一種非人靈長類動物自動化抓握訓(xùn)練與記錄裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于非人靈長類動物抓握行為訓(xùn)練的記錄裝置及方法，主要應(yīng)用于面向運動功能的腦機接口研究。
【背景技術(shù)】
[0002]在面向運動功能的腦機接口研究領(lǐng)域，尤其是植入式腦機接口領(lǐng)域，利用非人靈長類動物來代替和模擬人類進行實驗是非常重要的一個步驟。其中對于手的精細抓握運動的研究更是當(dāng)前腦機接口領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題，訓(xùn)練動物快速掌握各類規(guī)定的抓握動作有著及其重要的意義。目前，常見的抓握訓(xùn)練方式主要是利用不同形狀特征的物體，如把手，平板，小環(huán)等，利用自然的抓握方式進行抓握。由于在抓握訓(xùn)練中往往需要訓(xùn)練多種抓握模式，因此抓握的物體需要經(jīng)常更換。此外，在一個實驗中判斷動物是否可以以正確的姿勢進行抓握，以及如何在實驗成功時及時給予獎勵，這些問題往往都需要消耗大量的人力資源進行調(diào)整與觀察，且容易出現(xiàn)誤操作導(dǎo)致動物訓(xùn)練行為效率低下，效果不佳。在實驗過程中還需要同步采集實驗動物的神經(jīng)信號，由于神經(jīng)電生理信號的發(fā)放時間短，頻率較高，因此，對運動數(shù)據(jù)的同步要求也比較高(小于1ms)，需要詳細快速地記錄整個抓握流程中的各個運動階段，以上實驗操作依靠人工都難以完成。
[0003]因此，需要一套完整的系統(tǒng)來自動化完成抓握物體的更換、抓握手勢檢測、實驗階段控制、獎勵控制、運動與神經(jīng)信號同步等功能，方便對抓握運動的腦電信號進行抓握解碼，構(gòu)建更加準確的抓握運動模型，更加有效的面向抓握運動功能的腦機接口。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供用于非人靈長類動物抓握實驗的自動化訓(xùn)練與記錄裝置。本裝置包括轉(zhuǎn)盤主體、微控制器、給水控制系統(tǒng)、腦電信號記錄儀和PC機。
[0005]進一步地，所述轉(zhuǎn)盤箱體為非透明材質(zhì)有機玻璃制封閉式箱體，內(nèi)置前置面板、照明燈、載物轉(zhuǎn)盤、導(dǎo)電滑環(huán)、驅(qū)動電機、LED指示燈、按鍵、抓握物體、紅外攝像頭；在內(nèi)置所述照明燈處于關(guān)閉狀態(tài)時，所述抓握物體處于不可見狀態(tài)；所述載物轉(zhuǎn)盤為有機玻璃材質(zhì)六面立方體轉(zhuǎn)盤，內(nèi)部中空且具有6個垂直平面，各個所述垂直平面上安裝一個所述抓握物體，所述載物轉(zhuǎn)盤在驅(qū)動電機的驅(qū)動下沿中軸線水平運動；所述照明燈和所述驅(qū)動電機由所述微控制器進行控制；所述導(dǎo)電滑環(huán)裝在所述載物轉(zhuǎn)盤內(nèi)，抓握物體相關(guān)連接線通過所述導(dǎo)電滑環(huán)與所述微控制器電連接，下方由所述驅(qū)動電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，以更換所述抓握物體；在所述前置面板上與所述抓握物體處于相同高度處開有用于抓握的孔洞，其僅在面對實驗動物方向開有，在前置面板上裝有所述LED指示燈和所述按鍵；在所述抓握物體上方裝有所述紅外攝像頭，由所述紅外攝像頭抓拍到的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)直接傳輸給所述PC機進行保存。
[0006]進一步地，所述給水控制系統(tǒng)包括儲水瓶、電磁閥與水嘴，儲水瓶通過水管穿過電磁閥與水嘴相連，通過電磁閥開閉給實驗動物供水，電磁閥與微控制器電連接；所述微控制器通過1 口電連接驅(qū)動電機裝置、LED指示燈、按鍵、抓握物體、給水控制系統(tǒng)、腦電信號記錄儀，通過串口轉(zhuǎn)USB模塊連接PC機；所述腦電信號記錄儀輸入端通過陣列電極連接實驗動物腦區(qū)運動皮層，輸出端放大后的神經(jīng)信號通過光纖連接所述PC機，事件同步端口與微控制器電連接；所述攝像頭置于所述轉(zhuǎn)盤裝置上方，可以拍攝整個抓握手勢，錄像信息通過監(jiān)控系統(tǒng)傳給PC機存儲；所述PC機包括主機和顯示器，與微控制器、腦電信號記錄儀及攝像頭分別電連接。
[0007]進一步地，所述腦電信號記錄儀輸入端通過陣列電極連接實驗動物腦區(qū)運動皮層，輸出端放大后的神經(jīng)信號通過光纖連接所述PC機；所述腦電信號記錄儀的事件標簽同步端口與所述微控制器的1 口電連接，所述微控制器在發(fā)送與接收所有實驗相關(guān)數(shù)據(jù)時，都將對應(yīng)的事件標簽通過1 口傳輸給所述腦電信號記錄儀，腦電信號記錄儀將事件標簽與神經(jīng)信號進行同步，之后將數(shù)據(jù)存儲到所述PC機中。
[0008]進一步地，所述微控制器包括微處理器、供電電源單元、數(shù)據(jù)采集單元、輸出控制單元、雙向通訊單元、同步事件輸出單元、邏輯判斷單元。
[0009]進一步地，所述PC機由主控制程序單元、模式選擇單元、參數(shù)設(shè)置單元、數(shù)據(jù)接收單元、數(shù)據(jù)發(fā)送單元、文件記錄單元、人機交互單元組成。
[0010]進一步地，所述抓握物體根據(jù)實驗手勢要求定制，其中不同位置裝有觸摸傳感器，所述觸摸傳感器18傳感器為電容式傳感器，可以置于物體內(nèi)部。當(dāng)傳感器被觸發(fā)時輸出低電平，反之輸出高電平，抓握物體內(nèi)部的傳感器與微控制器電連接。
[0011]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:(1)該裝置操作簡單，訓(xùn)練效率高；(2)訓(xùn)練模式根據(jù)需要可調(diào)，抓握物體可更換，可以實現(xiàn)不同抓握任務(wù)的訓(xùn)練范式；(3)抓握物體設(shè)有傳感器，可精確檢測手勢，并且內(nèi)部設(shè)有多種實驗控制器，以及可編程器件，方便設(shè)計特定的實驗范式；(4)運動數(shù)據(jù)與神經(jīng)數(shù)據(jù)實現(xiàn)了自動同步，提高了后續(xù)分析的數(shù)據(jù)精度；
(5)運動信息、神經(jīng)電生理信號、視頻監(jiān)控信號都可以通過PC存儲，便于后期的分析與整理。
【附圖說明】
[0012]圖1為非人靈長類動物自動化抓握訓(xùn)練與記錄裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2為轉(zhuǎn)盤主體結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖3為抓握物體結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖4為微控制器的實施方法示意圖。
[0016]圖5為PC機的實施方法示意圖。
[0017]圖6為非人靈長類動物自動化抓握訓(xùn)練與記錄裝置實施方式實例范式流程圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0019]實施例1
如圖1所示，本發(fā)明的非人靈長類動物自動化抓握訓(xùn)練與記錄裝置包括:轉(zhuǎn)盤主體1、微控制器2、給水控制系統(tǒng)3、腦電信號記錄儀4和PC機5。
[0020]如圖2所示，轉(zhuǎn)盤主體I為一有機玻璃制封閉式箱體，在內(nèi)置照明燈10亮起前處于黑暗環(huán)境中，載物轉(zhuǎn)盤11置于其中，可在驅(qū)動電機13的驅(qū)動下沿中軸水平轉(zhuǎn)動，照明燈10與驅(qū)動電機13由微控制器2進行控制。載物轉(zhuǎn)盤11上有6個垂直平面，用以安裝抓握物體16，轉(zhuǎn)盤主體I的前置面板9上開有孔洞，與抓握物體16處于相同高度。載物轉(zhuǎn)盤11內(nèi)部中空，裝有導(dǎo)電滑環(huán)12，可以在轉(zhuǎn)盤內(nèi)部放置控制器件或傳感器件，線路可經(jīng)由導(dǎo)電滑環(huán)12連接至轉(zhuǎn)盤主體外部。在前置面板9上還裝有LED指示燈14和按鍵15，分別與微控制器2電連接。LED指示燈14和按鍵15可用于常見的準備一抓握范式設(shè)計，通過對微控制器編程快速實現(xiàn)，LED指示燈14為三色指示燈，可用不同顏色代表不同指示階段，按鍵15可以為點動式大型按鈕。在抓握物體16上方裝有紅外攝像頭17，用以全程拍攝抓握動作，監(jiān)控數(shù)據(jù)直接傳輸給PC機5進行保存。本發(fā)明提供的轉(zhuǎn)盤主體1，可以使箱體內(nèi)部處于黑暗狀態(tài)，可經(jīng)由對照明燈的控制決定實驗對象觀察抓握物體的時機，并且轉(zhuǎn)盤內(nèi)部留有足夠的空間，并可以通過導(dǎo)電滑環(huán)實現(xiàn)對載物轉(zhuǎn)盤及抓握物體的線路進行快速布線，加上集成的按鍵與LED指示等，可以滿足大部分的抓握范式的特異性需求。
[0021]如圖3所示，抓握物體16根據(jù)實驗手勢要求定制，其中設(shè)有多個觸摸傳感器18，該傳感器為電容式觸摸傳感器，可隔物進行觸發(fā)，當(dāng)傳感器被觸發(fā)時輸出低電平，反之輸出高電平，抓握物體16內(nèi)部的傳感器與微控制器2電連接，傳感器根據(jù)抓握手勢的不同放置在不同的位置，只有正確的抓握手勢才可以觸發(fā)全部傳感器，因此微控制器2通過檢測觸摸傳感器18的觸發(fā)狀況，可以確定抓握動作是否正確。本裝置首次實現(xiàn)了對抓握手勢的自動化檢測，不僅可以檢測是否抓握，還可以確定抓握動作是否正確。此外由于抓握傳感器設(shè)置在物體內(nèi)部，動物抓握區(qū)域沒有導(dǎo)線等易損物體，適用于動物實驗。
[0022]給水控制系統(tǒng)3由儲水瓶6、電磁閥7和電磁繼電器8組成。電磁閥7為一兩位兩通常閉型電磁閥，電磁閥7的進水口通過軟管與儲水瓶6相連，控制端與電磁繼電器8的高壓端相連。電磁繼電器8為直流型電磁繼電器，輸入回路與微控制器2的1 口相連，輸出回路連接電磁閥與Sv電源。當(dāng)電磁繼電器8的輸入端接收到微控制器2的低電平輸出時，電磁繼電器8的輸出回路導(dǎo)通，電磁閥7打開，儲水瓶6中的水在重力作用下流出，供實驗動物飲用。本模塊可