CN101715739B

CN101715739B - 用于非人灵长类动物行为学习的自动化训练装置及方法

Info

Publication number: CN101715739B
Application number: CN2009101551509A
Authority: CN
Inventors: 郝耀耀; 张巧生; 李斌; 朱凡; 张韶岷; 陈卫东; 代建华; 郑筱祥
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2029-12-07
Also published as: CN101715739A

Abstract

本发明公开了一种用于非人灵长类动物行为学习的自动化训练装置，其中，PC机设有两个显示器，其中一个显示器和摄像机分别位于动物座椅的前方；给水控制系统包括储水瓶、驱动控制电路和电磁阀，储水瓶通过导管与电磁阀连接，电磁阀与驱动控制电路电连接，驱动控制电路与微控制器电连接；动物座椅上固定有摇杆和水嘴，摇杆的手柄上固定有压力传感器，压力传感器和摇杆的电位器分别与微控制器电连接，水嘴通过导管与给水控制系统的电磁阀连接；PC机与摄像机和微控制器分别电连接。本发明可实现一种无痛苦的自动化动物行为训练方法，通过摄像机实时显示并监控动物行为，大大提高训练速度并节省人力资源的消耗。

Description

用于非人灵长类动物行为学习的自动化训练装置及方法

技术领域

本发明涉及一种动物行为训练装置及方法，尤其涉及用于非人灵长类动物行为学习的训练装置及方法。

背景技术

在一些生理、行为、认知的科研实验中，通常需要动物完成规定的行为动作，如伸抓、推拉、触摸等。目前，有很多种训练动物行为的方法。常用的训练方法包括有强迫的、诱导的、刺激的甚至是惩罚的。这些方法应用某些强硬的或痛苦的刺激形式来训练动物，这种训练方法在实际中不是很有效，且通常伴随着对动物的心理与身体健康不同程度的损害。在没有很好控制的情况下，甚至可能使动物慌乱、激发动物的野性，造成训练的失败。另外，这些方法需要人工参与的程度比较大，不能形成自动化的长期稳定的训练方法。如果需要训练的动物较多，所花的人力物力将大大增加。

另外一种动物行为训练方法是基于奖赏机制的，它在动物做对某一特定动作时给予一定的奖赏。奖赏包括食物的、果汁的、水的甚至是电刺激虚拟的。其中基于食物的、果汁的和电刺激虚拟的各有其缺点：食物奖赏不能长时间进行，且不容易建立自动化的训练系统；果汁奖赏需要经常更换果汁的种类，因为动物容易对某一种果汁产生厌烦感，且经常给予果汁会对动物造成诸如糖尿病等的疾病；电刺激的奖励利用对大脑奖赏区的电刺激来让动物获得虚拟的奖赏，从而训练动物，这种训练方法具体机理目前尚不清楚，且容易使动物产生成瘾心理。而给水奖赏利用动物对水的生理需求，来辅助动物完成行为训练学习，既不会产生负面效应，又有利于实现。

因此，需要一套完整的系统来实现这种动物训练方法。该系统不会使动物承受痛苦和恐惧等负面效应，且能长期稳定的自动化的训练动物。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供用于非人灵长类动物行为学习的自动化训练装置，可实现基于给水奖赏的训练非人灵长类的动物和其它动物的方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术手段是：该用于非人灵长类动物行为学习的自动化训练装置主要包括动物座椅、给水控制系统、PC机、摄像机和微控制器；所述PC机设有两个显示器，其中一个显示器和所述摄像机分别位于动物座椅的前方；所述给水控制系统包括储水瓶、驱动控制电路和电磁阀，储水瓶通过导管与电磁阀连接，电磁阀与驱动控制电路电连接，驱动控制电路与微控制器电连接；所述动物座椅上固定有摇杆和水嘴，所述摇杆的手柄上固定有压力传感器，所述压力传感器和摇杆的电位器分别与微控制器电连接，水嘴通过导管与给水控制系统的电磁阀连接；所述PC机与摄像机和微控制器分别电连接。

进一步地，本发明所述PC机还包括：

主控制装置；

用于选择动物所要进行的行为训练模式并传送给所述主控制装置的模式选择装置；

用于设置训练参数并传送给所述主控制装置的参数设置装置；

由所述主控制装置控制的在位于动物座椅前方的显示器上给动物提供动作提示界面的界面装置；

用于接收所述微控制器发送的动物动作状态并传送给主控制装置的接收数据装置；

由主控制装置控制的对动物动作状态进行判断的状态判断装置；

由主控制装置控制的用于给所述微控制器发送给水命令的发送数据装置；

由主控制装置控制的用于记录动物动作状态、给水命令的文件记录装置。

进一步地，本发明所述微控制器包括：

微处理器；

用于与所述PC机和微处理器双向通讯的通讯装置；

用于采集所述摇杆位置状态数据并传送给微处理器的数据采集装置；

由微处理器控制的用于向驱动控制电路输出控制信号的输出控制装置；

由微处理器控制的显示摇杆位置状态的状态显示装置。

使用本发明的自动化训练装置对非人灵长类动物行为学习进行训练的方法主要包括：

用于在所述PC机上选择动物所要进行的行为训练模式的模式选择步骤；

用于在所述PC机上设置训练参数的参数设置步骤；

用于在位于动物座椅前方的显示器上给动物提供动作提示界面的步骤；

由微控制器采集动物摇杆状态数据并发送到所述PC机的数据采集发送步骤；

用于所述PC机接收并判断摇杆是否有动作发送且动作是否正确的步骤，该步骤包括：

如果所述PC机判断摇杆有动作发生且动作与所述显示器提示的所要完成的动作一致，则PC机给所述微控制器发送给水命令的步骤；

如果所述PC机判断摇杆没有动作发生，或摇杆有动作发生但与所述显示器提示的所要完成的动作不一致，则PC机不向微控制器发送给水命令并延时的步骤；

用于记录动物动作状态、给水命令的文件记录步骤。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：(1)该装置操作简单，训练效率高；(2)实现了无痛苦、无负面影响的简易的动物行为训练方法；(3)能实现自动化式的训练，人力资源参与较少；(4)训练模式可以根据训练需要实时修改，以适应不同的训练范式；(5)训练的数据，包括视频都可以通过PC机记录下来，供后续的分析。

附图说明

图1为本发明动物训练装置的结构示意图；

图2为本发明摇杆和压力传感器的结构示意图；

图3为本发明PC机一种实施方式的结构框图；

图4为本发明微控制器一种实施方式的结构框图；

图5为本发明PC机的工作原理图；

图6为本发明给水控制系统的驱动控制电路原理图；

图7为本发明微控制器的电路原理图；

图8为本发明微控制器与摇杆、压力传感器的电路连接原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的动物行为学习的训练装置包括：动物座椅1、给水控制系统2、PC机3、摄像机4和微控制器5。

动物座椅1可将动物的脖子固定到座椅1的圆孔中，动物其他身体部分没有固定，处于自由活动状态。动物座椅1可以采用有机玻璃材料制作。在动物座椅1的中间固定有一摇杆11，摇杆11的电位器15与微控制器5电连接，该摇杆11用于提供给动物完成二维平面内某一行为动作。在动物座椅1上固定有水嘴12，水嘴12通过导管与给水控制系统的电磁阀21连接。当动物完成正确动作后，由电磁阀21控制储水瓶22可由水嘴12对动物给水进行奖赏。

如图2所示，摇杆11为一二维摇杆，由手柄13、电位器15和底座16构成，摇杆的手柄13上固定有压力传感器14，两个电位器15安装在底座16上。摇杆11可在二维平面上的一个圆环内任意角度和位置摇动。摇杆11摇动时，由两个电位器15记录当前摇杆11所处位置的横、纵坐标。停止摇动时，摇杆11将复位到底座16的中心位置。贴附在手柄13上的压力传感器14用于检测动物是否有抓握杆的动作。

给水控制系统2由一储水瓶22、电磁阀21和驱动控制电路23组成。电磁阀21为一两位两通常闭型电磁阀，包括进水口、出水口和控制输入端。储水瓶22与电磁阀21的进水口通过塑料软管连接，电磁阀21的出水口与水嘴12通过塑料软管连接。电磁阀21受控于驱动控制电路23，当驱动控制电路23接收到高电平后，电磁阀21打开，储水瓶22中的水在重力作用下流入水嘴12，供动物饮用。如图6所示，驱动控制电路23包括光耦U1、三极管Q1及电阻R1、R2、R3。由于微控制器5输出的逻辑电平功率有限，不能直接驱动电磁阀21，需要一个功率驱动电路去控制电磁阀21。这里使用光耦RG1120，它采用光电隔离方式，电磁阀21用单独的浮地电源供电，实现了大功率电路部分与弱点电路部分的电气隔离，避免了它们之间的干扰。光耦U1直接接受来自微控制器5的输出，当输出一个高电平时，光耦激发，三极管导通，进而使电磁阀21导通。

PC机3包括安装在主机内的主控制装置及两台液晶显示器。其中一台显示器31位于动物座椅前方1米处，用于给动物显示提示界面。另外一台显示器32用于摄像机4的视频输出显示。主控制装置用于控制显示提示界面、接收摇杆数据并判断摇杆状态的正确性，最后向微控制器5输出给水命令(包括给水时间)。作为本发明PC机的其中一种实施方式，如图3所示，PC机3可由主控制装置、模式选择装置、参数设置装置、接收数据装置、发送数据装置、状态判断装置、文件记录装置和界面装置组成。模式选择装置用于选择动物所要进行的行为训练模式并将选择结果传送给所述主控制装置。参数设置装置用于设置训练参数并将所选参数传送给所述主控制装置。设置的参数包括PC机与微处理器的通讯端口、给水时间和界面提示参数。接收数据装置用于接收微控制器5发送的动物动作状态并传送给主控制装置。所发送的动物动作状态即为摇杆11在二维平面内的横、纵坐标值。状态判断装置用于对动物动作状态进行判断，以确定是否符合提示所要完成的动作。如果符合将调用发送数据装置将给水命令(包括给水时间)发送到微控制器5。同时文件记录装置记录下动物动作状态和给水命令。如图5所示，PC机的工作原理为训练开始时，先选择训练模式，并进行参数设置，完成后会在显示器31的屏幕上给出提示界面，提示动物去握杆或向某个方向摇杆。同时，PC机3接收微控制器5发送的摇杆状态数据并判断当前是否有摇杆动作，如果有摇杆动作且摇杆动作与屏幕提示的动作一致，PC机3向微控制器5发出给水命令；如果没有动作，或有动作但与提示不符合，PC机延时一段时间后进入下一次训练。一次训练完成后要把本次训练的数据记录到指定文件中，以备后续分析。

图4示出了本发明微控制器5的其中一种实施方式。微控制器5包括微处理器、通讯装置、数据采集装置、输出控制装置和状态显示装置。通讯装置用于实现PC机3和微处理器5之间的双向通讯。数据采集装置用于采集摇杆11位置状态数据(即电位器15的输出)并传送给微处理器，输出控制装置用于向驱动控制电路23输出是否给水的控制信号。状态显示装置实时显示摇杆11当前的位置状态。

图7所示为本发明微控制器的电路原理图，其中微处理器可以由51单片机、DSP或其他处理器实现。本发明的一个应用实例采用C8051F020系列的单片机实现。微处理器有两个任务：一是实时采集摇杆11位置状态并通过串口发送到PC机3；一是等待从PC机3发来的给水命令，并再输出相应的电平到驱动控制电路。通讯装置采用串口转USB芯片U2来实现，可以完成微处理器与PC机3的双向通讯，本发明的一个应用实例采用CP2102芯片来实现。微处理器供电装置由外部电池J1和电源管理芯片U3构成，本发明的一个实例采用MAX883芯片，可提供从外部电池到微处理器的3.3V的稳定供电。

如图8所示，摇杆11的两个电位器15(R13、R14)和安装在摇杆手柄13上的压力传感器14(R15)分别与电阻R9、R10、R12对应连接，输出接口INPUT1、INPUT2和INPUT3分别与微处理器的相应端口连接，以将模拟信号传输到微控制器5进行数据采集。

本发明装置的工作过程如下：首先将动物固定在动物座椅1上，即将动物的脖子固定到座椅的圆孔中，动物其他身体部分没有固定。开始训练时，选择训练模式并设置相应参数。首先由置于动物座椅前的显示器31给出提示界面，动物根据此提示信号完成相应的摇杆动作。在此过程中，微控制器5实时采集摇杆11的状态信号，并通过微控制器5的通讯装置发送到PC机3。PC机3在接收到摇杆状态后判断当前是否有摇杆动作，如果有摇杆动作且摇杆动作与屏幕提示的动作一致，PC机3向微控制器5发出给水命令；如果没有动作，或有动作但与提示不符合，PC机延时一段时间后进入下一次训练。微控制器5接收到给水命令后，向驱动控制23电路输出一定时间的高电平，从而使电磁阀导通相同的时间，完成给水奖赏。同时PC机的文件记录装置把训练相关数据记录到指定文件中，完成一次训练。整个训练过程由摄像机4监控，画面实时显示在显示器32上。摄像机4最好为红外摄像头，以便于动物能在黑暗的环境下训练。

Claims

1.一种用于非人灵长类动物行为学习的自动化训练装置，其特征在于：包括动物座椅(1)、给水控制系统(2)、PC机(3)、摄像机(4)和微控制器(5)；所述PC机(3)设有两个显示器，其中一个显示器(31)和所述摄像机(4)分别位于动物座椅(1)的前方；所述给水控制系统(2)包括储水瓶(22)、驱动控制电路(23)和电磁阀(21)，储水瓶(22)通过导管与电磁阀(21)连接，电磁阀(21)与驱动控制电路(23)电连接，驱动控制电路(23)与微控制器(5)电连接；所述动物座椅上固定有摇杆(11)和水嘴(12)，所述摇杆的手柄(13)上固定有压力传感器(14)，所述压力传感器和摇杆的电位器(15)分别与微控制器(5)电连接，水嘴(12)通过导管与给水控制系统的电磁阀(21)连接；所述PC机与摄像机(4)和微控制器(5)分别电连接。

2.如权利要求1所述的用于非人灵长类动物行为学习的自动化训练装置，其特征在于所述PC机还包括：

主控制装置；

由所述主控制装置控制的在位于动物座椅前方的显示器(31)上给动物提供动作提示界面的界面装置；

3.如权利要求1或2所述的用于非人灵长类动物行为学习的自动化训练装置，其特征在于所述微控制器包括：

微处理器；

用于与所述PC机和微处理器双向通讯的通讯装置；

由微处理器控制的显示摇杆位置状态的状态显示装置。

4.一种使用权利要求1的自动化训练装置对非人灵长类动物行为学习进行训练的方法，其特征是包括：

用于在所述PC机上设置训练参数的参数设置步骤；

用于在位于动物座椅前方的显示器(31)上给动物提供动作提示界面的步骤；

如果所述PC机判断摇杆有动作发生且动作与所述显示器(31)提示的所要完成的动作一致，则PC机给所述微控制器发送给水命令的步骤；

如果所述PC机判断摇杆没有动作发生，或摇杆有动作发生但与所述显示器(31)提示的所要完成的动作不一致，则PC机不向微控制器发送给水命令并延时的步骤；

用于记录动物动作状态、给水命令的文件记录步骤。