一种非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于非人灵长类动物抓握行为训练的记录装置及方法，主要应用于面向运动功能的脑机接口研究。
【背景技术】
[0002]在面向运动功能的脑机接口研究领域，尤其是植入式脑机接口领域，利用非人灵长类动物来代替和模拟人类进行实验是非常重要的一个步骤。其中对于手的精细抓握运动的研究更是当前脑机接口领域的前沿科学问题，训练动物快速掌握各类规定的抓握动作有着及其重要的意义。目前，常见的抓握训练方式主要是利用不同形状特征的物体，如把手，平板，小环等，利用自然的抓握方式进行抓握。由于在抓握训练中往往需要训练多种抓握模式，因此抓握的物体需要经常更换。此外，在一个实验中判断动物是否可以以正确的姿势进行抓握，以及如何在实验成功时及时给予奖励，这些问题往往都需要消耗大量的人力资源进行调整与观察，且容易出现误操作导致动物训练行为效率低下，效果不佳。在实验过程中还需要同步采集实验动物的神经信号，由于神经电生理信号的发放时间短，频率较高，因此，对运动数据的同步要求也比较高(小于1ms)，需要详细快速地记录整个抓握流程中的各个运动阶段，以上实验操作依靠人工都难以完成。
[0003]因此，需要一套完整的系统来自动化完成抓握物体的更换、抓握手势检测、实验阶段控制、奖励控制、运动与神经信号同步等功能，方便对抓握运动的脑电信号进行抓握解码，构建更加准确的抓握运动模型，更加有效的面向抓握运动功能的脑机接口。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供用于非人灵长类动物抓握实验的自动化训练与记录装置。本装置包括转盘主体、微控制器、给水控制系统、脑电信号记录仪和PC机。
[0005]进一步地，所述转盘箱体为非透明材质有机玻璃制封闭式箱体，内置前置面板、照明灯、载物转盘、导电滑环、驱动电机、LED指示灯、按键、抓握物体、红外摄像头；在内置所述照明灯处于关闭状态时，所述抓握物体处于不可见状态；所述载物转盘为有机玻璃材质六面立方体转盘，内部中空且具有6个垂直平面，各个所述垂直平面上安装一个所述抓握物体，所述载物转盘在驱动电机的驱动下沿中轴线水平运动；所述照明灯和所述驱动电机由所述微控制器进行控制；所述导电滑环装在所述载物转盘内，抓握物体相关连接线通过所述导电滑环与所述微控制器电连接，下方由所述驱动电机驱动旋转，以更换所述抓握物体；在所述前置面板上与所述抓握物体处于相同高度处开有用于抓握的孔洞，其仅在面对实验动物方向开有，在前置面板上装有所述LED指示灯和所述按键；在所述抓握物体上方装有所述红外摄像头，由所述红外摄像头抓拍到的视频监控数据直接传输给所述PC机进行保存。
[0006]进一步地，所述给水控制系统包括储水瓶、电磁阀与水嘴，储水瓶通过水管穿过电磁阀与水嘴相连，通过电磁阀开闭给实验动物供水，电磁阀与微控制器电连接；所述微控制器通过1 口电连接驱动电机装置、LED指示灯、按键、抓握物体、给水控制系统、脑电信号记录仪，通过串口转USB模块连接PC机；所述脑电信号记录仪输入端通过阵列电极连接实验动物脑区运动皮层，输出端放大后的神经信号通过光纤连接所述PC机，事件同步端口与微控制器电连接；所述摄像头置于所述转盘装置上方，可以拍摄整个抓握手势，录像信息通过监控系统传给PC机存储；所述PC机包括主机和显示器，与微控制器、脑电信号记录仪及摄像头分别电连接。
[0007]进一步地，所述脑电信号记录仪输入端通过阵列电极连接实验动物脑区运动皮层，输出端放大后的神经信号通过光纤连接所述PC机；所述脑电信号记录仪的事件标签同步端口与所述微控制器的1 口电连接，所述微控制器在发送与接收所有实验相关数据时，都将对应的事件标签通过1 口传输给所述脑电信号记录仪，脑电信号记录仪将事件标签与神经信号进行同步，之后将数据存储到所述PC机中。
[0008]进一步地，所述微控制器包括微处理器、供电电源单元、数据采集单元、输出控制单元、双向通讯单元、同步事件输出单元、逻辑判断单元。
[0009]进一步地，所述PC机由主控制程序单元、模式选择单元、参数设置单元、数据接收单元、数据发送单元、文件记录单元、人机交互单元组成。
[0010]进一步地，所述抓握物体根据实验手势要求定制，其中不同位置装有触摸传感器，所述触摸传感器18传感器为电容式传感器，可以置于物体内部。当传感器被触发时输出低电平，反之输出高电平，抓握物体内部的传感器与微控制器电连接。
[0011]相对于现有技术，本发明具有以下优点:(1)该装置操作简单，训练效率高；(2)训练模式根据需要可调，抓握物体可更换，可以实现不同抓握任务的训练范式；(3)抓握物体设有传感器，可精确检测手势，并且内部设有多种实验控制器，以及可编程器件，方便设计特定的实验范式；(4)运动数据与神经数据实现了自动同步，提高了后续分析的数据精度；
(5)运动信息、神经电生理信号、视频监控信号都可以通过PC存储，便于后期的分析与整理。
【附图说明】
[0012]图1为非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置结构示意图。
[0013]图2为转盘主体结构图。
[0014]图3为抓握物体结构图。
[0015]图4为微控制器的实施方法示意图。
[0016]图5为PC机的实施方法示意图。
[0017]图6为非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置实施方式实例范式流程图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0019]实施例1
如图1所示，本发明的非人灵长类动物自动化抓握训练与记录装置包括:转盘主体1、微控制器2、给水控制系统3、脑电信号记录仪4和PC机5。
[0020]如图2所示，转盘主体I为一有机玻璃制封闭式箱体，在内置照明灯10亮起前处于黑暗环境中，载物转盘11置于其中，可在驱动电机13的驱动下沿中轴水平转动，照明灯10与驱动电机13由微控制器2进行控制。载物转盘11上有6个垂直平面，用以安装抓握物体16，转盘主体I的前置面板9上开有孔洞，与抓握物体16处于相同高度。载物转盘11内部中空，装有导电滑环12，可以在转盘内部放置控制器件或传感器件，线路可经由导电滑环12连接至转盘主体外部。在前置面板9上还装有LED指示灯14和按键15，分别与微控制器2电连接。LED指示灯14和按键15可用于常见的准备一抓握范式设计，通过对微控制器编程快速实现，LED指示灯14为三色指示灯，可用不同颜色代表不同指示阶段，按键15可以为点动式大型按钮。在抓握物体16上方装有红外摄像头17，用以全程拍摄抓握动作，监控数据直接传输给PC机5进行保存。本发明提供的转盘主体1，可以使箱体内部处于黑暗状态，可经由对照明灯的控制决定实验对象观察抓握物体的时机，并且转盘内部留有足够的空间，并可以通过导电滑环实现对载物转盘及抓握物体的线路进行快速布线，加上集成的按键与LED指示等，可以满足大部分的抓握范式的特异性需求。
[0021]如图3所示，抓握物体16根据实验手势要求定制，其中设有多个触摸传感器18，该传感器为电容式触摸传感器，可隔物进行触发，当传感器被触发时输出低电平，反之输出高电平，抓握物体16内部的传感器与微控制器2电连接，传感器根据抓握手势的不同放置在不同的位置，只有正确的抓握手势才可以触发全部传感器，因此微控制器2通过检测触摸传感器18的触发状况，可以确定抓握动作是否正确。本装置首次实现了对抓握手势的自动化检测，不仅可以检测是否抓握，还可以确定抓握动作是否正确。此外由于抓握传感器设置在物体内部，动物抓握区域没有导线等易损物体，适用于动物实验。
[0022]给水控制系统3由储水瓶6、电磁阀7和电磁继电器8组成。电磁阀7为一两位两通常闭型电磁阀，电磁阀7的进水口通过软管与储水瓶6相连，控制端与电磁继电器8的高压端相连。电磁继电器8为直流型电磁继电器，输入回路与微控制器2的1 口相连，输出回路连接电磁阀与Sv电源。当电磁继电器8的输入端接收到微控制器2的低电平输出时，电磁继电器8的输出回路导通，电磁阀7打开，储水瓶6中的水在重力作用下流出，供实验动物饮用。本模块可