[发明专利]用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置及应用

说明书

技术领域

本发明属于生物工程领域，涉及一种用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置，可用于引导灵长类动物执行的同时记录动物的脑电信号、手臂运动轨迹以及实验状态三种数据。

技术背景

人和非人灵长类动物上肢的伸缩和抓握运动基本的运动功能，也是运动神经科学研究的热点课题之一。科学家通常需要记录被试(灵长类动物)以不同的手势抓握不同位置的物体时大脑运动皮层的神经信号、抓握的位置和抓握的手势信息，进而分析神经信号与上肢运动之间的对应关系。

目前常用的实验手段是在被试面前固定数个不同形状的抓握物体，每个抓握对应不同的抓握手势，用LED灯提示被试需要抓握的把手。这种方法限定了位置和手势之间的关系，无法实现位置和手势之间任意组合。在实验过程中需要实验员人工观察并记录抓握的位置、抓握的手势、开始抓握的时间、实验结果等实验状态的信息，不仅会消耗大量的人力资源，也极容易出现判断失误。另外运动数据的记录通常是离散的位置坐标和手势编号，无法获得手臂运动轨迹的连续运动数据。

因此需要一套完整实验和数据记录平台，实现抓握位置和抓握手势之间的自由组合，自动化实验和判定，同时记录包括神经数据、实验状态和连续运动轨迹在内的多种实验数据，并实现多种类型数据在时间尺度上的对齐。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置，是一种针对灵长类动物进行三维空间中多手势伸抓运动的实验平台和数据记录装置。

本发明所述的装置，主要包括三维电动滑台1、抓握物体组件2、按钮开关3、数据采集卡4、脑电信号记录系统5、光学运动捕获系统6和PC机7，所述三维电动滑台1为电机14驱动的XYZ三轴滑轨，对应XYZ三轴滑轨10上设有滑块16，抓握物体组件2包括LED灯27、多种抓握物体18及内置隔物触摸传感器31，抓握物体组件2通过螺栓固定在三维电动滑台1中X轴滑轨对应的X轴滑块16-1上，按钮开关3固定在三维电动滑台1的支架8上，数据采集卡4与电机14、按钮开关3、LED灯27、隔物触摸传感器31电连接，并与PC机7通过USB接口电连接，脑电信号记录系统5一端连接被试头部的电极阵列，另一端通过以太网接入PC机7，光学运动捕获系统6通过以太网与PC机7连接，PC机7上有通讯总控装置。

由五条滑轨10组成三维电动滑台1的主体结构，三维电动滑台1包括支架8、底座9、滑轨10、连接轴11、连接板12、三角架13、电机14、减速机15、滑块16。滑轨10包含一根X轴滑轨10-1，两根Y轴滑轨：右Y轴滑轨10-2、左Y轴滑轨10-3和两根Z轴滑轨：右Z轴滑轨10-4、左Z轴滑轨10-5。滑块16包含一个X轴滑块16-1，两个Y轴滑块：右Y轴滑块16-2和左Y轴滑块16-3，两个Z轴滑块：右Z轴滑块16-4和左Z轴滑块16-5。右Y轴滑轨10-2和左Y轴滑轨10-3分别通过底座9固定在支架8上，右Z轴滑轨10-4和左Z轴滑轨10-5通过三脚架13分别固定在右Y轴滑块16-2和左Y轴滑块16-3上，X轴滑轨10-1两端通过连接板12分别固定在右Z轴滑块16-4和左Z轴滑块16-5上。X轴滑轨10-1、右Y轴滑轨10-2和右Z轴滑轨10-4是主动滑轨，其端部依次机械连接减速机15和电机14，左Y轴滑轨10-3和左Z轴滑轨10-5为从动滑轨，主动滑轨和从动滑轨之间通过连接轴11相连。

所述PC机7的通讯总控装置包括：

用于设置实验参数的参数设置单元；

用于接收数据采集卡的端口信息并向数据采集卡发送端口控制命令的通信单元；

用于向脑电信号记录系统发送数字标签的数据写入单元；

用于控制实验流程、判断实验状态并将实验状态发送至数据写入单元的逻辑控制单元；

用于统计实验次数、成功次数、实验时间数据的统计单元；

用于控制光学运动捕获系统开始和停止记录运动数据并将记录状态发送至数据写入单元的运动记录单元。

本发明的另一个目的是提供所述的实验训练装置在脑电信号完整实验和数据记录中的应用，尤其在引导灵长类动物进行三维空间中多手势、多位置伸抓运动并记录被试脑电信号、手臂运动轨迹和实验状态三种数据中的应用，具体通过以下步骤实现：

在PC机的参数设置单元上设置实验参数的方法；

在脑电信号记录系统上开始记录脑电信号的方法；

PC机的通讯控制系统控制光学运动捕获系统开始记录手臂运动轨迹，并将“开始记录”标签发送至脑电信号记录系统的方法；