用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置及应用制造方法及图纸

本发明专利技术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，主要包括三维电动滑台、抓握物体组件、按钮开关、数据采集卡、脑电信号记录系统、光学运动捕获系统和PC机。本发明专利技术装置可实现三维空间中任意位置的多手势伸缩抓握动作；可同时记录被试在执行任务过程中的脑电信号、手臂的运动轨迹以及实验状态，并提供了在时间上对齐这三种数据的方法；在训练过程中可以根据被试的学习进度在PC机上实时调整训练的模式和训练参数，提高训练效率；整个实验过程全部由PC机自动控制，减少人工参与。本发明专利技术能够实现多种抓握手势与任意空间位置的任意组合，实现实验的全自动控制，并同时记录脑电信号、手臂运动轨迹和实验状态三种数据。

【技术实现步骤摘要】
用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置及应用
本专利技术属于生物工程领域，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术所述的装置，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。本专利技术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；PC机的通讯总控装置控制电机将抓握物体移动到指定位置；PC机的通讯总控装置接收按钮开关被按下的消息，并开始一次实验的方法；PC机的通讯总控装置点亮LED灯，提示开始抓握的方法；PC机的通讯总控装置接收隔物触摸传感器信息，判定实验状态并将实验状态写入脑电信号记录系统的方法；PC机的统计单元接收逻辑控制单元的信息并统计实验次数、成功次数、实验时间数据的方法。相对于现有技术，本专利技术具有以下优点：(1)该实验装置可以实现三维空间中任意位置的多手势伸缩抓握动作；(2)该实验装置可以同时记录被试在执行任务过程中的脑电信号、手臂的运动轨迹以及实验状态，并提供了在时间上对齐这三种数据的方法。(3)训练过程中可以根据被试的学习进度在PC机上实时调整训练的模式和训练参数，提高训练效率。(4)整个实验过程全部由PC机自动控制，减少人工参与。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术三维电动滑台1的结构示意图。图3为本专利技术转盘的结构示意图。图4为本专利技术把手形抓握物体的结构示意图。图5为本专利技术孔形抓握物体的结构示意图。图6为本专利技术柄形抓握物体的结构示意图。图7为本专利技术按钮开关的结构示意图和电路图。图8为本专利技术通讯总控装置的结构示意图。图9为神经数据、运动轨迹数据和运动状态信息的时间对齐原理图。图10为本专利技术的一种实施方式的操作流程图。具体实施方式本专利技术结合附图和实施例做进一步的说明。实施例1参见图1，本专利技术的一种用于引导三维空间中多手势伸抓运动的实验装置，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10，由五条滑轨10组成三维电动滑台1的主体结构，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10-1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。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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置，其特征在于：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(10)，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(10‑1)的滑块(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。

【技术特征摘要】
1.一种用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置，其特征在于：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(10)，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(10-1)的滑块(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。2.根据权利要求1所述的一种用于三维空间中多手势伸抓运动的实验训练装置，其特征在于：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)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(...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊君，郝耀耀，孙光昊，张韶岷，王洋，杜尚，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33