基于BCI的壁虎动物机器人遥控刺激系统.pdf

基于BCI 的壁虎动物机器人遥控刺激系统 1 1 1 1 2 李海鹏 ，戴振东 ，谭华 ，郭策 ，孙久荣 1 南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，南京 (210016) 2 北京大学生命科学学院，北京（100871 ） E-mail：lihaipeng1000@126.com 摘 要：论文介绍了一个基于BCI 芯片的壁虎动物机器人遥控刺激器。该系统分成两部分： 控制平台和刺激器，主要由便携式电脑、微控制器和无线数据收发器构成。控制命令从笔记 本电脑输入，然后无线数据收发器发送出去。刺激器接收指令并产生刺激信号，完成对壁虎 机器人的运动控制。不带便携式电脑，控制平台的总重量不到 130g，便于携带。刺激器的 电路非常紧凑，采用贴片封装的元件，体积小（长31mm ，宽39mm ，高22mm ）、质量轻 （带电池13.6g ）。实验证明：该系统在300m 的较开阔地带，系统工作稳定、可靠。 关键词：脑-机接口技术；动物壁虎机器人；遥控系统；微控制器；无线收发器； 中图分类号：TP24 1. 引 言 脑-机接口技术（Brain Computer Interface ，BCI ）形成于20 世纪 70 年代，是一种涉及 神经学科、信号检测、信号处理、模式识别等多学科的交叉技术，它通过非自然的方法沟通 大脑和外界环境，为这它们提供了双向信息传输通道。外界信息能从仿生传感器输入到神经 系统，神经信号也可以用于控制外部电子机械装置。该项技术可以修复、改善甚至扩展神经 系统原有功能，提供一种崭新的信息交互模式。在第一次 BCI 国际会议上，BCI 被定义为： [1] “脑-计算机接口是一种不依赖于正常的由外围神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统” 。 本文基于脑-机接口技术为壁虎动物机器人提供一套简单、可靠的遥控刺激器。动物机 器人是指利用动物体的运动机能、动力供应体制，从动物运动的感受传入或神经支配入手， 实现对动物的运动和某些行为的人为控制，从而利用动物特长代替人类完成人所不能和人所 不敢的特殊任务。壁虎动物机器人的研究就是为了充分的利用壁虎的快速的无障碍运动能 [4] 力，把它应用在反恐侦查、危险环境搜救以及狭小空间检测等各领域 。 2. 系统介绍 壁虎动物机器人遥控系统分为两部分：控制平台和携带在壁虎背上的刺激器（如图 1）。 控制平台是由便携式电脑、微控制器 ATmega8 和无线收发器 CC1100 构成。刺激器是由微 控制器 ATmega8 、无线收发器 CC1100 构成，放在壁虎动物机器人背上。控制指令从笔记 本电脑输入，由无线收发器发送出去。刺激器接收控制指令，解译指令，产生相应的刺激信 号，刺激壁虎运动。ATmega8 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。 由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega8 的数据吞吐率高达 1 MIPS/MHz ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。CC1100 是一种低成本真正 单片的 UHF 收发器，为低功耗无线应用而设计，基于 0.18 微米 CMOS 晶体的 Chipcon 的 SmartRF 04 技术。刺激器上的所有元件都是小引脚的贴片封装（SMD），使用LIR2032 充 电锂电池供电。LIR2032 的直径22mm ，厚2.0mm ，重 0.8g 。所以壁虎动物机器人遥控刺激 器的体积很小（长 31mm、宽 39mm、高22mm ），质量很轻（重 13.6g），非常紧凑，适合 壁虎动物机器人携带。 1 本课题得到国家自然基金重点项目：）和国家自然基金项目