CN113178247A - 一种动物运动认知同步控制训练系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种动物运动认知同步控制训练系统及方法，包括运动模块、数据采集模块、场景生成模块、数据处理模块和反馈模块，运动模块用于为动物提供产生运动状态变化的运动模式，场景生成模块用于为动物提供与运动模式相对应的产生认知行为的引导性场景，运动模块与场景生成模块连接并且使引导性场景变化与动物的运动状态变化产生同步，数据采集模块与运动模块连接并采集运动模块所产生的数据，数据采集模块和场景生成模块分别与数据处理模块连接，数据处理模块与反馈模块连接，结合数据与引导性场景变化对反馈模块发出指令，反馈模块接收到指令并根据指令给予动物相应的反馈刺激，以形成动物的运动状态与认知行为之间相互的训练和反馈。
Description
技术领域
本发明涉及运动控制领域，具体涉及一种动物运动认知同步控制训练系统及方法。
背景技术
在现有技术中，运动与认知之间的必然的联系，但是在人体中可以形成非常直观的表现，但是在动物中，由于语言和行为理解之间存在障碍，就阻碍科学家对动物的认知和运动之前的联系的探讨。
临床上，老年人或脑血管意外患者常会出现运动功能及认知功能障碍，为促进患者的运动、认知功能恢复，多采用运动和认知同步的训练手段。然而，对于运动和认知同步在动物方面的应用当前还未存在。目前现有技术中存在以下问题，对于动物行为状态与认知之间的量化表征难度大，无法形成训练和反馈机制，为了开展动物行为状态与认知之间的基础实验研究，深入揭示其中的生物学机制，必须采用行之有效的设备及方法进行应用。
有鉴于此，本申请针对动物提出一种动物运动认知同步控制训练系统及方法。
发明内容
针对上述提到的开展动物行为状态与认知之间关联性存在量化表征难度大，无法形成训练和反馈机制等问题。本申请的实施例的目的在于提出了一种动物运动认知同步控制训练系统及方法，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。
第一方面，本申请的实施例提供了一种动物运动认知同步控制训练系统，包括运动模块、数据采集模块、场景生成模块、数据处理模块和反馈模块，运动模块用于为动物提供产生运动状态变化的至少一种运动模式，场景生成模块用于为动物提供与运动模式相对应的产生至少一种认知行为的引导性场景，运动模块与场景生成模块连接并且使引导性场景变化与动物的运动状态变化产生同步，数据采集模块与运动模块连接并采集运动模块所产生的数据，数据采集模块和场景生成模块分别与数据处理模块连接，数据处理模块与反馈模块连接，结合数据与引导性场景变化对反馈模块发出指令，反馈模块接收到指令并根据指令给予动物相应的反馈刺激，以形成动物的运动状态与认知行为之间相互的训练和反馈。
在一些实施例中，场景生成模块采用增强现实技术生成由现实场景与虚拟影像融合产生的引导性场景，动物根据引导性场景产生的认知行为变化与动物的运动状态变化形成训练和反馈。场景生成模块可以通过AR投射技术实现引导性场景的生成，动物对引导性场景产生对应的认知。
在一些实施例中，运动模块的运动模式包括转轮、跑台或平衡棒。转轮、跑台或平衡棒都可以采用速度传感器进行数据采集，数据采集的准确度高，灵敏度高。
在一些实施例中，数据处理模块将数据采集模块采集的数据进行处理，并且将处理后的数据与当前的引导性场景进行比对，基于比对结果生成指令，通过比对结果判断运动状态变化与引导性场景变化是否一致，若一致则发出奖励指令，若不一致则发出惩罚指令。通过判断运动状态变化与引导性场景变化是否一致可以间接地得出动物是否通过认知改变其行为的结论，并以此来进行训练。
在一些实施例中，数据采集模块包括设置在运动模块上的速度传感器和计时器，数据采集模块采集到的数据包括速度参数和时间参数。速度参数和时间参数的采集方式简单易行，采集到的数据准确，通过速度参数和时间参数可以得出距离参数，方便进行处理，并与场景生成模块产生的引导性场景进行对比，得出运动状态与认知行为之间的关联是否一致的结论。
在一些实施例中，引导性场景包括设置有多个通道或关卡的迷宫。迷宫是训练实验动物的比较好的场景方式，但是本申请的引导性场景不仅限于此。
在一些实施例中，数据处理模块存储有迷宫的通道或关卡的距离参数，将距离参数与处理后的数据进行比对，得到比对结果。通过迷宫中预设距离内设置的通道或关卡，对实验动物在运动模块中产生的行为进行标定和训练。
在一些实施例中，动物的运动状态与认知行为之间相互的训练和反馈包括基于动物在运动模块上的运动状态变化对场景生成模块的引导性场景变化产生的认知行为变化形成训练和反馈，以及动物在场景生成模块的引导性场景变化产生的认知行为变化对动物在运动模块上的运动状态变化形成训练和反馈。在本申请中训练为动物在运动模块中被动运动产生的结果，反馈为动物在运动模块中主动运动产生的结果。
在一些实施例中，反馈模块所提供的反馈刺激包括食物和电刺激。食物和电刺激都可以对动物的认知和行为是否一致的结果进行引导。
第二方面，本申请实施例提供了一种动物运动认知同步控制训练方法，该方法采用上述的动物运动认知同步控制训练系统。
本申请提出了一种动物运动认知同步控制训练系统及方法，该系统包括运动模块、数据采集模块、场景生成模块、数据处理模块和反馈模块，运动模块用于为动物提供产生运动状态变化的至少一种运动模式，场景生成模块用于为动物提供与运动模式相对应的产生至少一种认知行为的引导性场景，运动模块与场景生成模块连接并且使引导性场景变化与动物的运动状态变化产生同步，数据采集模块与运动模块连接并采集运动模块所产生的数据，数据采集模块和场景生成模块分别与数据处理模块连接，数据处理模块与反馈模块连接，结合数据与引导性场景变化对反馈模块发出指令，反馈模块接收到指令并根据指令给予动物相应的反馈刺激，以形成动物的运动状态与认知行为之间相互的训练和反馈。通过本申请的系统和方法可以对脑损伤大鼠学习记忆能力的恢复有促进作用，同时可以抑制神经元凋亡、增加突触可塑性变化，促进神经功能的恢复，改善运动及认知功能。该技术通过AR投射技术，将多种认知行为模块运用其中，并利用运动速度传感器等结合数据采集模块获取数据并用数据处理模块进行分析，以客观、直接、简便的方式检测动物在运动、认知方面的功能进展，以揭示运动和认知同步的生物学机制。因此，市场应用前景广阔。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1示出了根据本发明的实施例的动物运动认知同步控制训练系统的示意图；
图2示出了根据本发明的其中一个实施例的动物运动认知同步控制训练系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。应当注意到，附图中的部件的尺寸以及大小并不是按照比例的，可能会为了明显示出的原因突出显示了某些部件的大小。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明本申请的实施例提供了一种动物运动认知同步控制训练系统，如图1所示，包括运动模块1、数据采集模块2、场景生成模块3、数据处理模块4和反馈模块5。运动模块1与场景生成模块3连接，数据采集模块2与运动模块1连接，数据采集模块2和场景生成模块3分别与数据处理模块4连接，数据处理模块4与反馈模块5连接。其中，运动模块1用于为动物提供产生运动状态变化的至少一种运动模式。运动模块1的运动模式包括转轮、跑台或平衡棒。转轮、跑台或平衡棒都可以采用速度传感器进行数据采集，采用该方式进行数据采集准确度高，灵敏度高。
场景生成模块3用于为动物提供与运动模式相对应的产生至少一种认知行为的引导性场景。具体的，将运动模块1与场景生成模块3进行连接，使得场景生成模块3产生的引导性场景变化与动物在运动模块1上的运动状态变化产生同步。运动模块1的速度与场景生成模块3产生的引导性场景变化的速度同步或者成比例变化，并结合相同的时间戳，因此使得场景生成模块3产生的引导性场景变化与动物在运动模块1上的运动状态变化产生同步。在具体的实施例中，场景生成模块3采用增强现实技术生成由现实场景与虚拟影像融合产生的引导性场景，动物根据引导性场景产生的认知行为变化与动物的运动状态变化形成训练和反馈。在具体的实施例中，动物的运动状态与认知行为之间相互的训练和反馈包括基于动物在运动模块1上的运动状态变化对场景生成模块3的引导性场景变化产生的认知行为变化形成训练和反馈，以及动物在场景生成模块3的引导性场景变化产生的认知行为变化对动物在运动模块1上的运动状态变化形成训练和反馈。在本申请中，训练为动物在运动模块1中被动运动产生的结果，反馈为动物在运动模块1中主动运动产生的结果。在具体的实施例中，引导性场景包括设置有多个通道或关卡的迷宫。迷宫是训练实验动物的比较好的场景方式，但是本申请的引导性场景不仅限于此。场景生成模块3可以通过AR投射技术实现引导性场景的生成，使得动物对引导性场景产生对应的认知。
在具体的实施例中，数据采集模块2与运动模块1连接并采集运动模块1所产生的数据，数据采集模块2和场景生成模块3分别与数据处理模块4连接。在优选的实施例中，数据采集模块2包括设置在运动模块1上的速度传感器和计时器，数据采集模块2采集到的数据包括速度参数和时间参数。速度参数和时间参数的采集方式简单易行，采集到的数据准确。数据处理模块4与反馈模块5连接，结合采集到的数据与引导性场景变化对反馈模块5发出指令，反馈模块5接收到指令并根据指令给予动物相应的反馈刺激，以形成动物的运动状态与认知行为之间相互的训练和反馈。
在具体的实施例中，当数据采集模块2包括设置在运动模块1上的速度传感器和计时器，通过采集到的速度参数和时间参数通过数据处理模块4进行处理可以得出距离数据，并与场景生成模块3产生的引导性场景进行对比，得出运动状态与认知行为之间的关联是否一致的结论。数据处理模块4包含中央处理器(CPU)和存储器。在具体的实施例中，数据处理模块4还存储有迷宫的通道或关卡的距离参数，将距离参数与处理后的数据进行比对，得到比对结果。
在具体的实施例中，数据处理模块4将数据采集模块2采集的数据进行处理，并且将处理后的数据与当前的引导性场景进行比对，基于比对结果生成指令，通过比对结果判断运动状态变化与引导性场景变化是否一致，若一致则发出奖励指令，若不一致则发出惩罚指令。通过判断运动状态变化与引导性场景变化是否一致可以间接地得出动物是否通过认知改变其行为的结论，并以此来进行训练和反馈。
在具体的实施例中，反馈模块5所提供的反馈刺激包括食物和电刺激。食物和电刺激都可以对动物的认知和行为是否一致的结果进行引导。对实验动物来说，食物可以是糖水或坚果。当实验动物在训练和反馈的过程中能够产生对应的认知行为时给予食物的奖励指令，当实验动物在训练和反馈的过程中能够产生错误的认知行为时给予电刺激。
下面通过一个具体场景的实施例进行解释说明，在本申请的实施例中，运动模块1以跑台101作为示例，具体如图2所示，实验动物在跑台101上进行跑步，跑台101上设置有速度传感器和计时器，采集实验动物在跑台101上运动的速度和时间，即可计算出实验动物在跑台101上跑动的距离。其他类型的运动模块在原理上类似，因此不再赘述。
在AR投射屏301的前方设置有跑台101，AR投射屏301上投射有设置有多个通道或关卡的迷宫，实验动物在看到AR投射屏301上的迷宫后，根据迷宫中的通道或关卡作出认知行为变化，进而改变在跑台101上的运动状态。对实验动物在跑台101上跑动的距离与速度进行监测计算，根据时间＝距离/速度，计算出时间信息，把时间信息反馈AR投射屏301，更换AR投射屏301的场景，如设置障碍物与奖励虚拟食物。也就说，实验动物跑动的距离或时间与给AR软件实现同步，以空间换时间的同步。
当实验动物看到AR投射屏301上显示的是一个通道，如果实验动物在跑台101上运动经过这一个通道，速度传感器会采集到运动速度，结合运动速度和运动时间得出距离数据，将该距离数据与AR投射屏301上显示的迷宫通道相对应预设的距离参数进行比对，若该比对结果是一致的，说明实验动物认知到这是一个通道，可以快速跑动经过，可以给予糖水奖励；若该比对结果不一致，说明实验动物并没有认知到这是一个通道，可以给予电刺激，当然在前期可以通过跑台101本身的速度变化来对实验动物进行训练，以训练使其最终达到形神合一。当实验动物看到AR投射屏301上显示的是一个墙，实验动物在跑台101运动，上的速度就变慢，速度传感器会采集到运动速度，结合运动速度和运动时间得出距离数据，将该距离数据与AR投射屏301上显示的墙相对应预设的距离参数进行比对，若该比对结果是一致的，说明实验动物认知到这是一个墙，在墙前面停止下来，可以给予糖水奖励；若该比对结果不一致，说明实验动物并没有认知到这是一个墙，没有在墙前面停止，可以给予电刺激。在可选的实施例中，在跑台101前面设置有食物槽201，当AR投射屏301出现的迷宫场景，实验动物跨过障碍物，再往前跑动，找到迷宫中有一个虚拟奖励食物后，跑台101停止，此时食物槽201会给予实验动物食物奖励。当实验动物没有加快跑步速度跨过障碍物时候，就是给予电刺激惩罚。当然在前期可以通过跑台101本身的速度变化来对实验动物进行训练，以训练使其最终达到运动和认知同步。通过迷宫中预设距离内设置的通道或关卡，对实验动物在运动模块中产生的行为进行标定和训练。
本申请实施例提供了一种动物运动认知同步控制训练方法，该方法采用上述的动物运动认知同步控制训练系统。将该动物运动认知同步控制训练系统应用在动物上有利于探索动物认知的机理。进一步，根据老年人或脑卒中后出现的运动功能、认知功能障碍，以及其对日常生活质量的不利影响，利用运动、认知相关的治疗基础，进行运动和认知同步训练，以此解决脑损伤后所带来的功能障碍。
本申请提出了一种动物运动认知同步控制训练系统及方法，该系统包括运动模块、数据采集模块、场景生成模块、数据处理模块和反馈模块，运动模块用于为动物提供产生运动状态变化的至少一种运动模式，场景生成模块用于为动物提供与运动模式相对应的产生至少一种认知行为的引导性场景，运动模块与场景生成模块连接并且使引导性场景变化与动物的运动状态变化产生同步，数据采集模块与运动模块连接并采集运动模块所产生的数据，数据采集模块和场景生成模块分别与数据处理模块连接，数据处理模块与反馈模块连接，结合数据与引导性场景变化对反馈模块发出指令，反馈模块接收到指令并根据指令给予动物相应的反馈刺激，以形成动物的运动状态与认知行为之间相互的训练和反馈。通过本申请的系统和方法可以对脑损伤大鼠学习记忆能力的恢复有促进作用，同时可以抑制神经元凋亡、增加突触可塑性变化，促进神经功能的恢复，改善运动及认知功能。该技术通过AR投射技术，将多种认知行为模块运用其中，并利用运动速度传感器等结合数据采集模块获取数据并用数据处理模块进行分析，以客观、直接、简便的方式检测动物在运动、认知方面的功能进展，以揭示运动和认知同步的生物学机制。因此，市场应用前景广阔。
附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的装置来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本申请实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的模块也可以设置在处理器中。
在本申请的描述中，需要理解的是，措词“包括”并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词“一”或“一个”并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。
本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种动物运动认知同步控制训练系统，其特征在于，包括运动模块、数据采集模块、场景生成模块、数据处理模块和反馈模块，所述运动模块用于为动物提供产生运动状态变化的至少一种运动模式，所述场景生成模块用于为所述动物提供与所述运动模式相对应的产生至少一种认知行为的引导性场景，所述运动模块与所述场景生成模块连接并且使所述引导性场景变化与所述动物的运动状态变化产生同步，所述数据采集模块与所述运动模块连接并采集所述运动模块所产生的数据，所述数据采集模块和所述场景生成模块分别与所述数据处理模块连接，所述数据处理模块与所述反馈模块连接，结合所述数据与所述引导性场景变化对所述反馈模块发出指令，所述反馈模块接收到所述指令并根据所述指令给予所述动物相应的反馈刺激，以形成所述动物的所述运动状态与所述认知行为之间相互的训练和反馈。
2.根据权利要求1所述的动物运动认知同步控制训练系统，其特征在于，所述场景生成模块采用增强现实技术生成由现实场景与虚拟影像融合产生的引导性场景，所述动物根据所述引导性场景产生的认知行为变化与所述动物的运动状态变化形成训练和反馈。
3.根据权利要求1所述的动物运动认知同步控制训练系统，其特征在于，所述运动模块的运动模式包括转轮、跑台或平衡棒。
4.根据权利要求1所述的动物运动认知同步控制训练系统，其特征在于，所述数据处理模块将所述数据采集模块采集的所述数据进行处理，并且将处理后的数据与当前的所述引导性场景进行比对，基于比对结果生成所述指令，通过所述比对结果判断所述运动状态变化与所述引导性场景变化是否一致，若一致则发出奖励指令，若不一致则发出惩罚指令。
5.根据权利要求4所述的动物运动认知同步控制训练系统，其特征在于，所述数据采集模块包括设置在所述运动模块上的速度传感器和计时器，所述数据采集模块采集到的所述数据包括速度参数和时间参数。
6.根据权利要求5所述的动物运动认知同步控制训练系统，其特征在于，所述引导性场景包括设置有多个通道或关卡的迷宫。
7.根据权利要求6所述的动物运动认知同步控制训练系统，其特征在于，所述数据处理模块存储有所述迷宫的通道或关卡的距离参数，将所述距离参数与所述处理后的数据进行比对，得到所述比对结果。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的动物运动认知同步控制训练系统，其特征在于，所述动物的所述运动状态与所述认知行为之间相互的训练和反馈包括基于所述动物在所述运动模块上的所述运动状态变化对所述场景生成模块的所述引导性场景变化产生的所述认知行为变化形成训练和反馈，以及所述动物在所述场景生成模块的所述引导性场景变化产生的所述认知行为变化对所述动物在所述运动模块上的所述运动状态变化形成训练和反馈。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的动物运动认知同步控制训练系统，其特征在于，所述反馈模块所提供的所述反馈刺激包括食物和电刺激。
10.一种动物运动认知同步控制训练方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-9中任一项所述的动物运动认知同步控制训练系统。
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