电极模块用于将刺激信号输出给动物机器人脑区中某一功能脑核团，电极模块包括在动物机器人不同脑区核团中的多根刺激电极；选择模块用于在控制模块发出刺激信号后，随机选择与刺激信号相对应脑区功能核团中的单根刺激电极，对动物机器人输出刺激信号；并根据控制模块发出刺激信号的参数设置刺激时长，在达到刺激时长后再次选择一个刺激电极，使其与控制模块导通，接收其发出的刺激信号。本发明能够减轻动物机器人受脑电刺激时的神经疲劳，获得更好的刺激效果。

Description

一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统及方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，具体涉及一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统及方法。

背景技术

动物机器人是以活体动物为本体，通过微电刺激脑相关功能核团控制其运动行为的一种机器人。与传统机器人不同，动物机器人依靠自身视、听及其他感觉能力感知周围环境，依靠自身体能运动，具有高度的智能和卓越的运动能力。对于动物机器人而言，能够产生脉冲电信号的神经刺激器是其核心组成部分，其性能决定着最终的控制效果。

现有技术中，对动物机器人施加脉冲信号的神经刺激器只能输出规则波形的控制信号，而且现有的刺激方法是对植入于动物机器人脑核团中的单一电极进行重复刺激。神经系统对稳定的持续的电刺激具有适应性，并且很容易使动物机器人产生神经疲劳，影响动物机器人的控制稳定性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统及方法，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现发明目的1，采用以下技术方案：

一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统，包括：

控制模块：用于输出参数可调的刺激信号；

电极模块：用于接收控制模块发送的刺激信号并输出给动物机器人脑区中某一功能脑核团，电极模块包括在动物机器人不同脑区核团中的多对刺激电极；

选择模块：用于在控制模块发出刺激信号后，随机选择与刺激信号相对应脑区功能核团中的单对刺激电极，对动物机器人输出刺激信号；并根据控制模块发出刺激信号的参数设置刺激时长，在达到刺激时长后再次选择一个刺激电极，使其与控制模块导通，接收其发出的刺激信号。

进一步地，所述刺激信号为连续电流刺激信号和/或连续电压刺激信号。

进一步地，所述刺激信号的参数包括信号频率、信号幅值、信号脉宽和信号波形中的至少一项。

进一步地，所述刺激信号为多个不同频率、不同相位、不同振幅的三角函数信号的叠加。

进一步地，所述动物机器人脑区功能脑核团包括动物机器人脑区中控制其前进、后退、左转向以及右转向的功能脑核团。

为了实现上述发明目的2，采用以下技术方案：

一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激方法，采用如上所述的一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统，包括以下步骤：

S1、控制模块向选择模块发送刺激信号，选择模块在接收到刺激信号后，根据刺激信号的参数确定刺激时长；

S2、选择模块随机选择动物机器人脑区中与刺激信号相对应的运动核团中的任一电极，使其与控制模块导通，电极接收控制模块的刺激信号，根据S1中的刺激时长对其进行刺激；

S3、刺激时长结束后，重复步骤S1、S2，选择模块再次随机选择一个刺激电极并对其施加刺激。

本发明具有的有益效果是：

与现有技术相比，本发明提出的刺激系统及方法能够减轻动物机器人受脑电刺激时的神经疲劳，获得更好的刺激效果。

附图说明

图1为本发明中减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统示意图；

图2为本发明中减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激方法流程图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统，以鸽子机器人为例，如图1所示，包括控制模块101、选择模块102以及电极模块103：

控制模块101：用于输出可调参数的刺激信号，刺激信号包括电压信号和/或电流信号；通过向植入于鸽子机器人脑功能核团中的电极输出刺激信号，对鸽子机器人的运动行为进行控制。

例如，控制模块可以向控制鸽子机器人前进功能脑区核团输出刺激信号，对该功能脑核团施加刺激信号，实现对鸽子机器人运动行为进行控制的目的。控制模块向鸽子机器人输出参数可变的脉冲刺激信号和/或重复刺激信号的过程是一种连续性输出的过程，本实施例中就是在一个时间周期内向鸽子机器人输出满足控制要求的连续信号。

可以理解的是，本实施例并不限制参数可调的输出信号的具体实现，控制模块可以包括存储单元和处理器单元，对其大小、形状不做限定。控制模块的控制功能可以由MPU、DSP、FPGA、MCU或其任意组合来实现，可以是包括如CN11134629A所公开的应用于脑刺激的电刺激电路，或包括DAC输出电压可调稳压电源。

电极模块103：用于接收控制模块发送的刺激信号并向鸽子机器人脑区中某一功能脑核团输出，包括在鸽子机器人不同脑区核团中的多根刺激电极，每个刺激电极设置在目标功能核团内；由于刺激鸽子左右导水管能得到相同的控制效果，故选择模块可以随机选择植入于鸽子左右导水管的电极接收刺激信号，鸽子机器人脑区功能脑核团包括鸽子机器人脑区中控制其前进、左转向以及右转向的功能脑核团；

其中，电极模块103选用的电极可以是金属银电极、氯化银电极和/或其他材质的电极。

选择模块102：用于在控制模块发出刺激信号后，随机选择与刺激信号相对应脑区功能核团的单对刺激电极，对鸽子机器人输出刺激信号；并根据控制模块发出刺激信号的参数设置刺激时长，在达到刺激时长后再次选择一个刺激电极，使其与控制模块导通，接收其发出的刺激信号。

控制模块输出的刺激信号通过选择模块的选择端，使与刺激信号对应脑功能核团中的任意电极对都能够被选择，避免鸽子机器人单一电极受到长时间连续刺激，减轻鸽子机器人的神经疲劳，获得更好的刺激效果，从而对鸽子机器人施加更精确的控制。

具体地，控制模块通过I2C(Inter－Integrated Circuit)总线的方式连接选择单元102的控制端。I2C总线是一种两线式或四线式串行总线，I2C总线至少只需要一根数据线和一根时钟线两根线就能实现主从通信，总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路。因此I2C总线简化了硬件电路PCB布线，降低了系统成本，提高了系统可靠性。I2C总线可以很容易形成标准化和模块化，便于用户重复利用。另外，在无需额外添加硬件的情况下，通过I2C总线可以实现控制模块101和选择模块102中多个选择单元的主从通信，每个选择单元对应一个电极，减少了控制模块101端口和选择模块102端口的使用数量，更节省成本。

选择模块为产生一个时分复用的多通道刺激通路，当控制模块的主控芯片通过I2C接口读取数据后，将根据接收到数据产生幅值和脉宽可调的编码电流和/或电压脉冲单元刺激。电流和/或脉冲单元刺激由控制模块的主控芯片经过数模转换器DAC后发出，经镜像驱动电路后输出到由模拟开关组成的多通道转换接口电路。多通道转换接口电路在控制模块主控芯片GPIO控制下选通目标刺激通道，并根据刺激参数进行编码，进而将编码的刺激电流脉冲施加到目标神经核团上。控制模块向电极模块输出幅值可调的电流信号可以选择内部具有电流输出的主控制芯片。例如C8051F330，该芯片通过其内部的D/A可以输出幅值可调的电流。

控制模块向鸽子机器人输出随机波形的刺激信号，其中随机波形的刺激信号为多个不同频率、不同相位不同振幅的三角函数信号的叠加。控制模块101发出的刺激信号在预设的幅值范围内随机。选择模块102根据控制模块101发出刺激信号的幅值大小拟设置刺激时长，在拟设置刺激时长结束后，选择模块再次从该功能脑核团植入的电极中随机选择一根电极与控制模块导通，接收控制模块发出的刺激信号。

例如，根据脉冲刺激信号的频率信息、幅值信息、脉宽信息中的一项或多项综合确定刺激时长。可以理解的是，刺激参数为脉冲刺激信号的参数信息，以上仅为参数的具体实例，在具体实现中可选择更多的刺激参数作为确定刺激时长的参数。例如，控制模块发出50hz、0～3v电压刺激信号时，设置刺激时长为10s。此时，选择模块随机选择鸽子机器人对应脑区中的任一电极，使其与控制模块导通。10s后通过模拟开关再次选择其它通道电极施加刺激。当控制模块对该脑区发出的电压刺激信号变为50hz、3～5v时，拟设置刺激时长为5s。这时，选择模块选择电极对接收控制模块发出的连续刺激信号，并把刺激时长由10s更新为5s。

一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激方法，如图2所示，采用如上所述的一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统，包括以下步骤：

S1、控制模块向选择模块发送50hz，0～3v电压刺激信号，选择模块在接收到刺激信号后，根据刺激信号的参数确定刺激时长为10s；

S2、选择模块随机选择鸽子机器人脑区中与刺激信号相对应的运动核团中的任一电极，使其与控制模块导通，电极接收控制模块的刺激信号，根据S1中的刺激时长对其进行刺激；

S3、10s后，电压刺激信号变为50hz，3～5v，选择模块确定刺激时长为5s，选择模块再次随机选择一个刺激电极，并对其施加5s的刺激。

综上，通过选择模块102的控制端接收来自控制模块101的刺激信号，通过电极模块103接收选择信号，使被选择的电极对和控制模块101导通，从而让控制模块发出的刺激信号施加给鸽子机器人。达到减轻鸽子机器人受持续微电刺激时的神经疲劳的目的，获得更好的刺激效果。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统，其特征在于，包括：

控制模块：用于输出参数可调的刺激信号；

电极模块：用于接收控制模块发送的刺激信号并输出给动物机器人脑区中某一功能脑核团，电极模块包括在动物机器人不同脑区核团中的多根刺激电极；

选择模块：用于在控制模块发出刺激信号后，随机选择与刺激信号相对应脑区功能核团中的单根刺激电极，对动物机器人输出刺激信号；并根据控制模块发出刺激信号的参数设置刺激时长，在达到刺激时长后再次选择一个刺激电极，使其与控制模块导通，接收控制模块发出的刺激信号。

2.根据权利要求1所述的一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统，其特征在于，所述刺激信号为连续电流刺激信号和/或连续电压刺激信号。

3.根据权利要求2所述的一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统，其特征在于，所述刺激信号的参数包括信号频率、信号幅值、信号脉宽和信号波形中的至少一项。

4.根据权利要求1所述的一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统，其特征在于，所述刺激信号为多个不同频率、不同相位、不同振幅的三角函数信号的叠加。

5.根据权利要求1所述的一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统，其特征在于，所述动物机器人脑区功能脑核团包括动物机器人脑区中控制其前进、左转向以及右转向的功能脑核团。

6.一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激方法，采用如权利要求1-5任一项所述的一种减轻动物机器人脑电刺激神经疲劳的刺激系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1、控制模块向选择模块发送刺激信号，选择模块在接收到刺激信号后，根据刺激信号的参数确定刺激时长；

S2、选择模块随机选择动物机器人脑区中与刺激信号相对应的运动核团中的任一电极，使其与控制模块导通，电极接收控制模块的刺激信号，根据S1中的刺激时长对其进行刺激；

S3、刺激时长结束后，重复步骤S1、S2，选择模块再次随机选择一个刺激电极并对其施加刺激。

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