CN109947233B - 一种实验仪器操作行为记录系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验仪器操作行为记录系统，包括实验行为记录仪、教学实验仪器、实验被测对象、实验传感器、手部运动捕捉控制器、手部运动感应板和计算机。手部运动感应板含有M行、N列的非接触式手部距离传感器矩阵，用于感应实验者手部的空间位置。实验行为记录仪在实验期间不断地同步记录各个时刻距离传感器矩阵的状态数据和教学实验仪器的操作装置的状态、仪器的工作状态及测试信号数据。计算机上运行着实验行为数据处理软件，含有实验行为数据存储、显示和分析模块。本发明能通过数据，客观地、量化地、完整地记录、重现实验者操作行为，为实验者操作的正确性、熟练性评价，及实验教学效果、实验设计的合理性等方面的研究提供科学依据。

Description

一种实验仪器操作行为记录系统

技术领域

本发明属于实验教学设备领域，具体涉及一种实验教学中实验仪器操作的自动化记录系统。

背景技术

实验操作的训练是培养科学和工程人才方面的重要内容。实验操作中，现代仪器的使用是一项重要技能。仪器操作中尤其需要对操作步骤正确性、仪器使用的熟练性、数据获取的准确性等方面进行练习和评估。然而当前实验教学中，往往只能通过指导教师的观察，凭借主观经验判断学生的仪器操作水平，无法实现客观的量化评估，且一对一的指导占用大量人力和时间，训练质量也难以保障。因此，需要一种技术能够实现对仪器操作行为进行全过程的记录，以便对操作过程进行客观、准确地分析，帮助学员快速熟练掌握正确的仪器使用方法。

在实验中，实验操作者手部的运动过程数据是重要的记录内容。目前手部运动记录方法包括数据手套和机器视觉等。数据手套需要操作者佩戴含有大量传感器的专用手套，因而可能影响操作者的行动，容易对实验仪器操作造成影响。机器视觉的方法对环境光线、物体背景、拍摄角度、数据处理等都有较严格的要求，难以在实际的复杂的实验仪器操作环境下准确捕捉手部动作。因而目前需要更加自然、可靠、简便的非接触式手部动作数据采集技术。此外，还需要了解在实验进程中，操作者手部与实验仪器的交互过程。

为了了解操作者对仪器的使用过程，应该记录以下内容：(1)操作者手部运动过程，(2)仪器按键、旋钮等输入装置的操作序列，(3)仪器内部模式、状态的变化过程，(4)输入、输出信号的变化过程。此外，以上内容应该包含准确的时间信息，以便准确重建仪器使用者操作时序顺序，供分析使用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种实验仪器操作行为记录系统，可解决当前实验教学中对操作过程缺乏客观、量化记录的问题，实现全面、准确、自动化的操作行为记录，作为对实验操作过程进行科学分析的依据，以提高操作水平和实验教学的效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种实验仪器操作行为记录系统，包括实验行为记录仪、教学实验仪器、实验被测对象、实验传感器、手部运动捕捉控制器、手部运动感应板和计算机。教学实验仪器通过传感器接口与实验传感器连接，可以在实验中采集实验被测对象上的信号。教学实验仪器的面板上具有显示装置和操作装置。显示装置用于显示测试信号及仪器工作状态等。实验者可通过手部触发操作装置改变教学实验仪器的工作状态。所述的教学实验仪器可以获得操作装置的状态、仪器的工作状态及测试信号等数据，并传输至实验行为记录仪。

进一步的，实验行为记录仪用于记录操作相关的数据，并与计算机进行通信。实验行为记录仪具有实验仪器数据接口、手部运动数据接口及上位机接口。实验仪器数据接口与教学实验仪器上的仪器数据传输接口连接。手部运动数据接口与手部运动捕捉控制器上的动作数据传输接口连接。上位机接口与计算机连接。

进一步的，手部运动捕捉控制器用于控制手部运动感应板采集手部运动数据并传输至实验行为记录仪上。手部运动捕捉控制器通过感应板接口与手部运动感应板连接。

进一步的，手部运动感应板用于感应实验者手部的空间位置。手部运动感应板为平板型，水平放置在教学实验仪器的操作面板前方。手部运动感应板含有M行、N列的非接触式手部距离传感器矩阵，以确定手部的空间位置。

进一步的，在实验进行期间，实验者通过手部操作教学实验仪器完成实验。某一个时刻操作者手部的空间位置能够被手部运动感应板捕获，其原理如下：手部距离传感器可以感应到实验者手部与手部运动感应板所在平面的垂直距离。若某一个距离传感器在操作者手部正下方,且处于传感器探测范围内，则该传感器-被手部运动捕捉控制器标记为“遮挡”状态，且该传感器-与实验者手部对应遮挡部位的距离由手部运动捕捉控制器记录；若某一个距离传感器不在操作者手部下方，或操作者手部与传感器的距离超出探测范围，则该传感器-被手部运动捕捉控制器标记为“未遮挡”状态。手部运动捕捉控制器可在很短时间内记录整个手部距离传感器矩阵中所有传感器的状态，根据所有“遮挡”状态的传感器在矩阵中的位置及其记录的手部距离，可以构建操作者手部整体的空间位置。手部运动捕捉控制器可将当前时刻距离传感器矩阵中所有传感器的状态数据传输到实验行为记录仪。

在实验期间，教学实验仪器可以将当前操作装置的状态、仪器的工作状态及测试信号数据实时发送到实验行为记录仪。操作装置的状态数据包括当前时刻各按钮按下/抬起状态、旋钮角度等各种手动输入装置的即时状态。仪器工作状态数据包括当前时刻的工作模式，参数设定、显示画面内容等。测试信号数据包括信号通道、波形等。

实验行为记录仪在实验期间不断地同步记录各个时刻距离传感器矩阵的状态数据和教学实验仪器的操作装置的状态、仪器的工作状态及测试信号数据。这些数据既可存储在实验行为记录仪内部，也可以传输至计算机。计算机上运行着实验行为数据处理软件，含有实验行为数据存储、显示和分析模块，能够构建实验者手部动作过程、教学实验仪器的操作装置的状态、仪器的工作状态及测试信号的变化过程，重现实验者的实验仪器操作行为，并以数据为依据进行实验操作行为分析。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明能够通过传感器和教学实验仪器的数据，客观地、量化地、完整地记录、重现实验者操作行为，减少了对实验行为分析和评价的主观因素，为操作者实验操作的正确性、熟练性，以及实验教学效果、实验仪器人机交互设计的合理性、实验设计的合理性等方面的研究提供科学依据。

(2)本发明采用了非接触式的传感器矩阵用于连续捕捉操作者手部位置，与传统的数据手套等接触式捕捉方法相比，最大限度降低了对实验者的仪器操作和实验过程的干扰，可以捕捉到更加自然的实验行为。与通过机器视觉方法捕捉动作对比，数据处理方法简单高效，且不会受到环境光线、摄像机角度、周围物体图像干扰等因素的影响。

附图说明

图1是本发明的系统构成与连接图。

图2是本发明的手部运动感应板传感器矩阵示意图。

图3是本发明的手部运动感应板传感器矩阵遮挡状态示意图。

图4是本发明的手部运动感应板传感器测距原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

需要说明的是下述实施例是叙述性的，而非限定性的，本发明所涵盖的内容并不限于下述实施例。

实验仪器操作行为记录系统由实验行为记录仪10、教学实验仪器4、实验被测对象1、实验传感器2、手部运动捕捉控制器14、手部运动感应板17、计算机11组成如图1。

教学实验仪器4通过传感器接口3与实验传感器2连接，可以在实验中采集实验被测对象1上的信号。教学实验仪器4的面板上具有显示装置5和操作装置6。显示装置5用于显示测试信号及仪器工作状态等。实验者可通过手部16触发操作装置6改变教学实验仪器4的工作状态。所述的教学实验仪器4可以获得操作装置6的状态、仪器的工作状态及测试信号等数据，并传输至实验行为记录仪10如图1。

本实施例中，教学实验仪器4是一台多通道数字示波器，被测实验对象1为信号处理实验电路，实验传感器2为2个示波器信号探头，传感器接口3为示波器探头插口。实验内容为测试信号处理实验电路的输入/输出信号。教学实验仪器4面板上的显示装置5为示波器的彩色液晶显示屏，操作装置6为示波器面板上的操作按键和旋钮。该示波器还具有一个RS-232串口，作为仪器数据传输接口7。

实验行为记录仪10用于记录操作相关的数据，并与计算机11进行通信。实验行为记录仪10具有实验仪器数据接口8、手部运动数据接口9及上位机接口12。实验仪器数据接口8与教学实验仪器4上的仪器数据传输接口7连接。手部运动数据接口9与手部运动捕捉控制器14上的动作数据传输接口13连接。上位机接口12与计算机11连接。

本实施例中，实验行为记录仪10采用以单片机为核心的嵌入式处理器系统，具备CPU、内存、通信接口等模块，可运行专用的控制程序并完成数据采集和传送。实验行为记录仪10的实验仪器数据接口8和手部运动数据接口9采用RS-232串行接口。教学实验仪器4上的仪器数据传输接口7采用RS-232串行接口。手部运动捕捉控制器14上的动作数据传输接口13也采用RS-232串行接口。因此，通过RS-232通信电缆，可实现实验行为记录仪10与教学实验仪器4之间、实验行为记录仪10与手部运动捕捉控制器14之间的通讯。本例中实验行为记录仪10的上位机接口12采用100Mbps的标准以太网接口，可以与计算机11上的以太网接口连接进行通信。

所述的手部运动捕捉控制器14用于控制手部运动感应板17采集手部运动数据并传输至实验行为记录仪10上。手部运动捕捉控制器14通过感应板接口15与手部运动感应板17连接。

本实施例中的手部运动捕捉控制器14采用以单片机为核心的嵌入式处理器系统，具备CPU、内存、定时器、通用输入、输出、通信接口等模块，可运行专用的程序，控制手部运动感应板17完成手部位置数据的采集。手部运动捕捉控制器14上的动作数据传输接口13采用RS-232串行接口。

手部运动感应板17用于感应实验者手部16的空间位置。手部运动感应板17为平板型，水平放置在教学实验仪器4的操作面板前方。手部运动感应板17含有M行、N列的非接触式手部距离传感器18矩阵，以确定手部16的空间位置。

本实施例中，非接触式手部距离传感器18采用超声波测距传感器，采用一体化的超声波发送、接收设计(如图4)。每个传感器具有一个开关量输入，用于触发超声波发射；每个传感器具有一个开关量输出，用于反馈超声波接收时间。在传感器探测前，开关量输入设置为低电平，开关量输出置为高阻态。当传感器的开关量输入被手部运动捕捉控制器14设置为高电平信号时，传感器发射一串超声波脉冲19，同时将开关量输出置为高电平。若传感器18-2探测范围内有手部遮挡，则超声波脉冲发生反射，并被传感器探测到，传感器将开关量输出置为低电平。若传感器18-1探测范围内没有手部遮挡，则传感器不能探测到超声波脉冲，开关量输出始终保持为高电平。因此，开关量输出信号高电平的时间表示超声波在空气中的飞行时间，根据此时间及空气中的声速可计算出手部与传感器的之间距离。若在足够长的时间内开关量输出仍然为高，表明探测距离内没有感应到手部遮挡。超声波探测结束后，开关量输入设置为低电平，开关量输出置恢复为高阻态。

本实施例中，手部运动感应板17上的距离传感器矩阵中，第n列(n＝1，2，…，N)传感器的开关量输出连接在一起，形成传感器矩阵的N个开关量输出信号。距离传感器矩阵中第m行(m＝1，2，…，M)传感器的开关量输入连接在一起，形成传感器矩阵的M个开关量输入信号。手部运动捕捉控制器14采用N个通用输入管脚与传感器矩阵的N个开关量输出信号连接，M个通用输出管脚与传感器矩阵的M个开关量输入信号连接。手部运动捕捉控制器14采用行扫描方式读取传感器矩阵的输出信号，扫描顺序为1，2，…，M行。当扫描第m行(m＝1，2，…，M)时，将第m行对应的通用输出管脚置为高电平，其余行对应的通用输出管脚置为低电平。根据传感器的工作原理，此时除第m行外的各行传感器开关量输出均为高阻态，只有第m行的传感器可以输出为高/低电平的信号，即此时手部运动捕捉控制器14的第n个(m＝1，2，…，N)通用输入管脚反映了第m行、第n列传感器的开关量输出状态。通过手部运动捕捉控制器14内部的定时器测定N个通用输入管脚各自的高电平时间，即可获得第m行的N个距离传感器的测量结果，并通过计算转换为有/无手部遮挡及手部与传感器的距离数据。当M行传感器按顺序完成测量后，即可获知当前整个传感器矩阵各传感器的测量结果。

在实验进行期间，实验者通过手部16操作教学实验仪器4完成实验。某一个时刻操作者手部的空间位置能够被手部运动感应板17捕获如图2，其原理如下：手部距离传感器18可以感应到实验者手部与手部运动感应板17所在平面的垂直距离。若某一个距离传感器在操作者手部正下方，且处于传感器探测范围内，则该传感器18-2被手部运动捕捉控制器14标记为“遮挡”状态，且该传感器18-2与实验者手部对应遮挡部位的距离由手部运动捕捉控制器14记录；若某一个距离传感器不在操作者手部下方，或操作者手部与传感器的距离超出探测范围，则该传感器18-1被手部运动捕捉控制器14标记为“未遮挡”状态(如图3)。手部运动捕捉控制器14可在很短时间内记录整个手部距离传感器18矩阵中所有传感器的状态，根据所有“遮挡”状态的传感器在矩阵中的位置及其记录的手部距离，可以构建操作者手部整体的空间位置。手部运动捕捉控制器14可将当前时刻距离传感器18矩阵中所有传感器的状态数据传输到实验行为记录仪10。

本实施例中，以手部运动感应板17为基准，建立实验者手部操作空间坐标。X轴方向与传感器矩阵的各行平行，实验者右手方向为正；Y轴方向与传感器矩阵的各列平行，远离教学实验仪器4的方向为正；X-Y平面与手部运动感应板17重合，原点位于感应板中央。Z轴与X-Y平面垂直，向上方向为正。假设传感器矩阵中各传感器的水平和垂直间距均为d，且第m行n列的传感器被标记为“遮挡”状态，且实验者手部遮挡部位与该传感器距离为h，则该遮挡部位坐标为(md，nd，h)。若该传感器的状态为“未遮挡”，则将距离h设定为-1，以标记该传感器为“未遮挡”。因此，根据某一时刻传感器矩阵所有传感器获取的距离数据，可以获得实验者手部各遮挡部位的空间坐标，从而构建出完整的手部位置信息。手部运动捕捉控制器14将上述数据存储在M×N个存储单元内，并发送到实验行为记录仪10上。

在实验期间，教学实验仪器4可以将当前操作装置6的状态、仪器的工作状态及测试信号数据实时发送到实验行为记录仪10。本实施例中，数字示波器操作装置的状态数据包括当前时刻示波器各按钮按下/抬起状态、旋钮角度(水平/垂直位置调节旋钮、刻度调节旋钮)等各种手动输入装置的即时状态。仪器工作状态数据包括当前时刻的工作模式波形扫描方式、信号耦合方式、触发方式等，参数设定(采样时基、滤波参数等)、显示画面内容等。测试信号数据包括信号的通道号和信号波形数据。

实验行为记录仪10在实验期间不断地同步记录各个时刻距离传感器18矩阵的状态数据和教学实验仪器4的操作装置6的状态、仪器的工作状态及测试信号数据。这些数据既可存储在实验行为记录仪10内部，也可以传输至计算机11。计算机11可对上述数据进行储存、显示和分析，构建实验者手部动作过程、教学实验仪器4的操作装置6的状态、仪器的工作状态及测试信号的变化过程，重现实验者的实验仪器操作行为，并以数据为依据进行实验操作行为分析。

本例中，实验行为记录仪10每隔50ms采集一组数据，并按顺序存储在内部存储器。实验结束后，将存储的数据通过以太网上传至计算机11上。计算机11上运行着实验行为数据处理软件，含有实验行为数据存储、显示和分析模块。实验行为数据存储模块，可以将一次完整实验采集的行为数据存储为一个计算机文件。实验行为数据显示模块，可以根据距离传感器18矩阵数据以三维图形的方式显示实验者手部位置，并通过三维动画重现实验者手部运动过程及运动轨迹。显示模块还可显示虚拟的数字示波器，根据教学实验仪器4的数据重现操作装置6的状态变化、仪器的工作状态变化及测试信号的变化，还原整个实验过程及实验者的操作行为。实验行为数据分析模块，可以分析诸如实验者手部在各空间位置驻留的时间包括正常操作空间和非正常操作空间内各自停留时间、手部移动平均速度、手部操作姿态与标准操作姿态的偏差、按键/旋钮的操作间隔、示波器错误/无效/冗余操作次数、示波器在实验需要和实验不需要的工作模式下运行的时间、实验波形与标准波形的偏差、参数设定与标准参数的偏差、实验整体时间和各步骤持续时间等数据。根据上述数据，分析模块可以对每个实验者在实验各个环节内的操作行为的熟练程度及实验完成情况进行量化评价。根据上述数据，既可以有针对性地指导实验者改进实验手法，也可以针对实验者普遍存在的问题改进实验教学方法。分析模块也可以分析、对比同一个实验者在不同时间进行同一实验的数据，得到实验者对该实验熟练度的变化趋势。分析模块还可以分析大量实验者的数据，进行统计，判断实验设置的合理性。例如在本实施例中，可使用2台不同型号的示波器进行实验，根据大量实验者的实验行为统计数据判断哪一台示波器能使实验者更快、更好地完成实验任务，从而确定合适的实验仪器配置。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种实验仪器操作行为记录系统，其特征在于，包括实验行为记录仪(10)、教学实验仪器(4)、实验被测对象(1)、实验传感器(2)、手部运动捕捉控制器(14)、手部运动感应板(17)和计算机(11)，所述教学实验仪器(4)通过传感器接口(3)与所述实验传感器(2)连接，可在实验中采集实验被测对象(1)上的信号；所述实验行为记录仪(10)由实验仪器数据接口(8)、手部运动数据接口(9)和上位机接口(12)组成，所述实验仪器数据接口(8)与教学实验仪器(4)上的仪器数据传输接口(7)连接，所述手部运动数据接口(9)与所述手部运动捕捉控制器(14)上的动作数据传输接口(13)连接；上位机接口(12)与所述计算机(11)连接，手部运动捕捉控制器(14)通过感应板接口(15)与所述手部运动感应板(17)连接，用于感应实验者手部(16)的空间位置，所述手部运动感应板(17)为平板型，水平放置在教学实验仪器(4)的操作面板前方，手部运动感应板(17)含有M行、N列的非接触式手部距离传感器(18)矩阵，以确定手部(16)的空间位置，M、N取正整数，某一个时刻操作者手部的空间位置可被手部运动感应板(17)捕获，具体如下：当手部距离传感器(18)感应到实验者手部与手部运动感应板(17)所在平面的垂直距离，若某一个距离传感器在操作者手部正下方，且处于传感器探测范围内，则该传感器(18-2)被手部运动捕捉控制器(14)标记为“遮挡”状态，且该传感器(18-2)与实验者手部对应遮挡部位的距离由手部运动捕捉控制器(14)记录；若某一个距离传感器不在操作者手部下方，或操作者手部与传感器的距离超出探测范围，则该传感器(18-1)被手部运动捕捉控制器(14)标记为“未遮挡”状态；手部运动捕捉控制器(14)记录整个手部距离传感器(18)矩阵中所有传感器的状态，获得操作者手部整体的空间位置，实验行为记录仪(10)在实验期间同步记录各个时刻距离传感器(18)矩阵的状态数据和教学实验仪器(4)的操作装置(6)的状态、教学实验仪器(4)的工作状态及测试信号数据，以上数据既可存储在实验行为记录仪(10)内部，也可传输至计算机(11)。

2.根据权利要求1所述的实验仪器操作行为记录系统，其特征在于，计算机(11)上运行着实验行为数据处理软件，包括实验行为数据存储、显示和分析模块，通过构建实验者手部动作过程、教学实验仪器(4)的操作装置(6)的状态、仪器的工作状态及测试信号的变化过程，重现实验者操作实验仪器的行为，并以数据为依据进行实验操作行为分析。

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