專利名稱：一種用于機器人鳥的制導方法
技術領域：
本發明涉及用于控制系統的控制方法，尤其是一種機器人鳥的制導方法。
技術背景機器人動物的研究已引起世界的廣泛關注，但主要集中于哺乳動物，如老鼠、猴子等， 因為它們都是典型的實驗動物，而對鳥類的同類研究，即"機器人鳥"的研究卻未見制導方 法的報導。鳥類因其廣闊的活動范圍和快速的運動能力而具有突出的應用優勢，這是我們開 展"機器人鳥"研究的主要原因。目前，國內外研發機器人動物所用的導航方法都是基于獎 賞機制，因而控制和導航效果嚴重依賴訓練(不僅訓練需要專業人員完成，而且訓練停止后， 隨著時間延長，由訓練所獲得的功能也逐漸衰退)，這在很大程度上限制了基于獎賞機制開發 的機器人動物的實際應用。鳥類與哺乳動物的生理差異非常大，已有的方法并不適用于鳥類。 因此，開發研制出一種機器人鳥的制導原理和方法,將具有極其重要深遠的意義。 發明內容本發明的目的是克服現有機器人動物導航技術和方法中的不足，提供一種無需對鳥事先 訓練，制導功能強，使用價值高，有利于機器人動物進入實用階段的機器人鳥的制導方法。為達到上目的，本發明提供的一種用于機器人鳥的制導方法，該方法通過包括由計算機 控制的發射站和微刺激信號發生器構成的制導系統，對機器人鳥的飛行動作和方向實施控制， 該方法執行如下步驟1) 在所述機器人鳥背部或頭頂部放置微刺激信號發生器；2) 通過所述由計算機控制的發射站，向所述機器人鳥所攜帶的微刺激信號發生器發出控 制指令；3) 所述微刺激信號發生器接收所述控制指令信號后，按所述控制指令產生相應的微刺激信號并將所述微刺激信號傳輸至所述機器人鳥的神經核團部位，所述機器人鳥的神經核團為 與恐懼有關的古紋狀體神經核團和傳遞痛覺的丘腦腹前背中核神經核團，分別用于控制機器 人鳥起飛、向前飛和在飛行中向左/右轉變飛行方向。4) 重復步驟2)和步驟3)，完成所述由計算機控制的發射站對所述機器人鳥的不同飛行 行為和方向的制導。本發明用于機器人鳥的制導方法，其中所述丘腦腹前背中核神經核團包括傳遞右側軀體 痛覺的左側丘腦腹前背中核神經核團和傳遞左側軀體痛覺的右側丘腦腹前背中核神經核團， 所述古紋狀體神經核團包括左側古紋狀體神經核團和右側古紋狀體神經核團。本發明用于機器人鳥的制導方法，其中所述微刺激信號發生器設置有無線接收模塊、微 處理器和若干微電極，所述無線接收模塊接收所述由計算機控制的發射站發出的指令控制信 號并傳輸至所述微處理器，所述微處理器產生相應的微刺激信號分別接至各所述微電極。本發明用于機器人鳥的制導方法，其中所述由計算機控制的發射站發出的指令控制信號 采用頻率為1-4Hz的脈沖序列。本發明用于機器人鳥的制導方法，其中所述微刺激信號采用雙相脈沖序列，其參數范圍 為每個脈沖序列為5-15個雙相脈沖，脈沖幅值為70-90微安，每個單相脈寬為0. 2-0. 5ms, 脈沖頻率為50-150Hz。本發明用于機器人鳥的制導方法的優點在于由于利用了由微電刺激鳥腦的上述神經核 團導致其主動逃避行為來控制和導航其運動行為，即利用了鳥逃避傷害的本能，故其制導功 能強，因而無需對鳥進行事先訓練。機器人鳥具有的巨大使用價值，鳥類與地面動物相比， 有更大的活動空間、更快的運動速度，顯然有更大的應用優勢，現實和潛在用途是非常廣泛 的。例如，帶有特定微型傳感器的鳥可用于特定(或目標)區域的景物、聲言和環境參數等 的采集與回傳等；可用于將特殊物品送達或投擲到目的地等等。當飛行距離超出"視距"時， 則可借助GPS導航其飛行路徑。由于飛行是靠鳥類自身的體能，故其飛行時間和飛行距離就 不像微小型無人機那樣受自身攜帶能量能力的限制。顯然，與機電式移動機器人相比，依據 本發明獲得的機器人鳥將具有巨大優勢。下面將結合實施例參照附圖對本發明進行詳細說明。
圖1為本發明中機器人鳥的制導系統示意圖；圖2為本發明用于機器人鳥的制導方法中機器人鳥在室內空間飛行的示意圖； 圖3為本發明用于機器人鳥的制導方法中機器人鳥沿設定直線路徑行走的示意圖； 圖4為本發明用于機器人鳥的制導方法中機器人鳥沿設定方框線路徑行走的示意圖； 圖5為本發明用于機器人鳥的制導方法中機器人鳥沿設定"8"字線路徑行走的示意圖。 下面結合附圖對本發明進行說明。
具體實施方式
本發明機器人鳥的制導方法采用由微電刺激機器人動物(機器人鳥)的腦部特定神經核團導致其主動逃避行為來控制和導航其運動行為，克服現有機器人動物導航技術和方法中的 不足，把機器人動物的應用推向更高、更廣闊的實用階段。該制導方法，采取適當的微刺激信號，適時地刺激鳥的丘腦腹前背中核(the thalamic nucleus dorsalis intermedius ventralis anterior, DIVA)與古紋狀體(archistriatum)， 導致其主動逃避行為，從而控制鳥的飛行行為和方向。神經核團包括傳遞痛覺的DIVA和與情緒有關的古紋狀體神經核團。其中DIVA神經核團 包括傳遞右側軀體痛覺的左側DIVA和傳遞左側軀體痛覺的右側DIVA,古紋狀體神經核團包 括左側古紋狀體神經核團和右側古紋狀體神經核團。腦神經中的"核團"(往往也稱"位點")與動物軀體上各部位具有對應關系。科學上已 證實，腦的右側與軀體左側對應、腦的左側與軀體右側對應，即左腦控制右側肢體、右腦控 制左側肢體；并且右側軀體的感覺傳至左側大腦、左側軀體的感覺傳至右側大腦。本發明機器人鳥的制導方法中，參照圖1，采取由計算機控制的發射站1發出指令信號， 傳遞給背在鳥背部或頭項部的含有微處理器和無線接收模塊的微刺激信號發生器2，微剌激 信號發生器2設置有無線接收模塊、微處理器和微電極3，無線接收模塊接收由計算機控制 的發射站發出的控制指令信號并傳輸至微處理器，微處理器產生相應的微刺激信號分別接至 各微電極3。DIVA是傳送痛覺的。據上述知，若用與動物體內電信類似的微刺激信號刺激左側DIVA， 則會在鳥腦中形成自己的右側軀體的皮肉受到了 "損傷"的"感覺"、并且感到了 "痛"，而 為避"痛"，鳥就向左躲避；同理，刺激右側DIVA，則可控制其向右躲避。值得指出的是， 這時鳥腦中感到的痛是"虛擬"感覺，實際上并未傷及其皮肉，是腦的誤判，因而可反復實 施。古紋狀體是與恐懼有關的神經核團，鳥腦內的左右兩側各有一個古紋狀體，二者具有同 等功能，所以從理論上說，不論刺激一個、還是同時刺激二個，都能使鳥感到恐俱。為提高 成功率，實用中，我們用二對電極分別植入兩側的古紋狀體，若實驗證明只有其中的一個控 制效果較好，那就使用較好的那個；若實驗證明二個均有效，則可只選用其中的一個。所謂 "有效"，即若用微刺激信號刺激古紋狀體，則會在鳥腦中形成恐懼感，鳥就會因恐懼而起飛 或加速向前飛。需要指出的是，這時鳥腦中感到的"恐懼"同樣是"虛擬"的感覺，實際上 并不存在使它產生恐懼的條件與環境，是腦的誤判。由于這種操作并不產生對鳥的皮肉傷害， 因而可反復實施。釆用微剌激信號控制動物的關鍵有二的神經核團。因腦里有成千上萬個神經核團，而每個神經核團都有 各自的功能，必須根據控制需要選取相應的核團。② 選取合適的刺激電信號。各種動物，其神經系統內傳遞信息的都是電信號，而這些電 信號的基本波形、或確切地說單獨的一個波形而言，都是一個脈沖波形，并且對各種動物而 言，它的基本形狀都是一樣的。而動物神經系統怎樣區分和利用這些信息，這主要靠兩點， 一是信號來自哪里(例如是頭還是腳，等等)，二是脈沖串的差別(如脈沖頻率、脈沖幅度、 脈沖個數、脈寬度等)。關于"來自哪里"，這已在"①"考慮了，關于"脈沖串"，則用"脈 沖參數"來描述。在本發明機器人鳥的制導方法中，由計算機控制的發射站發出的指令控制信號采用頻率 為0. 5-4Hz的脈沖序列。微刺激信號采用雙相脈沖序列，其參數范圍為每個脈沖序列為5-15 個雙相脈沖，脈沖幅值為70-90微安，每個單相脈寬為0.2-0.5ms,脈沖頻率為50-150Hz。下面以實施例說明本發明機器人鳥的制導應用。實施例一選用家鴿作為機器人鳥，在家鴿頭上或背上安裝一個帶有微處理器、可遙控的微刺激信 號發生器2。根據遠程的控制命令，微刺激發生器2可產生編碼微刺激電信號分別經微電極3 施加于相應的DIVA或古紋狀體。編碼的微刺激電信號為雙相脈沖序列，脈沖的參數范圍為 每個脈沖序列(脈沖串)為5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14或15個雙相脈沖，脈沖幅 值為70、 75、 80、 85或90微安，每個單相脈寬為0.2、 0.3、 0.4或0.5ms，脈沖頻率為50、 60、 70、 80、 90、 100、 110、 120、 130、 140或150Hz;頻率升高時，脈寬應隨之適當變窄。 上述脈沖的參數，都是由計算機控制的發射站1通過無錢傳送給微刺激發生器2。脈沖序列 的發送頻率為1、 2、 3或4Hz。控制實驗表明，家鴿對微電刺激的反應(響應)強度與脈沖 幅度、脈沖頻率、每個脈沖序列中脈沖的個數、脈沖寬度甚至脈沖序列的頻率等有關系，其 中尤以脈沖幅度、脈沖頻率影響最顯著。本發明機器人鳥的制導方法的關鍵之處在于正確地選取刺激神經位點。在刺激神經位點 的選取上，選取的神經核團應在受到刺激時，使家鴿產生恐懼，導致其發生主動逃避行為， 如從靜止狀態起飛和/或在飛行中向前飛、向左/向右調整飛行方向等，從而達到對家鴿的飛 行的"控制和導航"(簡稱"制導")。這里，給出一組經過檢驗的具有上述功能的神經核團 鳥的丘腦背中腹前核(DIVA)和古紋狀體(archistriatiM)。 DIVA是家鴿的外周刺激的觸覺 和痛覺信息上傳到腦的主要"中轉"神經核團，通過分別用微電刺激家鴿的丘腦左側/右側的 DIVA，來虛擬外界對其右側/左側軀體、翅膀和爪的傷害(僅僅是虛擬，而實際上對鴿子的皮肉毫無傷害，故可反復進行)，會在腦中產生右/左側驅體的"觸覺"和"痛覺"，有效地迫使 家鴿為躲避而起飛或/和在飛行中向左/右轉變方向。鳥類的古紋狀體是恐懼反應的關鍵核團， 刺激它能導致家鴿恐懼，迫使其驚恐地起飛和在飛行中快速向前飛。雖然這二類核團都能導 致家鴿主動逃避，但刺激DIVA主要是為了使其左/右轉向，其次才是起飛；而剌激古紋狀體則主要是為了使其"起飛"和"向前"。這兩類核團相t匕，后者能更有效地迫使家鴿起飛和 "向前"飛。本發明機器人鳥的制導方法用在室外的時候，在微刺激信號發生器中還設置有結合為一體的GPS定位系統，GPS定位系統與由計算機控制的發射站無線相連，可以實現距離的制導 應用。實施例二:室內的飛行制導。在一個足夠空闊的房間內，我們用幅值為80微安的微剌激 信號制導家鴿飛行，目的是在視距范圍內檢驗"機器人鳥(鴿)"的可行性和適用性。首先迫使家鴿起飛。對于站立著的家鴿，不論是刺激單側(左/右側)還是同時刺激兩側 的古紋狀體，家鴿肯定都會起飛；但對于站立著的家鴿，分別刺激左/右側DIVA，多數情況 下它也能向左/右的方向起飛。相對而言，刺激古紋狀體迫使家鴿起飛的可靠性更高，因而刺 激古紋狀體作為強迫家鴿起飛的主要方法。接著對飛行中的家鴿進行制導。在家鵒飛行過程中，若同時或分別刺激家鵒左右兩側或 某一側的古紋狀體，它會驚恐地快速向前飛行，但若分別刺激它的左/右DIVA，則可靈敏地 使它相應地向左/右轉變飛行方向，連續地刺激可使得它在空中盤旋。根據錄相整理的制導家 鴿飛行的示意圖參見圖2。在上述控制中，事先并未對家鴿進行訓練，這說明通過適當的、及時的刺激DIVA和古紋 狀體，我們可以實現無需事先訓練就可以有效地控制和導航(即制導)家鵒的飛行。迫使起 飛和向前以及在飛行中改變方向，是確保機器人鳥能夠沿設定路線運動到預期目標的必要條 件，二者缺一不可。特別需要說明的是，強迫家鴿起飛和向前飛，對于實際應用必不可少， 這樣可以防止家鴿中途休息時間過長，僅僅靠調節家鴿飛行方向無法保證家鴿及時到達目的 地。之所以能夠可靠實現上述制導功能，主要是選用的神經核團包含了痛覺和恐懼功能，因 而刺激這些核團能夠強制性地改變鳥類的行為。實施例三機器人鳥在地面上的"行走"制導。鑒于飛行中家鴿的速度很快，不易看清 楚微刺激信號的制導作用，為充分展示和清晰觀察家鴿在微刺激信號作甩時的瞬間行為，進 一步驗證對家鴿行為制導的效果。將家鴿翅膀的部分大羽捆扎，使其不能飛翔而只能在地面 上行走，然后用較低幅度的刺激序列(50至70M)控制和導航家鴿沿著預期的路線(6cm寬的紅色膠帶貼在地面作為設定路徑)到達預定目標地。這里降低電流幅度的原因，是因為在 家鵒對微電刺激反應與電流幅值密切相關。電流小時，家鴿尚能夠以行走的方式逃避；電流 大時，則不再行走，而是迅速飛起來。控制表明，分別刺激家鴿的左/右側的DIVA可有效地使它向左/右轉向；同時(或分別) 刺激家鴿左右兩側(或某一側)的古紋狀體，它會驚恐地快速向前走。實驗也反復表明，若 將家鴿有意識地置于地面預設紅線的某個"起點"，而后根據需要，適時地刺激相應的上述神 經核團，使其向前/向左/向右， 一般都能大致沿設定線路前進，最終到達(或穿越)預期的 "目標點/目標區域"。幾種具有代表性的錄相的示意圖參見圖3 -5。從中可清晰地看出微刺激信號對家鴿的制導作用當家鴿偏離"預期路線(紅線)"時，適時施加所需的制導信號， 控制器的信號燈顯示，正是在家鴿"轉彎"前的瞬間收到了制導信號，使得家鴿能夠沿設定 線路曲折前進，大致沿著預期路線到達目的地，這充分表明本發明的有效性。盡管制導是有 效的，但家鴿有時會偏離"預期路線"，這主要是由于家鵒在行進的過程中還同時受到周圍的 視覺和聽覺等信息的干擾所致。本發明機器人鳥的制導方法利用由微電刺激鳥腦的上述神經核團導致其主動逃避行為來 控制和導航其運動行為。由于這種原理利用了鳥逃避傷害的本能，故其制導功能強大，因而 無需對鳥進行事先訓練。機器人鳥具有的巨大使用價值，鳥類與地面動物相比，有更大的活 動空間、更快的運動速度，顯然有更大的應用優勢，現實和潛在用途是非常廣泛的。例如， 帶有特定微型傳感器的鳥可用于特定(或目標)區域的景物、聲言和環境參數等的采集與回 傳等；可用于將特殊物品送達或投擲到目的地等等。當飛行距離超出"視距"時，則可借助 GPS導航其飛行路徑。由于飛行是靠鳥類自身的體能，故其飛行時間和飛行距離就不像微小型無人機那樣受自身攜帶能量能力的限制。顯然，與機電式移動機器人相比，依據本發明獲 得的機器人鳥將具有巨大優勢。本發明適用于所有鳥類。以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行 限定，在不脫離本發明涉及精神的前提下，本領域普通工程技術人員對本發明的技術方案做 出的各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護范圍內。
權利要求
1、一種用于機器人鳥的制導方法，該方法通過包括由計算機控制的發射站(1)和微刺激信號發生器(2)構成的制導系統，對機器人鳥的飛行動作和方向實施控制，其特征在于該方法執行如下步驟1)在所述機器人鳥背部或頭頂部放置微刺激信號發生器(2)；2)通過所述由計算機控制的發射站(1)，向所述機器人鳥所攜帶的微刺激信號發生器(2)發出控制指令；3)所述微刺激信號發生器(2)接收所述控制指令信號后，按所述控制指令產生相應的微刺激信號并將所述微刺激信號傳輸至所述機器人鳥的神經核團部位，所述機器人鳥的神經核團為與恐懼有關的古紋狀體神經核團和傳遞痛覺的丘腦腹前背中核神經核團，分別用于控制機器人鳥起飛、向前飛和在飛行中向左/右轉變飛行方向。4)重復步驟2)和步驟3)，完成所述由計算機控制的發射站(1)對所述機器人鳥的不同飛行行為和方向的制導。
2、 根據權利要求1所述的用于機器人鳥的制導方法，其特征在于其中所述丘腦腹前背中核神經核團包括傳遞右側軀體痛覺的左側丘腦腹前背中核神經核團和傳遞左側軀體痛覺的 右側丘腦腹前背中核神經核團，所述古紋狀體祌經核團包括左側古紋狀體神經核團和右側古 紋狀體神經核團。
3、 根據權利要求1或2所述的用于機器人鳥的制導方法，其特征在于其中所述微刺激 信號發生器(2)設置有無線接收模塊、微處理器和若干微電極(3)，所述無線接收模塊接收 所述由計算機控制的發射站發出的指令控制信號并傳輸至所述微處理器，所述微處理器產生 相應的微刺激信號分別接至各所述微電極(3)。
4、 根據權利要求3所述的用于機器人鳥的制導方法，其特征在于其中所述由計算機控 制的發射站(1)發出的指令控制信號采用頻率為l-4Hz的脈沖序列。
5、 根據權利要求4所述用于機器人鳥的制導方法，其特征在于其中所述微刺激信號采 用雙相脈沖序列，其參數范圍為每個脈沖序列為5-15個雙相脈沖，脈沖幅值為70-90微安， 每個單相脈寬為0. 2-0. 5ms，脈沖頻率為50-150Hz。
全文摘要
本發明公開了機器人鳥的一種制導方法，采取適當的微刺激信號，根據需要并適時地刺激鳥的丘腦腹前背中核與古紋狀體，導致其主動逃避行為，從而制導鳥的飛行行為。本發明利用由微電刺激鳥上述特定神經核團導致的主動逃避行為來制導其運動行為，也即用微電刺激神經核團來虛擬“傷害”的原理來制導其運動行為。本發明用于機器人鳥的制導方法的優點是由于這種原理利用了鳥逃避傷害的本能，故其制導功能強大，因而無需對鳥事先訓練。機器人鳥具有的巨大使用價值，鳥類與地面動物相比，有更大的活動空間、更快的運動速度，顯然有更大的應用優勢，現實和潛在用途是非常廣泛的。
文檔編號A01K37/00GK101218897SQ20081000088
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月25日 優先權日2008年1月25日
發明者劉小峰, 張秀娟, 文 戴, 李玉霞, 楊俊卿, 槐瑞托, 敏 王, 王海霞, 琳 蘇, 蘇學成 申請人:山東科技大學