CN105028232A - 一种非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置 - Google Patents
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Abstract
本发明针对如何使训练动物快速掌握各类规定的抓握动作的技术问题，提供一种非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置。该装置包括转盘主体、微控制器、给水控制系统、脑电信号记录仪和PC机。该装置操作简单，训练效率高；训练模式根据需要可调，可以实现不同抓握任务的训练范式；并精确检测手势，方便设计特定的实验范式，提高了后续分析的数据精度，便于后期的分析与整理。本发明可以实现非人灵长类动物的特定手势抓握训练，通过无痛苦的自动化训练过程，可以快速高效的实现非人灵长类动物的抓握训练，并可以大大减少人力资源消耗。本发明适用于脑机接口领域康复医疗仪器的研究与开发。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于非人灵长类动物抓握行为训练的记录装置及方法，主要应用于面向运动功能的脑机接口研究。
背景技术
在面向运动功能的脑机接口研究领域，尤其是植入式脑机接口领域，利用非人灵长类动物来代替和模拟人类进行实验是非常重要的一个步骤。其中对于手的精细抓握运动的研究更是当前脑机接口领域的前沿科学问题，训练动物快速掌握各类规定的抓握动作有着及其重要的意义。目前，常见的抓握训练方式主要是利用不同形状特征的物体，如把手，平板，小环等，利用自然的抓握方式进行抓握。由于在抓握训练中往往需要训练多种抓握模式，因此抓握的物体需要经常更换。此外，在一个实验中判断动物是否可以以正确的姿势进行抓握，以及如何在实验成功时及时给予奖励，这些问题往往都需要消耗大量的人力资源进行调整与观察，且容易出现误操作导致动物训练行为效率低下，效果不佳。在实验过程中还需要同步采集实验动物的神经信号，由于神经电生理信号的发放时间短，频率较高，因此，对运动数据的同步要求也比较高（小于1ms），需要详细快速地记录整个抓握流程中的各个运动阶段，以上实验操作依靠人工都难以完成。
因此，需要一套完整的系统来自动化完成抓握物体的更换、抓握手势检测、实验阶段控制、奖励控制、运动与神经信号同步等功能，方便对抓握运动的脑电信号进行抓握解码，构建更加准确的抓握运动模型，更加有效的面向抓握运动功能的脑机接口。
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抓握实验的自动化训练与记录装置。本装置包括转盘主体、微控制器、给水控制系统、脑电信号记录仪和PC机。
进一步地，所述转盘箱体为非透明材质有机玻璃制封闭式箱体，内置前置面板、照明灯、载物转盘、导电滑环、驱动电机、LED指示灯、按键、抓握物体、红外摄像头；在内置所述照明灯处于关闭状态时，所述抓握物体处于不可见状态；所述载物转盘为有机玻璃材质六面立方体转盘，内部中空且具有6个垂直平面，各个所述垂直平面上安装一个所述抓握物体，所述载物转盘在驱动电机的驱动下沿中轴线水平运动；所述照明灯和所述驱动电机由所述微控制器进行控制；所述导电滑环装在所述载物转盘内，抓握物体相关连接线通过所述导电滑环与所述微控制器电连接，下方由所述驱动电机驱动旋转，以更换所述抓握物体；在所述前置面板上与所述抓握物体处于相同高度处开有用于抓握的孔洞，其仅在面对实验动物方向开有，在前置面板上装有所述LED指示灯和所述按键；在所述抓握物体上方装有所述红外摄像头，由所述红外摄像头抓拍到的视频监控数据直接传输给所述PC机进行保存。
进一步地，所述给水控制系统包括储水瓶、电磁阀与水嘴，储水瓶通过水管穿过电磁阀与水嘴相连，通过电磁阀开闭给实验动物供水，电磁阀与微控制器电连接；所述微控制器通过IO口电连接驱动电机装置、LED指示灯、按键、抓握物体、给水控制系统、脑电信号记录仪，通过串口转USB模块连接PC机；所述脑电信号记录仪输入端通过阵列电极连接实验动物脑区运动皮层，输出端放大后的神经信号通过光纤连接所述PC机，事件同步端口与微控制器电连接；所述摄像头置于所述转盘装置上方，可以拍摄整个抓握手势，录像信息通过监控系统传给PC机存储；所述PC机包括主机和显示器，与微控制器、脑电信号记录仪及摄像头分别电连接。
进一步地，所述脑电信号记录仪输入端通过阵列电极连接实验动物脑区运动皮层，输出端放大后的神经信号通过光纤连接所述PC机；所述脑电信号记录仪的事件标签同步端口与所述微控制器的IO口电连接，所述微控制器在发送与接收所有实验相关数据时，都将对应的事件标签通过IO口传输给所述脑电信号记录仪，脑电信号记录仪将事件标签与神经信号进行同步，之后将数据存储到所述PC机中。
进一步地，所述微控制器包括微处理器、供电电源单元、数据采集单元、输出控制单元、双向通讯单元、同步事件输出单元、逻辑判断单元。
进一步地，所述PC机由主控制程序单元、模式选择单元、参数设置单元、数据接收单元、数据发送单元、文件记录单元、人机交互单元组成。
进一步地，所述抓握物体根据实验手势要求定制，其中不同位置装有触摸传感器，所述触摸传感器18传感器为电容式传感器，可以置于物体内部。当传感器被触发时输出低电平，反之输出高电平，抓握物体内部的传感器与微控制器电连接。
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）训练模式根据需要可调，抓握物体可更换，可以实现不同抓握任务的训练范式；（3）抓握物体设有传感器，可精确检测手势，并且内部设有多种实验控制器，以及可编程器件，方便设计特定的实验范式；（4）运动数据与神经数据实现了自动同步，提高了后续分析的数据精度；（5）运动信息、神经电生理信号、视频监控信号都可以通过PC存储，便于后期的分析与整理。
附图说明
图1为非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置结构示意图。
图2为转盘主体结构图。
图3为抓握物体结构图。
图4为微控制器的实施方法示意图。
图5为PC机的实施方法示意图。
图6为非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置实施方式实例范式流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明的非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置包括：转盘主体1、微控制器2、给水控制系统3、脑电信号记录仪4和PC机5。
如图2所示，转盘主体1为一有机玻璃制封闭式箱体，在内置照明灯10亮起前处于黑暗环境中，载物转盘11置于其中，可在驱动电机13的驱动下沿中轴水平转动，照明灯10与驱动电机13由微控制器2进行控制。载物转盘11上有6个垂直平面，用以安装抓握物体16，转盘主体1的前置面板9上开有孔洞，与抓握物体16处于相同高度。载物转盘11内部中空，装有导电滑环12，可以在转盘内部放置控制器件或传感器件，线路可经由导电滑环12连接至转盘主体外部。在前置面板9上还装有LED指示灯14和按键15，分别与微控制器2电连接。LED指示灯14和按键15可用于常见的准备—抓握范式设计，通过对微控制器编程快速实现，LED指示灯14为三色指示灯，可用不同颜色代表不同指示阶段，按键15可以为点动式大型按钮。在抓握物体16上方装有红外摄像头17，用以全程拍摄抓握动作，监控数据直接传输给PC机5进行保存。本发明提供的转盘主体1，可以使箱体内部处于黑暗状态，可经由对照明灯的控制决定实验对象观察抓握物体的时机，并且转盘内部留有足够的空间，并可以通过导电滑环实现对载物转盘及抓握物体的线路进行快速布线，加上集成的按键与LED指示等，可以满足大部分的抓握范式的特异性需求。
如图3所示，抓握物体16根据实验手势要求定制，其中设有多个触摸传感器18，该传感器为电容式触摸传感器，可隔物进行触发，当传感器被触发时输出低电平，反之输出高电平，抓握物体16内部的传感器与微控制器2电连接，传感器根据抓握手势的不同放置在不同的位置，只有正确的抓握手势才可以触发全部传感器，因此微控制器2通过检测触摸传感器18的触发状况，可以确定抓握动作是否正确。本装置首次实现了对抓握手势的自动化检测，不仅可以检测是否抓握，还可以确定抓握动作是否正确。此外由于抓握传感器设置在物体内部，动物抓握区域没有导线等易损物体，适用于动物实验。
给水控制系统3由储水瓶6、电磁阀7和电磁继电器8组成。电磁阀7为一两位两通常闭型电磁阀，电磁阀7的进水口通过软管与储水瓶6相连，控制端与电磁继电器8的高压端相连。电磁继电器8为直流型电磁继电器，输入回路与微控制器2的IO口相连，输出回路连接电磁阀与8v电源。当电磁继电器8的输入端接收到微控制器2的低电平输出时，电磁继电器8的输出回路导通，电磁阀7打开，储水瓶6中的水在重力作用下流出，供实验动物饮用。本模块可以根据实验奖励的不同进行更换。
脑电信号记录仪4输入端通过阵列电极连接实验动物脑区运动皮层，输出端放大后的神经信号通过光纤连接PC机5。事件标签同步端口与微控制器2的IO口电连接，微控制器2在发送与接收所有实验相关数据时，都将对应的事件标签通过IO口传输给脑电信号记录仪4，脑电信号记录仪4会将事件标签与神经信号进行同步，之后将数据存储到PC机5中。由于本发明使用了可编程微控制器模块，因此对脑电信号记录仪的型号没有特别要求，均可轻松实现运动信息的同步。
图4示出了微控制器2的一种实施方式。微控制器2包括微处理器、供电电源单元、数据采集单元、输出控制单元、双向通讯单元、同步事件输出单元、逻辑判断单元。其中供电电源采用5V2A的直流电源。数据采集单元用于采集按键15与触摸传感器18的触发状态。状态判断单元根据数据采集单元的信号状态判断当前处于准备阶段还是抓握阶段，按键是否保持至规定时间，抓握动作是否正确，并且给出下一步的输出控制信号。输出控制单元用于发送高低电平信号用于驱动LED指示灯14、驱动电机13以及给水控制系统3进行相应的工作。双向通讯单元用于PC机5与微处理器之间的双向通讯。同步事件输出单元用于将实验的事件标签传输给脑电信号记录仪。微控制器模块使用了可编程器件，可以方便的根据实验范式编写相应的程序。
图5示出了PC机5的一种实施方式。PC机5由主控制程序单元、模式选择单元、参数设置单元、数据接收单元、数据发送单元、文件记录单元、人机交互单元组成。模式选择单元用于选择本次实验所要进行的抓握运动类型并将结果通过数据发送单元发送给微控制器2。参数设置单元用于设置抓握训练中各阶段的等待时间、抓握物体的更换方式、PC机与微控制器通讯的端口、人机交互界面提示参数，并将所设置的参数通过数据发送单元发送给微控制器2。数据接收单元用于接收微控制器2发送的运动事件标签信息、脑电信号记录仪采集的脑电信号以及红外摄像头17拍摄的监控信息，并将接收到的数据传送给主程序单元。数据发送单元由主程序单元控制，用于向微控制器2发送模式选择单元与参数设置单元所设置的参数。文件记录单元用于记录微控制器2输入的运动数据、脑电信号记录仪4输入的脑电信号数据以及摄像头17输入的监控数据。人机交互界面单元用于显示实验中需要进行设置的全部参数和接收到的数据，并显示实验进度。PC机模块主要用于实验参数设置及数据存储，也可以根据不同的实验范式要求进行其他的功能设计。
实施例2
图6为一种抓握范式的实验流程图，下面结合该实验范式介绍本发明装置的工作流程：实验开始后，先由PC机5设置相应的模式及参数，微控制器2向LED指示灯14发送红灯亮起指令，提示实验动物本次实验开始，此时照明灯10未开启，被试实验动物无法看见抓握物体16。此时，微控制器2开始等待按键15被按下，当检测到按键15被按下后，计数器启动，当按键15保持到设定时间后，微控制器2向LED指示灯14发送红灯熄灭绿灯亮起指令，此时实验进入抓握阶段，微控制器2开始等待被实验试动物在规定时间内以规定手势抓握物体16。此时被试动物需要松开按键15穿过前置面板9中心的孔洞握住抓握物体16，微控制器2实时采集触摸传感器18的触发信息，若抓握物体16中的传感器18全部被正确触发，则判定抓握动作正确，微控制器2向给水控制系统3发送给水命令，给水控制系统3中的电磁继电器8接收到给水命令后，电磁阀7导通，控制储水瓶6对动物进行给水奖励。在此期间，脑电信号记录仪4与红外摄像头17全程进行工作，并将数据传送到PC机5进行存储；如果没有动作，或动作与标准动作不一致，微控制器2向LED指示灯发送错误提示命令，本次实验结束。实验期间的所有输入与输出状态标签都通过通信接口与脑电信号记录仪4与PC机5进行同步与存储。当本次实验完成后，微控制器2向驱动电机13发送转动命令，将下一次实验的抓握物体16转动至前置面板9方向，然后进入下一次实验阶段。
Claims (7)
1.一种非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置，其特征在于，包括转盘主体（1）、微控制器（2）、给水控制系统（3）、脑电信号记录仪（4）和PC机（5）。
2.根据权利要求1所述的一种非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置，所述转盘箱体（1）为非透明材质有机玻璃制封闭式箱体，内置前置面板（9）、照明灯（10）、载物转盘（11）、导电滑环（12）、驱动电机（13）、LED指示灯（14）、按键（15）、抓握物体（16）、红外摄像头（17）；所述载物转盘（11）为有机玻璃材质六面立方体转盘，内部中空且具有6个垂直平面，各个所述垂直平面上安装一个所述抓握物体（16），所述载物转盘（11）在驱动电机（13）的驱动下沿中轴线水平运动；所述照明灯（10）和所述驱动电机（13）由所述微控制器（2）进行控制；所述导电滑环（12）装在所述载物转盘（11）内，抓握物体相关连接线通过所述导电滑环（12）与所述微控制器（2）电连接；在所述前置面板（9）上与所述抓握物体（16）处于相同高度处开有用于抓握的孔洞，在前置面板（9）上装有所述LED指示灯（14）和所述按键（15）；在所述抓握物体（16）上方装有所述红外摄像头（17），由所述红外摄像头（17）抓拍到的视频监控数据直接传输给所述PC机（5）进行保存。
3.根据权利要求1所述的一种非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置，其特征在于，所述微控制器（2）包括微处理器、供电电源单元、数据采集单元、输出控制单元、双向通讯单元、同步事件输出单元、逻辑判断单元；且所述微控制器（2）为可编程电路，根据实验范式编程定制实验控制程序。
4.根据权利要求1所述的一种非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置，其特征在于，所述给水控制系统（3）由储水瓶（6）、电磁阀（7）和电磁继电器（8）组成；所述电磁阀（7）为两位两通常闭型电磁阀，所述电磁继电器（8）为直流型电磁继电器；当所述电磁继电器（8）的输入端接收到所述微控制器（2）的低电平输出时，所述电磁继电器（8）的输出回路导通，所述电磁阀（7）打开，所述储水瓶（6）中的水在重力作用下流出，供实验动物饮用。
5.根据权利要求1所述的一种非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置，其特征在于，所述脑电信号记录仪（4）输入端通过阵列电极连接实验动物脑区运动皮层，输出端放大后的神经信号通过光纤连接所述PC机（5）；所述脑电信号记录仪（4）的事件标签同步端口与所述微控制器（2）的IO口电连接，所述微控制器（2）在发送与接收所有实验相关数据时，都将对应的事件标签通过IO口传输给所述脑电信号记录仪（4），脑电信号记录仪（4）将事件标签与神经信号进行同步，之后将数据存储到所述PC机（5）中。
6.根据权利要求1所述的一种非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置，其特征在于，所述PC机（5）由主控制程序单元、模式选择单元、参数设置单元、数据接收单元、数据发送单元、文件记录单元、人机交互单元组成。
7.根据权利要求2所述的一种非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置，其特征在于，所述抓握物体（16）物体形状根据实验手势要求定制，其中不同位置装有触摸传感器（18），所述的触摸传感器（18）为电容式传感器。
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