一种用于生物触角感知机制研究的检测装置

摘要

本发明属于生物行为检测技术领域，具体涉及一种用于生物触觉感知机制研究的检测装置，包括诱导切换模块、生物触觉实验自动轮换模块、触角位置对准模块三部分组成；其中：诱导切换模块，通过诱导物的自动轮换与自动伸缩两个部分的配合作用，能够实现不同诱导模式在实验过程中的自主切换；触角位置对准模块主要由图像采集处理装置以及角度调整装置两部分构成，通过图像采集处理装置计算获得生物触角基线位置偏差，并通过角度调整装置实现纠偏，能够确保生物一对触角基线方向与参考线保持一致；生物触觉实验自动轮换模块，实现了实验生物在标准环境内的自动轮换；因此，该装置的实现可用于建立生物触觉机制研究以及提高触觉实验的标准化程度。

说明书

技术领域

本发明属于生物行为检测技术领域，具体涉及一种用于生物触角感知机制研究的检测装置。

背景技术

生物行为检测装置是连接生命科学和信息科学的桥梁，是生物行为发展必不可少的一种高级自动检测与观察装置。近年来，现代的生物行为检测技术正在逐渐趋于成熟，在检测对象、检测方法、监测参数、实验精确性和效率、成本上都有了质的突破，广泛应用与医学，分子生物学、生理学、神经科学等诸多研究领域。

对于生物触角感知的检测，常用方法是人工用试剂接触生物的触角，但是不可避免地，检测过程中存在人为因素，影响实验结果。为提高生物触角感知检测的准确性以及实验研究效率，提出了一种自动化的用于生物触角感知机制研究的检测装置。

在未来的研究中，传感器选择的灵活性和传感器的灵敏度，生物行为检测装置老化，信号检测仪的使用寿命，信号响应的稳定性，检测装置的便捷性等问题仍需要解决。实现生物行为检测的自动化实验装置研发，对发现生态系统中的规律，利用和保护生物资源，使人与环境和谐相处起到非常重要的作用，最终这些都反过来为人类服务。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于生物触角感知机制研究的检测装置，以解决背景技术中所提出的缺陷或问题。

为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种用于生物触角感知机制研究的检测装置，其特征在于，包括诱导切换模块、生物触觉实验自动轮换模块及触角位置对准模块，触觉位置对准模块主要由图像采集模块以及角度调整模块两部分构成，通过视觉图像处理配合直线旋转电机控制，实现对准，通过图像采集处理装置计算获得生物触角基线位置偏差，并通过角度调整装置实现纠偏，能够确保生物一对触角基线方向与参考线保持一致。

其中，所述诱导物自动轮换装置包括第一旋转平台及置于第一旋转平台上的第一转盘，所述第一转盘上均匀开设m个用于放置试剂管的第一圆孔；所述诱导物自动伸缩装置包括齿轮、齿条和电磁吸铁，所述齿轮与齿条啮合连接，所述电磁吸铁与齿条固定连接，所述电磁吸铁由铁心、衔铁和线圈组成，所述衔铁套在试剂管上，所述电磁吸铁与齿条固定连接，所述铁心在线圈通电的情况下产生电磁吸力且与衔铁相吸，所述铁心在线圈断电的情况下磁力消失且与衔铁断开吸附，所述齿轮通过电机带动旋转，所述齿轮通过与齿条啮合带动电磁吸铁，所述电磁吸铁的铁心在线圈通电情况下吸附衔铁带动试剂管伸缩移动。

所述生物触觉实验自动轮换模块采用在标准环境的实验生物自动轮换装置；所述实验生物自动轮换装置包括第二旋转平台及第二转盘，所述第二转盘上均匀开设多个用于放置生物固定装置的第二圆孔，所述生物固定装置用于放置实验生物。

所述触角位置对准模块包括图像采集处理装置以及角度调整装置；所述图像采集处理装置设于昆虫训练标准环境上方，所述图像采集处理装置包括工业相机以及对应的图像采集软件，所述工业相机实现生物（蜜蜂）触角位置的拍照，所述对应的图像采集软件实现对采集图像的处理与分析，计算生物（蜜蜂）两触角中心线与固定装置参考线角度偏差；所述角度调整装置包括一微调装置，所述微调装置包括固定在生物固定装置下方的转接装置及动力装置，所述动力装置包括一直线旋转电机及一旋转调节工件，所述直线旋转电机用于实现轴向直线运动和旋转运动，所述直线旋转电机与所述旋转调节工件固定连接，所述直线旋转电机的输出轴带动旋转调节工件沿直线方向实现与固定转接装置的对接与脱离，所述直线旋转电机的输出轴在所述旋转调节装置与固定转接装置完成对接后开始旋转运动，所述直线旋转电机的输出轴在旋转过程中调整上述计算得出的生物（蜜蜂）两触角中心线与固定装置参考线的角度偏差，将生物（蜜蜂）调整至便于与试剂接触的正确位置，所述转接装置用于连接生物固定装置与动力装置。

进一步的，所述旋转调节工件通过一连接件固定连接在直线旋转电机的输出轴上，所述旋转调节工件上具有一连接凸块。

进一步的，所述生物固定装置上具有用于容纳实验生物的容纳腔，所述容纳腔为一通孔。

优选的，所述转接装置的上端固定连接在容纳腔的下方，所述转接装置的下方具有与连接凸块相匹配的连接槽。

进一步的，所述第一圆孔的个数为m个，所述第二圆孔的个数为n个。

进一步的，所述第一旋转平台和第二旋转平台均设置为电动分度盘旋转台，所述第一转盘上所设的第一圆孔和第二转盘上所设的第二圆孔皆为圆周阵列。

进一步的，一种用于生物触角感知机制研究的检测装置，还包括移动装置，所述移动装置包括用于移动第一旋转平台的一维移动装置和用于移动第二旋转平台的二维移动装置，所述一维移动装置与所述诱导物自动轮换装置的第一旋转平台连接，所述一维移动装置带动第一旋转平台沿Z轴方向移动，所述二维移动装置与实验生物自动轮换装置的第二旋转平台连接，所述二维移动装置带动第二旋转平台沿X轴和Y轴方向移动。

具体的，所述一维移动装置选用立式滚珠丝杆滑台机构，所述二维移动装置为两个卧式滚珠丝杆滑台机构叠加而成。

具体的，所述立式滚珠丝杆滑台机构和两个卧式滚珠丝杆滑台机构均通过电机进行驱动。

进一步的，所述试剂管内设置有液体试剂，所述液体试剂通过导线电性连接信号采集装置的接地端，生物（蜜蜂）电性连接信号采集装置内数据采集卡的某一输入端，当生物（蜜蜂）触角和试剂接触时会产生生物电信号，所述数据采集卡通过所述信号采集装置的某一输入端进行生物电信号采集，并将采集到的生物电信号传递给电脑。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

（1）本发明的一种用于生物触角感知机制研究的检测装置包括诱导切换模块、生物触觉实验自动轮换模块、触角位置对准模块三部分组成；其中：诱导切换模块，通过诱导物的自动轮换与自动伸缩两个部分的配合作用，能够实现不同诱导模式在实验过程中的自主切换；触角位置对准模块主要由图像采集处理装置以及角度调整装置两部分构成，通过图像采集处理装置计算获得生物触角基线位置偏差，并通过角度调整装置实现纠偏，能够确保生物一对触角基线方向与参考线保持一致；同时，生物触觉实验自动轮换模块，实现了实验生物在标准环境内的自动轮换；因此，该装置的实现可用于建立生物触觉机制研究以及提高触觉实验的标准化程度。

（2）本发明的一种用于生物触角感知机制研究的检测装置通过诱导切换模块、生物触觉实验自动轮换模块的设置，实现多个实验生物对同一种试剂进行实验，同时，也能够实现单一实验生物对多种试剂的研究实验，适用性广，适用方便。

（3）本发明实现生物触角接触时的电生理信号采集以及实现接触过程中的行为图像采集，从而来研究分析生物的触觉—行为机制。该发明采用图像采集处理的方法计算判断生物触角的位置，精度更高。在触角感知检测过程中，生物利用自己的触觉器官主动接触试剂，排除人为因素，该生物行为检测装置能够同时采集生物电信号以及记录触觉器官的行为轨迹。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中生物触觉实验自动轮换模块的结构示意图；

图3为本发明中诱导切换模块的结构示意图；

图4为本发明中转接装置与生物固定装置的连接图；

图5为本发明中转接装置的结构示意图；

图6为本发明中旋转调节工件的结构示意图；

图7为本发明中生物（蜜蜂）位置偏差图像示意图。

附图标记说明：100、一维移动装置；200、诱导切换模块；201、第一旋转平台；202、第一转盘；203、试剂管；204、衔铁；205、齿条；206、齿轮；207、电磁吸铁；208、电机；209、固定块；210、滑动丝杆平台；300、生物触觉实验自动轮换模块；301、第二旋转平台；302、第二转盘；303、生物固定装置；304、滚动轴承；305、滑动丝杆平台；400、二维移动装置；410、卧式滚珠丝杆滑台机构；420、卧式滚珠丝杆滑台机构；411、滑块；412、丝杆；413、联轴器；414、电机；415、轴承；416、底座；500、角度调整装置；510、直线旋转电机；520、旋转调节工件；521、连接凸块；530、转接装置；531、连接槽；540、连接件。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种用于生物触角感知机制研究的检测装置，包括诱导切换模块200、一维移动装置100、生物触觉实验自动轮换模块300、二维移动装置400及触角位置对准模块。

其中，所述诱导切换模块200包括诱导物自动轮换装置以及诱导物自动伸缩装置；所述诱导物自动轮换装置包括第一旋转平台201及置于第一旋转平台上的第一转盘202，所述第一转盘202上均匀开设m个用于放置试剂管203的第一圆孔，所述试剂管203的末端套接有衔铁204；所述试剂管203内的液体与信号采集装置的接地端连接，所述诱导物自动伸缩装置包括齿轮206、齿条205和电磁吸铁207，所述齿轮206与齿条205啮合连接，所述电磁吸铁207与齿条205固定连接，所述齿轮206通过电机208带动旋转，所述齿轮206通过齿条205带动电磁吸铁207，所述电磁吸铁包括线圈、铁心和可分离连接在铁心上的衔铁，所述电磁吸铁207的铁心在线圈通电的情况下，铁心吸附衔铁204带动试剂管203伸缩移动；所述电磁吸铁207的铁心在线圈断电的情况下，铁心磁力消失，与衔铁断开吸附；在本发明的实施例中，第一旋转平台201的一侧设置有用于调整第一旋转平台201高度的一维移动装置100，一维移动装置100与第一旋转平台连接，一维移动装置100带动第一旋转平台201沿Z轴方向移动；实现了通过控制一维移动装置100带动整个诱导切换模块200的上下移动，从而实现将第一转盘202上其中一个第一圆孔圆心处于最低处位置与电磁吸铁207的轴心位置处于同一条水平线上；自动化程度高；具体的，所述一维移动装置100选用立式滚珠丝杆滑台机构。

如图3所示为诱导物自动轮换装置，具体地，在本实施例中，第一转盘202与电动分度盘旋转台（第一旋转平台201）通过滑动丝杆平台210同轴心装配，第一转盘202的直径为300mm，高为30mm，在距离第一转盘202圆心132mm处，圆周阵列出m个第一圆孔，这m个第一圆孔的直径为5mm，第一圆孔和第二圆孔的个数可以由实验中所需要试剂管的个数和实验生物的个数决定，在本发明中不作限定。

在本发明进一步的实施例中，第一转盘202的第一圆孔中都插入试剂管203，试剂管203长16mm且直径为4.2mm。试剂管203贯穿第一转盘202，且在试剂管203的末端连接内径8mm，外径12mm的衔铁204。

如图5所示为诱导物自动伸缩装置，具体地，在本实施例中，衔铁212固定在试剂管203的末端，电磁吸铁207与齿条205的端部固定连接，可采用螺栓等方式进行固定连接，且电磁吸铁214的轴心位置与第一转盘202上其中一个第一圆孔圆心处于最低处位置在同一条水平线上。齿轮206通过联轴器与电机208连接，由电机208带动齿轮206旋转。在本实施例中，齿条205装配在固定块209上，固定块209固定于一维移动装置100上。

其中，如图2所示，所述生物触觉实验自动轮换模块300采用在标准环境的实验生物自动轮换装置；所述实验生物自动轮换装置包括第二旋转平台301及第二转盘302，所述第二转盘302上均匀开设n个用于放置生物固定装置303的第二圆孔，所述生物固定装置303用于放置实验生物，本发明中，实验生物可以是蜜蜂等。在本发明的实施例中，生物固定装置303以及第二转盘302都采用ABS塑料材质，为了生物固定装置303能够转动，在第二转盘302的第二圆孔内装配一个滚动轴承304，生物固定装置303与转接装置530固定，转接装置530与滚动轴承304配合。所述第二旋转平台301的下方设置有一用于驱动第二旋转平台301X轴方向及Y轴方向移动的二维移动装置400，二维移动装置400与实验生物自动轮换装置的第二旋转平台301连接，二维移动装置400带动第二旋转平台301沿X轴和Y轴方向移动；通过二维移动装置400的设置，实现了在X轴和Y轴方向对整个实验生物自动轮换装置进行位置调整，从而实现试剂管能够准确对准某一生物固定装置303内所固定的实验生物；二维移动装置400为两个卧式滚珠丝杆滑台机构（410、420）叠加而成。具体地，在本实施例中，两个卧式滚珠丝杆滑台机构（410、420）之间通过滑块411叠加，两个卧式滚珠丝杆滑台机构（410、420）垂直放置。卧式滚珠丝杆滑台机构（410、420）的底座设计为长500mm，宽140mm，导轨间距135mm，导轨长300mm，高10mm。丝杆412与联轴器413、电机414、轴承415同轴心装配，轴承415固定在底座416上。滚动轴承415的型号为 618-8 GB 276-94，内径为8mm，外径为16mm。电机414尺寸为56*76mm。在进一步的实施例中，丝杆412带动滑动丝杆平台303移动，滑动丝杆平台303的台面与电动分度盘旋转台（第二旋转平台301）的台面重合，电动分度盘旋转台（第二旋转平台301）的直径为150mm，第二转盘302上的圆孔直径为10mm，距离第二转盘302中心54mm处圆周阵列10个第二圆孔。

优选的，二维移动装置400在上端的卧式滚珠丝杆滑台机构410的上方设置有一滑动丝杆平台305，滑动丝杆平台305设置为L形结构。在本发明的实施例中，第二转盘302由电动旋转台分度盘（第二旋转平台301）通过滑动丝杆平台305连接且同轴配合，电机通过联轴器与电动旋转台分度盘（第二旋转平台301）连接，当电机启动，电动旋转台分度盘（第二旋转平台301）旋转，带动第二转盘302旋转。

所述触角位置对准模块包括图像采集处理装置以及角度调整装置；所述图像采集处理装置设于昆虫训练标准环境上方，所述图像采集处理装置包括工业相机以及工业相机所对应的图像采集软件，所述工业相机实现生物（蜜蜂）触角位置的拍照，所述图像采集软件实现对采集到的图像进行处理与分析，计算生物（蜜蜂）两触角中心线与固定装置参考线角度偏差；在本实施例中，工业相机为大恒MER-500-7UM相机，所对应的图像采集软件为matlab软件。所述角度调整装置包括一微调装置，所述微调装置包括固定在生物固定装置303下方的转接装置530及动力装置，所述动力装置包括一直线旋转电机510及一旋转调节工件520，所述转接装置530用于连接生物固定装置303与动力装置。 优选的，本发明中采用直线旋转电机510，直线旋转电机510带动旋转调节工件520上下直线运动，从而实现与转接装置530的对接，另外，直线旋转电机带动旋转调节工件520进行旋转运动，从而实现带动转接装置530及固定在转接装置530上方生物固定装置303进行一定角度旋转，实现矫正生物（蜜蜂）头部位置偏差的作用。

如图7所示为生物（蜜蜂）位置偏差图像示意图，具体地，在本实施例中，工业相机对生物（蜜蜂）的触角位置拍照，通过对应的图像采集软件对采集到的图像进行处理与分析，计算出生物（蜜蜂）两触角中心线与固定装置参考线角度位置的偏差

如图4所示为生物固定装置303与转接装置530的连接图，图5所示为转接装置530，生物固定装置303上具有用于容纳实验生物的容纳腔，容纳腔为一通孔。具体的，如图6所示为旋转调节工件520，旋转调节工件520通过一连接件540固定连接在直线旋转电机510的输出轴上，所述旋转调节工件520上具有一连接凸块521。所述转接装置530的上端固定连接在容纳腔的下方，可行的，转接装置530与生物固定装置303可采用一体成型方式、卡扣连接方式、对接方式或螺栓连接方式等进行连接的，所述转接装置530的下方具有与连接凸块521相匹配的连接槽531。该转接装置530上部分设置半圆凹槽，用来和生物固定装置303连接，起到固定作用，下端同样设置连接槽531也设置成半圆形结构，该半圆连接槽531与动力装置上端半圆形结构的连接凸块521对接，便于动力装置带动转接装置530及生物固定装置303旋转且不打滑。而生物固定装置303的上端设计为标准半圆，相机对半圆位置拍照便于确定生物（蜜蜂）微调前的初始位置。

具体地，连接件540与直线旋转电机510的输出轴连接，带动旋转调节工件520旋转上升，当旋转调节工件520上端与转接装置530的下端连接槽531接触时，连接件540与旋转调节工件520同步旋转，从而对实验生物（蜜蜂）位置进行纠偏。当进行实验生物（蜜蜂）轮换时，直线旋转电机510反转，带动旋转调节工件520旋转下降，回到轮换时的安全位置。优选的，本发明中，旋转调节工件520的下端设置为轴状，连接件540可选用联轴器，将旋转调节工件520与直线旋转电机510的输出轴相连接。

在本实施例中，试剂管203内设置有液体试剂，试剂通过导线电性连接一信号采集装置的接地端，生物（蜜蜂）电性连接信号采集装置内数据采集卡的某一输入端，当生物（蜜蜂）触角与试剂接触时产生电信号，所述数据采集卡采集电信号并将采集到的信号传递给电脑。

本发明的具体实施例的工作过程：一种用于生物触角感知机制研究的检测方法，如下所示：

步骤S1、提供生物触角感知机制研究的检测装置；将旋转调节工件520安装在直线旋转电机510上，将生物固定装置303与转接装置530固定。

步骤S2、将生物（蜜蜂）固定在生物固定装置303上，用导线将生物（蜜蜂）与信号采集装置内的信号采集卡的某一输入端连接，遮住生物（蜜蜂）的视觉器官，将试剂管203放置在第一转盘202的第一圆孔中，末端固定有衔铁204。

步骤S3、试剂管203内存储的液体试剂通过导线连接数据采集装置的接地端，提供接地信号；生物（蜜蜂）电性连接信号采集装置内数据采集卡的某一输入端，当生物（蜜蜂）触角与试剂接触时会产生电信号，接触生物电信号主要由信号采集装置的数据采集卡采集，数据采集卡将采集的生物电信号传递给电脑。

步骤S4、启动二维移动装置的两电机，利用滑台丝杆平台305，使得二维移动装置的两卧式滚珠丝杆滑台机构带动第二旋转平台301运动到指定位置。

步骤S4具体如下：

步骤S401、第二旋转平台301旋转，带动第二转盘302旋转，将生物固定装置303转到其中一生物固定装置303与第一转盘202最下端的试剂管204处于同一直线上；

步骤S402、工业相机对生物（蜜蜂）位置进行拍照，利用软件计算出生物（蜜蜂）两触角中心线与固定装置参考线角度偏差为角；

步骤S403、直线旋转电机510启动旋转一定角度后直线旋转电机510的输出轴向上运行，从而旋转调节工件520对接转接装置530，动力装置通过转接装置530带动生物固定装置303反向旋转

步骤S5、启动一维移动装置的电机，立式滚珠丝杆带动第一旋转平台201移动到指定位置。

步骤S5具体如下：

步骤S501、第一旋转平台201转动，带动第一转盘202转动，将其中一个试剂管203转动到第一转盘202最低点位置；

步骤S502、电磁吸铁207通电，诱导物自动伸缩装置的电机启动，带动齿轮206转动，齿轮206传动给齿条205，推动电磁吸铁207向前移动，电磁吸铁207与衔铁204吸合，从而，通过诱导物自动伸缩装置的电机旋转将衔铁204及试剂管203推出，推至与生物（蜜蜂）触角距离D（D数值很小）的位置，电机停止，生物（蜜蜂）利用其自身触角的空间搜索特性随机在空间范围内运动，当生物（蜜蜂）与试剂管203第一次接触时，数据采集卡记录与采集生物（蜜蜂）触角接触电信号并传递给电脑，同时工业相机拍摄记录触角的运动行为轨迹；

步骤S503、信号采集完毕后，诱导物自动伸缩装置的电机反转，将试剂管203缩回，电磁吸铁207的线圈断电，衔铁与电磁吸铁的铁心分开，齿条退回至安全位置，电机停止。

步骤S6、重复上述步骤，启动诱导物自动轮换装置的电机带动第一转盘202旋转，将m个试剂管203依次与生物（蜜蜂）触角接触实验，完成同一只生物（蜜蜂）触角对不同试剂的感知机制的研究。

步骤S7、重复上述步骤，启动实验生物自动轮换装置的电机带动第二转盘302旋转，将n个生物（蜜蜂）依次与同一个试剂管203接触进行实验，完成不同生物（蜜蜂）的触角对同一试剂的感知机制的研究。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。