CN113268385B - 基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统及方法
技术领域
本发明涉及人机交互领域，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。
背景技术
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，本发明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。
发明内容
本发明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，本发明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。
本发明的又一实施例，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；所述四条白色边界线的位置由给定的目标力和容许误差确定的表示本次双指按压力控制需要达到的目标区间；
S105、根据视觉输出模块在屏幕上的目标区间视觉提示，使用多指同时施加按压力的大小控制；检测到指尖压力产生的模拟信号，经过放大后传送至信号集成端子，并传递至A/D数据采集卡处理；
S106、读取指尖按压力变化的数字信号，在屏幕中分别呈现表示各个手指的实际按压力大小的白色矩形块高度实时变化；
S107、使用待测手指的指尖按压对应的压电式力传感器，随着所述指尖的按压力增减，反馈输出在屏幕中呈现的白色矩形块的高度同步变化；
S108、稳定地维持所述多指的实际按压力在目标范围之内；
S109、控制位于左右手腕的振动电机的振动幅度，左手腕振动对应左侧手指的动作提示，左手腕振动对应右侧手指的动作提示；
S1010、受试者根据左右手腕分别感受到的振动强弱提示，使用配对的多指同步实施对应的按压力增减控制输入反应。
进一步地，控制位于左右手腕的振动电机的振动幅度，左手腕振动对应左侧手指的动作提示，左手腕振动对应右侧手指的动作提示，包括：
每个振动电机的振幅将被激发一次持续指定时长的强振或弱振；所述强振，表示手指在维持当前按压力幅值的基础上再迅速增加压力，所述弱振表示手指在维持当前按压力幅值的基础上迅速释放压力；
从左右手腕振动电机的振动幅度组合的四种模式中随机选取一种作为给受试者的触觉提示；所述四种振幅组合模式分别为：左强右强模式，即左右两侧手指按压力均增大的0°相位差；左强右弱模式，即左侧手指按压力增大，右侧手指按压力减小的180°相位差；左弱右强模式，即左侧手指按压力减小，右侧手指按压力增大的180°相位差；左弱右弱模式，即左右两侧手指按压力均减小的0°相位差。
进一步地，稳定地维持所述多指的实际按压力在目标范围之内，包括：
检测实际按压力维持指定精度要求的时长，当按压力稳定的时长达到设定的阈值时，视觉提示单元在屏幕上呈现的目标区域边界线消失；
若某个手指的按压力稳定时长未达到设定的阈值之前，偏出超出目标范围，按压力稳定的时长归零；所述多指需自行协同校正两个手指的实际按压力大小，直至反馈输出单元在屏幕中呈现的两个白色矩形块的上棱边均重回并稳定于目标区域内，直至按压力稳定的时长达到设定的阈值，视觉提示和反馈输出均消失。
本发明的又一实施例，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：
S201、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；
S202、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；
S203、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；
S204、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；所述四条白色边界线的位置由给定的目标力和容许误差确定的表示本次双指按压力控制需要达到的目标区间；
S205、根据视觉输出模块在屏幕上的目标区间视觉提示，使用多指同时施加按压力的大小控制；检测到指尖压力产生的模拟信号，经过放大后传送至信号集成端子，并传递至A/D数据采集卡处理；
S206、读取指尖按压力变化的数字信号，在屏幕中分别呈现表示各个手指的实际按压力大小的白色矩形块高度实时变化；
S207、使用待测手指的指尖按压对应的压电式力传感器，随着所述指尖的按压力增减，反馈输出在屏幕中呈现的白色矩形块的高度同步变化；
S208、利用视觉输出模块的视觉提示单元在屏幕中央提供方位对应，大小一致的视觉颜色提示；根据颜色块的提示，使用配对的多指尽同步地力实施对应的按压力增减控制输入反应；
S208、分别记录和存储配对双指的各个手指反应时间；每个手指的反应时间定义为从颜色块的出现开始，直至递减或递减的实际按压力大小到达预设的上限值或下限值的过程耗时为该手指按压力控制的反应时间。
进一步地，利用视觉输出模块的视觉提示单元在屏幕中央提供方位对应，大小一致的视觉颜色提示，包括：
左边的颜色块提示左侧手指的动作提示，右边的颜色块提示右侧手指的动作提示；
每个颜色块呈现亮红色或暗红色；亮红色表示手指在维持当前按压力幅值的基础上再迅速增加压力，暗红色表示手指在维持当前按压力幅值的基础上迅速释放压力；
根据所述颜色块的提示，使用多指同步实施对应的按压力增减控制输入反应。
本发明所带来的有益效果如下：
从上述方案可以看出，本发明实施例中，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。
附图说明
图1表示本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统主要结构示意图；
图2表示本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统结构示意图；
图3表示本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统的按压力采集模块结构示意图；
图4、表示本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量方法流程图；
图5、表示本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量又一方法流程图；
图6、表示本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量方法中基于目标按压力幅值的增大压力的反应时间测量方法示意图；
图7、表示本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量方法中基于目标按压力幅值的减小压力的反应时间测量方法示意图。
其中，附图标记如下：
标号 含义
1 上位机中枢控制系统
2 视觉输出模块
3 按压力采集输入模块
4 下位机振动提示模块
5 手指按压力测试任务模块
6 按压力输入偏差控制模块
7 视觉提示单元
8 反馈输出单元
9 集成按压力测试器件的壳体基座
10 压电式力传感器
11 模拟信号放大器
12 信号集成端子
13 A/D数据采集卡
14 控制电机转速的单片机
15 电机驱动模块
16 左右手腕的振动电机
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明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，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。
如图1所示，图1为本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统主要结构示意图。
图1中，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。
其中，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。
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。
如图2所示，图2为本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统结构示意图。
图2中，一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统，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。
其中，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。
利用视觉提示单元7给用户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；利用反馈输出单元8给用户呈现在一次测试中各个手指的实时按压力的大小变化。用户参照屏幕反馈的实时按压力大小将实际按压力又快有准地调控至视觉提示单元7所呈现的精确要求范围之内，并维持按压力的稳定直至视觉提示消失，本次测试结束。
具体地，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。
如图3所示，本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量系统的按压力采集模块结构示意图。
图3中，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。
对于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。
本发明的又一实施例中，如图4所示，图4为本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量方法流程图。
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。
本发明实施例中，在上位机中枢控制系统中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。以各个手指完成给定的离散按压力控制任务的反应时间及其差值为测量指标。每个手指的按压力控制任务的精度设定均依据Fitts定律的难度定义，给出预设的目标按压力幅值A及韦伯分数。各指的按压力控制精度要求以给定的按压力大小为幅值目标，以给定的容许误差为手指实际按压力控制稳定性要求。
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。
本发明实施例中，当测试开始前，受试者将待测量的配对两指自然伸屈地放置在集成按压力测试器件的壳体基座，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；所述四条白色边界线的位置由给定的目标力和容许误差确定的表示本次双指按压力控制需要达到的目标区间。
本发明实施例中，上位机中枢控制系统的手指按压力测试任务模块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。这四条白色边界线的位置由给定的目标力和容许误差确定的表示本次双指按压力控制需要达到的目标区间。同时在屏幕正下方呈现两个白色方块分别表示两个手指按压力的白色矩形块的初始高度。
S105、根据视觉输出模块在屏幕上的目标区间视觉提示，使用多指同时施加按压力的大小控制；检测到指尖压力产生的模拟信号，经过放大后传送至信号集成端子，并传递至A/D数据采集卡处理。
本发明实施例的一个实施方式中，受试者采用两指进行操作，根据视觉输出模块在屏幕上的目标区间视觉提示，使用配对的两指尽可能同时施加按压力的大小控制。按压力信号采集输入模块的压电式力传感器检测到指尖压力产生的模拟信号，该信号经过模拟信号放大器放大后传送至信号集成端子最后传递至A/D数据采集卡进行处理。
S106、读取指尖按压力变化的数字信号，在屏幕中分别呈现表示各个手指的实际按压力大小的白色矩形块高度实时变化。
本发明实施例中，上位机中枢控制系统的按压力输入偏差控制模块从A/D数据采集卡读取指尖按压力变化的数字信号，并通过视觉输出模块的反馈输出单元在屏幕中分别呈现表示各个手指的实际按压力大小的白色矩形块高度实时变化。
S107、使用待测手指的指尖按压对应的压电式力传感器，随着所述指尖的按压力增减，反馈输出在屏幕中呈现的白色矩形块的高度同步变化。
本发明实施例中，受试者使用待测的多个手指的指尖按压对应的压电式力传感器。随着多个指尖的按压力增减，反馈输出在屏幕中呈现的白色矩形块的高度同步变化。受试者通过分别控制多个手指的按压力大小使白色矩形块的上棱边均尽快地进入四条边界线界定的目标区域。当指尖按压力均进入力控制精度的目标范围时，对应个白色矩形块的上棱边也将处于各自上下边界线之间的目标区间内。
S108、稳定地维持所述多指的实际按压力在目标范围之内。
本发明实施例中，受试者需稳定地维持两指的实际按压力在目标范围之内。上位机中枢控制系统的按压力输入偏差控制模块检测实际按压力维持指定精度要求的时长。当按压力稳定的时长达到设定的阈值时，视觉输出模块使视觉提示单元在屏幕上呈现的目标区域边界线消失。
本发明实施例的一个实施方式中，若某个手指的按压力稳定时长未达到设定的阈值之前，一偏出超出目标范围，上位机中枢控制系统的手指按压力测试任务模块将使按压力稳定的时长归零。配对双指需自行协同校正两个手指的实际按压力大小，直至反馈输出单元在屏幕中呈现的两个白色矩形块的上棱边均重回并稳定于目标区域内，直至按压力稳定的时长达到设定的阈值，视觉提示和反馈输出均消失。
S109、控制位于左右手腕的振动电机的振动幅度，左手腕振动对应左侧手指的动作提示，左手腕振动对应右侧手指的动作提示。
本发明实施例中，上位机中枢控制系统通过下位机振动提示模块的控制电机转速的单片机和电机驱动模块分别控制位于左右手腕的振动电机的振动幅度。左手腕振动对应左侧手指的动作提示，左手腕振动对应右侧手指的动作提示。一次测试中每个振动电机的振幅将被激发一次持续指定时长的强振或弱振。强振表示手指在维持当前按压力幅值的基础上再迅速增加压力，弱振表示手指在维持当前按压力幅值的基础上迅速释放压力。从左右手腕振动电机的振动幅度组合的四种模式中随机选取一种作为给受试者的触觉提示。四种振幅组合模式分别为：左强右强模式(左右两侧手指按压力均增大的0°相位差)、左强右弱模式(左侧手指按压力增大，右侧手指按压力减小的180°相位差)、左弱右强模式(左侧手指按压力减小，右侧手指按压力增大的180°相位差)和左弱右弱模式(左右两侧手指按压力均减小的0°相位差)。
S1010、受试者根据左右手腕分别感受到的振动强弱提示，使用配对的多指同步实施对应的按压力增减控制输入反应。
本发明实施例中，受试者根据左右手腕分别感受到的振动强弱提示，使用配对的两指尽可能同步地力实施对应的按压力增减控制输入反应。上位机中枢控制系统分别记录和存储配对双指的各个手指反应时间。
本发明实施例的一个实施方式中，一次测试中各个时段的定义如图6所示，图6为本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量方法中基于目标按压力幅值的增大压力的反应时间测量方法示意图。图6中，从振动提示开始，直至递增的实际按压力大小到达预设的上限值的过程耗时为两个手指中按压力继续增大的手指反应时间。
如图7所示，图7为本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量方法中基于目标按压力幅值的减小压力的反应时间测量方法示意图。图7中，从振动提示开始，直至递减的实际按压力大小到达预设的下限值的过程耗时为两个手指中按压力继续减小的手指反应时间。当两个手指的实际按压力均到达上限值或下限值时，本次测试结束。上位机中枢控制系统使屏幕上的视觉反馈输出在原位置恢复，并弹出“请抬手，准备下一次按压”的消息提示框。若振动提示呈现后，某个手指的按压力大小控制在预设的允许反应时长内仍未满足上述压力增或减的幅值要求，则将该允许反应时长作为该手指的反应时间。该手指的响应记录为失败并被强制结束，随即也弹出本试次结束的消息提示框。
本发明的又一实施例中，如图5所示，图5为本发明实施例的一种基于视触觉的多指按压力相位协同能力测量又一方法流程图。
图5中，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：
S201、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；
S202、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；
S203、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；
S204、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；所述四条白色边界线的位置由给定的目标力和容许误差确定的表示本次双指按压力控制需要达到的目标区间；
S205、根据视觉输出模块在屏幕上的目标区间视觉提示，使用多指同时施加按压力的大小控制；检测到指尖压力产生的模拟信号，经过放大后传送至信号集成端子，并传递至A/D数据采集卡处理；
S206、读取指尖按压力变化的数字信号，在屏幕中分别呈现表示各个手指的实际按压力大小的白色矩形块高度实时变化；
S207、使用待测手指的指尖按压对应的压电式力传感器，随着所述指尖的按压力增减，反馈输出在屏幕中呈现的白色矩形块的高度同步变化；
S208、利用视觉输出模块的视觉提示单元在屏幕中央提供方位对应，大小一致的视觉颜色提示；根据颜色块的提示，使用配对的多指尽同步地力实施对应的按压力增减控制输入反应。
本发明实施例中，左边的颜色块提示左侧手指的动作提示，右边的颜色块提示右侧手指的动作提示；
每个颜色块呈现亮红色或暗红色；亮红色表示手指在维持当前按压力幅值的基础上再迅速增加压力，暗红色表示手指在维持当前按压力幅值的基础上迅速释放压力；
根据所述颜色块的提示，使用多指同步实施对应的按压力增减控制输入反应。
S208、分别记录和存储配对双指的各个手指反应时间；每个手指的反应时间定义为从颜色块的出现开始，直至递减或递减的实际按压力大小到达预设的上限值或下限值的过程耗时为该手指按压力控制的反应时间。
本发明实施例中，左边的颜色块提示左侧手指的动作提示，右边的颜色块提示右侧手指的动作提示；
每个颜色块呈现亮红色或暗红色；亮红色表示手指在维持当前按压力幅值的基础上再迅速增加压力，暗红色表示手指在维持当前按压力幅值的基础上迅速释放压力；
根据所述颜色块的提示，使用多指同步实施对应的按压力增减控制输入反应。
本发明实施例的一个实施方式中，基于视触觉提示下多指按压力相位协同控制能力测量方法，其他设置均沿用且保持不变，左右手腕的振动触觉提示替换为利用视觉输出模块的视觉提示单元在屏幕中央提供左右对应，大小一致的视觉颜色提示。其中，左边的颜色块提示左侧手指的动作提示，右边的颜色块提示右侧手指的动作提示。每个颜色块呈现亮红色或暗红色。亮红色表示手指在维持当前按压力幅值的基础上再迅速增加压力，暗红色表示手指在维持当前按压力幅值的基础上迅速释放压力。受试者被要求根据左右两个颜色块的提示，使用配对的两指尽可能同步地力实施对应的按压力增减控制输入反应。上位机中枢控制系统分别记录和存储配对双指的各个手指反应时间。每个手指的反应时间定义为从颜色块的出现开始，直至递减或递减的实际按压力大小到达预设的上限值或下限值的过程耗时为该手指按压力控制的反应时间。
本发明技术方案，能够准确量化配对两指在触觉或视觉提示的两指0°或180°相位差的离散按压力输入任务中各个手指继续增大或减小按压力的反应速度及其动作同步性的人因工程学特性。对比特定的双指在两指按压力相位协同控制的不同模式中以各个手指的反应速度和两指之间的同步性为特征的两指按压力相位协同能力差异。对比在两指按压力相位协同控制的同一模式中以各个手指的反应速度和两指之间的同步性为特征的双指按压力相位协同能力差异。为穿戴式交互产品提供触觉提示与视觉提示的两指按压力相位协同控制输入技术设计方法及这两种方法在各个手指反应速度和两指之间动作同步性的量化差异。
以上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。

Claims (10)

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的上下两条边界线，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；所述四条上下边界线的位置由给定的目标力和容许误差确定的表示本次双指按压力控制需要达到的目标区间；
S105、根据视觉输出模块在屏幕上的目标区间视觉提示，使用多指同时施加按压力的大小控制；检测到指尖压力产生的模拟信号，经过放大后传送至信号集成端子，并传递至A/D数据采集卡处理；
S106、读取指尖按压力变化的数字信号，在屏幕中分别呈现表示各个手指的实际按压力大小的白色矩形块高度实时变化；
S107、使用待测手指的指尖按压对应的压电式力传感器，随着所述指尖的按压力增减，反馈输出在屏幕中呈现的白色矩形块的高度同步变化；
S108、稳定地维持所述多指的实际按压力在目标范围之内；
S109、控制位于左右手腕的振动电机的振动幅度，左手腕振动对应左侧手指的动作提示，右手腕振动对应右侧手指的动作提示；
S1010、受试者根据左右手腕分别感受到的振动强弱提示，使用配对的多指同步实施对应的按压力增减控制输入反应。
7.根据权利要求6所述的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，控制位于左右手腕的振动电机的振动幅度，左手腕振动对应左侧手指的动作提示，右手腕振动对应右侧手指的动作提示，包括：
每个振动电机的振幅将被激发一次持续指定时长的强振或弱振；所述强振，表示手指在维持当前按压力幅值的基础上再迅速增加压力，所述弱振表示手指在维持当前按压力幅值的基础上迅速释放压力；
从左右手腕振动电机的振动幅度组合的四种模式中随机选取一种作为给受试者的触觉提示；所述四种振幅组合模式分别为：左强右强模式，即左右两侧手指按压力均增大的0°相位差；左强右弱模式，即左侧手指按压力增大，右侧手指按压力减小的180°相位差；左弱右强模式，即左侧手指按压力减小，右侧手指按压力增大的180°相位差；左弱右弱模式，即左右两侧手指按压力均减小的0°相位差。
8.根据权利要求6所述的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，稳定地维持所述多指的实际按压力在目标范围之内，包括：
检测实际按压力维持指定精度要求的时长，当按压力稳定的时长达到设定的阈值时，视觉提示单元在屏幕上呈现的目标区域边界线消失；
若某个手指的按压力稳定时长未达到设定的阈值之前，偏出超出目标范围，按压力稳定的时长归零；所述多指需自行协同校正两个手指的实际按压力大小，直至反馈输出单元在屏幕中呈现的两个白色矩形块的上棱边均重回并稳定于目标区域内，直至按压力稳定的时长达到设定的阈值，视觉提示和反馈输出均消失。
9.一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：
S201、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；
S202、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；
S203、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的上下两条边界线，其水平的中线代表这目标按压力A；
S204、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；所述四条上下边界线的位置由给定的目标力和容许误差确定的表示本次双指按压力控制需要达到的目标区间；
S205、根据视觉输出模块在屏幕上的目标区间视觉提示，使用多指同时施加按压力的大小控制；检测到指尖压力产生的模拟信号，经过放大后传送至信号集成端子，并传递至A/D数据采集卡处理；
S206、读取指尖按压力变化的数字信号，在屏幕中分别呈现表示各个手指的实际按压力大小的白色矩形块高度实时变化；
S207、使用待测手指的指尖按压对应的压电式力传感器，随着所述指尖的按压力增减，反馈输出在屏幕中呈现的白色矩形块的高度同步变化；
S208、利用视觉输出模块的视觉提示单元在屏幕中央提供方位对应，大小一致的视觉颜色提示；根据颜色块的提示，使用配对的多指尽同步地力实施对应的按压力增减控制输入反应；
S208、分别记录和存储配对双指的各个手指反应时间；每个手指的反应时间定义为从颜色块的出现开始，直至递减或递减的实际按压力大小到达预设的上限值或下限值的过程耗时为该手指按压力控制的反应时间。
10.根据权利要求9所述的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，利用视觉输出模块的视觉提示单元在屏幕中央提供方位对应，大小一致的视觉颜色提示，包括：
左边的颜色块提示左侧手指的动作提示，右边的颜色块提示右侧手指的动作提示；
每个颜色块呈现亮红色或暗红色；亮红色表示手指在维持当前按压力幅值的基础上再迅速增加压力，暗红色表示手指在维持当前按压力幅值的基础上迅速释放压力；
根据所述颜色块的提示，使用多指同步实施对应的按压力增减控制输入反应。
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