LabVIEW-和-CompactRIO-設(shè)計(jì)一個(gè)用于研究飛-蟲的機(jī)器人設(shè)備

1、labview 和 compactrio設(shè)計(jì)一個(gè)用于研究飛蟲的機(jī)器人設(shè)備"借助于compactrio 控制器和labview ,我們對(duì)于飛蟲如何實(shí)現(xiàn) 出色的飛行控制進(jìn)行了研究。"-chauncey graetzel, optotune agthe challenge:開發(fā)一個(gè)靈活的高帶寬機(jī)器人設(shè)備，以便 測(cè)量和仿真有翼昆蟲 的飛行方式。the solution:利用ni的labview 軟件 和compactrio 硬件制造一個(gè)快速、模塊化、易于使用的 仿生機(jī)器人平臺(tái)，它 涉及各種工業(yè)協(xié)議和 實(shí)時(shí)閉環(huán)激勵(lì)信號(hào)生 成。蠅控機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中的信息流示意圖author (s):cha

2、uncey graetzel - optotune agvasco medici - eth z u richnicola rohrseitz - vissee sagldaniel a. schwyn - imperial college londonchris rogers - tufts universityholger g. krapp - imperial college londonbradley j. nelson - eth z u richsteven n. fry - eth zu richfidockg - fwtjilist:聿曾at-achilvemeni award

3、s蒼蠅能夠高速追逐， 并精確地降落在盤子 的邊緣，這其中的機(jī) 動(dòng)性令人非常感興 趣。我們可以利用蒼 蠅作為模型系統(tǒng)研究 神經(jīng)信息處理、空氣 動(dòng)力學(xué)和遺傳 學(xué)，此 外，它們還可以快 速、精確地使用它們 的生物傳感器、控制 器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。人們 對(duì)它們這樣的能力很 感興趣但是難以進(jìn)行 研究。測(cè)量和激勵(lì)裝 置必須具 有高帶寬、 低延遲，并擁有靈活 的界面。同時(shí)，易用 性和模塊化特性也是 跨學(xué)科和合作研究的 關(guān)鍵。我們利用compactrio 控制器和labview圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件來研究飛蟲如何實(shí)現(xiàn) 出色的飛行控制。我 們采用了數(shù)字i/o模塊來連接一個(gè)基于 led的視覺激勵(lì)場(chǎng)，它具備了時(shí) 間和空間的精確

4、的分辨率，使得我們可以有效刺激蒼蠅的視覺系統(tǒng)。記錄昆蟲的響應(yīng)需要一個(gè)快速、靈活的采集系統(tǒng)。labv丘w能夠提供記錄這些信號(hào)所需要的速度和模塊化特性，并且能夠?qū)⑺?們作為實(shí)時(shí)反饋來生 成刺激信號(hào)。這樣， 我們就能夠把將蒼蠅 作為一個(gè)活的傳感 器，并嵌入到一個(gè)科 技系統(tǒng)中。我們開發(fā)了一個(gè)試 驗(yàn)。在試驗(yàn)中，我們把一只果蠅用繩拴 住，通過果蠅的動(dòng)作來控制伊普克（e- puck ）機(jī)器人。該機(jī)器人是一個(gè)小型移動(dòng)機(jī)器人，是一個(gè) 大學(xué)的研究項(xiàng)目，它被設(shè)計(jì)用于通過充滿 障礙的環(huán)境。從綁定 在機(jī)器人上的照相機(jī)和接近傳感器可以獲得反饋，用來確定向蒼蠅展示的視覺刺 激、翅振頻率和幅度 等飛行參數(shù)，來控制 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

5、（圖1）。蒼蠅和機(jī)器人 之間的傳遞函數(shù)會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)一系列的試驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｉn蠅的高速電影：加 速白l led視覺場(chǎng)視覺激勵(lì)場(chǎng)包括8個(gè)綠色led面板，它們通過i2c協(xié)議連接到定制的控制器。在過去的設(shè)計(jì)中，所有的飛行都由一條總線進(jìn)行控制。為了實(shí)現(xiàn)更高的幀率，并根據(jù)蒼蠅的反饋來調(diào)節(jié)視覺激勵(lì)，我們必須使用多 條并行的總線。最終，我們選擇了 ni crio-9014實(shí)時(shí)控制器和一體化ni crio- 9104可重新配置嵌入式機(jī) 箱更換了最初的控制 器。蠅控機(jī)器人：從蒼蠅 到機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)裝置（圖 2）中，果蠅被用繩拴在 一個(gè)環(huán)形的led面板陣列的中心。雖然 昆蟲不能夠移動(dòng)，但 仍可以拍打翅膀并且 按照和

6、自由飛行相同 的方式飛行。數(shù)字 振翅分析儀會(huì)獲得電流 頻率、振幅、位置均 值和蒼蠅振翅的相 位。這些行為狀態(tài)矢 量通過用戶數(shù)據(jù)協(xié)議 （udp）包傳輸?shù)揭慌_(tái)運(yùn)行l(wèi)abview 的主機(jī)上。我們可 以在主機(jī)上應(yīng)用自定義傳遞 函數(shù)計(jì)算出更新的伊 普克（e- puck ）機(jī)器人的 輪轉(zhuǎn)速。這些數(shù)值再 通過藍(lán)牙 （bluetooth）發(fā)送到機(jī)器人上。從機(jī)器人到蒼蠅當(dāng)我們利用昆蟲的行 為來操縱機(jī)器人時(shí)， 來自機(jī)器人設(shè)備的反 饋會(huì)修改面向昆蟲的視覺顯示方式。反饋 由安裝在機(jī)器人頂部 的三個(gè)線性照相機(jī)和 八個(gè)接近傳感器給出。照相 機(jī)以10hz的頻率采 集，每幀擁有102像素。接近傳感器以 20hz的頻率輸出 標(biāo)

7、定后的數(shù)據(jù)。主機(jī) 會(huì)通過藍(lán)牙 （bluetooth ）接收這些信號(hào)并且應(yīng) 用第二個(gè)自定義傳遞 函數(shù)， 以生成在led視覺場(chǎng)上顯示的下一幀圖像。主機(jī)應(yīng)用程序通過以 太網(wǎng)（ethernet）把新的圖像模式發(fā)送 到實(shí)時(shí)控制器。然后 這一圖像模式被劃分 為8x 8像素塊，每個(gè)像素塊將與一個(gè)led面板相對(duì)應(yīng)，并被轉(zhuǎn)換為i2 c指令。為了實(shí)現(xiàn)最大處理量，這些數(shù)據(jù) 會(huì)經(jīng)由dma （直接內(nèi)存存?。┑膄ifo （先進(jìn)先出）隊(duì)列傳遞到fpga （現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）。中斷向 量可以保證在實(shí)時(shí)控制器命令生成和 fpga底層硬件通信之間的同步。而后，fpga背板采用i2c協(xié)議才$制12條總線，每條總線分別控制五個(gè)面板。

8、從而，機(jī)器人所看到的環(huán)境決定了針對(duì)蒼蠅的視覺刺激，而蒼蠅對(duì)視覺刺激的響應(yīng)也改變了機(jī)器人前進(jìn)的路徑。視覺刺激的幀率大約 在 30hz 和 400hz 之間，這 取決于模式的深度和是否垂直對(duì)稱?？刂?回路中的累積延遲小 于 50 毫秒并且這主 要是由傳感器信息是經(jīng)由藍(lán)牙從機(jī)器人傳 輸?shù)街鳈C(jī)而造成的。有效地設(shè)計(jì)：靈活的 界面和模塊化的結(jié)構(gòu)借助于 labview 和 compactrio ， 我們可以通過各種不 同的協(xié)議連接到一系列的研究工具。 ni 和 labview 的 網(wǎng)絡(luò)用戶社區(qū)提供的 極大的靈活性和許多范例程序，這使得基 于 labview 設(shè) 計(jì)的應(yīng)用有效地替代 了實(shí)驗(yàn)生物學(xué)中的定 制控制

9、器。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種友好 的 gui (圖形用戶 界面)，它為實(shí)驗(yàn)者 提供了必要的控制手段和信息，從而簡化 了多個(gè)硬件平臺(tái)上運(yùn) 行的代碼的復(fù)雜度 (圖 3 )。這一功能在一些跨學(xué)科的應(yīng)用 中非常有效，能夠增 進(jìn)生物學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程 師之間的密切合作。 此外， labview 代碼 的模塊性和可移植性 也使其能夠在實(shí)驗(yàn)室之間被分享和重復(fù)利用。例如，在這一解 決方案的定制化版 本，運(yùn)算模式可以被 預(yù)先生成并且保存在 u 盤中，然后下載到 實(shí)時(shí)控制器的 ram 中，再傳輸?shù)絣ed 面板，以獲得更高的 刷新率。一個(gè)混合的自適應(yīng)控制器由于蒼蠅的部分神經(jīng) 回路具有高度的可塑 性，它可以被看作一個(gè)

10、自適應(yīng)控制器。通過使用新的仿生機(jī)器 人平臺(tái)，我們能夠評(píng) 估控制器在各種外部 傳遞函數(shù)下的性能， 這些傳遞函數(shù)幾乎能夠模仿出所有的蒼蠅 的自然飛行環(huán)境，例 如根據(jù)最靠近機(jī)器人 的障礙物的位置來確定視覺場(chǎng)中的柵格的上下移動(dòng)。但令人驚訝地是，最接近于直 覺的傳遞函數(shù)并不一 定會(huì)獲得最佳結(jié)果。labview 和 compactrio 為構(gòu)造這一包含活體 昆蟲并且允許我們進(jìn) 行各種實(shí)驗(yàn)的控制回 路提供了理想解決方 案。 compactrio 負(fù)責(zé)采集并生成各種適用不同工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，并擴(kuò)展了自定 制的研究工具。另 外，由于我們?cè)谟?jì)算機(jī)、實(shí)時(shí)控制器和fpga 上分別實(shí)現(xiàn) 的應(yīng)用程序是在同一個(gè)編程環(huán)境和開發(fā)

11、語 言下完成的，這大大 節(jié)省了我們的學(xué)習(xí)時(shí) 間，提高了效率。此 外，大量的附件產(chǎn)品 和外接接口還為未來 的擴(kuò)展和適應(yīng)性提供 了巨大潛力。acknowledgements 鳴謝w 我們感謝瓦斯科?美第奇( vasco medici )、尼 古拉?羅爾賽茨( nicola rohrseitz ) 和吉勒斯?卡普拉瑞( gilles caprari )幫 助開發(fā)機(jī)器人控制 器。我們還感謝約翰 克利斯朵夫?朱費(fèi)瑞( jean- christophe zufferey ) 和達(dá)里奧?弗羅來若( dario floreano ) 提供伊普克( e- puck )機(jī)器人， 并且感謝簡?巴爾圖賽克( jan

12、bartussek )幫助運(yùn)行試驗(yàn)以及感 謝莫澤 ( moser )幫助 制作飛行視覺場(chǎng)。references 參考資料1 reiser mb, dickinson m. a modular display system for insect behavioral neuroscience. j neurosc methods 2008;167: 127 - 139.2 graetzel cf, medici v, rohrseitz n, nelson bj, fry sn. the cyborg fly： a biorobotic platform to investigate dynam

13、ic coupling effects between a fruit fly and a robot. iros2008 sept;14- 19.author information:chauncey graetzeloptotune agchauncey. graetzeloptotune. com5/5(cfly-to-robottransferfunctionrobot-to-fly transfer function蠅控機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中的信息流示意圖視覺激勵(lì)場(chǎng)和數(shù)字振翅分析儀.!：.1：,：4星印ylwd arenadigital wing beat analyzertrtrnsfer

14、functionsl 而 由 恂 ijh 呷i00stop圖形用戶界面在實(shí)驗(yàn)中提供了單一的信息流rpwjjwry eff* § , - , q 1(0200(1* +肝eh . |," 1 i 4 8 , i0 10 a 31 w df心釬問 時(shí),. jhhhb4力.inplui 整 0k's ftid j. » a iriij 。叮 bmk mn sum df lke 寸修小w，+sc <h4$q jtr®m dfffi i r i. i |ii i i ! i ;口 j口用 114 k 卬3ie2plkkobcitrl-imte1 or attenielegalthis case study (this "case study") was developed