CN201563477U - 用于非人灵长类动物行为学习的自动化训练装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及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，其中一个显示器和所述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。本实用新型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

技术领域

本实用新型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。

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。

实用新型内容

本实用新型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。

本实用新型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。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优点：(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，供后续分析。

附图说明

图1为本实用新型训练装置的结构示意图；

图2为本实用新型摇杆和压力传感器的结构示意图；

图3为本实用新型给水控制系统的驱动控制电路原理图；

图4为本实用新型微控制器的电路原理图；

图5为本实用新型微控制器与摇杆、压力传感器的电路连接原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型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3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。

如图4所示为微控制器电路原理图，其中微处理器可以由51单片机、DSP或其他处理器实现。本实用新型采用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23。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，本实用新型采用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，本实用新型采用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5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)相应地分别与电阻R9、R10、R12连接，输出接口INPUT1、INPUT2和INPUT3分别与微处理器5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。

本实用新型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，处于自由活动状态。开始训练时，在PC机上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21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)

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。

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