本發(fā)明涉及動物行為訓(xùn)練領(lǐng)域，特別涉及一種非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置及其訓(xùn)練方法。

背景技術(shù)：

在腦機接口領(lǐng)域，尤其是植入式腦機接口領(lǐng)域，利用非靈長類動物代替和模擬人類進行實驗時非常重要的一個步驟。目前，在解碼大腦皮層產(chǎn)生的電信號并將其應(yīng)用于對外部設(shè)備的控制方面已有較大進展，但在解碼觸覺形成機制從而通過電刺激形成虛擬觸覺方面卻鮮有報道，擁有很大的發(fā)展前景。

為了形成不同的觸覺感受，需要采用抓握的訓(xùn)練方式，利用不同形狀的物體，如三角，方塊，球體等，采用自然的抓握方式進行抓握。在訓(xùn)練過程中要求獼猴能對多種物體進行抓握感知，因此要求不同形狀的物體能夠自由切換，并在獼猴抓握成功時需要及時地給予獎勵以形成建立在觸覺感知上的條件反射。上述要求如果通過人工操作進行，費時費力對獼猴的干擾大，訓(xùn)練效率低。同時，在進行主動觸覺時往往還伴隨有視覺的引導(dǎo)，因此需要特定的實驗裝置排除視覺的引導(dǎo)。在訓(xùn)練完成后，需要同步采集獼猴有觸覺感受時的神經(jīng)信號，模擬虛擬觸覺時還需及時對獼猴特定腦區(qū)進行電刺激，需要詳細準確地記錄整個實驗過程中的電信號，以上操作依靠人工都難以完成。

因此，需要一套完整的裝置來自動化完成對抓握物體的切換、訓(xùn)練階段的控制、獎勵控制、減少干擾以及同步采集獼猴神經(jīng)信號和迅速對獼猴特定腦區(qū)產(chǎn)生電刺激等功能，以便對觸覺產(chǎn)生信號進行解碼，構(gòu)建準確的觸覺感受實驗?zāi)Ｐ停佑行У禺a(chǎn)生虛擬觸覺。

公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng)當被視為承認或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單合理的非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置及其訓(xùn)練方法，該自動化訓(xùn)練裝置通過第二層目標物體的切換和第三層對應(yīng)目標物體的選擇能夠?qū)游锏淖ノ崭杏X通過行為表達出來，用于感覺實驗方面的研究，大大提高訓(xùn)練速度并能節(jié)省人力資源的消耗。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置包括：pc機，其具有顯示器；攝像機，其與pc機相連；微控制器，與pc機通過串口連接線相連；動物座椅，用于固定實驗動物；以及多目標選擇抓握裝置，其位于所述動物座椅的前方，分為三層，包括：第一層的準備按鈕、第二層的抓握目標物體和第三層的判斷選擇目標物體；每一層都設(shè)有提示燈，第一層的準備按鈕、第二層的抓握目標物體和第三層的判斷選擇目標物體都分別固定有壓力傳感器，第二層的抓握目標物體和第三層的判斷選擇目標物體都固定在能夠前后移動的電動直線推桿上，所述提示燈、壓力傳感器和電動直線推桿分別與所述微控制器連接。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，該自動化訓(xùn)練裝置還包括：給水控制系統(tǒng)，該給水控制系統(tǒng)包括：儲水瓶和電磁閥，該電磁閥包括：進水口、出水口和控制輸入端；所述儲水瓶與電磁閥的進水口通過塑料軟管連接，所述動物座椅上固定有水嘴，所述電磁閥的出水口與水嘴通過塑料軟管連接，所述電磁閥與微控制器控制連接。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，壓力傳感器為fsr壓力傳感器。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，第二層的抓握目標物體包括：抓握目標球體、抓握目標三角體和抓握目標正方體，分別固定在第二層的三個第一電動直線推桿的前端；所述第三層的判斷選擇目標物體包括：選擇目標球體、選擇目標三角體和選擇目標正方體，共同固定在第三層的第二電動直線推桿上。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，微控制器包括：微處理器、電源單元、通訊單元、信號采集單元、提示燈輸出控制單元、電機控制單元、給水控制單元、聲音控制單元和狀態(tài)判斷單元。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置的訓(xùn)練方法，其特征在于，包括以下步驟：第一步，將動物固定在動物座椅上，開始訓(xùn)練時，建立pc機與微控制器的串口連接，選擇訓(xùn)練模式并設(shè)置相應(yīng)訓(xùn)練參數(shù)；將第一層的提示燈點亮，提示動物任務(wù)開始，動物根據(jù)此提示按壓最底層的壓力傳感器，在此過程中微控制器實時采集壓力傳感器的狀態(tài)信號判斷第一層的傳感器是否被觸碰，如果有被觸碰，則第一層提示燈滅并點亮第二層提示燈，同時第二層的電動直線推桿中的隨機一個向前推動并呈現(xiàn)該電動直線推桿前端的目標抓握物體；如果沒有被觸碰，則一直處于等待狀態(tài)；第二步，第二層提示燈點亮后提示實驗動物抓握第二層呈現(xiàn)的抓握目標物體，如果抓握目標物體被成功抓握，則第二層提示燈滅并點亮第三層的提示燈，同時第三層的電動直線推桿向前推進且第二層呈現(xiàn)目標物體的電動直線推桿向后縮回；如果抓握目標物體未被成功抓握或者設(shè)定時間內(nèi)動物未進行抓握則微控制器延時一段時間后進入下一次訓(xùn)練并向pc機發(fā)送任務(wù)失敗的信息；第三步，第三層提示燈點亮后提示動物抓握第三層的判斷選擇目標物體，如果正確的判斷選擇目標物體被成功抓握，微控制器發(fā)送給水命令給電磁閥進行給水獎勵，同時第三層提示燈滅且第三層的電動直線推桿向后縮回；如果錯誤的判斷選擇目標物體被抓握或者設(shè)定時間內(nèi)動物未進行抓握則微控制器延時一段時間后進入下一次訓(xùn)練并向pc機發(fā)送任務(wù)失敗的信息，同時第三層的提示燈滅且第三層推桿向后縮回；第四步，pc機接收微控制器發(fā)送的任務(wù)狀態(tài)信息并在顯示器上進行顯示，完成一次訓(xùn)練；且整個訓(xùn)練過程由攝像機監(jiān)控，畫面實時顯示在顯示器上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：該非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置操作簡單，可選擇的訓(xùn)練模式多樣，訓(xùn)練效率高；相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明裝置可以方便的更換目標物體進行不同模式的運動行為訓(xùn)練，還能將動物的感覺通過運動行為模式展現(xiàn)出來從而進行感覺實驗研究；能實現(xiàn)自動化式的訓(xùn)練，人力資源參與較少。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置的多目標選擇抓握裝置第二層的抓握目標物體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置的多目標選擇抓握裝置第三層的判斷選擇目標物體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置的pc機結(jié)構(gòu)框圖。

圖5為本發(fā)明的非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置的微控制器結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細描述，但應(yīng)當理解本發(fā)明的保護范圍并不受具體實施方式的限制。

除非另有其它明確表示，否則在整個說明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”或其變換如“包含”或“包括有”等等將被理解為包括所陳述的元件或組成部分，而并未排除其它元件或其它組成部分。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明具體實施方式的非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置具體包括：動物座椅、pc機2、攝像機、多目標選擇抓握裝置4、微控制器5和給水系統(tǒng)6。其中，動物座椅用于固定實驗動物；pc機2設(shè)有一個顯示器并與攝像機和微控制器5連接，攝像機為兩個，其中一個攝像機位于動物座椅前上方，另一個攝像機位于動物座椅側(cè)前方；多目標選擇抓握裝置4位于動物座椅的前方，分為三層：包括第一層的準備按鈕，第二層的抓握目標物體，第三層的判斷選擇目標物體。每一層都有一個提示提示燈，準備按鈕和目標物體上都固定有壓力傳感器，每個目標物體都固定在一個可前后移動的電動直線推桿上，提示燈、壓力傳感器和電動直線推桿分別與微控制器電相連；微控制器與pc機通過串口連接線相連；動物座椅上固定有水嘴，水嘴通過導(dǎo)管與給水系統(tǒng)的電磁閥連接，電磁閥與微控制器電相連。本發(fā)明可實現(xiàn)一種靈活的多目標物體選擇抓握的自動化動物行為訓(xùn)練方法，而且通過第二層目標物體的切換和第三層對應(yīng)目標物體的選擇可以將動物的抓握感覺通過行為表達出來，用于感覺實驗方面的研究，同時通過兩個攝像機實時多角度顯示并監(jiān)控動物行為，大大提高訓(xùn)練速度并能節(jié)省人力資源的消耗。在訓(xùn)練完成后，需要通過神經(jīng)信號采集器7同步采集實驗動物有觸覺感受時的神經(jīng)信號，模擬虛擬觸覺時還需及時通過神經(jīng)電刺激器8對實驗動物特定腦區(qū)進行電刺激，需要詳細準確地記錄整個實驗過程中的電信號

具體來講，動物座椅用于固定實驗動物3，可將動物的脖子固定到座椅的圓孔中，并能通過紗布固定動物的左手，動物其他身體部分沒有固定，處于自由活動狀態(tài)。動物座椅可以采用有機玻璃材料制作。在動物座椅上固定有水嘴。

給水控制系統(tǒng)6包括：儲水瓶和電磁閥。電磁閥為一兩位兩通常閉型電磁閥，包括進水口、出水口和控制輸入端。儲水瓶與電磁閥的進水口通過塑料軟管連接，電磁閥的出水口與水嘴通過塑料軟管連接。電磁閥受控于微控制器5，當動物完成正確動作后，微控制器5接受到給水信號后，電磁閥打開，儲水瓶中的水在重力作用下流入水嘴，供動物飲用，對動物給水進行獎賞。

如圖2和圖3所示，多目標選擇抓握裝置4位于動物座椅的前方，分為三層，包括：第一層的準備按鈕、第二層的抓握目標物體和第三層的判斷選擇目標物體。每一層都有一個提示提示燈，第一層的準備按鈕、第二層的抓握目標物體和第三層的判斷選擇目標物體都固定有壓力傳感器，第二層的抓握目標物體和第三層的判斷選擇目標物體都固定在一個可前后移動的電動直線推桿上，提示燈、壓力傳感器和電動直線推桿分別與微控制器5連接；微控制器與pc機通過串口連接線相連；訓(xùn)練過程中，每次只推出一個電動推桿，可以從pc機2的參數(shù)設(shè)置單元中設(shè)置推出模式為固定模式，即每次實驗僅推出一個推桿，動物正確抓握后，電動推桿不收回，直接開始下一輪實驗；也由pc機2的參數(shù)設(shè)置單元將推出模式設(shè)置為隨機模式，即實驗開始后，每次推出的推桿在三個推桿中隨機選擇，待動物正確抓握后，收回電動推桿，下一輪實驗開始后再次隨機選擇某一推桿推出。第一層目標物體抓握成功后，啟動第二層目標物體的提示提示燈，等待動物進行選擇抓握。

優(yōu)選的，壓力傳感器為fsr壓力傳感器。

優(yōu)選的，提示燈為led燈。

優(yōu)選的，第二層的抓握目標物體包括：抓握目標球體42、抓握目標三角體43和抓握目標正方體44，分別固定在第二層三個電動直線推桿41的前端。第三層的判斷選擇目標物體包括：選擇目標球體45、選擇目標三角體46和選擇目標正方體47，共同固定在第三層電動直線推桿48上。當動物正確抓握第二層目標物體后，電動直線推桿48將三種目標物體自垂直亞克力板上方寬孔推出。當且僅當動物抓握第二層目標物體與第三層目標選擇物體形狀相同時，微控制器5控制電磁閥對動物進行給水獎勵。

如圖4所示，pc機2包括：主機和顯示器，作為本發(fā)明pc機的一種實施方式，參見圖5，為pc機的一種實施方式的結(jié)構(gòu)框圖，由主過程控制單元、通訊單元、參數(shù)設(shè)置單元、推桿控制單元、數(shù)據(jù)發(fā)送單元、狀態(tài)重置單元、狀態(tài)顯示單元及通訊顯示單元組成。通訊單元用于選擇與微控制器進行通訊；參數(shù)設(shè)置單元用于設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)和設(shè)置訓(xùn)練模式；推桿控制單元用于給所述微控制器發(fā)送直線推桿控制命令；數(shù)據(jù)發(fā)送單元用于給所述微控制器發(fā)送給水命令和蜂鳴器發(fā)聲命令；狀態(tài)重置單元用于給所述微控制器發(fā)送重置命令；任務(wù)狀態(tài)顯示單元用于顯示所述微控制器發(fā)送的動物完成任務(wù)狀態(tài)；通訊顯示單元用于顯示pc機與所述微控制器之間實時通訊命令。

pc機的工作原理為訓(xùn)練開始時，先建立與微控制器的串口連接，并選擇訓(xùn)練模式及設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)，完成后會通過微控制器點亮最下層提示提示燈，提示動物任務(wù)開始。此后微控制器會對動物任務(wù)狀態(tài)進行判斷，pc機接收微控制器發(fā)送的任務(wù)判斷結(jié)果并將結(jié)果顯示于顯示器上。

如圖5所示，微控制器包括：微處理器、電源單元、通訊單元、信號采集單元、提示燈輸出控制單元、電機控制單元、給水控制單元、聲音控制單元和狀態(tài)判斷單元。電源單元用于給微控制器核心供電，通訊單元用于微控制器與pc機的雙向通訊，信號采集單元用于采集壓力傳感器信號，提示燈輸出控制單元用于控制提示指示燈亮滅，電機控制單元用于控制直線推桿的前進與后退，給水控制單元用于控制是否向電磁閥輸出給水信號，聲音控制單元用于控制蜂鳴器的鳴叫，狀態(tài)判斷單元用于判斷任務(wù)是否成功。

本發(fā)明微控制器可以由單片機、dsp或其他處理器實現(xiàn)。本發(fā)明的一個應(yīng)用實例采用stm32f103系列的單片機實現(xiàn)。微處理器有三個任務(wù)：一是根據(jù)控制邏輯，全自動控制訓(xùn)練裝置運行；一是對動物完成實驗是否成功進行邏輯判斷計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果通過串口線發(fā)送至pc機；一是接受pc機的人工控制指令，實現(xiàn)對推桿位置、給水狀態(tài)等的實時控制。

本發(fā)明裝置的工作過程如下：

首先，將動物固定在動物座椅上，即將動物脖子上的脖圈固定到座椅的圓孔中，固定動物的左手，其他身體部分沒有固定。開始訓(xùn)練時，建立pc機與微控制器的串口連接，選擇訓(xùn)練模式并設(shè)置相應(yīng)訓(xùn)練參數(shù)。

將第一層的提示燈點亮，提示動物任務(wù)開始，動物根據(jù)此提示按壓最底層的壓力傳感器，在此過程中微控制器實時采集壓力傳感器的狀態(tài)信號判斷第一層的傳感器是否被觸碰，如果有被觸碰，則第一層提示燈滅并點亮第二層提示燈，同時第二層推桿中的隨機一個向前推動并呈現(xiàn)該推桿前端的目標抓握物體。如果沒有被觸碰，則一直處于等待狀態(tài)。

第二層提示燈點亮后提示動物抓握第二層呈現(xiàn)的抓握目標物體，如果抓握目標物體被成功抓握，則第二層提示燈滅并點亮第三層提示燈，同時第三層推桿向前推進且第二層呈現(xiàn)目標物體的推桿向后縮回。如果抓握目標物體未被成功抓握或者設(shè)定時間內(nèi)動物未進行抓握則微控制器延時一段時間后進入下一次訓(xùn)練并向pc機發(fā)送任務(wù)失敗的信息。

第三層提示燈點亮后提示動物抓握第三層的判斷選擇目標物體，如果正確的判斷選擇目標物體被成功抓握，微控制器發(fā)送給水命令給電磁閥進行給水獎勵，同時第三層提示燈滅且第三層推桿向后縮回；如果錯誤的判斷選擇目標物體被抓握或者設(shè)定時間內(nèi)動物未進行抓握則微控制器延時一段時間后進入下一次訓(xùn)練并向pc機發(fā)送任務(wù)失敗的信息，同時第三層提示燈滅且第三層推桿向后縮回。

pc機接收微控制器發(fā)送的任務(wù)狀態(tài)信息并在顯示器上進行顯示，完成一次訓(xùn)練。整個訓(xùn)練過程由攝像機監(jiān)控，畫面實時顯示在顯示器上。

綜上，該非人靈長類觸覺研究的自動化訓(xùn)練裝置操作簡單，可選擇的訓(xùn)練模式多樣，訓(xùn)練效率高；相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明裝置可以方便的更換目標物體進行不同模式的運動行為訓(xùn)練，還能將動物的感覺通過運動行為模式展現(xiàn)出來從而進行感覺實驗研究；能實現(xiàn)自動化式的訓(xùn)練，人力資源參與較少。

前述對本發(fā)明的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述并非想將本發(fā)明限定為所公開的精確形式，并且很顯然，根據(jù)上述教導(dǎo)，可以進行很多改變和變化。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在于解釋本發(fā)明的特定原理及其實際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并利用本發(fā)明的各種不同的示例性實施方案以及各種不同的選擇和改變。本發(fā)明的范圍意在由權(quán)利要求書及其等同形式所限定。