CN207676558U - 用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置，主要包括三维电动滑台、抓握物体组件、按钮开关、数据采集卡、脑电信号记录系统、光学运动捕获系统和PC机。本实用新型装置可实现三维空间中任意位置的多手势伸缩抓握动作；可同时记录被试在执行任务过程中的脑电信号、手臂的运动轨迹以及实验状态，并提供了在时间上对齐这三种数据的方法；在训练过程中可以根据被试的学习进度在PC机上实时调整训练的模式和训练参数，提高训练效率；整个实验过程全部由PC机自动控制，减少人工参与。本实用新型能够实现多种抓握手势与任意空间位置的任意组合，实现实验的全自动控制，并同时记录脑电信号、手臂运动轨迹和实验状态三种数据。

Description

用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置

技术领域

本实用新型属于生物工程领域，涉及一种用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置，可用于引导灵长类动物执行的同时记录动物的脑电信号、手臂运动轨迹以及实验状态三种数据。

背景技术

人和非人灵长类动物上肢的伸缩和抓握运动基本的运动功能，也是运动神经科学研究的热点课题之一。科学家通常需要记录被试(灵长类动物)以不同的手势抓握不同位置的物体时大脑运动皮层的神经信号、抓握的位置和抓握的手势信息，进而分析神经信号与上肢运动之间的对应关系。

目前常用的实验手段是在被试面前固定数个不同形状的抓握物体，每个抓握对应不同的抓握手势，用LED灯提示被试需要抓握的把手。这种方法限定了位置和手势之间的关系，无法实现位置和手势之间任意组合。在实验过程中需要实验员人工观察并记录抓握的位置、抓握的手势、开始抓握的时间、实验结果等实验状态的信息，不仅会消耗大量的人力资源，也极容易出现判断失误。另外运动数据的记录通常是离散的位置坐标和手势编号，无法获得手臂运动轨迹的连续运动数据。

因此需要一套完整实验和数据记录平台，实现抓握位置和抓握手势之间的自由组合，自动化实验和判定，同时记录包括神经数据、实验状态和连续运动轨迹在内的多种实验数据，并实现多种类型数据在时间尺度上的对齐。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用于引导三维空间中多手势伸抓运动的实验装置，是一种针对灵长类动物进行三维空间中多手势伸抓运动的实验平台和数据记录装置。

本实用新型所述的装置，主要包括三维电动滑台1、抓握物体组件2、按钮开关3、数据采集卡4、脑电信号记录系统5、光学运动捕获系统6和PC机7，所述三维电动滑台1为电机14驱动的XYZ三轴滑轨，对应XYZ三轴滑轨10上设有滑块16，抓握物体组件2包括LED 灯27、多种抓握物体18及内置隔物触摸传感器31，抓握物体组件2通过螺栓固定在三维电动滑台1中X轴滑轨对应的X轴滑块16-1上，按钮开关3固定在三维电动滑台1的支架8上，数据采集卡4与电机14、按钮开关3、LED灯27、隔物触摸传感器31电连接，并与PC机7 通过USB接口电连接，脑电信号记录系统5一端连接被试头部的电极阵列，另一端通过以太网接入PC机7，光学运动捕获系统6通过以太网与PC机7连接，PC机7上有通讯总控装置。

由五条滑轨10组成三维电动滑台1的主体结构，三维电动滑台1包括支架8、底座9、滑轨10、连接轴11、连接板12、三脚架13、电机14、减速机15、滑块16。滑轨10包含一根X轴滑轨10-1，两根Y轴滑轨：右Y轴滑轨10-2、左Y轴滑轨10-3和两根Z轴滑轨：右 Z轴滑轨10-4、左Z轴滑轨10-5。滑块16包含一个X轴滑块16-1，两个Y轴滑块：右Y轴滑块16-2和左Y轴滑块16-3，两个Z轴滑块：右Z轴滑块16-4和左Z轴滑块16-5。右Y轴滑轨10-2和左Y轴滑轨10-3分别通过底座9固定在支架8上，右Z轴滑轨10-4和左Z轴滑轨10-5通过三脚架13分别固定在右Y轴滑块16-2和左Y轴滑块16-3上，X轴滑轨10-1两端通过连接板12分别固定在右Z轴滑块16-4和左Z轴滑块16-5上。X轴滑轨10-1、右Y轴滑轨10-2和右Z轴滑轨10-4是主动滑轨，其端部依次机械连接减速机15和电机14，左Y 轴滑轨10-3和左Z轴滑轨10-5为从动滑轨，主动滑轨和从动滑轨之间通过连接轴11相连。

所述PC机7的通讯总控装置包括：

用于设置实验参数的参数设置单元；

用于接收数据采集卡的端口信息并向数据采集卡发送端口控制命令的通信单元；

用于向脑电信号记录系统发送数字标签的数据写入单元；

用于控制实验流程、判断实验状态并将实验状态发送至数据写入单元的逻辑控制单元；

用于统计实验次数、成功次数、实验时间数据的统计单元；

用于控制光学运动捕获系统开始和停止记录运动数据并将记录状态发送至数据写入单元的运动记录单元。

本实用新型所述的装置可在脑电信号完整实验和数据记录中的应用，尤其在引导灵长类动物进行三维空间中多手势、多位置伸抓运动并记录被试脑电信号、手臂运动轨迹和实验状态三种数据中的应用，具体通过以下方法实现：

在PC机的参数设置单元上设置实验参数的方法；

在脑电信号记录系统上开始记录脑电信号的方法；

PC机的通讯控制系统控制光学运动捕获系统开始记录手臂运动轨迹，并将“开始记录”标签发送至脑电信号记录系统的方法；

PC机的通讯总控装置控制电机将抓握物体移动到指定位置；

PC机的通讯总控装置接收按钮开关被按下的消息，并开始一次实验的方法；

PC机的通讯总控装置点亮LED灯，提示开始抓握的方法；

PC机的通讯总控装置接收隔物触摸传感器信息，判定实验状态并将实验状态写入脑电信号记录系统的方法；

PC机的统计单元接收逻辑控制单元的信息并统计实验次数、成功次数、实验时间数据的方法。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优点：(1)该实验装置可以实现三维空间中任意位置的多手势伸缩抓握动作；(2)该实验装置可以同时记录被试在执行任务过程中的脑电信号、手臂的运动轨迹以及实验状态，并提供了在时间上对齐这三种数据的方法。(3)训练过程中可以根据被试的学习进度在PC机上实时调整训练的模式和训练参数，提高训练效率。(4) 整个实验过程全部由PC机自动控制，减少人工参与。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意图。

图2为本实用新型三维电动滑台1的结构示意图。

图3为本实用新型转盘的结构示意图。

图4为本实用新型把手形抓握物体的结构示意图。

图5为本实用新型孔形抓握物体的结构示意图。

图6为本实用新型柄形抓握物体的结构示意图。

图7为本实用新型按钮开关的结构示意图和电路图。

图8为本实用新型通讯总控装置的结构示意图。

图9为神经数据、运动轨迹数据和运动状态信息的时间对齐原理图。

图10为本实用新型的一种实施方式的操作流程图。

具体实施方式

本实用新型结合附图和实施例做进一步的说明。

实施例1

参见图1，本实用新型的一种用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置，主要包括三维电动滑台1、抓握物体组件2、按钮开关3、数据采集卡4、脑电信号记录系统5、光学运动捕获系统6和PC机7。所述三维电动滑台1为电机14驱动的XYZ三轴滑轨10，由五条滑轨10组成三维电动滑台1的主体结构，对应XYZ三轴滑轨10上设有滑块16，抓握物体组件2包括LED灯27、多种抓握物体18及内置隔物触摸传感器31，抓握物体组件2通过螺栓固定在三维电动滑台1中X轴滑轨10-1的X轴滑块16-1上，按钮开关3固定在三维电动滑台1的支架8上，数据采集卡4与电机14、按钮开关3、LED灯27、隔物触摸传感器31电连接，并与PC机7通过USB接口电连接，脑电信号记录系统5一端连接被试头部的电极阵列，另一端通过以太网接入PC机7，光学运动捕获系统6通过以太网与PC机7连接，PC机7上有通讯总控装置。

所述PC机7的通讯总控装置包括：

用于设置实验参数的参数设置单元；

用于接收数据采集卡的端口信息并向数据采集卡发送端口控制命令的通信单元；

用于向脑电信号记录系统发送数字标签的数据写入单元；

用于控制实验流程、判断实验状态并将实验状态发送至数据写入单元的逻辑控制单元；

用于统计实验次数、成功次数、实验时间数据的统计单元；

用于控制光学运动捕获系统开始和停止记录运动数据并将记录状态发送至数据写入单元的运动记录单元。

参见图2，给出了三维电动滑台1的一种搭建方式，由五条滑轨10组成三维电动滑台1 的主体结构，具体为：三维电动滑台1包括支架8、底座9、滑轨10、连接轴11、连接板12、三脚架13、电机14、减速机15、滑块16。滑轨10包含一根X轴滑轨10-1，两根Y轴滑轨：右Y轴滑轨10-2、左Y轴滑轨10-3和两根Z轴滑轨：右Z轴滑轨10-4、左Z轴滑轨10-5。滑块16包含一个X轴滑块16-1，两个Y轴滑块：右Y轴滑块16-2和左Y轴滑块16-3，两个 Z轴滑块：右Z轴滑块16-4和左Z轴滑块16-5。右Y轴滑轨10-2和左Y轴滑轨10-3通过底座9固定在支架8上，右Z轴滑轨10-4和左Z轴滑轨10-5通过三脚架13固定在右Y轴滑块 16-2和左Y轴滑块16-3上，X轴滑轨10-1两端通过连接板12分别固定在右Z轴滑块16-4 和左Z轴滑块16-5上。X轴滑轨10-1、右Y轴滑轨10-2和右Z轴滑轨10-4是主动滑轨，其端部依次机械连接减速机15和电机14；左Y轴滑轨10-3和左Z轴滑轨10-5为从动滑轨，主动滑轨和从动滑轨之间通过连接轴11相连。三个电机14各驱动一个维度，最终实现X轴滑块16-1在三维空间中运动。减速机15用于增大电机14的自锁力以保证静止状态下滑轨的滑块不会在外力的作用下移动。

抓握物体组件2的一种实施方式为转盘17与抓握物体18的组合，转盘17用于切换多种抓握物体18，抓握物体18用于提示并检测不同的抓握手势。

参见图3，给出了一种转盘17的结构图。转盘箱体的前、后、上、下面板由亚克力板粘结而成，前面板中央开有圆孔，以供被试伸手抓握转盘箱体内的抓握物体18，后面板开有4 个通孔，可通过螺丝将箱体固定在三维电动滑台X轴滑轨10-1的滑块16上。箱体内八个角固定三角块19，箱体左右面板通过螺丝固定在三角块19上，可进行拆卸组装。转盘主体由亚克力板粘结而成，由上下盖板20、侧面板21、隔板22和键套23组成。侧面板21上开有线孔和螺纹孔，线孔供抓握物体18上隔物触摸传感器31的导线通过，螺纹孔用于固定抓握物体18。键套23粘在转盘的下盖板20上，与转轴24的轴键配合。转轴24底端由轴承25 固定，转轴24顶端开有键槽，与电机14-4的转轴配合。过孔式导电滑环26的内圈通过紧定螺丝与转轴24固定，外圈与转盘箱体的上面板固定。抓握物体18上的导线通过过孔式导电滑环26接入箱体外侧，保证箱体外侧的导线不会随转盘旋转。箱体的前面板、圆孔的上端开有小圆孔，用于放置LED灯27。LED灯用于向被试提示任务的状态。

参见图4，给出了把手形抓握物体18-1的结构图。该物体由主体36、盖板37和背板38 三部分组成。主体36上开有U形凹槽，用于放置隔物触摸传感器31及导线。主体36固定在背板38上，背板38上开有线孔和通孔，线孔供导线穿过，通孔用于固定抓握物体18-1。隔物触摸传感器31贴在凹槽内前后两壁上，用于检测被试的抓握手势。在无触发状态下，隔物触摸传感器31输出端为高电平；当被试的手触摸到抓握物体的外壁时，对应的隔物触摸传感器31输出端变为低电平。当两个传感器同时变为低电平时，判定被试握住了该物体；

参见图5，给出了把孔形抓握物体18-2的结构图。该物体对应“勾”的手势，由主体39、盖板40和背板41三部分组成。主体39上有方形孔，该孔只容许被试的食指穿过；主体39内部开有L形凹槽，用于放置隔物触摸传感器31及导线。主体39固定在背板41上，背板 41上开有线孔和通孔，线孔供导线穿过，通孔用于固定抓握物体18-2。隔物触摸传感器31 贴在凹槽内后壁上，用于检测被试的抓握手势。被试需用食指穿过方孔，勾住主体39。当传感器变为低电平时，判定被试勾住了B物体；

参见图6，给出了把柄形抓握物体18-3的结构图。该物体对应“捏”手势，由主体42、盖板43和背板44三部分组成。主体42内部开有方形凹槽，用于放置隔物触摸传感器31及导线。主体42固定在背板44上，背板44上开有线孔和通孔，线孔供导线穿过，通孔用于固定抓握物体18-3。隔物触摸传感器31一个贴在主体42凹槽内的右侧面，另一个贴在盖板44 右侧面。被试需用食指和拇指同时捏住抓握物体18-3的左右两面。当两个隔物触摸传感器 31输出端同时变为低电平时，判定被试捏住了该物体。

参见图7，给出了按钮开关3的的结构图和电路图。按钮开关3由按钮主体32和微动开关33组成。按钮主体32底部有两个立脚34，与微动开关33上的两个立脚35相对。按钮主体32和微动开关33之间机械固定。微动开关33两个引脚一端接数据采集卡的5V控制电压，另一端通过电阻R1接地，输出端位于电阻R1和微动开关33之间，连接至数据采集卡4的数字输入端。当按钮被按下时，微动开关立脚35被压下，微动开关33的两个引脚导通，输出端为高电平；当按钮被松开时，微动开关立脚35上弹，微动开关33的两个引脚断开，输出端为低电平。按钮开关3通过铝合金型材固定在三维电动滑台支架8上。

实验流程控制由数据采集卡4控制执行设备实现。数据采集卡4有两个作用，一是采集按钮开关3和隔物触摸传感器31的端口状态并将其传送至PC机7的通信总控装置；二是接收通信总控装置的控制命令并转化为端口电压信号控制LED灯27和电机14运行。数据采集卡4的一种实现方式为NI USB-6341型数据采集卡，它可以提供标准的5V控制电压，包含数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出四种端口。在本实用新型中，LED灯27和电机14 的控制端接数据采集卡4的数字输出端，隔物触摸传感器31和按钮开关3的输出端接数据采集卡4的数字输入端。

数据采集卡4的控制指令由PC机7上的通信总控装置提供。如图8所示，通信总控装置由参数设置单元、数据通信单元、逻辑控制单元、统计单元、数据写入单元和运动记录单元组成。参数设置单元供实验人员设置实验控制参数，并将参数传送至逻辑控制单元；数据通信单元用于与数据采集卡4的双向数据通信，可以接收数据采集卡的端口状态并发送给逻辑控制单元，同时接收逻辑控制单元的控制指令并向数据采集卡发送端口控制命令；逻辑控制单元根据控制参数产生控制命令，根据按钮开关3和隔物触摸传感器31的端口状态判定实验状态，并将实验状态信息发送给数据写入单元和统计单元；运动记录单元可以控制光学运动捕获系统6开始和停止记录运动数据，并将这两种状态信息发送给数据写入单元；数据写入单元接收来自运动记录单元和逻辑控制单元的状态信息，将其编码为特定数字标签发送至脑电信号记录系统。统计单元接收逻辑控制单元的实验状态信息，统计并显示实验时间、实验次数、成功次数、成功率等数据；

光学运动捕获系统6的一种实现方式为美国Motion Analysis公司的运动捕获系统，用于捕获并记录被试手臂的运动轨迹数据。该系统由反光标记点、数字捕捉摄像头和图形工作站组成。数字捕捉摄像头共有8个，可以产生明亮、均匀的光源。反光标记点贴在被试运动的手臂上，反射的光线被摄像头捕获得到灰度图像，传送至图形工作站，再通过以太网传送至PC机7将运动数据保存下来。

脑电信号记录系统5的一种实现方式为美国BlockRock公司制造的Cerebus系统，该系统包括前置放大器和神经信号处理器。阵列电极植入到被试大脑皮层内，采集到的脑电信号经前置放大器的放大、滤波以及模数转换，传入神经信号处理器。神经信号处理器可以接收 PC机7通讯总控装置发送的实验状态标签，并将它们与脑电数据封装成数据包，最后通过以太网发送到PC机7保存记录。

参见图9，给出了脑电数据、运动轨迹数据和实验状态三种实验数据的时间同步方法。在 PC机记录的文件中，脑电数据、实验状态标签和运动轨迹数据的开始记录标签被记录在同一个文件中，而运动轨迹数据保存成单独文件。在离线数据处理中，需要将运动数据的第一次采样与运动数据开始记录标签对齐，即可实现脑电数据、运动轨迹数据和实验状态的时间尺度对齐。

实施例2

参见图10，本实用新型的操作及实验流程，具体步骤如下：被试以舒适的姿势坐在运动平台前20-30cm的位置，运动手臂上贴反光标记点。实验者在PC机7的参数设置单元上设定实验参数，在脑电信号记录系统5上开始记录脑电信号，在PC机7的运动记录单元上开始记录运动信号，此时PC机的数据写入单元将“开始记录”所对应的数字标签发送至脑电信号记录系统6，与当脑电信号同步记录。在一次完整的实验过程中，PC机7的逻辑控制单元控制三维电动滑台1将转盘17移动到指定坐标点，并控制转盘17上的电机14旋转，使指定抓握物体18对准转盘箱体前面板的圆孔。当PC机的逻辑控制单元检测到按钮开关3被按下并保持至指定时间以后，LED灯27亮，提示被试松开按钮开关3并抓握转盘17内的抓握物体18。当逻辑控制单元检测到该抓握物体18内的隔物触摸传感器31全部变为低电平后，判定被试以正确的手势抓握了把手；当逻辑控制单元检测到低电平状态持续到指定时间以后，判定本次实验成功，本次实验结束。若被试未能在LED灯27亮后指定时间内松开按钮开关3或松开按钮开关3后未能在指定时间内以正确手势抓握物体或正确抓握物体后提早松手均会判定为实验失败并结束本次实验。在实验过程中，逻辑控制单元将实验状态(LED灯、按钮开关、电机和隔物触摸传感器)的每次改变实时传送至数据写入单元，后者将实验状态编码成数字标签发送至脑电信号记录系统6，与脑电信号同步记录。

Claims (3)

1.一种用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置，其特征在于：主要包括三维电动滑台(1)、抓握物体组件(2)、按钮开关(3)、数据采集卡(4)、脑电信号记录系统(5)、光学运动捕获系统(6)和PC机(7)，所述三维电动滑台(1)为电机(14)驱动的XYZ三轴滑轨(10)，对应XYZ三轴滑轨(10)上设有滑块(16)，抓握物体组件(2)包括LED灯(27)、多种抓握物体(18)及内置隔物触摸传感器(31)，抓握物体组件(2)通过螺栓固定在三维电动滑台(1)中X轴滑轨(10-1)的滑块(16-1)上，按钮开关(3)固定在三维电动滑台(1)的支架(8)上，数据采集卡(4)与电机(14)、按钮开关(3)、LED灯(27)、隔物触摸传感器(31)电连接，并与PC机(7)通过USB接口电连接，脑电信号记录系统(5)一端连接被试头部的电极阵列，另一端通过以太网接入PC机(7)，光学运动捕获系统(6)通过以太网与PC机(7)连接，PC机(7)上有通讯总控装置。

2.根据权利要求1所述的一种用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置，其特征在于：三维电动滑台(1)包括支架(8)、底座(9)、滑轨(10)、连接轴(11)、连接板(12)、三脚架(13)、电机(14)、减速机(15)、滑块(16)，滑轨(10)包含一根X轴滑轨(10-1)，两根Y轴滑轨：右Y轴滑轨(10-2)、左Y轴滑轨(10-3)和两根Z轴滑轨：右Z轴滑轨(10-4)、左Z轴滑轨(10-5)，滑块(16)包含一个X轴滑块(16-1)，两个Y轴滑块：右Y轴滑块(16-2)和左Y轴滑块(16-3)，两个Z轴滑块：右Z轴滑块(16-4)和左Z轴滑块(16-5)，右Y轴滑轨(10-2)和左Y轴滑轨(10-3)通过底座(9)固定在支架(8)上，右Z轴滑轨(10-4)和左Z轴滑轨(10-5)通过三脚架(13)分别固定在右Y轴滑块(16-2)和左Y轴滑块(16-3)上，X轴滑轨(10-1)两端通过连接板12分别固定在右Z轴滑块(16-4)和左Z轴滑块(16-5)上，X轴滑轨(10-1)、右Y轴滑轨(10-2)和右Z轴滑轨(10-4)是主动滑轨，其端部依次机械连接减速机(15)和电机(14)，左Y轴滑轨(10-3)和左Z轴滑轨(10-5)为从动滑轨，主动滑轨和从动滑轨之间通过连接轴(11)相连。

3.根据权利要求1所述的一种用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置，其特征在于：所述PC机7的通讯总控装置包括：

用于设置实验参数的参数设置单元；

用于接收数据采集卡的端口信息并向数据采集卡发送端口控制命令的通信单元；

用于向脑电信号记录系统发送数字标签的数据写入单元；

用于控制实验流程、判断实验状态并将实验状态发送至数据写入单元的逻辑控制单元；

用于统计实验次数、成功次数、实验时间数据的统计单元；

用于控制光学运动捕获系统开始和停止记录运动数据并将记录状态发送至数据写入单元的运动记录单元。