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基于 BCI的壁虎动物机器人遥控刺激系统
李海鹏 1，戴振东 1，谭华 1，郭策 1，孙久荣 2
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）
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 ）。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：
“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”[1]。
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
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[4]。
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 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 ，重 。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 ），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：（60535020）和国家自然基金项目：（30400086）资助。
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图 1 壁虎动物机器人遥控示意图
3. PC 机串口通信软件设计
控制壁虎动物机器人运动的指令从到便携电脑输入。输入的指令包括刺激信号的频率、
脉宽、刺激时间以及重复次数。电脑上装有专为系统设计串口通信软件，用于实现电脑与微
控制器之间的串口通信，且方便控制指令的输入。软件是利用 LabVIEW（Laboratory Virtual
Instrument Engineering Workbench）提供的 ActiveX 控件容器调用 MSComm（Microsoft
Communications Control）控件设计而成的。MSComm 控件是微软开发的专用通信控件，封
装了串口通信的所有功能。
图 2 PC 机串口通信软件界面和程序流程图
在 LabVIEW 中使用 MSComm 控件方法与在 VC、VB 中的一样。首先设置 MSComm
的一些常用属性（CommPort、Output、Intput、InputMode、PortOpen、Settings 和 RThreshold）。。
由于发送的所有数据都是动态的和浮点型的，所以在发送前将所有的数据组合成一个数组，
然后转换成变体型。LabVIEW 有其特有的串口通信错误显示控件，可以提示通信错误的代
码和原因，方便了程序的设计和维护。图 2 是 PC 机串口通信软件界面和程序流程图。程序
在 while 循环中加入了一个延时程序，解决了软件运行时过高的占有 CPU 资源的问题。通
过该串口通信软件，操作人员可以通过该串口通信软件设置串口、波特率、数据位、效验码
和停止位。在软件工作时，操作人员可以实时地清空显示区或关闭串口。
4. 无线数据传输
CC1100 是一款可收可发的低功耗无线数据通信芯片。CC1100 是基于 ZigBee 技术的无
线收发芯片。ZigBee 技术的最大特点是成本小，功耗低，安全可靠。CC1100 的应用电路只
有少数的电器元件和一个微控制器 ATmega8L，如下图所示。
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SCK
SO(GD1)
GD2
DVDD
DCOUPL
S
I
G
N
D
D
G
U
A
R
D
R
B
L
A
S
G
N
D
AVDD
AVDD
AVDD
RF_P
RF_N
G
D
0
C
S
n
X
O
S
C
_
Q
1
A
V
D
D
X
O
S
C
_
Q
2
C125
C51
C131
L131
C121
L121
C124
L122 L123
C122 C123
C81 C101
3V(ML1220� � �
R
1
71
A
T
m
eg
a8
S
P
I�
�
MOSI
MISO
SCK
PD2/INT0
PD3/INT1
PB2
VCC
图 3 CC1100 工作原理图
在 CC1100 上有与 SPI 兼容的接口，分别为 SCLK、SI、SO 和 CSn。ATmega8 通过其
SPI 口设置 CC1100 每个寄存器。ATmega8L 的 SPI 接口上的数据都包含一个读/写位，一个
突发访问位和一个 6 位地址的头字节。读/写位用来表明此次操作是读或是写；突发访问位
是用来控制是否对 CC1100 寄存器进行连续的操作；CC1100 提供有为数据包导向的通信协
议内置的硬件支持。它的数据包可以硬件处理。数据包的格式可以分为前导、同步词汇、长
度字节或恒定可控的数据包长度 、有效载荷和可选的 2 字节循环冗余检查的验证码（CRC）。
前导的最小长度是可编程控制。同步词汇是设置于 SYNC1 和 SYNC0 寄存器中的 2 字节值。
数据包长度为有效载荷的数据个数。
在发送指令时，ATmega8 将指令长度及指令写入 TX FIFO 寄存器，然后设置 CC1100
为发送状态即可，很简单。在接受指令时，ATmega8 先将 CC1100 设置成接受状态。在接
收模式下，数据包处理支持将对数据包进行解析。解析的过程如下：1，前导侦测；2，同步
词汇侦测；3，读取数据包长度；4，读取有效数据；5，可选计算和检测 CRC；在接收模式
下，CC1100 自主侦测前导，并把数据包存储在 RX FIFO 寄存器，然后通过 GDO0 脚引发
ATmega8 的外部中断 0 产生中断。在中断程序中，ATmega8 读取 RX FIFO 里面的指令长度、
指令和 CRC 效验位。图 4 是 CC1100 的数据包格式和 ATmega8 接受指令程序流程图。
图 4 CC1100 数据包格式及 ATmega8 中断接受指令程序流程图
5. 结论
通过测试，在实验室环境下，该系统工作稳定、可靠。在开阔地带，系统可以稳定的工
作在 300m 范围内。刺激器输出的方波刺激信号的占空比是由 ATmega8L 的 16 位的定时器
控制的，精度达到微秒级。该刺激器可以产生多路的双向方波信号。双向波在一定程度上减
少了刺激信号对壁虎脑组织的伤害，及电极的腐蚀。图 4 是刺激器的实物图以及刺激器生
成的双向波图。
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的锂电池可以保证刺激器连续得工作 8 小时左右。该系统已经在壁虎急性实验和
慢性实验中使用。使用的刺激参数的频率为 80Hz，脉宽为 1ms。在不同的脑区，我们通过
调整脉宽和频率来调整刺激强度，达到了理想效果。结果表明，该系统无线简单可靠，生成
有效的刺激信号，实现对壁虎动物机器人的遥控制导。系统的控制平台质量轻，不带便携式
电脑，质量不到 130g，适合野外作业。
图 6 刺激器及其产生的双向波
参考文献
[1] JR WolPaw, N Birbaumer, D J McFarland. Brain-Computer interface Technology: Areview of the first
imitational meeting[J]. IEEE Transaction on Rehabilitation Engineering, 2000, 8(2):164-173.
[2] 王勇, 苏学成, 槐瑞托, 等. 动物机器人遥控导航系统. 机器人．2006，3：183~186.
[3] 宋卫国, 柴洁, 韩太真, 等. 一种用于自由活动动物的微型多模式遥控刺激器. Acta Physiologica Sinica,
2006, 58(2)：183~188.
[4] 郭策, 戴振东, 孙久荣. 生物机器人的研究现状及其未来发展. 机器人. 2005, 27(2):187-191.
[5] Talwar S K, Shaohua Xu, Emerson S. Hawley, et al. Rat navigation guided by remote control[ J ]. Nature,
2002, 417 (6884)：37~38.
[6] Xu S，Talwar S K，Hawley E S, et al．A multi-channel telemetry system for brain microstimulation in freely
roaming animals[J]. Journal of Neuroscience Methods, 2004. 133(1—2)：57~63.
A remote stimulating system for gecko animal-robot based on
BCI
Li Haipeng1，Dai Zhendong1，Tan Hua1，Guo Ce1，Sun Jiurong2
1 Institute of Bio-inspired Structure and Surface Engineering，Nanjing University of Aeronautics
and Astronautics，Nanjing (210016)
2 College of Life Sciences，Peking University，Beijing (100871)
Abstract
A remote stimulating system for gecko animal-robot, taking the brain machine interface technology as
the main theory and the guiding principle, was developed in present studies. This system includes a
remote control device and a micro-stimulator, which mainly consists of notebook PC，micro-control
unit (MCU) and transceiver．The control command is inputted into notebook PC , and then, send out by
radio frequency transceiver．The micro-stimulator gets the signal，outputs a control signal，regulates
gecko’s behavior．The remote control device’s weight is less than 130g．And it is easy to carry．The
micro-stimulator is very compact(The length is 31mm．The width is 39mm．The height is 22mm) and
its weight is only with a battery．Our experiments testified that this system ran smoothly in 300m
open area．
Keywords：BCI; animal-robot gecko; remote system; micro-control unit; transceiver
作者简介：李海鹏，男，（1982-），硕士研究生，主要研究方向是机器人控制系统、LabVIEW
程序设计。
