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方法文章

用于在三维工作空间中呈现可抓握物体的装置设计与使用

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DOI：

10.3791/59932

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2019年8月8日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Qiushi Academy for Advanced Studies, Zhejiang University, 2Department of Biomedical Engineering, Zhejiang University, 3Key Laboratory of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University

本文内容

摘要

本文介绍了一种构建自动装置的方案，该装置可引导猴子执行灵活的伸手抓握任务。该装置结合了三维平移装置和旋转台，能够在三维空间中的任意位置呈现多个物体。

摘要

抓取和握持是高度耦合的动作，其背后的神经动力学机制在过去十年中得到了广泛研究。为了区分抓取与握持的神经编码，关键在于呈现不同身份的物体，同时独立于物体的位置。本文介绍了一种自动装置的设计，该装置由一个转台和一个三维（3D）平移装置组装而成，以实现这一目标。转台用于切换对应不同握持类型的物体，而三维平移装置则在三维空间中移动转台。两者均由电机独立驱动，从而可任意组合目标位置与物体类型。同时，分别通过动作捕捉系统和触觉传感器记录手腕运动轨迹和握持类型。此外，本文还描述了猕猴成功训练后使用该系统的代表性实验结果。预计该装置将有助于研究人员深入研究与上肢功能相关的运动学、神经机制以及脑机接口技术。

引言

为了研究非人灵长类动物伸手与抓握运动背后的神经机制，已开发出多种装置。在伸手任务中，分别采用触摸屏1,2、由操纵杆控制的屏幕光标3,4,5,6,7以及虚拟现实技术8,9,10来呈现二维和三维目标。在抓握任务中，为引入不同类型的手握方式，广泛使用了固定于单一位置或绕轴旋转的不同形状物体11,12,13。另一种方法是使用视觉提示，指导受试者以不同握法抓取同一物体14,15,16,17。近年来，伸手与抓握动作被结合在一起进行研究（即在一次实验过程中，受试者需到达多个位置并以不同握法抓取物体）18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29。早期实验中物体由人工呈现，不可避免地导致时间和空间精度较低20,21。为了提高实验精度并节省人力，目前广泛使用由程序控制的自动呈现装置。为了改变目标位置和握法类型，实验者曾同时呈现多个物体，但目标的相对（或绝对）位置与握法类型相互绑定，长期训练后会导致神经放电模式僵化22,27,28。物体通常呈现在二维平面上，限制了伸手运动的多样性及相关的神经活动19,25,26。近年来，虚拟现实24和机械臂23,29已被引入，用于在三维空间中呈现物体。

本文展示了构建和使用一种自动化装置的详细方案30，该装置可在三维空间中实现多种目标位置与抓握类型的任意组合。我们设计了一个用于切换物体的转台，以及一个在三维空间中移动转台的三维平移装置。转台和平移装置均由独立的电机驱动。同时，在整个实验过程中同步记录受试者腕部的三维运动轨迹和神经信号。该装置为研究恒河猴上肢功能提供了一个有价值的平台。

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方案

所有行为学实验和手术操作均遵循《实验动物护理与使用指南》（中国卫生部）的规定，并经中国浙江大学动物护理委员会批准。

1. 组装三维平移装置

  1. 使用铝制构造导轨（横截面：40 mm x 40 mm）搭建一个尺寸为 920 mm x 690 mm x 530 mm 的框架。
  2. 用螺钉（M4）将四个支座固定在 Y 轴导轨的两端（图 1B）。
  3. 将两个 Y 轴导轨平行固定在框架的顶面，通过使用螺钉（M6）将四个支座固定在顶面的四个角上（图 1B）。
  4. 用一根连接轴和两个膜片联轴器连接两个 Y 轴导轨。拧紧联轴器的锁紧螺钉，以同步两个导轨的轴（图 1B）。
  5. 将六个螺母（M4）插入 Z 轴导轨背面的凹槽中。用螺钉将一个直角三角形框架的一侧固定在 Z 轴导轨的背面。
  6. 将三角形框架拉至远离轴的一端并拧紧螺钉。以相同方式将另一个直角三角形框架固定在另一个 Z 轴导轨上（图 1C）。
  7. 用螺钉（M6）将两个三角形框架的另一个直角边分别固定在两个 Y 轴导轨的滑块上（图 1C）。
  8. 用一根连接轴和膜片联轴器连接两个 Z 轴导轨，并拧紧联轴器的锁紧螺钉（图 1C）。
  9. 用螺母和螺钉（M4）将两个 T 形连接板固定在 X 轴导轨的背面。然后将两个 T 形板拉至 X 轴导轨的两端并拧紧螺钉（图 1D）。
  10. 分别用螺钉（M6）将两个 T 形连接板固定在两个 Z 轴导轨的滑块上（图 1D）。
  11. 将步进电机插入减速齿轮箱的轴孔中，并用螺钉将其法兰连接在一起 （图 1E）。
  12. 用螺钉（M4）将连接环固定在主动 X 轴导轨的轴端。
  13. 将 X 轴导轨的轴插入联轴器，并用螺钉（M4）将减速齿轮箱固定在连接环上。  拧紧联轴器的锁紧螺钉（图 1E）。
  14. 采用步骤 1.11–1.12 中所述的方法，将另外两个步进电机和减速齿轮箱分别固定在主动 Y 轴导轨和 Z 轴导轨上。
  15. 将三个步进 电机的电源线和控制线分别插入其 驱动器的电源端口和控制端口，并用螺钉在驱动器侧固定电缆。

2. 组装旋转台

  1. 从以下位置下载 .DWG 设计文件 补充文件 本文所用材料的准备。通过3D打印或机械加工制备物体、心理轴、定位杆、旋转器及外壳。
  2. 将触摸传感器放入物体本体的凹槽中，并使用双面胶带将其粘贴到预定义的触摸区域图2B).
    注意：每个物体由四个子组件构成：背板、内部带凹槽的物体主体、盖板和触摸传感器。
  3. 将导线穿过物体背板的孔洞，并用螺丝将盖板固定在物体本体上（图2B).
  4. 将触觉传感器的导线穿过旋转器侧面的孔洞 用螺丝将物体固定在旋转器上。 (图2C).
  5. 将触控传感器的导线末端焊接到电滑环的旋转导线末端，并用电工胶带包裹接头图2D).
  6. 用螺丝将外壳固定在X轴滑轨的滑块上。将轴承放入盒体的底部孔中，并用螺丝将定位杆固定在外壳的顶面。图2E).
  7. 从侧面将转子放入箱体中，使转子、轴承与箱体的轴线对齐。将电滑环的导线从箱体顶部的孔中穿过。图2F).
  8. 从外壳顶部孔将金属轴插入轴承，并将轴键安装到转子的键槽中图 2G).
  9. 将电滑环安装在金属轴周围。将定位杆的末端插入电滑环的凹槽中，以防止外环旋转（图 2G).
  10. 将步进电机的轴插入金属轴孔中，并用螺丝将电机固定在箱体顶部。图 2H).
  11. 将电机的电源线和控制线插入其驱动器的电源端口和控制端口，并用螺丝固定。
  12. 用胶带将三色LED（RGB）粘贴在机箱正面，并将右侧板固定到机箱上。

3. 控制系统的设置

  1. 将四个电机驱动器的方向和脉冲控制线分别插入数据采集（DAQ）板的数字I/O端口（引脚81、83、85、87）和数字计数器端口（引脚89、91、93、95），并用螺丝固定导线。
  2. 将LED的控制线（绿色用于“开始”提示，蓝色用于“错误”提示，红色表示待机状态）插入DAQ板的数字I/O端口（引脚65和66），并用螺丝固定导线。
  3. 将触觉传感器和开关按钮的输出线插入DAQ板的数字I/O端口（引脚67–77），并用螺丝固定导线。
  4. 将蠕动泵的启停和方向控制线分别插入数字I/O引脚1和80，将流速控制线插入模拟I/O端口AO2，并用螺丝固定导线。
  5. 按照制造商说明设置运动捕捉系统，以记录手部在三维空间中的运动轨迹。
    注：使用了一套商用运动捕捉系统（见材料表），包含八个摄像头、一个电源集线器、一个以太网交换机及配套软件（例如Cortex）。请参考使用手册以获取系统设置的更多细节。
  6. 按照制造商说明设置神经信号采集系统，用于记录受试者的电生理信号。
    注：使用了一套商用数据采集系统（材料表），包含神经信号处理器（NSP）、前端放大器（FEA）、放大器电源（ASP）、头戴式放大器及配套软件（例如Central）。请参考使用手册以获取系统设置的更多细节。

4. 实验环节的准备

  1. 初始化三维平移装置和旋转台。具体操作为：将所有直线滑轨的滑块拉至起始位置（左下角），并将旋转台上的第一个物体（即垂直放置的手柄）转向旋转台的正面方向。
  2. 开启实验设备电源，包括动作捕捉系统、神经信号采集系统、数据采集板（DAQ板）、蠕动泵和四个电机。
  3. 设置实验范式软件（图3A）。
    1. 双击 Paradigm.exe 以打开范式软件（可应要求提供）。
    2. 定义到达目标点的数量及其相对于初始位置（步骤4.2）的三维坐标（x、y、z，单位为毫米）。
    3. 将所有位置的坐标以矩阵形式写入一个 .txt 文本文件中。确保每一行包含一个位置的 x、y、z 坐标，并以空格分隔。保存该文本文件。
    4. 在范式软件的 Pool 面板中点击 Open File，选择之前保存的 .txt 文件，将呈现位置加载到范式软件中。
      注：本研究中根据动物的伸手范围设置了八个目标位置，这些位置位于一个长方体工作空间的顶点上9,10（90 mm × 60 mm × 90 mm）。
    5. 在范式软件的 Object Pool 中勾选实验中需要呈现的对象。
    6. 在范式软件的 Time Parameters 面板中调整实验参数。设置基线时间（Baseline）= 400 ms，电机运行时间（Motor Run）= 2,000 ms，规划时间（Planning）= 1,000 ms，最大反应时间（max Reaction Time）= 500 ms，最大伸手时间（max Reach Time）= 1,000 ms，最小保持时间（min Hold Time）= 500 ms，奖励时间（Reward）= 60 ms，错误提示时间（Error Cue）= 1,000 ms。
  4. 将已在其运动皮层植入微电极阵列的猕猴固定在猴椅上，将其颈圈插入椅槽并固定头部。
  5. 将猴椅固定在铝合金框架上。保持头部距离长方体工作空间前侧面250 mm，眼睛高于工作空间顶面50 mm（水平视觉角度：20°；垂直视觉角度：18°）。
  6. 构建动作捕捉系统的追踪模板。
    1. 使用双面胶将三个反光标记点贴附于手臂末端（靠近腕部），确保三个标记点构成一个不等边三角形。
    2. 点击范式软件中的 Run 按钮以启动任务。
    3. 当猕猴执行任务时，在Cortex软件的 Motion Capture 面板中点击 Record 按钮，记录三个标记点的轨迹60秒。点击 Stop 按钮暂停实验。
    4. 利用所记录的轨迹在Cortex软件中建立三个标记点的追踪模板，并保存该模板。
      注：有关如何构建模型的更多细节，请参阅Cortex软件的使用手册。
  7. 使用导线和夹具将FEA的接地端口（GND）与植入猕猴运动皮层的微电极阵列的接地端连接。然后将前置放大器头级插入微电极阵列的连接器中31。
  8. 打开神经信号采集系统的Central软件，设置记录参数，包括存储路径、工频噪声消除、动作电位滤波、动作电位阈值等。
    注：有关软件设置的更多细节，请参阅神经信号采集系统的使用手册。
  9. 打开同步软件（图3B，可应要求提供）。分别点击Cerebus、Motion Capture和Paradigm面板中的三个 Connect 按钮，将同步软件与神经信号采集系统、动作捕捉系统及范式软件连接。
  10. 点击范式软件的 Run 按钮继续实验。
  11. 在Central软件的 File Storage 面板中点击 Record 按钮，开始记录神经信号。
  12. 检查已保存的追踪模板，并在Cortex软件的 Motion Capture 面板中点击 Record 按钮，开始记录猕猴手腕的运动轨迹。

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结果

该装置的完整工作空间在x轴、y轴和z轴方向上的尺寸分别为600 mm、300 mm和500 mm。三维平移装置的最大负载为25 kg，转台（包括步进电机）重量为15 kg，最大移动速度可达500 mm/s。三维平移装置的运动精度小于0.1 mm，装置运行噪声低于60 dB。

为了验证该系统的有效性，将一只先前已接受过伸手任务训练的猴子训练执行带有该系统的延迟伸手抓握任务30。采用上述流程，范式软件自动逐次呈现行为实验的试验（每轮约500次试验）。具体而言，猴子必须通过按压并持续按住按钮来启动一次试验（图4），并在“开始”提示信号出现前保持该状态。第一步为“电机运行”阶段，三维平移装置将转台运送至一个伪随机选择的位置，同时转台自身也会旋转以呈现一个伪随机选择的物体。该电机运行阶段持续2秒，四个电机（三维平移装置中的三个电机和转台中的一个电机）同时启动和停止。电机运行阶段之后是“规划”阶段（1秒），在此期间猴子规划接下来的动作。一旦绿色LED灯亮起（“开始”提示），猴子应立即释放...

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讨论

本文所述的行为实验装置能够实现逐次试验中不同抓取和伸手动作的组合（即，猴子在每次试验中可在三维空间任意位置抓取不同形状的物体）。该功能通过结合一个可切换不同物体的定制旋转平台和一个将旋转平台运送至三维空间多个位置的线性平移装置来实现。此外，该系统能够记录并同步猴子的神经信号、手腕轨迹以及手部形态，用于神经生理学研究。

该装置包含独立驱动的三维平移装置和旋转台，能够独立呈现多个目标位置和物体。也就是说，所有预定义的位置和物体均可任意组合，这在研究多变量编码时具有重要意义14,25,28。相反，如果被抓取的物体与位置相关联（例如，物体固定在面板上），则很难确定单个神经元是编码物体还是位置18,27,32。此外，该装置...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

感谢沈世江先生在仪器设计方面的建议，以及王桂华女士在动物护理与训练方面的协助。本工作得到中国国家重点研发计划（2017YFC1308501）、国家自然科学基金（31627802）、浙江省公益性项目（2016C33059）以及中央高校基本科研业务费的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
主动X轴导轨CCM Automation technology Inc., 中国W50-25有效行程，600 mm；负载，25 kg
主动Y轴导轨CCM Automation technology Inc., 中国W60-35有效行程，300 mm；负载，35 kg
主动Z轴导轨CCM Automation technology Inc., 中国W50-25有效行程，500 mm；负载，25 kg
轴承Taobao.com6004-2RSH丙烯酸
外壳定制机械加工TT-C丙烯酸
连接环CCM Automation technology Inc., 中国57/60-W50
连接轴CCM Automation technology Inc., 中国D12-700直径，12 mm；长度，700 mm
膜片联轴器CCM Automation technology Inc., 中国CCM 12-12内径，12-12 mm
膜片联轴器CCM Automation technology Inc., 中国CCM 12-14内径，14-12 mm
电滑环Semring Inc., 中国SNH020a-12丙烯酸
定位杆定制机械加工TT-L丙烯酸
动作捕捉系统Motion Analysis Corp. 美国Eagle-2.36
神经信号采集系统Blackrock Microsystems Corp. 美国Cerebus
NI 数据采集设备National Instruments, 美国USB-6341
物体定制机械加工TT-O丙烯酸
被动Y轴导轨CCM Automation technology Inc., 中国W60-35有效行程，300 mm；负载，35 kg
被动Z轴导轨CCM Automation technology Inc., 中国W50-25有效行程，500 mm；负载，25 kg
底座CCM Automation technology Inc., 中国80-W60
蠕动泵Longer Inc., 中国BT100-1L
行星齿轮箱CCM Automation technology Inc., 中国PLF60-5法兰，60×60 mm；减速比，1:5
直角三角形框架CCM Automation technology Inc., 中国290-300
旋转体定制机械加工TT-R丙烯酸
伺服电机Yifeng Inc., 中国60ST-M01930法兰，60×60 mm；扭矩，1.91 N·m；用于Y轴和Z轴导轨
伺服电机Yifeng Inc., 中国60ST-M01330法兰，60×60 mm；扭矩，1.27 N·m；用于X轴导轨
轴定制机械加工TT-S丙烯酸
步进电机Taobao.com86HBS120法兰，86×86 mm；扭矩，1.27 N·m；驱动转台
触觉传感器Taobao.comCM-12X-5V
三色LEDTaobao.comCK017, RGB
T形连接板CCM Automation technology Inc., 中国110-120

参考文献

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