[发明专利]一种面向导航的大鼠机器人自动训练装置以及大鼠行为识别方法和训练方法

说明书

技术领域

本发明属于动物机器人行为计算和智能控制领域，具体涉及一种可简化大鼠行为模式的大鼠机器人训练装置，以及基于该自动训练装置的大鼠行为识别方法和训练方法。 

背景技术

动物机器人是指利用动物的运动机能、动力供应体制，从动物的感受传入或神经支配入手，实现对动物的运动和某些行为的人为控制。动物机器人在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面较传统机器人具有更明显的优势。已有的动物机器人包括大鼠机器人、飞蛾机器人、鲨鱼机器人、甲虫机器人、海豚机器人、鸽子机器人、蟑螂机器人、壁虎机器人，以及金鱼机器人等。其中大鼠机器人的研究相对成熟，通过在大鼠脑区（如内侧前脑束MFB、体感皮层桶状区BF）植入电极，借助大鼠所背的小型无线电子背包对大鼠脑部发出相应的微电刺激指令，引导大鼠向左走、向右走和向前走，从而实现大鼠机器人在复杂环境下的自由导航。 

大鼠机器人用于导航前需要进行行为训练，训练的目地是使大鼠学会按照所给的电刺激指令来做出相应的行为：“向左”刺激提示，则往左走，“向右”刺激提示，则往右走，“向前”刺激，则往前走。其中左右电刺激施加在大鼠体感皮层桶状区两侧（这个部位的刺激能给大鼠虚拟的左、右提示），奖赏电刺激施加在大鼠中脑腹侧被盖区（VTA）或内侧前脑束或（这个部位的刺激能给大鼠带来兴奋、愉悦感）。训练的原理是操作性条件反射（operant conditioning）：给予大鼠向左（向右）刺激提示，若大鼠出现向左（向右）走的行为，则给予奖赏电刺激，通过反复 的训练之后，大鼠一旦受到左（右）刺激提示，便会相应的向左（右）走；若只给予大鼠奖赏电刺激，大鼠会因为兴奋感向前移动，通过反复训练之后，大鼠在受到奖赏电刺激的时候，会朝着当前方向前进。 

传统大鼠机器人训练方式是人工训练，训练过程要持续1到2周，1天2到3次，1次1个小时左右，训练过程中训练员需要一直观察大鼠的行为和状态，并且根据大鼠的行为给予适当的电刺激。由此可见人工训练存在以下问题：（1）训练员必须有训练大鼠的经验，且在训练过程中对大鼠的状态能够做出较为准确的判断；（2）整个训练过程耗费时间长且单调枯燥，训练员会感到疲劳乏味，在给大鼠电刺激引导的过程中有可能出现错误（3）训练过程中大鼠的行为和生理状态没有被记录，无法对大鼠进行定量的分析，这对大鼠行为学的研究来说是一个很大的损失。 

其次，要实现大鼠机器人导航的自动训练，需要对训练过程中大鼠的行为进行准确的识别。传统采用顶部摄像头或者底部摄像头跟踪的方法，通过在大鼠头部、背部或者腹部、四肢做颜色标记来识别大鼠的行为，这种行为识别的方法虽然简单，但在实际操作中较为繁琐；另外，这种基于视频跟踪的行为识别方法大多根据动物的轮廓或者骨架信息来判断某个时刻的行为，实际上这并不准确，行为是一个过程量，而不是在某个时刻就可以被判断，比如根据当前一帧图像中的轮廓信息计算出大鼠有个向左摆的姿势，但不能说明大鼠此刻想要向左走，大鼠也可能正要向右摆动。 

再者，要实现更为有效的自动训练，需要对训练过程中大鼠的状态有较好的判断，比如大鼠静止不动，则应该加大奖赏电刺激，若大鼠移动速度过快，则应该减少奖赏电刺激或者加大奖赏电刺激的间隔。但传统大鼠机器人的导航控制，并没有考虑大鼠的状态，只是根据导航目标和大鼠的空间分布给予机械的参数固定的刺激。 

大鼠的训练过程中，行为模式比较复杂，尤其是现有的训练装置中，大鼠可以在迷宫的通道内转身，使得对大鼠的移动方向和速度很难进行预判，加大了训练难度和监控的难度。 

在现有技术中，对大鼠的行为模式主要靠人工观察，效率和准确度都不理想，如何利用视频监控自动识别大鼠行为也是尚待解决的问题。 

发明内容

本发明提供了一种可以简化大鼠行为模式，提高了信息反馈准确率的训练装置。 

一种面向导航的大鼠机器人自动训练装置，包括： 

能够三维移动的八臂载体； 

固定在所述八臂载体上的八臂迷宫，且该八臂迷宫包括中心区域以及绕中心区域均匀分布的八条通道，各通道均为单向通道，在各通道的尽头设有大鼠回转区； 

处在所述八臂迷宫的上方的摄像头； 

用于采集摄像头信号的计算机； 

通过老鼠衣固定于大鼠背部的电刺激背包，电刺激背包通过蓝牙方式接收来自所述计算机的指令。