基于多維力傳感器的手寫信息采集系統(tǒng)設(shè)計*

孫增武， 吳仲城， 羅健飛， 林秋詩， 任亭亭

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 合肥物質(zhì)研究院，安徽 合肥230031；2.中國科學(xué)院 強磁場科學(xué)中心，安徽 合肥230031)

基于多維力傳感器的手寫信息采集系統(tǒng)設(shè)計*

孫增武1,2， 吳仲城2， 羅健飛2， 林秋詩1,2， 任亭亭1,2

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 合肥物質(zhì)研究院，安徽 合肥230031；2.中國科學(xué)院 強磁場科學(xué)中心，安徽 合肥230031)

針對傳統(tǒng)手寫信息采集系統(tǒng)存在的信息獲取不全面的弊端，設(shè)計了一種基于多維力傳感器的手寫信息采集系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體框架。系統(tǒng)以多維力傳感器為核心，不僅實現(xiàn)了對手寫過程靜態(tài)軌跡信息的獲取，同時實現(xiàn)了對手寫多維力信息的獲取。整個系統(tǒng)由用戶接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，分析了各模塊的設(shè)計思想和工作原理，并基于WinCE系統(tǒng)開發(fā)了一種手寫信息采集系統(tǒng)。實驗證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，實現(xiàn)了對手寫過程中力和位置信息的全面獲取。

多維力傳感器； 手寫； 信息采集； WinCE

0 引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對手寫的研究不再局限于紙筆測驗和肉眼的觀察，數(shù)字手寫板的誕生，可以即時跟蹤和記錄手寫的運動，客觀而精確地反映手寫運動的動力特點[1,2]。數(shù)字手寫板所具有的即時性、敏感性和精確性的特點使其作為研究工具得到了廣泛的運用，被用于正常手寫的運動控制機制和各種精細運動障礙潛在病理的研究[3]。

目前常用的手寫輸入設(shè)備有很多，如日本的Wacom公司、美國的Interlink公司以及中國的漢王公司等產(chǎn)品。然而現(xiàn)有的筆交互設(shè)備絕大部分都存在對手寫過程信息獲取不完整的問題,這些設(shè)備在獲取筆跡等靜態(tài)軌跡信息的同時僅能獲得單維的筆尖壓力信息，不能完成對手寫運動過程全信息的獲取，影響了手寫運動分析的準確性[4,5]。

本文研制了一種可以實現(xiàn)對手寫過程全力信息進行獲取的手寫信息采集系統(tǒng)——F-Pad 2，包括多維力傳感器、嵌入式實時操作系統(tǒng)以及嵌入式微處理器等，能夠?qū)κ謱戇^程中筆尖與平臺接觸的全力信息的獲取，不僅能夠得到書寫的筆跡，筆順，筆畫，字型等靜態(tài)信息，還同時得到手寫的力矢量信息、書寫速度、加速度等動態(tài)信息[6～10]。

1 手寫信息采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

手寫信息采集系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，分為總體設(shè)計和相應(yīng)的單元功能模塊設(shè)計。手寫信息采集系統(tǒng)主要由用戶接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，圖1所示為手寫信息采集系統(tǒng)總體架構(gòu)。數(shù)據(jù)采集模塊主要任務(wù)是實時采集多維力傳感器輸出的手寫三維力信息。數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對手寫過程中力信息的采集處理。用戶接口模塊是手寫信息采集系統(tǒng)的主要模塊，與數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊直接聯(lián)系，具體可分為數(shù)據(jù)保存模塊、用戶手寫模塊和狀態(tài)顯示模塊三個子模塊。

圖1 手寫信息采集系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig 1 Overall architecture diagram of handwriting information acquisition system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 多維力傳感器模塊設(shè)計

多維力傳感器模塊主要負責(zé)完成對手寫過程中產(chǎn)生的筆尖施力信息的全面獲取。F-Pad 2手寫信息獲取平臺是基于多維力傳感器設(shè)計實現(xiàn)的，能夠直接測量出手寫書寫過程中三維書寫力信息，并通過置于力傳感器上方的觸摸屏直接獲得書寫點的位置信息，通過計算可以得到手寫過程的速度和加速度等信息。

F-Pad 2手寫信息獲取平臺的受力作用原理如圖2所示。當(dāng)書寫筆在任意書寫點P(x,y)處書寫時，書寫筆將在該點產(chǎn)生三維書寫力信息Fx,Fy和Fz。該三維力信息可以直接由平臺內(nèi)部的多維力傳感器直接測得。

圖2 F-Pad 2平臺書寫受力作用原理圖Fig 2 Principle diagram of force action in writing of F-Pad 2 platform

在F-Pad 2平臺上進行書寫時，平臺可以采集得到三維書寫力信息和二維位置信息隨時間變化的序列，序列中任一時刻t的信息可由一五維向量表示，即Pt=[Fx(t),Fy(t),Fz(t),x(t),y(t)]′，則t到t+Δt時間段內(nèi)書寫筆的平均書寫速度為

(1)

t時刻的書寫加速度可表示如下

(2)

2.2 信號調(diào)理電路

F-Pad 2平臺的信號調(diào)理電路完成對多維力傳感器測得的模擬信號的放大、濾波、A/D采樣、預(yù)處理以及與主機的通信。其工作原理為：當(dāng)書寫筆在書寫平面上書寫時，書寫力通過書寫平面作用于傳感器的彈性膜片，使得彈性膜片發(fā)生形變，導(dǎo)致膜片上的應(yīng)變片也發(fā)生同樣的形變；多維力傳感器通過應(yīng)變片組成的惠斯通橋路檢測應(yīng)變量，由運算放大器對其進行放大，其后采用RC濾波電路濾波，得到的穩(wěn)定信號在A/D采樣環(huán)節(jié)被采樣數(shù)字化；A/D環(huán)節(jié)定時輪流采樣3個通道的力信息，并通過SPI接口與主控單片機通信，傳送采樣的結(jié)果，對3個通道的應(yīng)變量進行解藕計算得到相應(yīng)的力信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計思想

手寫信息采集系統(tǒng)對實時性要求較高，需要處理大量的數(shù)據(jù)，并且實時地計算和存儲，為此，在軟件系統(tǒng)中采用了嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，從而為管理系統(tǒng)任務(wù)提供了合適的平臺，采用實時內(nèi)核的多任務(wù)系統(tǒng)在系統(tǒng)中管理各個任務(wù)，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。綜合開發(fā)周期、實用性和可移植性等因素，在手寫信息采集系統(tǒng)中，采用了Microsoft公司的實時操作系統(tǒng)Windows CE 6.0作為整個軟件的開發(fā)系統(tǒng)。根據(jù)需求遵循軟件工程原理進行設(shè)計，系統(tǒng)功能通過相應(yīng)的功能模塊實現(xiàn)，其劃分遵循軟件工程學(xué)中模塊的獨立性原則，保證了模塊的高內(nèi)聚性和模塊之間的低耦合性。

3.2 軟件總體流程

手寫信息采集系統(tǒng)，不但可以實時采集用戶在F-Pad 2手寫板上書寫的三維力信息和二維位置信息，同時在F-Pad 2上顯示書寫的內(nèi)容，并將這些信息保存在Windows CE 6.0系統(tǒng)的txt文檔中，圖3給出了手寫信息采集系統(tǒng)的總體處理流程。

圖3 手寫信息采集系統(tǒng)總體處理流程Fig 3 Overall processing flow chart of handwriting information acquisition system

4 實驗結(jié)果

所設(shè)計的手寫信息采集系統(tǒng)用戶界面如圖4所示。整個軟件主界面分為四大區(qū)域，分別是：操作區(qū)、描述區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)和書寫區(qū)，其中操作區(qū)用于完成對整個軟件的控制功能；描述區(qū)用于指示如何操作該軟件和手寫任務(wù)要求等內(nèi)容；狀態(tài)顯示區(qū)用于顯示當(dāng)前的手寫任務(wù)狀態(tài)等內(nèi)容；書寫區(qū)是進行書寫的區(qū)域，可以實時顯示手寫的結(jié)果。

圖4 手寫信息采集系統(tǒng)用戶界面Fig 4 User interface of handwriting information acquisition system

圖5給出了手寫信息采集系統(tǒng)采集到的在書寫漢字過程中產(chǎn)生的實時三維力信息和二維位置信息曲線。從實驗結(jié)果可以看出:所設(shè)計的手寫信息采集系統(tǒng)能夠完整的獲取手寫過程中的全力信息和手寫運動軌跡信息。

圖5 三維力信息和二維軌跡信息Fig 5 3D force and 2D trajectory information

5 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)手寫信息采集系統(tǒng)存在的信息獲取不全面的問題，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于多維力傳感器的手寫信息采集系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了對手寫過程靜態(tài)軌跡信息的獲取，同時實現(xiàn)了對手寫多維力信息的獲取。基于WinCE系統(tǒng)開發(fā)了一種手寫信息采集系統(tǒng)，實驗證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，實現(xiàn)了對手寫過程中力和位置信息的全面獲取。

[1] Rudzinska M,Bukowczan S,Banaszkiewicz K,et al.Sensitivity and specificity of the quantitative computerized tremor analysis of the spiral drawing on the graphic digitizing tablet[J].European Journal of Neurology,2004,11:249.

[2] Henkel V,Mergl R,Juckel G,et al.Assessment of handedness using a digitizing tablet:A new method[J].Neuropsychologia,2001,39:1158-1166.

[3] Banaszkiewicz K,Rudzinska M,Bukowczan S,et al.An assessment of bradykinesia by means of computerized analysis of spiral drawing on the graphic digitizing tablet[J].European Journal of Neurology,2004,11:118-119.

[4] 羅健飛,林秋詩,吳寶元,等.手寫多維力信息的測量與特征分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2012(9):1274-1279.

[5] 任向?qū)?關(guān)志偉,張 高,等.基于筆的人機界面和人機交互發(fā)展方向[J].計算機科學(xué),2001(4):83-86.

[6] 姜 力,劉 宏,蔡鶴皋.多維力/力矩傳感器靜態(tài)解耦的研究[J].儀器儀表學(xué)報,2004(3):284-287.

[7] 干方建,劉正士,任傳勝,等.一種應(yīng)變式多維力傳感器的優(yōu)化設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2007(1):56-59.

[8] Fang Ping,Wu Zhongcheng,Meng Ming,et al.A novel tablet for on-Line handwriting signal capture[C]∥Proceedings of the 5th World Congress on Intelligent Control and Automation,2004:3714-3717.

[9] 吳寶元,申 飛,吳仲城.應(yīng)變式多維力傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2010(10):1412-1416.

[10] Wang Jiali,Jiang Li,Liu Hong.Auto static calibration of multi-axis force sensor based on triaxial accelerometer[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2008,29:432-435.

Design of handwriting information acquisition system based on multi-dimensional force sensor*

SUN Zeng-wu1,2, WU Zhong-cheng2, LUO Jian-fei2, LIN Qiu-shi1,2, REN Ting-ting1,2

(1.Hefei Institutes of Physical Science,University of Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;2.High Magnetic Field Laboratory of Chinese Academy of Science,Hefei 230031,China)

Aiming at insufficiency of traditional handwritten information acquisition system,design a novel handwriting information acquisition system based on multi-dimensional force sensor,and overall framework of the system is given.The system uses multi-dimensional force sensor as core,not only realize capturing static trajectory of writing process,but also multi-dimensional handwriting force information.The system consists of user interface module data acquiring module and data processing module.Design idea and operation principles of each module are analyzed,and develop a set of handwriting information acquiring system based on WinCE.Experiments show that the handwriting system is stable,has excellent performance,and it has capability to acquire force and position information.

multi-dimensional force sensor; handwriting; information acquisition; WinCE

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0070—03

2014—04—09

國家自然科學(xué)基金資助項目(61301058)

TP 212

A

1000—9787(2014)12—0070—03

孫增武(1986-)，男，山東泰安人，博士研究生，主要研究方向為信號處理、生物特征模式識別、人機交互接口設(shè)計等。