一种多模态感知大鼠机器人自主导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多模态感知大鼠机器人自主导航系统及方法，包括生物学大鼠本体、可穿戴式电子控制背包和远端PC上位机，生物学大鼠本体的颅骨上植入有4对刺激电极，植入位点分别为大鼠脑神经中枢的内侧前脑束左、右侧以及腹后内侧核左、右侧；远端PC上位机与可穿戴式电子控制背包之间以无线通信方式连接；可穿戴式电子控制背包获取生物学大鼠本体的运动状态信息和环境信息并发送给上位机；上位机接收信息数据后，生成序列化控制指令并发送给可穿戴式电子控制背包，电刺激器模块将控制指令转化为电刺激指令后控制刺激电极进行对应的电刺激，从而引导大鼠机器人运动。本发明专利技术可实现面向复杂未知环境下的大鼠机器人目标搜索与自主导航。与自主导航。与自主导航。

【技术实现步骤摘要】
一种多模态感知大鼠机器人自主导航系统及方法


[0001]本专利技术属于新型生物机器人的控制
，尤其涉及一种多模态感知大鼠机器人自主导航系统及方法。

技术介绍

[0002]动物机器人是一种以动物本体作为控制对象的新型机器人,其基于神经生物学原理和脑机接口技术，以特定方式刺激动物大脑相关神经区域，控制动物以实验人员的期望进行运动。此外，动物机器人由于保留了动物的本能，在环境适应性、隐蔽性、机动性等方面都表现出了巨大的优势，使其作为一种特种机器人，在反恐、侦查等领域均有重要的应用价值。与传统机械式机器人相比，动物机器人能有效地解决传统机械式机器人所存在的能源供给与运动控制稳定性等关键技术难题，大大降低了系统成本。
[0003]现有动物机器人包括大鼠机器人、甲虫机器人、鸽子机器人、蟑螂机器人、壁虎机器人等；其中，大鼠机器人是通过在大鼠的内侧前脑束和体感皮层桶状区植入由镍铬合金制作的双股电极，通过电刺激大鼠不同的脑区，在经过一定程度的训练后，实现引导大鼠完成左右转向和前进三个标准动作，进而由实验人员控制大鼠机器人在复杂的外部环境实现运动控制。公开号为CN109394208A的专利文献所公开过一种生物机器人系统，包括植入式神经刺激电路系统和脑电信号采集系统。
[0004]目前，大鼠机器人的导航仍较大程度的依赖实验人员的手动控制，即以实验员人工结合环境信息与大鼠机器人本体运动状态信息，判别并给出大鼠机器人的运动路线，并给出序列化的控制指令引导大鼠完成动作。现有实现大鼠机器人自动导航的技术中，公开号CN115056235A的专利公开了一种依据UWB人体存在传感器与定位模块实现的大鼠搜救机器人。
[0005]然而，上述技术方案缺乏环境感知能力，仅具备定位装置和UWB人体存在传感器实现的大鼠机器人难以在环境未知的区域中实现目标搜索与自主导航流程。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种多模态感知大鼠机器人自主导航系统及方法，使大鼠机器人面向实际复杂环境时，可以完成特定目标搜索与自主导航流程。
[0007]一种多模态感知大鼠机器人自主导航系统，包括生物学大鼠本体、可穿戴式电子控制背包和远端PC上位机，所述生物学大鼠本体的颅骨上植入有4对刺激电极，奖赏刺激的植入位点为大鼠脑神经中枢的内侧前脑束左、右侧，转向刺激的植入位点为腹后内侧核左、右侧；所述的可穿戴式电子控制背包紧固于生物学大鼠本体的背部，并通过电刺激器模块与4对刺激电极的接口连接；
[0008]所述的远端PC上位机与可穿戴式电子控制背包之间以无线通信方式连接；所述的可穿戴式电子控制背包用于获取生物学大鼠本体的运动状态信息以及运动过程的环境信息，并发送给远端PC上位机；
[0009]所述的远端PC上位机中构建有自主导航控制模型，所述的自主导航控制模型接收运动状态信息和环境信息的数据后，生成序列化控制指令并发送给可穿戴式电子控制背包，电刺激器模块将控制指令转化为电刺激指令后，施加电刺激至对应电极，从而引导生物学大鼠本体作出与控制指令相对应的动作。
[0010]可穿戴式电子控制背包通过可穿戴式结构实现生物学大鼠本体与可穿戴式电子控制背包的紧密粘连。将连接导线安插至大鼠头部植入PCB线对板连接器，实现可穿戴式电子控制背包与大鼠脑中枢神经系统的电气连接。在场地工作中的大鼠机器人以控制背包中的无线通信模块实现与远程控制平台的无线信号连接。
[0011]进一步地，所述的可穿戴式电子控制背包包含电刺激器模块、嵌入式微处理器模块、惯性传感器、视频模块、音频模块、红外传感器模块和Wi
‑
Fi通信模块；
[0012]其中，惯性传感器用于提取大鼠运动状态信息；视频模块、音频模块、红外传感器模块用于提取大鼠运动过程的环境信息；Wi
‑
Fi通信模块用于实现远端PC上位机与可穿戴式电子控制背包之间的无线通信；嵌入式微处理器用于获取惯性传感器、视频模块、音频模块、红外传感器模块的信息，并通过Wi
‑
Fi通信模块传递至远端PC上位机，同时，接收远端PC上位机的控制指令，通过电刺激模块将控制指令转化为事先设定的电刺激指令，经由导线传递至对应的刺激电极，从而构建起从远端PC上位机与大鼠脑中枢神经系统的双向连接通道。
[0013]进一步地，所述的自主导航控制模型以环境信息作为控制输入，以运动状态信息作为反馈检测，完成闭环控制；自主导航控制模型处理环境信息和运动状态信息的特征数据后，生成序列化控制指令。
[0014]进一步地，所述的序列化控制指令包括五种，分别为任务开始指令、前进运动指令、转向控制指令、搜索运动指令和任务结束指令；上述五种运动指令均通过可穿戴式电子控制背包上携带的多通道电刺激模块，以自设定的大鼠脑神经中枢不同位点，不同的刺激指令间隔实现组合刺激模式，最终实现引导和控制大鼠机器人在场地中完成目标搜索任务。
[0015]由于大鼠脑神经中枢的电刺激指令强度主要由单次大鼠脑神经中枢的电流刺激强度和两个电刺激指令间的时间间隔相关，即电刺激指令的频率。单次刺激过程中，过大的刺激电流可能有损伤大鼠脑神经的风险，因此单个刺激指令的电流强度由实验人员实现设定，并在后续实验过程中维持不变。因此，上述组合刺激模式仅通过调整刺激指令的组合，即以奖赏刺激间的组合，转向刺激间的组合和奖赏刺激、转向刺激间的组合共三种组合为基础，通过更改不同刺激指令的时间排序，建立大鼠机器人序列化控制指令集，可控制大鼠机器人完成不同运动任务。
[0016]所述的任务开始指令由多个奖赏指令组合实现，对应的电刺激具体为：对大鼠机器人施加多个连续的以T
min
为刺激指令间隔的奖赏刺激使大鼠快速兴奋，脱离静止状态；
[0017]所述的前进运动指令以惯性传感器的数据为依据，通过奖赏指令的组合引导大鼠实现直线运动，对应的电刺激具体为：持续施加奖赏刺激，以大鼠头部惯性传感器监测大鼠运动目标角度，在设定的偏转阈值条件下施加奖赏刺激，确保大鼠在范围内进行前进运动；
[0018]所述的转向运动指令以惯性传感器的数据为依据，由奖赏指令和转向指令组成，对应的电刺激具体为：惯性传感器以卡尔曼滤波方式进行航向角的解算，并以实际安装方
位与大鼠头部间的偏差，实现实际大鼠机器人头部运动朝向的校正，根据大鼠机器人的头部运动偏向意图，施加单个或多个的转向刺激组合，经检测发现大鼠头部出现设定方向的偏转意愿后，给予奖赏刺激；
[0019]所述的搜索运动指令仅由奖赏指令组成，依托大鼠本体在低速运动状态下的四处嗅探特性，实现大鼠机器人场地内自主目标搜索；以支持向量机实现大鼠运动速度的快速、中速和慢速分类，根据不同的速度挡位来调整奖赏指令的时间间隔，对应的电刺激具体为：当大鼠处于低速运动状态时，给予多个时间间隔为T
min
的奖赏，当大鼠处于高速运动状态时，减少奖赏刺激的频率，仅给予T
max
最长间隔的奖赏刺激，即维持大鼠机器人最低的运动活性；
[0020]所述的任本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多模态感知大鼠机器人自主导航系统，其特征在于，包括生物学大鼠本体、可穿戴式电子控制背包和远端PC上位机，所述生物学大鼠本体的颅骨上植入有4对刺激电极，奖赏刺激的植入位点为大鼠脑神经中枢的内侧前脑束左、右侧，转向刺激的植入位点为腹后内侧核左、右侧；所述的可穿戴式电子控制背包紧固于生物学大鼠本体的背部，并通过电刺激器模块与4对刺激电极的接口连接；所述的远端PC上位机与可穿戴式电子控制背包之间以无线通信方式连接；所述的可穿戴式电子控制背包用于获取生物学大鼠本体的运动状态信息以及运动过程的环境信息并发送给远端PC上位机；所述的远端PC上位机中构建有自主导航控制模型，所述的自主导航控制模型接收运动状态信息和环境信息的数据后，生成序列化控制指令并发送给可穿戴式电子控制背包，电刺激器模块将控制指令转化为电刺激指令后，施加电刺激至对应电极，从而引导生物学大鼠本体作出与控制指令相对应的动作。2.根据权利要求1所述的多模态感知大鼠机器人自主导航系统，其特征在于，所述的可穿戴式电子控制背包包含电刺激器模块、嵌入式微处理器模块、惯性传感器、视频模块、音频模块、红外传感器模块和Wi
‑
Fi通信模块；其中，惯性传感器用于提取大鼠运动状态信息；视频模块、音频模块、红外传感器模块用于提取大鼠运动过程的环境信息；Wi
‑
Fi通信模块用于实现远端PC上位机与可穿戴式电子控制背包之间的无线通信；嵌入式微处理器用于获取惯性传感器、视频模块、音频模块、红外传感器模块的信息，并通过Wi
‑
Fi通信模块传递至远端PC上位机，同时，接收远端PC上位机的控制指令，通过电刺激模块将控制指令转化为事先设定的电刺激指令，经由导线传递至对应的刺激电极，从而构建起从远端PC上位机与大鼠脑中枢神经系统的双向连接通道。3.根据权利要求1所述的多模态感知大鼠机器人自主导航系统，其特征在于，所述的自主导航控制模型以环境信息作为控制输入，以运动状态信息作为反馈检测，完成闭环控制；自主导航控制模型处理环境信息和运动状态信息的特征数据后，生成序列化控制指令。4.根据权利要求1所述的多模态感知大鼠机器人自主导航系统，其特征在于，所述的序列化控制指令包括五种，分别为任务开始指令、前进运动指令、转向控制指令、搜索运动指令和任务结束指令；所述的任务开始指令由多个奖赏指令组合实现，对应的电刺激具体为：对大鼠机器人施加多个连续的以T
min
为刺激指令间隔的奖赏刺激使大鼠快速兴奋，脱离静止状态；所述的前进运动指令以惯性传感器的数据为依据，通过奖赏指令的组合引导大鼠实现直线运动，对应的电刺激具体为：持续施加奖赏刺激，以大鼠头部惯性传感器监测大鼠运动目标角度，在设定的偏转阈值条件下施加奖赏刺激，确保大鼠在范围内进行前进运动；所述的转向运动指令以惯性传感器的数据为依据，由奖赏指令和转向指令组成，对应的电刺激具体为：惯性传感器以卡尔曼滤波方式进行航向角的解算，并以实际安装方位与大鼠头部间的偏差，校正大鼠机器人头部实际运动朝向，根据大鼠机器人的头部运动偏向意图，施加单个或多个的转向刺激组合，经检测发现大鼠头部出现设定方向的偏转意愿后，给予奖赏刺激；所述的搜索运动指令仅由奖赏指令组成，依托大鼠本体在低速运动状态下的四处嗅探
特性，实现大鼠机器人场地内自主目标搜索；以支持向量机实现大鼠运动速度的快速、中速和慢速分类，根据不同的速度挡位来调整奖赏指令的时间间隔，对应的电刺激具体为：当大鼠处于低速运动状态时，给予多个时间间隔为T
min
的奖赏，当大鼠处于高速运动状态时，减少奖赏刺激的频率，仅给予T
max
最长间隔的奖赏刺激，即维持大鼠机器人最低的运动活性；所述的任务结束指令无刺激指令，仅代表探索流程结束。5.根据权利要求4所述的多模态感知大鼠机器人自主导航系统，其特征在于，所述的奖赏刺激...

【专利技术属性】
技术研发人员：许科帝，徐浩泽，谢昊博，杨灿军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：