基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统及方法，所述测量系统，包括：一个上位机中枢控制系统、一个视觉输出模块、一个按压力采集输入模块和一个下位机振动提示模块。本发明专利技术技术方案，能够解决现有技术中穿戴式交互产品提供触觉提示的双指按压力相位协同控制输入技术及多指配对的按压力相位协同控制能力差异测量系统的问题，并解决在多指不同的相位差模式中配对多指的按压力协同控制能力差异测量，以及在视觉提示与触觉提示下多指按压力相位协同控制能力的差异测量的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统及方法
本专利技术涉及人机交互领域，特别涉及一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统及方法。
技术介绍
在人机交互的多按键输入任务中，精准的多指控制输入能力是不可或缺的技能。键盘敲击、鼠标点击、吉他或钢琴演奏等多指操作，在日常生活中无处不在。在这些多指交互任务中，用户往往需要采用不同手指的配对来完成功能各异的组合键快速按压输入。随着穿戴式人机交互应用的蓬勃发展，在穿戴式交互设备的尺寸日益小型化，按键数量和空间布局受限的条件下，如何增加多指按压输入的指令类别是一个开放的人机交互设计问题。对此，近年来基于多指按压力控制的人机交互方法和系统成为力触觉人机交互技术发展的一个新方向。相对于按键时间单向累加的连续变化，利用按键的按压力度大小的连续变化量，并设计不同的触发阈值，这将能为输入指令类别数量较多的人机交互任务提供新的触控输入技术方案。尽管现有的一些技术方案也采用了多指按压力同步输入模式，但未考虑不同多指组合下按压力控制的相位协同能力差异。对于显示界面受限的穿戴式人机交互应用产品以及盲人用户，需提供非视觉提示功能及相应的支撑设备。对于同一型穿戴式双指按压力协同输入的设备，将视觉提示改为相应的触觉提用户的感知输入时间会延迟多少是评估改进后产品输入效率的关键性能指标和设计依据。因此，本专利技术专利致力于开发基于振动触觉提示的双指按压力相位协同控制能力测量设备。为进一步提高多指按压力控制的人机交互输入效率，需在多指按压力输入的交互设计中根据不同两指组合的协同能力进行定量地个性化设置。对此，首先需要测量双手不同两指的全部组合在按压力协同控制能力差异。在单个按键中手指按压力控制的一个独特优势是可连续无间断地增大或减小的双向可控。因而配对的两个手指的按压力协同控制模式中存在以0°相位差的同增同减，以及180°相位差的一增一减模式。基于双指按压力同步输入的人机交互设计中0°或180°相位差往往均被采用以丰富多指按压力输入的指令类别数量。因此，需要量化在两指不同的相位差模式中配对双指的按压力协同控制能力，揭示配对双指的按压力相位协同控制的行为特性数据库，并提供双指按压力相位协同控制能力在视觉提示与触觉提示下的差异测量，为多模式的力触觉人机接口融合的设计与应用开发提供人因工程依据。因此，如何提供一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统及方法，为穿戴式交互产品提供触觉提示的双指按压力相位协同控制输入技术及多指配对的按压力相位协同控制能力差异测量系统，在多指不同的相位差模式中配对多指的按压力协同控制能力差异测量，以及在视觉提示与触觉提示下多指按压力相位协同控制能力的差异测量，已经成为一个亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统及方法，能够解决现有技术中穿戴式交互产品提供触觉提示的双指按压力相位协同控制输入技术及多指配对的按压力相位协同控制能力差异测量系统的问题，以及在多指不同的相位差模式中配对多指的按压力协同控制能力差异测量，及在视觉提示与触觉提示下多指按压力相位协同控制能力的差异测量的问题。为解决上述技术问题，本专利技术的一个实施例提供一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统，包括：一个上位机中枢控制系统1、一个视觉输出模块2、一个按压力采集输入模块3和一个下位机振动提示模块4。上位机中枢控制系统1用于向视觉输出模块2发送指定的各个手指按压力允许误差范围的控制精度视觉提示。视觉输出模块2用于输出视觉信息提示及反馈，提供用户在按压力采集输入模块3上施加的指尖按压的力控制输入。按压力采集输入模块3用于将手指按压力的模拟电压信号进行模数转换，转换为以牛顿为单位的数字信号后传送至上位机中枢控制系统1。下位机振动提示模块4，用于触发用户左右手腕部的振动电机，产生触觉提示。其中，上位机中枢控制系统1将采集到的手指按压力的数字信号映射为视觉图像的高度，与视觉输出模块2的目标参数进行对比判断，并依据判断结果对视觉输出模块2的视觉信息提示及反馈进行实时调控和反馈；按压力采集输入模块3采集的多个手指按压力到达预设条件后述上位机中枢控制系统1向下位机振动提示模块4发出指令，触发左右手腕部的振动电机，产生触觉提示；用户根据左右手腕的振动触觉提示，使用相应的多指按压力相位协同控制模式在按压力采集输入模块3上施加指尖按压的力控制输入；上位机中枢控制系统1检测到多指按压力大小均到达阈限值时，通过视觉输出模块2的视觉反馈，提示用户本次测试结束，并存储各个手指按压力控制的反应时间。进一步地，上位机中枢控制系统1，包括：一个手指按压力测试任务模块5和一个按压力输入偏差控制模块6。手指按压力测试任务模块5用于根据指定的多指按压力协同控制能力测试任务控制视觉输出模块2的视觉提示形式；按压力输入偏差控制模块6用于读取按压力采集输入模块3获取的按压力大小信号，判断所采集到的实际按压力输入的大小；各个手指的实际按压力在不同的大小范围内时，按压力输入偏差控制模块6向视觉输出模块2发送不同的视觉提示和反馈指令。进一步地，视觉输出模块2包括：一个视觉提示单元7和一个反馈输出单元8。视觉提示单元7用于呈现在一次测试中指定的目标按压力幅值和容许误差的力控制精度范围，指引用户使用任务手指进行按压力输入交互的目标；反馈输出单元8用于呈现在一次测试中各个手指的实时按压力的大小变化。进一步地，按压力信号采集输入模块3包括：一个集成按压力测试器件的壳体基座9、一个压电式力传感器10、一个模拟信号放大器11、一个信号集成端子12和一个A/D数据采集卡13。单手或双手支撑在集成按压力测试器件的壳体基座9上，待测的多指在压电式力传感器10上施加指尖的按压力输入；压电式力传感器10的输出电压信号变化，经由模拟信号放大器11放大，输送至信号集成端子12；通过A/D数据采集卡13将模拟电压信号转换为数字信号，按照设定的采样频率进行采集和缓存。进一步地，下位机振动提示模块4，包括：一个控制电机转速的单片机14，一个电机驱动模块1和一个左右手腕的振动电机16。上位机中枢控制系统1检测到多指的按压力已满足预设的按压力控制精度范围和稳定时长要求时，视觉输出模块2的视觉提示和反馈消失；在控制电机转速的单片机14上采用PWM方法通过所述电机驱动模块15实现对左右手腕的振动电机16，以振动触觉形式给用户提示需要执行的多指按压力相位协同控制模式。本专利技术的又一实施例，提供一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量方法，包括：S101、设定多指按压力协同控制能力差异的测试总次数，测量指标和精度要求；S102、将待测量的多指自然伸屈地放置在集成按压力测试器件的壳体基座上，各个指尖找好对应力传感器的位置但脱离接触，其他手指则舒适地支撑在集成按压力测试器件的壳体基座的力传感器周边；S103、测试系统首先进行初始化；根据目标按压力幅值A及韦伯分数计算生成对应的允许误差范围W，调用显本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统，其特征在于，所述测量系统，包括：一个上位机中枢控制系统(1)、一个视觉输出模块(2)、一个按压力采集输入模块(3)和一个下位机振动提示模块(4)；/n所述上位机中枢控制系统(1)，用于向所述视觉输出模块(2)发送指定的各个手指按压力允许误差范围的控制精度视觉提示；/n所述视觉输出模块(2)，用于输出视觉信息提示及反馈，提供用户在所述按压力采集输入模块(3)上施加的指尖按压的力控制输入；/n所述按压力采集输入模块(3)，用于将手指按压力的模拟电压信号进行模数转换，转换为以牛顿为单位的数字信号后传送至上位机中枢控制系统(1)；/n所述下位机振动提示模块(4)，用于触发用户左右手腕部的振动电机，产生触觉提示；/n所述上位机中枢控制系统(1)将采集到的手指按压力的数字信号映射为视觉图像的高度，与所述视觉输出模块(2)的目标参数进行对比判断，并依据判断结果对所述视觉输出模块(2)的视觉信息提示及反馈进行实时调控和反馈；/n所述按压力采集输入模块(3)采集的多个手指按压力到达预设条件后，所述上位机中枢控制系统(1)向所述下位机振动提示模块(4)发出指令，触发左右手腕部的振动电机，产生触觉提示；用户根据左右手腕的振动触觉提示，使用相应的多指按压力相位协同控制模式在所述按压力采集输入模块(3)上施加指尖按压的力控制输入；所述上位机中枢控制系统(1)检测到多指按压力大小均到达阈限值时，通过所述视觉输出模块(2)的视觉反馈，提示用户本次测试结束，并存储各个手指按压力控制的反应时间。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统，其特征在于，所述测量系统，包括：一个上位机中枢控制系统(1)、一个视觉输出模块(2)、一个按压力采集输入模块(3)和一个下位机振动提示模块(4)；
所述上位机中枢控制系统(1)，用于向所述视觉输出模块(2)发送指定的各个手指按压力允许误差范围的控制精度视觉提示；
所述视觉输出模块(2)，用于输出视觉信息提示及反馈，提供用户在所述按压力采集输入模块(3)上施加的指尖按压的力控制输入；
所述按压力采集输入模块(3)，用于将手指按压力的模拟电压信号进行模数转换，转换为以牛顿为单位的数字信号后传送至上位机中枢控制系统(1)；
所述下位机振动提示模块(4)，用于触发用户左右手腕部的振动电机，产生触觉提示；
所述上位机中枢控制系统(1)将采集到的手指按压力的数字信号映射为视觉图像的高度，与所述视觉输出模块(2)的目标参数进行对比判断，并依据判断结果对所述视觉输出模块(2)的视觉信息提示及反馈进行实时调控和反馈；
所述按压力采集输入模块(3)采集的多个手指按压力到达预设条件后，所述上位机中枢控制系统(1)向所述下位机振动提示模块(4)发出指令，触发左右手腕部的振动电机，产生触觉提示；用户根据左右手腕的振动触觉提示，使用相应的多指按压力相位协同控制模式在所述按压力采集输入模块(3)上施加指尖按压的力控制输入；所述上位机中枢控制系统(1)检测到多指按压力大小均到达阈限值时，通过所述视觉输出模块(2)的视觉反馈，提示用户本次测试结束，并存储各个手指按压力控制的反应时间。


2.根据权利要求1所述的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统，其特征在于，所述上位机中枢控制系统(1)，包括：一个手指按压力测试任务模块(5)和一个按压力输入偏差控制模块(6)；
所述手指按压力测试任务模块(5)，用于根据指定的多指按压力协同控制能力测试任务控制所述视觉输出模块(2)的视觉提示形式；
所述按压力输入偏差控制模块(6)，用于读取所述按压力采集输入模块(3)获取的按压力大小信号，判断所采集到的实际按压力输入的大小；各个手指的实际按压力在不同的大小范围内时，所述按压力输入偏差控制模块(6)向所述视觉输出模块(2)发送不同的视觉提示和反馈指令。


3.根据权利要求1所述的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统，其特征在于，所述视觉输出模块(2)包括：一个视觉提示单元(7)和一个反馈输出单元(8)；
所述视觉提示单元(7)，用于呈现在一次测试中指定的目标按压力幅值和容许误差的力控制精度范围，指引用户使用任务手指进行按压力输入交互的目标；
所述反馈输出单元(8)，用于呈现在一次测试中各个手指的实时按压力的大小变化。


4.根据权利要求1所述的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统，其特征在于，所述按压力信号采集输入模块(3)包括：一个集成按压力测试器件的壳体基座(9)、一个压电式力传感器(10)、一个模拟信号放大器(11)、一个信号集成端子(12)和一个A/D数据采集卡(13)；
单手或双手支撑在所述集成按压力测试器件的壳体基座(9)上，待测的多指在所述压电式力传感器(10)上施加指尖的按压力输入；所述压电式力传感器(10)的输出电压信号变化，经由所述模拟信号放大器(11)放大，输送至信号集成端子(12)；通过所述A/D数据采集卡(13)将模拟电压信号转换为数字信号，按照设定的采样频率进行采集和缓存。


5.根据权利要求1所述的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统，其特征在于，所述下位机振动提示模块(4)，包括：一个控制电机转速的单片机(14)，一个电机驱动模块(15)和一个左右手腕的振动电机(16)；
所述上位机中枢控制系统(1)检测到多指的按压力已满足预设的按压力控制精度范围和稳定时长要求时，所述视觉输出模块(2)的视觉提示和反馈消失；在所述控制电机转速的单片机(14)上采用PWM方法通过所述电机驱动模块(15)实现对所述左右手腕的振动电机(16)，以振动触觉形式给用户提示需要执行的多指按压力相位协同控制模式。


6.一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量方法，其特征在于，所述测量方法，包括：
S101、设定多指按压力协同控制能力差异的测试总次数，测量指标和精度要求；
S102、将待测量的多指自然伸屈地放置在集成按压力测试器件的壳体基座上，各个指尖找好对应力传感器的位置但脱离接触，其他手指则舒适地支撑在集成按压力测试器件的壳体基座的力传感器周边；
S103、测试系统首先进行初始化；根据目标按压力幅值A及韦伯分数计算生成对应的允许误差范围W，调用显示器的输出的函数，在显示屏幕上弹出一个满屏的窗口，窗口设置为黑色背景白色图像目标；将所述目标按压力幅值A和对应的允许误差范围W数值大小映射为显示屏幕上距离各个手指按压力为零起点的高度数值，并在屏幕上显示代表W的上下两天边界线，其水平的中线代表这目标按压力A；
S104、激活视觉输出模块的视觉提示单元在屏幕上呈现四条上下边界线；所述四条白色...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭聪，王党校，王鑫，周拓阳，廖镇，
申请(专利权)人：中国船舶工业综合技术经济研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11