[发明专利]一种面向动物机器人控制训练的三臂迷宫装置及训练方法

说明书

技术领域

本发明涉及动物训练装置以及装置的训练方法，具体涉及一种可简化动物行为模式的动物机器人训练装置，以及基于该训练装置的人工训练和自动训练方法。

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。

以大鼠机器人为例，通过在大鼠大脑的奖赏中心（如内侧前脑束MFB）植入微电极，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，可以给予大鼠奖赏刺激，使老鼠感到兴奋。而给大鼠机器人左、右刺激提示的方法主要有灯亮刺激、声音刺激、震动刺激和电刺激，其中左、右电刺激提示有表皮电刺激和脑部电刺激（在体感皮层桶状区BF植入微电极）两种方式，震动刺激方式是在大鼠的身体背部左、右各固定一个与皮肤接触的微型震动器。

要想顺利地控制动物机器人（如用于导航任务）需要事先进行行为训练，训练的目地是使动物学会按照所给的刺激指令来做出相应的行为：“向左”刺激提示，则往左行进，“向右”刺激提示，则往右行进，“向前”刺激，则往前行进。训练的原理是操作性条件反射（operant conditioning）：给予动物向左（向右）刺激提示，若动物出现向左（向右）行进的行为，则给予奖赏电刺激，通过反复的训练之后，动物一旦受到左（右）刺激提示，便会相应的向左（右）行进；若只给予动物奖赏电刺激，动物会因为兴奋感向前行进，通过反复训练之后，动物在受到奖赏电刺激的时候，会朝着当前方向前进。

早在几个世纪前迷宫就被运用于实验中，Y迷宫更是被广泛应用于动物行为实验，在神经生理学、神经药理学等方面具有重要地位。用现有的训练装置进行动物控制训练，动物会出现转身、攀爬等复杂行为，不利用训练；每训练完一次都要将动物机器人重新放至起点位置，不能直接从当前位置开始训练，这大大加大了控制训练的工作量，且不适用于动物机器人的自动训练。

发明内容

本发明提供了一种面向动物机器人控制训练的三臂迷宫装置及训练方法，能够简化动物机器人的控制训练过程，既可以用于人工训练，也可以用于自动训练，可用于基于灯亮提示、声音提示、胡须区电刺激提示、表皮电刺激提示和震动提示的动物机器人的控制训练，省时省力。

一种面向动物机器人控制训练的三臂迷宫装置，包括迷宫和控制主机，所述的迷宫包括：

中心三角形区域以及绕该中心三角形区域互为120度角分布的三条子臂通道，各子臂通道均为单向通道，且各子臂通道的尽头均设有回转区；

中心三角形区域由中心底板和中心顶盖围成；

每个子臂通道由子臂底板、相对分布的两块墙板以及子臂顶盖围成；每个子臂通道的内端口处和外端口处设有红外扫描装置，所述内端口靠近中心三角形区域，所述外端口靠近回转区；

每个子臂通道的内端口与中心三角形区域的连接处设有指示灯和声音刺激发生器；

所述红外扫描装置、指示灯和声音刺激发生器均受控于所述控制主机。

三个子臂通道以120度角均匀分布，使动物机器人每次由子臂内端口进入中心三角形区域时，都有左、右两条目标子臂通道可以选择。

所述的子臂通道为单向通道，通过设置合适的子臂宽度并架设墙板可以避免动物转身，通过加盖顶盖可以避免动物攀爬，动物在通道无法转身和攀爬使得训练过程中的行为模式和数量大幅减少，简化了训练以及图像识别过程，提高了信息反馈的准确率。

所述的回转区是为了便于动物机器人在行进至通道尽头后转身，回转区可以适当宽于子臂通道或在动物回转区的周围不再设置所述墙板，例如用于大鼠机器人的训练时，墙板的长度比子臂底板的长度约短15cm，即在子臂通道的尽头留有15cm长度的区域作为回转区，供大鼠机器人转身。

作为优选，还设有用于承载所述迷宫且能三维移动的三臂载体，以及用于监控动物机器人在迷宫中的行为的跟踪设备，所述跟踪设备接入并受控于所述控制主机。

作为优选，所述子臂顶盖、中心顶盖、墙板、中心底板和子臂底板均为透明材料。

透明材料可以采用有机玻璃，三臂载体使迷宫在三维方向上移动，跟踪设备可以围绕迷宫所有方位进行跟踪拍摄，即从迷宫的底部、侧部以及顶部进行跟踪拍摄。