專利名稱：用于非人靈長類動物行為學(xué)習(xí)的自動化訓(xùn)練裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動物行為訓(xùn)練裝置及方法，尤其涉及用于非人靈長類動物行為學(xué)
習(xí)的訓(xùn)練裝置及方法。
背景技術(shù)：
在一些生理、行為、認知的科研實驗中，通常需要動物完成規(guī)定的行為動作，如伸 抓、推拉、觸摸等。目前，有很多種訓(xùn)練動物行為的方法。常用的訓(xùn)練方法包括有強迫的、誘 導(dǎo)的、剌激的甚至是懲罰的。這些方法應(yīng)用某些強硬的或痛苦的剌激形式來訓(xùn)練動物，這種 訓(xùn)練方法在實際中不是很有效，且通常伴隨著對動物的心理與身體健康不同程度的損害。 在沒有很好控制的情況下，甚至可能使動物慌亂、激發(fā)動物的野性，造成訓(xùn)練的失敗。另外， 這些方法需要人工參與的程度比較大，不能形成自動化的長期穩(wěn)定的訓(xùn)練方法。如果需要 訓(xùn)練的動物較多，所花的人力物力將大大增加。 另外一種動物行為訓(xùn)練方法是基于獎賞機制的，它在動物做對某一特定動作時給 予一定的獎賞。獎賞包括食物的、果汁的、水的甚至是電剌激虛擬的。其中基于食物的、果 汁的和電剌激虛擬的各有其缺點食物獎賞不能長時間進行，且不容易建立自動化的訓(xùn)練 系統(tǒng)；果汁獎賞需要經(jīng)常更換果汁的種類，因為動物容易對某一種果汁產(chǎn)生厭煩感，且經(jīng)常 給予果汁會對動物造成諸如糖尿病等的疾?。浑娯菁さ莫剟罾脤Υ竽X獎賞區(qū)的電剌激來 讓動物獲得虛擬的獎賞，從而訓(xùn)練動物，這種訓(xùn)練方法具體機理目前尚不清楚，且容易使動 物產(chǎn)生成癮心理。而給水獎賞利用動物對水的生理需求，來輔助動物完成行為訓(xùn)練學(xué)習(xí)，既 不會產(chǎn)生負面效應(yīng)，又有利于實現(xiàn)。 因此，需要一套完整的系統(tǒng)來實現(xiàn)這種動物訓(xùn)練方法。該系統(tǒng)不會使動物承受痛 苦和恐懼等負面效應(yīng)，且能長期穩(wěn)定的自動化的訓(xùn)練動物。

發(fā)明內(nèi)容
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行為學(xué)習(xí)的自動化訓(xùn)練 裝置，可實現(xiàn)基于給水獎賞的訓(xùn)練非人靈長類的動物和其它動物的方法。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)手段是該用于非人靈長類動物行為學(xué)習(xí)的 自動化訓(xùn)練裝置主要包括動物座椅、給水控制系統(tǒng)、PC機、攝像機和微控制器；所述PC機設(shè) 有兩個顯示器，其中一個顯示器和所述攝像機分別位于動物座椅的前方；所述給水控制系 統(tǒng)包括儲水瓶、驅(qū)動控制電路和電磁閥，儲水瓶通過導(dǎo)管與電磁閥連接，電磁閥與驅(qū)動控制 電路電連接，驅(qū)動控制電路與微控制器電連接；所述動物座椅上固定有搖桿和水嘴，所述搖 桿的手柄上固定有壓力傳感器，所述壓力傳感器和搖桿的電位器分別與微控制器電連接， 水嘴通過導(dǎo)管與給水控制系統(tǒng)的電磁閥連接；所述PC機與攝像機和微控制器分別電連接。
進一步地，本發(fā)明所述PC機還包括
主控制裝置； 用于選擇動物所要進行的行為訓(xùn)練模式并傳送給所述主控制裝置的模式選擇裝
3置； 用于設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)并傳送給所述主控制裝置的參數(shù)設(shè)置裝置； 由所述主控制裝置控制的在位于動物座椅前方的顯示器上給動物提供動作提示
界面的界面裝置； 用于接收所述微控制器發(fā)送的動物動作狀態(tài)并傳送給主控制裝置的接收數(shù)據(jù)裝 置； 由主控制裝置控制的對動物動作狀態(tài)進行判斷的狀態(tài)判斷裝置； 由主控制裝置控制的用于給所述微控制器發(fā)送給水命令的發(fā)送數(shù)據(jù)裝置； 由主控制裝置控制的用于記錄動物動作狀態(tài)、給水命令的文件記錄裝置。 進一步地，本發(fā)明所述微控制器包括 微處理器； 用于與所述PC機和微處理器雙向通訊的通訊裝置；
用于采集所述搖桿位置狀態(tài)數(shù)據(jù)并傳送給微處理器的數(shù)據(jù)采集裝置；
由微處理器控制的用于向驅(qū)動控制電路輸出控制信號的輸出控制裝置；
由微處理器控制的顯示搖桿位置狀態(tài)的狀態(tài)顯示裝置。 使用本發(fā)明的自動化訓(xùn)練裝置對非人靈長類動物行為學(xué)習(xí)進行訓(xùn)練的方法主要 包括 用于在所述PC機上選擇動物所要進行的行為訓(xùn)練模式的模式選擇步驟；
用于在所述PC機上設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)的參數(shù)設(shè)置步驟； 用于在位于動物座椅前方的顯示器上給動物提供動作提示界面的步驟；
由微控制器采集動物搖桿狀態(tài)數(shù)據(jù)并發(fā)送到所述PC機的數(shù)據(jù)采集發(fā)送步驟；
用于所述PC機接收并判斷搖桿是否有動作發(fā)送且動作是否正確的步驟，該步驟 包括 如果所述PC機判斷搖桿有動作發(fā)生且動作與所述顯示器提示的所要完成的動作 一致，則PC機給所述微控制器發(fā)送給水命令的步驟； 如果所述PC機判斷搖桿沒有動作發(fā)生，或搖桿有動作發(fā)生但與所述顯示器提示
的所要完成的動作不一致，則PC機不向微控制器發(fā)送給水命令并延時的步驟； 用于記錄動物動作狀態(tài)、給水命令的文件記錄步驟。 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(l)該裝置操作簡單，訓(xùn)練效率高；(2)實 現(xiàn)了無痛苦、無負面影響的簡易的動物行為訓(xùn)練方法；(3)能實現(xiàn)自動化式的訓(xùn)練，人力資 源參與較少；(4)訓(xùn)練模式可以根據(jù)訓(xùn)練需要實時修改，以適應(yīng)不同的訓(xùn)練范式；(5)訓(xùn)練 的數(shù)據(jù)，包括視頻都可以通過PC機記錄下來，供后續(xù)的分析。


圖1為本發(fā)明動物訓(xùn)練裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明搖桿和壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明PC機一種實施方式的結(jié)構(gòu)框圖；
圖4為本發(fā)明微控制器一種實施方式的結(jié)構(gòu)框圖；
圖5為本發(fā)明PC機的工作原理 圖6為本發(fā)明給水控制系統(tǒng)的驅(qū)動控制電路原理圖；
圖7為本發(fā)明微控制器的電路原理圖； 圖8為本發(fā)明微控制器與搖桿、壓力傳感器的電路連接原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的動物行為學(xué)習(xí)的訓(xùn)練裝置包括動物座椅1、給水控制系統(tǒng) 2、 PC機3、攝像機4和微控制器5。 動物座椅1可將動物的脖子固定到座椅1的圓孔中，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l可以采用有機玻璃材料制作。在動物座椅l的中間固定有 一搖桿ll，搖桿11的電位器15與微控制器5電連接，該搖桿11用于提供給動物完成二維 平面內(nèi)某一行為動作。在動物座椅1上固定有水嘴12，水嘴12通過導(dǎo)管與給水控制系統(tǒng)的 電磁閥21連接。當動物完成正確動作后，由電磁閥21控制儲水瓶22可由水嘴12對動物 給水進行獎賞。 如圖2所示，搖桿11為一二維搖桿，由手柄13、電位器15和底座16構(gòu)成，搖桿的 手柄13上固定有壓力傳感器14，兩個電位器15安裝在底座16上。搖桿11可在二維平面 上的一個圓環(huán)內(nèi)任意角度和位置搖動。搖桿11搖動時，由兩個電位器15記錄當前搖桿11 所處位置的橫、縱坐標。停止搖動時，搖桿11將復(fù)位到底座16的中心位置。貼附在手柄13 上的壓力傳感器14用于檢測動物是否有抓握桿的動作。 給水控制系統(tǒng)2由一儲水瓶22、電磁閥21和驅(qū)動控制電路23組成。電磁閥21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22與電磁閥21的進 水口通過塑料軟管連接，電磁閥21的出水口與水嘴12通過塑料軟管連接。電磁閥21受控 于驅(qū)動控制電路23，當驅(qū)動控制電路23接收到高電平后，電磁閥21打 開，儲水瓶22中的水 在重力作用下流入水嘴12，供動物飲用。如圖6所示，驅(qū)動控制電路23包括光耦Ul、三極 管Ql及電阻Rl、 R2、 R3。由于微控制器5輸出的邏輯電平功率有限，不能直接驅(qū)動電磁閥 21，需要一個功率驅(qū)動電路去控制電磁閥21。這里使用光耦RG1120，它采用光電隔離方式， 電磁閥21用單獨的浮地電源供電，實現(xiàn)了大功率電路部分與弱點電路部分的電氣隔離，避 免了它們之間的干擾。光耦U1直接接受來自微控制器5的輸出，當輸出一個高電平時，光 耦激發(fā)，三極管導(dǎo)通，進而使電磁閥21導(dǎo)通。 PC機3包括安裝在主機內(nèi)的主控制裝置及兩臺液晶顯示器。其中一臺顯示器31 位于動物座椅前方1米處，用于給動物顯示提示界面。另外一臺顯示器32用于攝像機4的 視頻輸出顯示。主控制裝置用于控制顯示提示界面、接收搖桿數(shù)據(jù)并判斷搖桿狀態(tài)的正確 性，最后向微控制器5輸出給水命令(包括給水時間)。作為本發(fā)明PC機的其中一種實施 方式，如圖3所示，PC機3可由主控制裝置、模式選擇裝置、參數(shù)設(shè)置裝置、接收數(shù)據(jù)裝置、發(fā) 送數(shù)據(jù)裝置、狀態(tài)判斷裝置、文件記錄裝置和界面裝置組成。模式選擇裝置用于選擇動物所 要進行的行為訓(xùn)練模式并將選擇結(jié)果傳送給所述主控制裝置。參數(shù)設(shè)置裝置用于設(shè)置訓(xùn)練 參數(shù)并將所選參數(shù)傳送給所述主控制裝置。設(shè)置的參數(shù)包括PC機與微處理器的通訊端口 、 給水時間和界面提示參數(shù)。接收數(shù)據(jù)裝置用于接收微控制器5發(fā)送的動物動作狀態(tài)并傳送 給主控制裝置。所發(fā)送的動物動作狀態(tài)即為搖桿11在二維平面內(nèi)的橫、縱坐標值。狀態(tài)判 斷裝置用于對動物動作狀態(tài)進行判斷，以確定是否符合提示所要完成的動作。如果符合將調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)裝置將給水命令(包括給水時間)發(fā)送到微控制器5。同時文件記錄裝置記 錄下動物動作狀態(tài)和給水命令。如圖5所示，PC機的工作原理為訓(xùn)練開始時，先選擇訓(xùn)練 模式，并進行參數(shù)設(shè)置，完成后會在顯示器31的屏幕上給出提示界面，提示動物去握桿或 向某個方向搖桿。同時，PC機3接收微控制器5發(fā)送的搖桿狀態(tài)數(shù)據(jù)并判斷當前是否有搖 桿動作，如果有搖桿動作且搖桿動作與屏幕提示的動作一致，PC機3向微控制器5發(fā)出給 水命令；如果沒有動作，或有動作但與提示不符合，PC機延時一段時間后進入下一次訓(xùn)練。 一次訓(xùn)練完成后要把本次訓(xùn)練的數(shù)據(jù)記錄到指定文件中，以備后續(xù)分析。
圖4示出了本發(fā)明微控制器5的其中一種實施方式。微控制器5包括微處理器、通 訊裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、輸出控制裝置和狀態(tài)顯示裝置。通訊裝置用于實現(xiàn)PC機3和微處 理器5之間的雙向通訊。數(shù)據(jù)采集裝置用于采集搖桿ll位置狀態(tài)數(shù)據(jù)(即電位器15的輸 出)并傳送給微處理器，輸出控制裝置用于向驅(qū)動控制電路23輸出是否給水的控制信號。 狀態(tài)顯示裝置實時顯示搖桿11當前的位置狀態(tài)。 圖7所示為本發(fā)明微控制器的電路原理圖，其中微處理器可以由51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C8051F020系列的單片機實現(xiàn)。微處理器有 兩個任務(wù)一是實時采集搖桿11位置狀態(tài)并通過串口發(fā)送到PC機3 ;—是等待從PC機3 發(fā)來的給水命令，并再輸出相應(yīng)的電平到驅(qū)動控制電路。通訊裝置采用串口轉(zhuǎn)USB芯片U2 來實現(xiàn)，可以完成微處理器與PC機3的雙向通訊，本發(fā)明的一個應(yīng)用實例采用CP2102芯片 來實現(xiàn)。微處理器供電裝置由外部電池Jl和電源管理芯片U3構(gòu)成，本發(fā)明的一個實例采 用MAX883芯片，可提供從外部電池到微處理器的3. 3V的穩(wěn)定供電。 如圖8所示，搖桿11的兩個電位器15(R13、 R14)和安裝在搖桿手柄13上的壓力 傳感器14(R15)分別與電阻R9、R10、R12對應(yīng)連接，輸出接口 INPUT1、 INPUT2和INPUT3分 別與微處理器的相應(yīng)端口連接，以將模擬信號傳輸?shù)轿⒖刂破?進行數(shù)據(jù)采集。
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1上，即將動物的脖子 固定到座椅的圓孔中，動物其他身體部分沒有固定。開始訓(xùn)練時，選擇訓(xùn)練模式并設(shè)置相應(yīng) 參數(shù)。首先由置于動物座椅前的顯示器31給出提示界面，動物根據(jù)此提示信號完成相應(yīng)的 搖桿動作。在此過程中，微控制器5實時采集搖桿11的狀態(tài)信號，并通過微控制器5的通 訊裝置發(fā)送到PC機3。 PC機3在接收到搖桿狀態(tài)后判斷當前是否有搖桿動作，如果有搖桿 動作且搖桿動作與屏幕提示的動作一致，PC機3向微控制器5發(fā)出給水命令；如果沒有動 作，或有動作但與提示不符合，PC機延時一段時間后進入下一次訓(xùn)練。微控制器5接收到 給水命令后，向驅(qū)動控制23電路輸出一定時間的高電平，從而使電磁閥導(dǎo)通相同的時間， 完成給水獎賞。同時PC機的文件記錄裝置把訓(xùn)練相關(guān)數(shù)據(jù)記錄到指定文件中，完成一次訓(xùn) 練。整個訓(xùn)練過程由攝像機4監(jiān)控，畫面實時顯示在顯示器32上。攝像機4最好為紅外攝 像頭，以便于動物能在黑暗的環(huán)境下訓(xùn)練。
權(quán)利要求
一種用于非人靈長類動物行為學(xué)習(xí)的自動化訓(xùn)練裝置，其特征在于包括動物座椅(1)、給水控制系統(tǒng)(2)、PC機(3)、攝像機(4)和微控制器(5)；所述PC機(3)設(shè)有兩個顯示器，其中一個顯示器(31)和所述攝像機(4)分別位于動物座椅(1)的前方；所述給水控制系統(tǒng)(2)包括儲水瓶(22)、驅(qū)動控制電路(23)和電磁閥(21)，儲水瓶(22)通過導(dǎo)管與電磁閥(21)連接，電磁閥(21)與驅(qū)動控制電路(23)電連接，驅(qū)動控制電路(23)與微控制器(5)電連接；所述動物座椅上固定有搖桿(11)和水嘴(12)，所述搖桿的手柄(13)上固定有壓力傳感器(14)，所述壓力傳感器和搖桿的電位器(15)分別與微控制器(5)電連接，水嘴(12)通過導(dǎo)管與給水控制系統(tǒng)的電磁閥(21)連接；所述PC機與攝像機(4)和微控制器(5)分別電連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于非人靈長類動物行為學(xué)習(xí)的自動化訓(xùn)練裝置，其特征在于所述PC機還包括主控制裝置；用于選擇動物所要進行的行為訓(xùn)練模式并傳送給所述主控制裝置的模式選擇裝置；用于設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)并傳送給所述主控制裝置的參數(shù)設(shè)置裝置；由所述主控制裝置控制的在位于動物座椅前方的顯示器(31)上給動物提供動作提示界面的界面裝置；用于接收所述微控制器發(fā)送的動物動作狀態(tài)并傳送給主控制裝置的接收數(shù)據(jù)裝置；由主控制裝置控制的對動物動作狀態(tài)進行判斷的狀態(tài)判斷裝置；由主控制裝置控制的用于給所述微控制器發(fā)送給水命令的發(fā)送數(shù)據(jù)裝置；由主控制裝置控制的用于記錄動物動作狀態(tài)、給水命令的文件記錄裝置。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的用于非人靈長類動物行為學(xué)習(xí)的自動化訓(xùn)練裝置，其特征在于所述微控制器包括微處理器；用于與所述PC機和微處理器雙向通訊的通訊裝置；用于采集所述搖桿位置狀態(tài)數(shù)據(jù)并傳送給微處理器的數(shù)據(jù)采集裝置；由微處理器控制的用于向驅(qū)動控制電路輸出控制信號的輸出控制裝置；由微處理器控制的顯示搖桿位置狀態(tài)的狀態(tài)顯示裝置。
4. 一種使用權(quán)利要求l的自動化訓(xùn)練裝置對非人靈長類動物行為學(xué)習(xí)進行訓(xùn)練的方法，其特征是包括用于在所述PC機上選擇動物所要進行的行為訓(xùn)練模式的模式選擇步驟；用于在所述PC機上設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)的參數(shù)設(shè)置步驟；用于在位于動物座椅前方的顯示器(31)上給動物提供動作提示界面的步驟；由微控制器采集動物搖桿狀態(tài)數(shù)據(jù)并發(fā)送到所述PC機的數(shù)據(jù)采集發(fā)送步驟；用于所述PC機接收并判斷搖桿是否有動作發(fā)送且動作是否正確的步驟，該步驟包括如果所述PC機判斷搖桿有動作發(fā)生且動作與所述顯示器(31)提示的所要完成的動作一致，則PC機給所述微控制器發(fā)送給水命令的步驟；如果所述PC機判斷搖桿沒有動作發(fā)生，或搖桿有動作發(fā)生但與所述顯示器(31)提示的所要完成的動作不一致，則PC機不向微控制器發(fā)送給水命令并延時的步驟；用于記錄動物動作狀態(tài)、給水命令的文件記錄步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于非人靈長類動物行為學(xué)習(xí)的自動化訓(xùn)練裝置，其中，PC機設(shè)有兩個顯示器，其中一個顯示器和攝像機分別位于動物座椅的前方；給水控制系統(tǒng)包括儲水瓶、驅(qū)動控制電路和電磁閥，儲水瓶通過導(dǎo)管與電磁閥連接，電磁閥與驅(qū)動控制電路電連接，驅(qū)動控制電路與微控制器電連接；動物座椅上固定有搖桿和水嘴，搖桿的手柄上固定有壓力傳感器，壓力傳感器和搖桿的電位器分別與微控制器電連接，水嘴通過導(dǎo)管與給水控制系統(tǒng)的電磁閥連接；PC機與攝像機和微控制器分別電連接。本發(fā)明可實現(xiàn)一種無痛苦的自動化動物行為訓(xùn)練方法，通過攝像機實時顯示并監(jiān)控動物行為，大大提高訓(xùn)練速度并節(jié)省人力資源的消耗。
文檔編號A01K15/00GK101715739SQ200910155150
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者代建華, 張巧生, 張韶岷, 朱凡, 李斌, 鄭筱祥, 郝耀耀, 陳衛(wèi)東 申請人:浙江大學(xué)