CN110972985A - 一种非人灵长类动物单物体抓握训练装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非人灵长类动物单物体抓握训练装置及使用方法。该装置由动物实验箱体,操作显示单元,微控制核心,灯光指示单元,奖赏单元,抓握感应单元,实验启动单元组成。该装置安全可靠、操作简单、开放性强;可以根据实际训练需求选择抓握物体的形状及手势指示灯的数量,训练范式的各项时间参数可调,能采集实验动物做出反应的信息与系统设定做比较,从而给出奖赏应答。本发明可以实现非人灵长类动物根据灯光的指示做出对应的抓握手势训练,适用于脑机接口及神经工程领域实验设备的研究与开发。
Description
技术领域
本发明涉及一种非人灵长类动物单物体抓握训练装置及使用方法,主要应用于神经工程及面向运动功能的脑机接口研究。
背景技术
在神经工程及面向运动功能的脑机接口研究领域,常常需要借助非人灵长类动物的行为学模拟实验来开展研究工作。近些年,借助脑机接口辅助设备,在外界刺激条件下用意念控制运动功能受损的肢体恢复运动功能成为脑机接口领域的热点。其中,抓握运动的研究是主要的研究热门课题之一。因此,训练非人灵长类动物快速的掌握抓握技能有着非常重要的意义。常规的训练需要实验员通过奖赏的方式人工引导实验动物对不同形状的物体做出正确的抓握动作,这个过程往往需要消耗大量的时间和精力。
为了研究大脑神经信号与抓握运动之间的联系,实验动物做出抓握动作的同时需要同步记录其神经信号。因此,需要一种操作简单、自动控制的装置辅助实验员完成非人灵长类动物的抓握运动训练,并且能同外部的神经信号记录装置实现同步通信。
发明内容
本发明的目的是提供一种非人灵长类动物单物体抓握训练装置,是一种简单的非人灵长类动物单物体抓握训练装置,为神经工程、脑机接口等相关领域提供对接的实验设备,解决目前非人灵长类动物抓握训练工作繁琐、耗费大量时间等问题。
本发明所述装置包括动物实验箱1,操作显示单元2,微控制核心3,灯光指示单元4,奖赏单元5,抓握感应单元6,实验启动单元7七个部分。所述操作显示单元2,灯光指示单元4,奖赏单元5,抓握感应单元6,实验启动单元7分别与微控制核心3相连,灯光指示单元4、抓握感应单元6、实验启动单元7设在动物实验箱1内部,抓握感应单元6安装在抓握物体8的内部;操作显示单元2和微控制核心3被封装在一个设备外壳11中,与奖赏单元5均设在箱1外部;灯光指示单元4,抓握感应单元6,实验启动单元7均固定在实验动物的正前方。
本发明的动物实验箱1为一种透明质封闭式箱体。在箱体的内部设有一个实验动物操作台13,实验动物可以在操作台内处于一个相对舒适的状态,为实验动物提供一个适宜的实验环境;实验操作台13正前方的箱壁上自上而下分别安装了实验启动单元7、抓握物体8、手势指示灯41和阶段指示灯42,在对侧的箱壁上(实验操作台13后方)设有可开关的合页门12,方便实验动物进出;箱体顶部开有透气天窗10,为实验动物提供有氧的环境;微控制核心3及操作显示单元2被封装在了一个设备外壳11中,安装固定在箱壁的另一侧,以方便实验员进行参数配置及实验数据观察;奖赏单元5被封装在另一个设备外壳12中,安装固定在箱体顶部。
抓握物体8具有两个或两个以上的抓握形状实体,每个抓握形状实体的内部安装了所需个数的触摸式传感器14。触摸式传感器14为电平触发模式,各个连接引脚分别与微控制器核心3相连。没有物体接触时,为高电平,感应到物体接触时,变为低电平,可以根据各个传感器引脚的电平情况来判断实验动物的抓握手势是否正确。LED手势指示灯41为RGB变色彩灯,至少能提供三种不同的颜色。实验动物根据LED手势指示灯41的颜色做出手势预判,进而做出相应的抓握手势。
所述微控制核心3包括微控制器以及支持其正常工作的时钟电路和外围接口电路,微控制器为单片机、FPGA或其他高性能微处理器。
所述操作显示单元2包括电容式触摸屏及嵌入微控制器的操作控制系统,所述操作控制系统包括参数设置和显示界面、数据传输和处理模块。
所述灯光指示单元4包括一个普通LED灯作为阶段指示灯42、一个RGB多色彩灯作为手势指示灯41,每一种颜色代表着不同的抓握手势。
所述奖赏单元5包括一套电平触发的奖赏装置,可以任意控制持续给出奖赏的时间。
所述抓握感应单元6包括一个多形状的抓握物体8,以及安装在抓握物体内部的高灵敏度触摸式传感器14。
所述实验启动单元7包括一个电平触发的机械按键,按键按下时由高电平变为低电平。
本发明的另一个目的是提供所述装置的使用方法,通过以下步骤实现:
(1)在实验开始之前,实验员在操作显示单元2中的触摸屏上设置各项实验参数,并开启电源,微控制核心3的控制系统进入初始化;
(2)实验动物按下实验启动单元7,微控制核心3控制灯光指示单元4做出响应;实验动物接收到灯光指示做出动作反馈,触发抓握感应单元6中的传感器14;
(3)微控制核心3对记录到的时间参数以及传感器状态进行处理,进而对实验动物的反应做出判断,即实验成功或者失败;
(4)若步骤三中的判断是成功,微控制核心3启动奖赏单元5,实验动物得到一次特定的奖赏,然后进入下一次实验等待;若步骤(3)中判断是失败,则直接进入下一次实验等待。
进一步地,所述微控制核心3中的微控制器控制整个实验范式的流程,具体步骤包括:
步骤一:扫描连接按键的引脚电平状态,变为低电平时启动实验范式流程,开始记录按键保持时间。
步骤二:经过时间参数A后,手势指示灯41亮起,实验动物需要通过灯光的颜色判断接下来应该做出何种抓握手势,此时依然要保持按键按下。记录按键保持时间和手势指示灯41亮的时间。如果按键松开,回到步骤一。
步骤三:经过时间参数B后,手势指示灯41熄灭,阶段指示灯42亮起,记录阶段指示灯42亮的时间。实验动物需要在阶段指示灯42亮起的时间参数C内松开按键,并且以正确的手势去抓握物体并保持时间参数D,记录抓握的保持时间。
上述三个步骤均正确,开启奖赏单元5中的奖赏装置,给出奖赏,然后回到步骤一;任一步骤错误则本次实验失败,则不给奖赏直接回到步骤一。一次实验结束后(成功或失败),进入1s的休息时间,在此期间猴子按下按键无响应。休息结束时,重新开始下一次实验。
进一步的,所述微控制核心3中,微控制系统的数据传输和处理模块主要包括时间参数和系统指令的处理。
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,成本低。(2)抓握物体具有多个形状实体,可以同时进行多个抓握手势的训练。(3)该装置为实验动物提供了一个安静的封闭式环境,可以减少外界干扰对后期实验数据的影响。(4)微控制系统开放性广,容易与神经信号记录仪等其他实验设备兼容。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为实验箱体结构示意图。
图3为抓握物体结构图。
图4为一种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单物体抓握训练装置包括:动物实验箱1,操作显示单元2,微控制核心3,灯光指示单元4,奖赏单元5,抓握感应单元6,实验启动单元7。图中给出了各个单元之间的连接关系,所述微控制核心3分别与操作显示单元2,灯光指示单元4,奖赏单元5,抓握感应单元6,实验启动单元7相连。灯光指示单元4有手势指示灯41和阶段指示灯42。所述操作显示单元2、灯光指示单元4、奖赏单元5、抓握感应单元6、实验启动单元7分别与微控制核心3相连,灯光指示单元4、抓握感应单元6、实验启动单元7设在动物实验箱1内部,抓握感应单元6安装在抓握物体8的内部;操作显示单元2,微控制核心3被封装在一个设备外壳11中,与奖赏单元5均设在动物实验箱1外部;灯光指示单元4,抓握感应单元6,实验启动单元7均固定在实验动物的正前方。
如图2所示为动物实验箱1为一种透明质封闭式箱体。在箱体的内部设有一个实验动物操作台13,实验动物可以在操作台内处于一个相对舒适的状态;实验操作台13正前方的箱壁上自上而下分别安装了机械按键7、抓握物体8、手势指示灯41和阶段指示灯42;在对侧的箱壁上设有可开关的合页门12,方便实验动物进出;箱体顶部开有透气天窗10,为实验动物提供有氧的环境;微控制核心3及操作显示单元2被封装在了一个设备外壳11中,安装固定在箱壁的另一侧,以方便实验员进行参数配置及实验数据观察;奖赏单元5被封装在另外一个设备外壳12中,固定安装在箱体顶部。
如图3所示,抓握物体8具有两个或两个以上的抓握形状实体,每个抓握形状实体的内部安装了所需个数的触摸式传感器14。触摸式传感器14为电平触发模式,各个连接引脚分别与微控制器核心3相连。没有物体接触时,为高电平,感应到物体接触时,变为低电平,可以根据各个传感器引脚的电平情况来判断实验动物的抓握手势是否正确。LED手势指示灯41为RGB变色彩灯,至少能提供三种不同的颜色。实验动物根据LED手势指示灯41的颜色做出手势预判,进而做出相应的抓握手势。
实施例2
如图4所示,为一种单物体抓握范式实验流程图,结合本发明装置介绍该实验范式具体内容:该装置设备电源启动后,操作显示单元2的微控制系统进入初始化。初始化完成之后,实验员可以在操作显示单元2的触摸屏上设置各项实验参数,如实验启动单元7的按键按下保持时间、手势指示灯41及阶段指示灯42亮保持时间、实验动物做出抓握动作反应时间、奖赏单元5给出的奖赏时间等。系统检测到实验启动单元7的按键启动后,正式开始试验范式流程,计时器开始计时。按键保持按下,一段时间后,手势指示灯41亮起,灯亮的颜色指代着相应的抓握手势,比如绿色代表抓,蓝色代表勾。接下来,实验动物开始规划抓握动作,继续保持按键按下。手势指示灯41亮一段时间之后熄灭,阶段指示灯42亮起,实验动物需要在阶段指示灯42亮起的指定时间段内松开按键,并且以正确的手势去抓握物体并保持指定的时间,记录抓握的保持时间。若抓握感应单元6中的传感器14在相应的时间段内全部正确触发,则此次抓握实验成功,微控制核心3的控制系统发出奖赏指令,开启奖赏单元5中的奖赏装置,实验动物获得一次设定的奖赏。如果抓握感应单元6中的传感器14没有被正确触发或者没有在指定时间内正确触发,则此次实验失败,不给奖赏。不管实验成功与否,一次实验结束后,进入1s的休息时间,在此期间猴子按下按键无响应。休息结束时,重新开始下一次实验。
Claims (10)
1.一种非人灵长类动物单物体抓握训练装置,其特征在于,由动物实验箱(1),操作显示单元(2),微控制核心(3),灯光指示单元(4),奖赏单元(5),抓握感应单元(6),实验启动单元(7)组成,所述操作显示单元(2)、灯光指示单元(4)、奖赏单元(5)、抓握感应单元(6)、实验启动单元(7)分别与微控制核心(3)相连,灯光指示单元(4)、抓握感应单元(6)、实验启动单元(7)设在动物实验箱(1)内部,抓握感应单元(6)安装在抓握物体(8)的内部;操作显示单元(2),微控制核心(3)被封装在一个设备外壳(11)中,与奖赏单元(5)均设在箱体(1)外部;灯光指示单元(4),抓握感应单元(6),实验启动单元(7)均固定在实验动物的正前方。
2.根据权利要求1所述的一种非人灵长类动物单物体抓握训练装置,其特征在于,实验箱(1)为一种透明质封闭式箱体,在实验箱(1)的内部设有一个实验动物操作台(13),实验操作台(13)正前方的箱壁上自上而下分别安装实验启动单元(7)、抓握物体(8)、手势指示灯(41)和阶段指示灯(42),在对侧的箱壁上设有可开关的合页门(12),箱体顶部开有透气天窗(10),奖赏单元(5)被封装在另一个设备外壳(12)中,安装固定在箱体顶部。
3.根据权利要求1所述的一种非人灵长类动物单物体抓握训练装置,其特征在于,抓握物体(8)有两个或两个以上的抓握形状实体,每个抓握形状实体的内部安装了所需个数的触摸式传感器(14),触摸式传感器14为电平触发模式,各个连接引脚分别与微控制器核心3相连,没有物体接触时,为高电平,感应到物体接触时,变为低电平,根据各个传感器引脚的电平情况来判断实验动物的抓握手势是否正确,所述灯光指示单元(4)有一个阶段指示灯(42)和一个势指示灯(41),每一种颜色代表着不同的抓握手势,手势指示灯(41)为RGB变色LED彩灯,至少能提供三种不同的颜色,实验动物根据手势指示灯(41)的颜色做出手势预判,进而做出相应的抓握手势。
4.根据权利要求1所述的一种非人灵长类动物单物体抓握训练装置,其特征在于,所述微控制核心(3)包括微控制器以及支持其正常工作的时钟电路和外围接口电路,微控制器为单片机、FPGA或其他高性能微处理器。
5.根据权利要求1所述的一种非人灵长类动物单物体抓握训练装置,其特征在于,所述操作显示单元(2)包括电容式触摸屏及嵌入微控制器的操作控制系统,所述操作控制系统包括参数设置和显示界面、数据传输和处理模块。
6.根据权利要求1所述的一种非人灵长类动物单物体抓握训练装置,其特征在于,所述奖赏单元(5)为一套电平触发的奖赏装置,控制持续给出奖赏的时间,所述实验启动单元(7)为一个电平触发的机械按键,按键按下时由高电平变为低电平。
7.根据权利要求1所述的一种非人灵长类动物单物体抓握训练装置,其特征在于,所述抓握感应单元(6)包括一个多形状的抓握物体(8),以及安装在抓握物体内部的高灵敏度触摸式传感器(14)。
8.权利要求1所述的装置的使用方法,其特征在于,通过以下步骤实现:
(1)在实验开始之前,实验员在操作显示单元(2)中的触摸屏上设置各项实验参数,并开启电源,微控制核心(3)的控制系统进入初始化;
(2)实验动物按下实验启动单元(7),微控制核心(3)控制灯光指示单元(4)做出响应,实验动物接收到灯光指示做出动作反馈,触发抓握感应单元(6)中的传感器(14);
(3)微控制核心(3)对记录到的时间参数以及传感器状态进行处理,进而对实验动物的反应做出判断,即实验成功或者失败;
(4)若步骤三中的判断是成功,微控制核心(3)启动奖赏单元(5),实验动物得到一次特定的奖赏,然后进入下一次实验等待,若步骤(3)中判断是失败,则直接进入下一次实验等待。
9.权利要求8所述的使用方法,其特征在于,所述微控制核心(3)中的微控制器控制整个实验范式的流程,具体步骤包括:
步骤一:扫描连接按键的引脚电平状态,变为低电平时启动实验范式流程,开始记录按键保持时间;
步骤二:经过时间参数A后,手势指示灯(41)亮起,实验动物需要通过灯光的颜色判断接下来应该做出何种抓握手势,此时依然要保持按键按下,记录按键保持时间和手势指示灯(41)亮的时间,如果按键松开,回到步骤一;
步骤三:经过时间参数B后,手势指示灯(41)熄灭,阶段指示灯(42)亮起,记录阶段指示灯(42)亮的时间,实验动物需要在阶段指示灯(42)亮起的时间参数C内松开按键,并且以正确的手势去抓握物体并保持时间参数D,记录抓握的保持时间;
上述三个步骤均正确,开启奖赏单元(5)中的奖赏装置,给出奖赏,然后回到步骤一;任一步骤错误则本次实验失败,则不给奖赏直接回到步骤一;包括成功或失败的一次实验结束后,进入1s的休息时间,在此期间实验猴子按下按键无响应,休息结束时,重新开始下一次实验。
10.根据权利要求8所述的使用方法,其特征在于,所述微控制核心(3)中,微控制系统的数据传输和处理模块主要包括时间参数和系统指令的处理。
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