一種非人靈長類動物自動化抓握訓練與記錄裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種用于非人靈長類動物抓握行為訓練的記錄裝置及方法，主要應用于面向運動功能的腦機接口研究。
【背景技術】
[0002]在面向運動功能的腦機接口研究領域，尤其是植入式腦機接口領域，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前腦機接口領域的前沿科學問題，訓練動物快速掌握各類規定的抓握動作有著及其重要的意義。目前，常見的抓握訓練方式主要是利用不同形狀特征的物體，如把手，平板，小環等，利用自然的抓握方式進行抓握。由于在抓握訓練中往往需要訓練多種抓握模式，因此抓握的物體需要經常更換。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整與觀察，且容易出現誤操作導致動物訓練行為效率低下，效果不佳。在實驗過程中還需要同步采集實驗動物的神經信號，由于神經電生理信號的發放時間短，頻率較高，因此，對運動數據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。
【發明內容】
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是提供用于非人靈長類動物抓握實驗的自動化訓練與記錄裝置。本裝置包括轉盤主體、微控制器、給水控制系統、腦電信號記錄儀和PC機，轉盤主體與微控制器和PC機相連，微控制器置于轉盤主體內部，與轉盤主體、給水控制系統、腦電信號記錄儀和PC機相連接，給水控制系統置于實驗動物上方，與微控制器相連，腦電信號記錄儀通過光纖連接到PC機，同時與微處理器相連，PC機分別連接轉盤主體、微控制器和腦電信號記錄儀。
[0005]進一步地，所述轉盤箱體為非透明材質有機玻璃制封閉式箱體，內置前置面板、照明燈、載物轉盤、導電滑環、驅動電機、LED指示燈、按鍵、抓握物體、紅外攝像頭；在內置所述照明燈處于關閉狀態時，所述抓握物體處于不可見狀態；所述載物轉盤為有機玻璃材質六面立方體轉盤，內部中空且具有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，所述載物轉盤在驅動電機的驅動下沿中軸線水平運動；所述照明燈和所述驅動電機由所述微控制器進行控制；所述導電滑環裝在所述載物轉盤內，抓握物體相關連接線通過所述導電滑環與所述微控制器電連接，下方由所述驅動電機驅動旋轉，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控數據直接傳輸給所述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10 口電連接驅動電機裝置、LED指示燈、按鍵、抓握物體、給水控制系統、腦電信號記錄儀，通過串口轉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運動皮層，輸出端放大后的神經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盤裝置上方，可以拍攝整個抓握手勢，錄像信息通過監控系統傳給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運動皮層，輸出端放大后的神經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10 口電連接，所述微控制器在發送與接收所有實驗相關數據時，都將對應的事件標簽通過10 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信號進行同步，之后將數據存儲到所述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、數據采集單元、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、參數設置單元、數據接收單元、數據發送單元、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，可以置于物體內部。當傳感器被觸發時輸出低電平，反之輸出高電平，抓握物體內部的傳感器與微控制器電連接。
[0011]相對于現有技術，本實用新型具有以下優點:(1)該裝置操作簡單，訓練效率高；
(2)訓練模式根據需要可調，抓握物體可更換，可以實現不同抓握任務的訓練范式；(3)抓握物體設有傳感器，可精確檢測手勢，并且內部設有多種實驗控制器，以及可編程器件，方便設計特定的實驗范式；(4)運動數據與神經數據實現了自動同步，提高了后續分析的數據精度；(5)運動信息、神經電生理信號、視頻監控信號都可以通過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練與記錄裝置結構示意圖。
[0013]圖2為轉盤主體結構圖。
[0014]圖3為抓握物體結構圖。
[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]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0019]實施例1
[0020]如圖1所示，本實用新型的非人靈長類動物自動化抓握訓練與記錄裝置包括:轉盤主體1、微控制器2、給水控制系統3、腦電信號記錄儀4和PC機5，轉盤主體1與微控制器2和PC機5相連，微控制器2置于轉盤主體1內部，與轉盤主體1、給水控制系統3、腦電信號記錄儀4和PC機5相連接，給水控制系統3置于實驗動物上方，與微控制器2相連，腦電信號記錄儀4通過光纖連接到PC機5，同時與微處理器2相連，PC機5分別連接轉盤主體1、微控制器2和腦電信號記錄儀4。
[0021]如圖2所示，轉盤主體1為一有機玻璃制封閉式箱體，在內置照明燈10亮起前處于黑暗環境中，載物轉盤11置于其中，可在驅動電機13的驅動下沿中軸水平轉動，照明燈10與驅動電機13由微控制器2進行控制。載物轉盤11上有6個垂直平面，用以安裝抓握物體16，轉盤主體1的前置面板9上開有孔洞，與抓握物體16處于相同高度。載物轉盤11內部中空，裝有導電滑環12，可以在轉盤內部放置控制器件或傳感器件，線路可經由導電滑環12連接至轉盤主體外部。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計，通過對微控制器編程快速實現，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，監控數據直接傳輸給PC機5進行保存。本實用新型提供的轉盤主體1，可以使箱體內部處于黑暗狀態，可經由對照明燈的控制決定實驗對象觀察抓握物體的時機，并且轉盤內部留有足夠的空間，并可以通過導電滑環實現對載物轉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。
[0022]如圖3所示，抓握物體16根據實驗手勢要求定制，其中設有多個觸摸傳感器18，該傳感器為電容式觸摸傳感器，可隔物進行觸發，當傳感器被觸發時輸出低電平，反之輸出高電平，抓握物體16內部的傳感器與微控制器2電連接，傳感器根據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的觸發狀況，可以確定抓握動作是否正確。本裝置首次實現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置在物體內部，動物抓握區域沒有導線等易損物體，適用于動物實驗。
[0023]給水控制系統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10 口相連，輸出回路連接電磁閥與8v電源。當電磁繼電器8的輸入端接收到微控制器2的低電平輸出時，電磁繼