一種面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置及訓練方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置及訓練方法，包括迷宮和控制主機，其中迷宮包括：中心三角形區(qū)域以及繞該中心三角形區(qū)域互為120度角分布的三條子臂通道，各子臂通道均為單向通道，且各子臂通道的盡頭均設有回轉區(qū)；中心三角形區(qū)域由中心底板和中心頂蓋圍成；每個子臂通道由子臂底板、相對分布的兩塊墻板以及子臂頂蓋圍成；每個子臂通道的內端口處和外端口處設有紅外掃描裝置；每個子臂通道的內端口與中心三角形區(qū)域的連接處設有指示燈和聲音刺激發(fā)生器；所述紅外掃描裝置、指示燈和聲音刺激發(fā)生器均受控于所述控制主機。本發(fā)明能夠簡化動物機器人的控制訓練過程，省時省力。
【專利說明】一種面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置及訓練方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及動物訓練裝置以及裝置的訓練方法，具體涉及一種可簡化動物行為模式的動物機器人訓練裝置，以及基于該訓練裝置的人工訓練和自動訓練方法。
【背景技術】
[0002]動物機器人是指利用動物的運動機能、動力供應體制，從動物的感受傳入或神經支配入手，實現對動物的運動和某些行為的人為控制。
[0003]動物機器人在能源供給、運動靈活性、隱蔽性、機動性和適應性方面較傳統(tǒng)機器人具有更明顯的優(yōu)勢。已有的動物機器人包括大鼠機器人、飛蛾機器人、鯊魚機器人、甲蟲機器人、海豚機器人、鴿子機器人、蟑螂機器人、壁虎機器人，以及金魚機器人等，其中大鼠機器人的研究相對成熟。
[0004]以大鼠機器人為例，通過在大鼠大腦的獎賞中心(如內側前腦束MFB)植入微電極，借助大鼠所背的小型無線電子背包對大鼠腦部發(fā)出相應的微電刺激指令，可以給予大鼠獎賞刺激，使老鼠感到興奮。而給大鼠機器人左、右刺激提示的方法主要有燈亮刺激、聲音刺激、震動刺激和電刺激，其中左、右電刺激提示有表皮電刺激和腦部電刺激(在體感皮層桶狀區(qū)BF植入微電極)兩種方式，震動刺激方式是在大鼠的身體背部左、右各固定一個與皮膚接觸的微型震動器。
[0005]要想順利地控制動物機器人(如用于導航任務)需要事先進行行為訓練，訓練的目地是使動物學會按照所給的刺激指令來做出相應的行為:“向左”刺激提示，則往左行進，“向右”刺激提示，則往右行進，“向前”刺激，則往前行進。訓練的原理是操作性條件反射(operant conditioning):給予動物向左(向右)刺激提示，若動物出現向左(向右)行進的行為，則給予獎賞電刺激，通過反復的訓練之后，動物一旦受到左(右)刺激提示，便會相應的向左(右)行進；若只給予動物獎賞電刺激，動物會因為興奮感向前行進，通過反復訓練之后，動物在受到獎賞電刺激的時候，會朝著當前方向前進。
[0006]早在幾個世紀前迷宮就被運用于實驗中， Y迷宮更是被廣泛應用于動物行為實驗，在神經生理學、神經藥理學等方面具有重要地位。用現有的訓練裝置進行動物控制訓練，動物會出現轉身、攀爬等復雜行為，不利用訓練；每訓練完一次都要將動物機器人重新放至起點位置，不能直接從當前位置開始訓練，這大大加大了控制訓練的工作量，且不適用于動物機器人的自動訓練。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明提供了一種面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置及訓練方法，能夠簡化動物機器人的控制訓練過程，既可以用于人工訓練，也可以用于自動訓練，可用于基于燈亮提示、聲音提示、胡須區(qū)電刺激提示、表皮電刺激提示和震動提示的動物機器人的控制訓練，省時省力。
[0008]一種面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置，包括迷宮和控制主機，所述的迷宮包括:
[0009]中心三角形區(qū)域以及繞該中心三角形區(qū)域互為120度角分布的三條子臂通道，各子臂通道均為單向通道，且各子臂通道的盡頭均設有回轉區(qū)；
[0010]中心三角形區(qū)域由中心底板和中心頂蓋圍成；
[0011]每個子臂通道由子臂底板、相對分布的兩塊墻板以及子臂頂蓋圍成；每個子臂通道的內端口處和外端口處設有紅外掃描裝置，所述內端口靠近中心三角形區(qū)域，所述外端口靠近回轉區(qū)；
[0012]每個子臂通道的內端口與中心三角形區(qū)域的連接處設有指示燈和聲音刺激發(fā)生器；
[0013]所述紅外掃描裝置、指示燈和聲音刺激發(fā)生器均受控于所述控制主機。
[0014]三個子臂通道以120度角均勻分布，使動物機器人每次由子臂內端口進入中心三角形區(qū)域時，都有左、右兩條目標子臂通道可以選擇。
[0015]所述的子臂通道為單向通道，通過設置合適的子臂寬度并架設墻板可以避免動物轉身，通過加蓋頂蓋可以避免動物攀爬，動物在通道無法轉身和攀爬使得訓練過程中的行為模式和數量大幅減少，簡化了訓練以及圖像識別過程，提高了信息反饋的準確率。
[0016]所述的回轉區(qū)是為了便于動物機器人在行進至通道盡頭后轉身，回轉區(qū)可以適當寬于子臂通道或在動物回轉區(qū)的周圍不再設置所述墻板，例如用于大鼠機器人的訓練時，墻板的長度比子臂底板的長度約短15cm，即在子臂通道的盡頭留有15cm長度的區(qū)域作為回轉區(qū)，供大鼠機器人轉身。
[0017]作為優(yōu)選，還設有用于承載所述迷宮且能三維移動的三臂載體，以及用于監(jiān)控動物機器人在迷宮中的行為的跟蹤設備，所述跟蹤設備接入并受控于所述控制主機。
[0018]作為優(yōu)選，所述子臂頂蓋、中心頂蓋、墻板、中心底板和子臂底板均為透明材料。
[0019]透明材料可以采用有機玻璃，三臂載體使迷宮在三維方向上移動，跟蹤設備可以圍繞迷宮所有方位進行跟蹤拍攝，即從迷宮的底部、側部以及頂部進行跟蹤拍攝。
[0020]作為優(yōu)選，每個子臂通道的聲音刺激發(fā)生器和指示燈沿豎直方向排列安裝。
[0021]作為優(yōu)選，所述的聲音刺激發(fā)生器為蜂鳴器。
[0022]為了讓聲音刺激可調，蜂鳴器的電路中設有變阻器，通過調節(jié)變阻器的阻值來改變蜂鳴器音量的大小。
[0023]作為優(yōu)選，所述的指示燈為發(fā)光二極管或燈泡。發(fā)光二極管或燈泡的顏色可以依據訓練任務選擇設置。
[0024]作為優(yōu)選，所述的紅外掃描裝置包括相互匹配的紅外發(fā)射器和紅外接收器。動物機器人經過紅外掃描裝置時，阻擋紅外信號的接收，通過紅外信號的通斷判斷動物機器人是否通過相應位置。
[0025]本發(fā)明面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置不止針對大鼠機器人的控制訓練，因此迷宮的長、寬、高都根據訓練的動物類型的體積而定。
[0026]本發(fā)明面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置是以經典Y迷宮為基礎加以改進，沿用動物機器人控制訓練的基本原理，即若動物表現出向目標行進的行為，則給予獎賞，反之則不給。
[0027]本發(fā)明面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置既可以用于人工訓[0028]練，也可以用于自動訓練，進行自動訓練可以在光亮環(huán)境中，也可以在黑暗環(huán)境中，如光亮環(huán)境中可采用基于頂部的普通攝像頭(即跟蹤設備)跟蹤的自動訓練方法，黑暗環(huán)境中可采用基于頂部的紅外熱成像儀(即跟蹤設備)跟蹤的自動訓練方法，在光亮和黑暗環(huán)境中均可以采用基于紅外掃描裝置的自動訓練方法。
[0029]本發(fā)明提供了一種利用所述的三臂迷宮裝置進行動物機器人的人工訓練方法，包括如下步驟:
[0030]a)、將所述迷宮置于三臂載體上，將動物機器人放入迷宮內；
[0031]b)、在所述控制主機中設置獎賞電刺激的刺激參數，具體如下:
[0032]若訓練任務為基于燈亮提示的控制訓練，則開啟指示燈；
[0033]若訓練任務為基于聲音提示的控制訓練，則開啟聲音刺激發(fā)生器；
[0034]若訓練任務為基于胡須區(qū)或表皮電刺激提示的控制訓練，則設置左、右電刺激參數；
[0035]若訓練任務為基于震動提示的控制訓練,則設置左、右震動參數；
[0036]c)、觀察動物機器人在迷宮中的行為，并作如下對應的操作，直至完成訓練任務:
[0037]當動物機器人的身體處在子臂通道內且頭部出現在中心三角形區(qū)域時，給動物機器人以左側或右側的聲首、燈売、電刺激或震動提不;
[0038]當動物機器人在中心三角形區(qū)域時，若表現出要進入目標子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激；
[0039]當動物機器人進入目標子臂通道時，則給予獎賞電刺激；
[0040]當動物機器人進入非目標子臂通道時，則不給予獎賞電刺激；
[0041]當動物機器人進入回轉區(qū)時，則不給予獎賞電刺激；
[0042]當動物機器人在回轉區(qū)表現出要進入子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激；
[0043]當動物機器人由子臂通道往中心三角形區(qū)域行進時，則給予獎賞電刺激；
[0044]當動物機器人在迷宮中靜止不動，則給予獎賞電刺激。
[0045]本發(fā)明還提供了一種利用所述的三臂迷宮裝置進行動物機器人的自動訓練方法，該方法基于跟蹤設備進行，在光亮環(huán)境中跟蹤設備可采用普通跟蹤攝像頭，在黑暗環(huán)境中跟蹤設備可選用紅外熱像成像儀等，具體包括如下步驟:
[0046]A、將所述迷宮置于三臂載體上；
[0047]B、利用跟蹤設備在迷宮的正上方采集得到放入動物機器人前的迷宮俯視圖作為背景環(huán)境圖像，在所述背景環(huán)境圖像上對迷宮的關鍵位置點進行標定，得到迷宮地圖；
[0048]C、在所述控制主機中設置獎賞電刺激的刺激參數，具體如下:
[0049]若訓練任務為基于燈亮提示的控制訓練，則開啟指示燈；
[0050]若訓練任務為基于聲音提示的控制訓練，則開啟聲音刺激發(fā)生器；
[0051]若訓練任務為基于胡須區(qū)或表皮電刺激提示的控制訓練，則設置左、右電刺激參數；
[0052]若訓練任務為基于震動提示的控制訓練,則設置左、右震動參數；
[0053]D、將動物機器人放入迷宮內，利用所述跟蹤設備監(jiān)控動物機器人在迷宮中的行為，通過控制主機自動作如下對應的操作，直至完成訓練任務:
[0054]當動物機器人的身體處在子臂通道內且頭部出現在中心三角形區(qū)域時，給動物機器人以左側或右側的聲首、燈売、電刺激或震動提不;
[0055]當動物機器人在中心三角形區(qū)域時，若表現出要進入目標子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激；
[0056]當動物機器人進入目標子臂通道時，則給予獎賞電刺激；
[0057]當動物機器人進入非目標子臂通道時，則不給予獎賞電刺激；
[0058]當動物機器人進入回轉區(qū)時，則不給予獎賞電刺激；
[0059]當動物機器人在回轉區(qū)表現出要進入子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激；
[0060]當動物機器人由子臂通道往中心三角形區(qū)域行進時，則給予獎賞電刺激；
[0061]當動物機器人在迷宮中靜止不動，則給予獎賞電刺激。
[0062]本發(fā)明還提供了一種利用所述的三臂迷宮裝置進行動物機器人的基于紅外掃描裝置的訓練方法，包括如下步驟:
[0063](a)、將所述迷宮置于三臂載體上；
[0064](b)、開啟紅外掃描裝置；
[0065](C)、在所述控制主機中設置獎賞電刺激的刺激參數，具體如下:
[0066]若訓練任務為基于燈亮提示的控制訓練，則開啟指示燈；
[0067]若訓練任務為基于聲音提示的控制訓練，則開啟聲音刺激發(fā)生器；
[0068]若訓練任務為基于胡須區(qū)或表皮電刺激提示的控制訓練，則設置左、右電刺激參數；
[0069]若訓練任務為基于震動提示的控制訓練，則設置左、右震動參數；
[0070](d)、將動物機器人放入迷宮內，利用紅外掃描裝置判斷動物機器人在迷宮中的行為，通過控制主機自動作如下對應的操作，直至完成訓練任務:
[0071]當動物機器人從子臂通道進入中心三角形區(qū)域時，給動物機器人以左側或右側的聲音、燈亮、電刺激或震動提示；
[0072]當動物機器人從中心三角形區(qū)域進入目標子臂通道時，則給予獎賞的電刺激；
[0073]若動物機器人從中心三角形區(qū)域進入非目標子臂通道時，則不給予獎賞電刺激；
[0074]若動物機器人從子臂通道進入回轉區(qū)，則不給予獎賞電刺激；
[0075]若動物機器人從回轉區(qū)進入子臂通道，則給予獎賞電刺激。
[0076]本發(fā)明面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置及訓練方法，能夠簡化動物機器人在三臂迷宮中的行為模式，既適用于黑暗條件下的訓練，也適用于光亮條件下的訓練，并且能夠基于多種刺激源進行動物機器人的控制訓練，應用范圍廣，訓練效率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0077]圖1為本發(fā)明面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置的結構示意圖；
[0078]圖2為基于本發(fā)明面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置的自動訓練系統(tǒng)的結構示意圖，圖中以大鼠機器人為例。
【具體實施方式】
[0079]下面結合附圖，對本發(fā)明面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置及訓練方法做詳細描述。[0080]如圖1所示，一種面向動物機器人8控制訓練的三臂迷宮裝置，包括迷宮和控制主機10，其中迷宮包括:
[0081]中心三角形區(qū)域以及繞該中心三角形區(qū)域互為120度角分布的三條子臂通道，各子臂通道均為單向通道，且各子臂通道的盡頭均設有回轉區(qū)；
[0082]中心三角形區(qū)域由中心底板2和中心頂蓋5圍成；
[0083]每個子臂通道由子臂底板1、相對分布的兩塊墻板3以及子臂頂蓋4圍成；
[0084]子臂底板1、墻板3和子臂頂蓋4均為矩形,子臂底板I長60cm，寬15cm ;墻板3長40cm,高15cm ;子臂頂蓋4長40cm,寬15cm。
[0085]每個子臂通道的內端口處和外端口處設有紅外掃描裝置11 (紅外掃描裝置11包括相互匹配的紅外發(fā)射器和紅外接收器)，內端口靠近中心三角形區(qū)域，外端口靠近回轉區(qū)；
[0086]每個子臂通道的內端口與中心三角形區(qū)域的連接處設有指示燈6和聲音刺激發(fā)生器7 ;每個子臂通道的聲音刺激發(fā)生器7和指示燈6沿豎直方向排列安裝；
[0087]聲音刺激發(fā)生器7為固定電壓為24V的蜂鳴器，為了讓聲音刺激可調，蜂鳴器的電路中設有變阻器，通過調節(jié)變阻器的阻值來改變蜂鳴器音量的大??；指示燈6為發(fā)光二極管；
[0088]紅外掃描裝置11、指示燈6和聲音刺激發(fā)生器7均受控于控制主機10。
[0089]子臂頂蓋4、中心頂蓋5、墻板3、中心底板2和子臂底板I均采用透明的有機玻璃，以便于跟蹤設備9從迷宮底部、側 部和頂部進行拍攝跟蹤。
[0090]還設有用于承載迷宮且能三維移動的三臂載體，以及用于監(jiān)控動物機器人8在迷宮中的行為的跟蹤設備9，跟蹤設備9接入并受控于控制主機10。
[0091]三臂載體用于改變迷宮的空間位置，例如訓練時，將三維迷宮置于高處，可以防止動物機器人8跳出迷宮，跟蹤設備9可以為普通攝像頭也可以為紅外線成像儀，依據迷宮所處環(huán)境為光亮或者黑暗進行選擇適用。
[0092]本發(fā)明面向動物機器人8控制訓練的三臂迷宮裝置是以經典Y迷宮為基礎加以改進，沿用動物機器人8控制訓練的基本原理，即若動物根據左刺激或右刺激提示，表現出向目標行進的行為，則給予獎賞電刺激，反之則不給獎賞電刺激。
[0093]例如動物機器人8在子臂通道的內端口處受到“向左”的刺激提示，則當前的目標路徑為左邊子臂通道，此時若動物機器人8表現出向目標路徑行進的行為就會受到獎賞電刺激，當動物機器人8進入目標子臂通道，也會受到獎賞電刺激，當動物機器人8進入到回轉區(qū)，若表現出向子臂通道行進的行為就會受到獎賞電刺激，如此循環(huán)誘導動物根據左刺激、右刺激的提示進入相應的目標子臂通道，直至訓練任務結束。
[0094]本發(fā)明面向動物機器人8控制訓練的三臂迷宮裝置既可以用于人工訓練，也可以用于自動訓練，進行自動訓練可以在光亮環(huán)境中，也可以在黑暗環(huán)境中，如光亮環(huán)境中可采用基于頂部攝像頭跟蹤的自動訓練方法，黑暗環(huán)境中可采用基于頂部紅外熱像成像儀跟蹤的自動訓練方法，在光亮和黑暗環(huán)境中均可以采用基于紅外掃描裝置11的自動訓練方法。
[0095]利用所述的三臂迷宮裝置進行動物機器人8的人工訓練方法，包括如下步驟:
[0096]a)、將迷宮置于三臂載體上，將動物機器人8放入迷宮內；
[0097]b)、在控制主機10中設置獎賞電刺激的刺激參數，具體如下:[0098]若訓練任務為基于燈亮提示的控制訓練，則開啟指示燈6 ；
[0099]若訓練任務為基于聲音提不的控制訓練,則開啟聲音刺激發(fā)生器7 ；
[0100]若訓練任務為基于胡須區(qū)或表皮電刺激提示的控制訓練，則設置左、右電刺激參數；
[0101]若訓練任務為基于震動提示的控制訓練，則設置左、右震動參數；
[0102]C)、觀察動物機器人8在迷宮中的行為，并作如下對應的操作，直至完成訓練任務;
[0103]當動物機器人8的身體處在子臂通道內且頭部出現在中心三角形區(qū)域時，給動物機器人8以左側或右側的聲首、燈売、電刺激或震動提不；
[0104]當動物機器人8在中心三角形區(qū)域時，若表現出要進入目標子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激；
[0105]當動物機器人8進入目標子臂通道時，則給予獎賞電刺激；
[0106]當動物機器人8進入非目標子臂通道時，則不給予獎賞電刺激；
[0107]當動物機器人8進入回轉區(qū)時，則不給予獎賞電刺激；
[0108]當動物機器人8在回轉區(qū)表現出要進入子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激；
[0109]當動物機器人8由子臂通道往中心三角形區(qū)域行進時，則給予獎賞電刺激；
[0110]當動物機器人8在迷宮中靜止不動，則給予獎賞電刺激。
[0111]如圖2所示，本發(fā)明面向動物機器人8控制訓練的三臂迷宮裝置也可用于動物機器人8的自動訓練，控制主機10通過三臂迷宮正上方的跟蹤設備9實時采集訓練過程中環(huán)境圖像，在光亮環(huán)境中，頂部跟蹤設備9可為普通彩色相機，在黑暗環(huán)境中，頂部跟蹤設備9可選用紅外熱像成像儀，接著采用計算機視覺目標跟蹤的方法(如光流跟蹤等)實時跟蹤動物機器人8，根據訓練的任務(如順時針轉一圈)和動物機器人8的狀態(tài)(運動方向、位置和行為)自適應的輸出左、右刺激提示和獎賞電刺激，其訓練原理與人工訓練相同。
[0112]基于跟蹤設備9，利用所述的三臂迷宮裝置進行動物機器人8的自動訓練方法，包括如下步驟:
[0113]A、將迷宮置于三臂載體上；
[0114]B、利用跟蹤設備在迷宮的正上方采集得到放入動物機器人8前的迷宮俯視圖作為背景環(huán)境圖像，在背景環(huán)境圖像上對迷宮的關鍵位置點進行標定，得到迷宮地圖；各個子臂通道為矩形，矩形的四個端點與中心三角形區(qū)域的中心點即為三臂迷宮的關鍵位置點；
[0115]C、在控制主機10中設置獎賞電刺激的刺激參數，具體如下:
[0116]若訓練任務為基于燈亮提示的控制訓練，則開啟指示燈6 ；
[0117]若訓練任務為基于聲音提示的控制訓練，則開啟聲音刺激發(fā)生器7 ；
[0118]若訓練任務為基于胡須區(qū)或表皮電刺激提示的控制訓練，則設置左、右電刺激參數；
[0119]若訓練任務為基于震動提示的控制訓練，則設置左、右震動參數；
[0120]D、將動物機器人8放入迷宮內，利用跟蹤設備9監(jiān)控動物機器人8在迷宮中的行為，通過控制主機10自動作如下對應的操作，直至完成訓練任務:
[0121]當動物機器人8的身體處在子臂通道內且頭部出現在中心三角形區(qū)域時，給動物機器人8以左側或右側的聲首、燈売、電刺激或震動提不；[0122]當動物機器人8在中心三角形區(qū)域時，若表現出要進入目標子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激；
[0123]當動物機器人8進入目標子臂通道時，則給予獎賞電刺激；
[0124]當動物機器人8進入非目標子臂通道時，則不給予獎賞電刺激；
[0125]當動物機器人8進入回轉區(qū)時，則不給予獎賞電刺激；
[0126]當動物機器人8在回轉區(qū)表現出要進入子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激；
[0127]當動物機器人8由子臂通道往中心三角形區(qū)域行進時，則給予獎賞電刺激；
[0128]當動物機器人8在迷宮中靜止不動，則給予獎賞電刺激。
[0129]利用跟蹤設備9采集到的圖像對動物機器人8進行行為識別，以普通跟蹤攝像頭跟蹤大鼠機器人為例，具體識別過程如下:
[0130]a、在本發(fā)明三臂迷宮裝置中放入大鼠機器人，利用跟蹤設備9實時采集三臂迷宮俯視圖，得到帶有大鼠機器人的實時環(huán)境圖像；
[0131]對當前幀進行二值化處理得到灰度圖1。；對于放入大鼠機器人前的三臂迷宮俯視圖進行二值化處理得到灰度圖1b ;將灰度圖1。與灰度圖1b做差分處理得到差分圖1d ；
[0132]b、對差分圖1d做腐蝕操作，并計算目標像素點個數隊；
[0133]大鼠機器人體色為白色則計算白色像素點，一般要求大鼠機器人的顏色與三臂迷宮以及背景的顏色有一定色差，本發(fā)明中三臂迷宮采用透明材料，便于根據需要更換背景顏色。
[0134]C、用第一參照矩形框(80像素X80像素)由行到列均以40像素的步差搜索整個差分圖1d，找出目標像素點最多的第一參照矩形框位置，計算該第一參照矩形框中目標像素點的平均位置匕作為大鼠機器人的身體質心位置，以平均位置匕為中心建立跟蹤矩形框Rr;參照矩形框與蹤矩形框大小相同；
[0135]d、在差分圖1d中以蹤矩形框Rr為感興趣區(qū)域(region of interest,即ROI)建立新的圖像Ir，采用Sh1-Tomasi特征提取方法提取得到圖像Ii中的角點；
[0136]提取得到圖像Ir中的角點后，去掉位于三臂迷宮邊沿和跟蹤矩形框艮邊框位置的無效角點；
[0137]e、用第二參照矩形框(40像素X40像素)由行到列均以10像素為步差搜索跟蹤矩形框I，找到角點最多的第二參照矩形框Rs，計算第二參照矩形框Rs中各角點的平均位置Ph作為大鼠機器人的頭部質心位置，并根據平均位置Ph相對于平均位置匕的指向獲得大鼠機器人的身體朝向θ b;
[0138]f、采用非金字塔的Lucas-Kanade稠密光流的算法計算第二參照矩形框Rs中運動跟蹤點的個數Nm和平均偏轉方向0h，0h做為大鼠機器人的頭部偏轉方向。
[0139]由平均位置已、平均位置Ph、以及大鼠機器人的身體朝向Θ b可得當前大鼠在三臂迷宮上的空間分布，例如是否處在子臂通道內、處在哪個子臂通道內等。
[0140]頭部偏轉方向Θ h代表大鼠機器人想要移動的方向，可知大鼠機器人當前想要移動的方向(左、右、前、后縮)。
[0141]若連續(xù)50幀步驟F)中運動跟蹤點個數Nm都為0，則認為大鼠處在靜止狀態(tài)。
[0142]本發(fā)明還提供了一種利用所述的面向動物機器人8控制訓練的三臂迷宮裝置的基于紅外掃描裝置11的自動訓練方法，這種訓練方法無需頂部跟蹤設備9，且在黑暗和光亮環(huán)境中均可使用，由紅外掃描裝置11檢測動物在子臂單向通道的進出，自動輸出左、右刺激提示和獎賞電刺激，其訓練原理與基于頂部跟蹤設備9的自動訓練方法相似，具體包括如下步驟:
[0143](a)、將迷宮置于三臂載體上；
[0144](b)、開啟紅外掃描裝置11 ；
[0145](C)、在控制主機10中設置獎賞電刺激的刺激參數，具體如下:
[0146]若訓練任務為基于燈亮提示的控制訓練，則開啟指示燈6 ；
[0147]若訓練任務為基于聲音提示的控制訓練，則開啟聲音刺激發(fā)生器7 ；
[0148]若訓練任務為基于胡須區(qū)或表皮電刺激提示的控制訓練，則設置左、右電刺激參數；
[0149]若訓練任務為基于震動提示的控制訓練,則設置左、右震動參數；
[0150](d)、將動物機器人8放入迷宮內，利用紅外掃描裝置11判斷動物機器人8在迷宮中的行為，通過控制主機10作如下對應的操作，直至完成訓練任務:
[0151]當動物機器人8從子臂通道進入中心三角形區(qū)域時，給動物機器人8以左側或右側的聲音、燈亮、電刺激或震動提示(由子臂通道進入中心三角形區(qū)域，即動物機器人8的前一位置為子臂通道內，通過子臂通道內端口的紅外掃描裝置時，則認為動物機器人8進入中心三角形區(qū)域)；
[0152]當動物機器人8從中心三角形區(qū)域進入目標子臂通道時，則給予獎賞的電刺激；
[0153]若動物機器人8從中心三角形區(qū)域進入非目標子臂通道時，則不給予獎賞電刺激；
[0154]若動物機器人8從子臂通道進入回轉區(qū)，則不給予獎賞電刺激；
[0155]若動物機器人8從回轉區(qū)進入子臂通道，則給予獎賞電刺激。
[0156]動物機器人8在接受:完基于燈売提不的控制訓練之后，受:到左邊燈売提不，會往左邊行進，受到右邊燈亮提示，會往右行進，受到獎賞電刺激，會向前行進；
[0157]在接受:完基于聲首提不的控制訓練之后，受:到左邊聲首刺激提不，會往左邊行進，受到右邊聲音刺激提示，會往右行進，受到獎賞電刺激，會向前行進；
[0158]在接受完基于左、右胡須區(qū)電刺激提示的控制訓練之后，受到向左胡須區(qū)電刺激提示，會往左邊行進，受到向右胡須區(qū)電刺激提示，會往右行進，受到獎賞電刺激，會向前行進;
[0159]在接受:完基于表皮電刺激提不的控制訓練之后，受:到左表皮電刺激提不，會往左邊行進，受到右表皮電刺激提示，會往右行進，受到獎賞電刺激，會向前行進；
[0160]在接受完基于震動提示的控制訓練之后，受到左邊震動刺激提示，會往左邊行進，受到右邊震動刺激提示，會往右行進，受到獎賞電刺激，會向前行進。
【權利要求】
1.一種面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置，包括迷宮和控制主機，其特征在于，所述的迷宮包括: 中心三角形區(qū)域以及繞該中心三角形區(qū)域互為120度角分布的三條子臂通道，各子臂通道均為單向通道，且各子臂通道的盡頭均設有回轉區(qū)； 中心三角形區(qū)域由中心底板和中心頂蓋圍成； 每個子臂通道由子臂底板、相對分布的兩塊墻板以及子臂頂蓋圍成； 每個子臂通道的內端口處和外端口處設有紅外掃描裝置，所述內端口靠近中心三角形區(qū)域，所述外端口靠近回轉區(qū)； 每個子臂通道的內端口與中心三角形區(qū)域的連接處設有指示燈和聲音刺激發(fā)生器； 所述紅外掃描裝置、指示燈和聲音刺激發(fā)生器均受控于所述控制主機。
2.如權利要求1所述的面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置，其特征在于，還設有用于承載所述迷宮且能三維移動的三臂載體，以及用于監(jiān)控動物機器人在迷宮中的行為的跟蹤設備，所述跟蹤設備接入并受控于所述控制主機。
3.如權利要求2所述的面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置，其特征在于，所述子臂頂蓋、中心頂蓋、墻板、中心底板和子臂底板均為透明材料。
4.如權利要求3所述的面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置，其特征在于，每個子臂通道的聲音刺激發(fā)生器和指示燈沿豎直方向排列安裝。
5.如權利要求4所述的面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置，其特征在于，所述的聲音刺激發(fā)生器為蜂鳴器。
6.如權利要求5所述的面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置，其特征在于，所述的指示燈為發(fā)光二極管或燈泡。
7.如權利要求6所述的面向動物機器人控制訓練的三臂迷宮裝置，其特征在于，所述的紅外掃描裝置包括相互匹配的紅外發(fā)射器和紅外接收器。
8.一種利用如權利要求1~7任一所述的三臂迷宮裝置進行動物機器人的人工訓練方法，其特征在于，包括如下步驟: a)、將所述迷宮置于三臂載體上，將動物機器人放入迷宮內； b)、在所述控制主機中設置獎賞電刺激的刺激參數，具體如下: 若訓練任務為基于燈亮提示的控制訓練，則開啟指示燈； 若訓練任務為基于聲音提不的控制訓練，則開啟聲音刺激發(fā)生器； 若訓練任務為基于胡須區(qū)或表皮電刺激提示的控制訓練，則設置左、右電刺激參數； 若訓練任務為基于震動提示的控制訓練，則設置左、右震動參數； C)、觀察動物機器人在迷宮中的行為，并作如下對應的操作，直至完成訓練任務:當動物機器人的身體處在子臂通道內且頭部出現在中心三角形區(qū)域時，給動物機器人以左側或右側的聲首、燈売、電刺激或震動提不; 當動物機器人在中心三角形區(qū)域時，若表現出要進入目標子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激； 當動物機器人進入目標子臂通道時，則給予獎賞電刺激； 當動物機器人進入非目標子臂通道時，則不給予獎賞電刺激； 當動物機器人進入回轉區(qū)時，則不給予獎賞電刺激；當動物機器人在回轉區(qū)表現出要進入子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激； 當動物機器人由子臂通道往中心三角形區(qū)域行進時，則給予獎賞電刺激； 當動物機器人在迷宮中靜止不動，則給予獎賞電刺激。
9.一種利用如權利要求2~7任一所述的三臂迷宮裝置進行動物機器人的自動訓練方法，其特征在于，包括如下步驟: A、將所述迷宮置于三臂載體上； B、利用跟蹤設備在迷宮的正上方采集得到放入動物機器人前的迷宮俯視圖作為背景環(huán)境圖像，在所述背景環(huán)境圖像上對迷宮的關鍵位置點進行標定，得到迷宮地圖； C、在所述控制主機中設置獎賞電刺激的刺激參數，具體如下: 若訓練任務為基于燈亮提示的控制訓練，則開啟指示燈； 若訓練任務為基于聲音提不的控制訓練，則開啟聲音刺激發(fā)生器； 若訓練任務為基于胡須區(qū)或表皮電刺激提示的控制訓練，則設置左、右電刺激參數； 若訓練任務為基于震動提示的控制訓練，則設置左、右震動參數； D、將動物機器人放入迷宮內，利用所述跟蹤設備監(jiān)控動物機器人在迷宮中的行為，通過控制主機自動作如下對應的操作，直至完成訓練任務: 當動物機器人的身體處在子臂通道內且頭部出現在中心三角形區(qū)域時，給動物機器人以左側或右側的聲首、燈売、電刺激或震動提不; 當動物機器人在中心三角形區(qū)域時，若表現出要進入目標子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激； 當動物機器人進入目標子臂通道時，則給予獎賞電刺激； 當動物機器人進入非目標子臂通道時，則不給予獎賞電刺激； 當動物機器人進入回轉區(qū)時，則不給予獎賞電刺激； 當動物機器人在回轉區(qū)表現出要進入子臂通道的行為，則給予獎賞電刺激； 當動物機器人由子臂通道往中心三角形區(qū)域行進時，則給予獎賞電刺激； 當動物機器人在迷宮中靜止不動，則給予獎賞電刺激。
10.一種利用如權利要求1~7任一所述的三臂迷宮裝置進行動物機器人的基于紅外掃描裝置的訓練方法，其特征在于，包括如下步驟: (a)、將所述迷宮置于三臂載體上； (b)、開啟紅外掃描裝置； (C)、在所述控制主機中設置獎賞電刺激的刺激參數，具體如下: 若訓練任務為基于燈亮提示的控制訓練，則開啟指示燈； 若訓練任務為基于聲音提不的控制訓練，則開啟聲音刺激發(fā)生器； 若訓練任務為基于胡須區(qū)或表皮電刺激提示的控制訓練，則設置左、右電刺激參數； 若訓練任務為基于震動提示的控制訓練，則設置左、右震動參數； (d)、將動物機器人放入迷宮內，利用紅外掃描裝置判斷動物機器人在迷宮中的行為，通過控制主機自動作如下對應的操作，直至完成訓練任務: 當動物機器人從子臂通道進入中心三角形區(qū)域時，給動物機器人以左側或右側的聲音、燈亮、電刺激或震動提示； 當動物機器人從中心三角形區(qū)域進入目標子臂通道時，則給予獎賞的電刺激；若動物機器人從中心三角形區(qū)域進入非目標子臂通道時，則不給予獎賞電刺激；若動物機器人從子臂通道進入回轉區(qū)，則不給予獎賞電刺激；若動物機器人從回轉 區(qū)進入子臂通道，則給予獎賞電刺激。
【文檔編號】A01K15/02GK103461166SQ201310428285
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權日:2013年9月18日
【發(fā)明者】潘綱, 俞一鵬, 吳朝暉, 鄭能干, 鄭筱祥 申請人:浙江大學