一种纯声音反馈和连续力控制任务结合的注意力训练系统的制作方法

本发明涉及注意力、多手指连续按压的精确力控制训练
技术领域：
，尤其涉及一种纯声音反馈和连续力控制任务结合的注意力训练系统。
背景技术：
：对注意力要求非常高的特种职业人员，如飞行员，赛车手，机场塔台空中交通管制等专业人员需要具备高度的注意力控制能力，以保证关键任务的执行的力控制及时间的精准性。不言而喻，提高注意力的专注度，将提高职员的工作效率，故注意力训练对普通成年人或企事业单位的人力资源部门的培训也都大有裨益。现行的注意力控制训练装置的适用对象通常是针对于特定的人群，如实用新型专利CN205127306U和CN203838907U均为面向少儿的一种注意力训练器具。这类装置是基于人的视觉感受通道而设计出的结构简单，成本低廉的识图拼图游戏。此外国内外也有一些面向注意力缺陷的老年人而设计的动作视频游戏。这类装置是基于人的视听觉感受通道而设计出的训练系统，任务难度更大，涉及的感觉通道更多，对注意力调用的程度更大。对各类注意力训练方法的调研发现，还有两个方面留有巨大改进空间。一方面，在注意力训练所调用的感觉通道上，力触觉尚未被用于其中。基于大脑感知皮层与躯体的映射关系可知，除了人的视觉和听觉外，力触觉这种更为基本且独特的感知通道，即人既能通过力触觉通道接收刺激信息，还能通过力触觉通道主动地输出反应控制动作。无论盲、聋等特殊群体，还是正常人都具备力触觉感知这一能力。而音乐是每个人都乐于接受的一种信号，并且音乐对于人的潜在益处很多，在基于连续力控制任务的注意力训练任务中加入声音反馈，尤其是用音乐作为奖励反馈，将使注意力训练更易于被大众接受，且使人们容易沉浸于音乐所带给人的独特体验中，从而进一步开发人在执行任务中注意力调用的潜能。另一方面，现有的注意力训练方法在用户自定义的可控性上存在局限性。即便正常人，由于个体差异，对不同的用户，训练任务需设置与自身实时的能力水平相符合的难度。若任务难度太低，训练游戏的成功率经常接近100％，给予用户的成就感越来越低；若是任务难度太高，训练游戏的成功率总是不到50％，将使用户遭受巨大的挫败感，两者均将使后期的训练效果及吸引力必然大打折扣。目前，对于如何监测用户对指定游戏操控能力的实时状态，并据此实时调控训练任务的难度，使用户在训练的游戏中始终获得预设的成功率仍是一个悬而未决的问题。技术实现要素：本发明的目的是提供一种纯声音反馈和连续力控制任务结合的注意力训练系统，用于提升注意力与指力控制训练的成效，并具有一定的趣味性。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种纯声音反馈和连续力控制任务结合的注意力训练系统，包括：主控制模块、手指力采集模块、数据融合模块、AD转换模块及听觉反馈模块；其中，所述主控制模块分别与听觉反馈模块及AD转换模块相连；所述手指力采集模块、数据融合模块及AD转换模块依次相连；在训练之前，所述主控制模块预先设定一个固定目标力F0和初始容差值W0，并确定容差值刷新的最小时间长度t和本次训练的容差值刷新次数K，以此确定本次训练的总时长T，T＝t·K；训练阶段包括初始阶段与难度调节阶段；在训练的初始阶段，所述主控制模块根据预先设定的固定目标力F0和初始容差值W0输出包含有手指力触摸测试的训练任务；然后，由所述手指力采集模块实时的采集与该训练任务相对应一根或多根手指的电压信号，并做为一组电压信号数据依次经由数据融合模块与AD转换模块处理后传输至主控制模块；再由所述主控制模块根据接收到的一组电压信号数据中各个电压信号是否处于固定目标力F0与初始容差值W0组成的目标力容差范围，来控制听觉反馈模块产生相应的声音反馈；当容差值首次刷新时开始进入难度调节阶段，所述主控制模块根据初始阶段时接收到的各组电压信号数据中所有电压信号均处于目标力容差范围累计时长占训练任务持续总时长的百分比，来自适应的调整下一次容差值刷新时容差值的大小，从而调节训练难度，直至到达本次训练的总时长T，结束训练。所述手指力采集模块包括：多个压力传感器以及分别与每一压力传感器相连的电压放大电路；所述压力传感器，用于采集电压信号；所述电压放大电路，用于将电压信号进行放大处理后向外传输。所述听觉反馈模块为抗噪音耳机。所述主控制模块包括：上位机训练信息输入模块与下位机逻辑控制模块；所述上位机训练信息输入模块，用于实现训练之前各项参数的设定，以及输出训练任务的功能；所述下位机逻辑控制模块，用于根据接收到的电压信号是否处于目标力容差范围，来听觉反馈模块产生相应的声音反馈。所述控制听觉反馈模块产生相应的声音反馈包括：若一组电压信号数据中所有电压信号均处于目标力容差范围，则抗噪音耳机播放奖励性音乐反馈；若一组电压信号数据中某一手指对应的电压信号超过目标力容差范围的上限，则抗噪音耳机播放与对应手指相关的指力过高告警音；若一组电压信号数据中某一手指对应的电压信号低于目标力容差范围的下限，则抗噪音耳机播放与对应手指相关的指力过低告警音。所述持续一段时间之后进入难度调节阶段，所述主控制模块根据初始阶段时接收到的各组电压信号数据中所有电压信号均处于目标力容差范围累计时长占训练任务持续总时长的百分比，来自适应的调整下一次容差值刷新时容差值的大小包括：第j次容差值刷新时容差值Wj＝F0·δj；其中，δj为第j次容差值刷新时的相对容差值，其数值大小受控于占空比ηj，表达式如下：δj+1=δj·(1-α),ηj>ηmaxδj+1=δj,ηmin≤ηj≤ηmaxδj+1=δj·(1+α),ηj<ηminδj+1=δmax,δj+1>δmaxδj+1=δmin,δj+1<δmin;]]>上式中，ηmin与ηmax为预设的最小与最大占空比；δmin与δmax为预设的最小与最大相对容差值；α为小于1的系数；所述占空比ηj为各组电压信号数据中所有电压信号均处于目标力容差范围的累计时长，占训练任务开始至第j次容差值刷新之前总时长的百分比。所述主控制模块，还用于在训练任务结束后，计算各组电压信号数据中所有电压信号均处于目标力容差范围累计时长占本次训练的总时长T的百分比，并将计算到的百分比作为本次训练的成绩。该系统还包括：底座，用于固定所述手指力采集模块；遮光眼罩，用于在训练过程中，隔绝外界环境的视觉干扰。由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过这种连续的注意力与指力调节活动的训练，并通过自适应算法自动调节训练任务的难度适应用户不断提高的控制能力或者不同人的个体差异，同时，使用户对训练任务的积极性以及注意力的投入都始终维持在一个最高水平，从而达到提高目标人群的注意力与指力控制的目的。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本发明实施例提供的一种纯声音反馈和连续力控制任务结合的注意力训练系统的组成结构示意图；图2为本发明实施例提供的系统中信号的处理流程图；图3为本发明实施例提供的训练阶段中手指力按压的精确力控制测试的示意图；图4为本发明实施例提供的系统信息控制策略结构示意图；图5为本发明实施例提供的在线闭环控制过程示意图；图6为本发明实施例提供的训练阶段容差值闭环控制的流程图。具体实施方式下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例提供一种纯声音反馈和连续力控制任务结合的注意力训练系统，其主要包括：主控制模块、手指力采集模块、数据融合模块、AD转换模块及听觉反馈模块；其中，所述主控制模块分别与听觉反馈模块及AD转换模块相连；所述手指力采集模块、数据融合模块及AD转换模块依次相连；在训练之前，所述主控制模块预先设定一个固定目标力F0和初始容差值W0，并确定容差值刷新的最小时间长度t和本次训练的容差值刷新次数K，以此确定本次训练的总时长T，T＝t·K；训练阶段包括初始阶段与难度调节阶段；在训练的初始阶段，所述主控制模块根据预先设定的固定目标力F0和初始容差值W0输出包含有手指力触摸测试的训练任务；然后，由所述手指力采集模块实时的采集与该训练任务相对应一根或多根手指的电压信号，并做为一组电压信号数据依次经由数据融合模块与AD转换模块处理后传输至主控制模块；再由所述主控制模块根据接收到的一组电压信号数据中各个电压信号是否处于固定目标力F0与初始容差值W0组成的目标力容差范围，来控制听觉反馈模块产生相应的声音反馈；当容差值首次刷新时开始进入难度调节阶段，所述主控制模块根据初始阶段时接收到的各组电压信号数据中所有电压信号均处于目标力容差范围累计时长占训练任务持续总时长的百分比，来自适应的调整下一次容差值刷新时容差值的大小，从而调节训练难度，直至到达本次训练的总时长T，结束训练。此外，还可以对上述系统做进一步细化：1)所述手指力采集模块包括：多个压力传感器以及分别与每一压力传感器相连的电压放大电路；所述压力传感器，用于采集电压信号；本领域技术人员可以理解，所述压力传感器可以为常规的硬件设备，例如，Honeywell压力传感器；其数量也可以根据实际情况来设定，例如，1-10个；当数量为4个时，分别采集左、右手的食指与中指的指尖按压压力信号。所述电压放大电路，用于将电压信号进行放大处理后向外传输。本领域技术人员可以理解，电压放大电路也可以为常规电路，其用于将电压信号做放大处理。2)所述听觉反馈模块为抗噪音耳机。本发明实施例中，采用了纯声音反馈的方式与训练者进行交互，因此可以通过产生相应的声音反馈来告知训练者当前训练的状态，以便训练者根据反馈的训练状态调节或者维持相应手指指力大小；详细的过程将在后文进行介绍。3)所述主控制模块包括：上位机训练信息输入模块与下位机逻辑控制模块；所述上位机训练信息输入模块，用于实现训练之前各项参数的设定，以及输出训练任务的功能；所述下位机逻辑控制模块，用于根据接收到的电压信号是否处于目标力容差范围，来控制听觉反馈模块产生相应的声音反馈。具体的，控制听觉反馈模块产生相应的声音反馈包括：若一组电压信号数据中所有电压信号均处于目标力容差范围，则抗噪音耳机播放奖励性音乐反馈；若一组电压信号数据中某一手指对应的电压信号超过目标力容差范围的上限，则抗噪音耳机播放与对应手指相关的指力过高告警音；若一组电压信号数据中某一手指对应的电压信号低于目标力容差范围的下限，则抗噪音耳机播放与对应手指相关的指力过低告警音。本领域技术人员可以理解，上述三种声音形式：奖励性音乐、指力过高告警音及指力过低告警音，均可以为常规的音乐片段或特殊的声音效果。本发明实施例中，当训练任务完成较好时，即一组电压信号数据中所有电压信号均处于目标力容差范围，则播放的奖励性音乐可以缓解训练者的疲劳感，还可以增加趣味性，起到激励训练者的目的。所述奖励性音乐的内容可以由训练者自由设定。指力过高告警音及指力过低告警音的目的是告知训练者某一手指的指力过高或过低，告警音的具体内容可以由训练者自由设定。本发明实施例提供的一种纯声音反馈和连续力控制任务结合的注意力训练系统的组成结构示意图如图1所示：所述上位机训练信息输入模块1分别与AD转换模块4和下位机逻辑控制模块5相连，所述下位机逻辑控制模块5与抗噪音耳机6相连；所述手指力采集模块2、数据融合模块3、AD转换模块4与上位机训练信息输入模块1依次连接。示例性的：所述手指力采集模块2可以通过四针脚的接线将信号送至数据融合模块3。所述数据融合模块3由外接的5v～12v直流电压供电，并通过自带的电源模块，将电压稳定在+5v和-5v；在所述数据融合模块3上有10个四针脚的接口，每个接口可以外接一个压力传感器，可实现由单指到十指的不同组合；所述数据融合模块3侧面带一个20针脚的接口，该接口外接AD转换模块4，将手指力采集模块2发送过来的模拟电压信号发送至AD转换模块4。所述AD转换模块4可以为MP4623型号(或FY6210型号)的数据采集卡，数据采集卡的一端与所述数据融合模块3连接，另一端与上位机训练信息输入模块1通过USB口(或PCIe插槽)连接；该数据采集卡为模拟电压采集卡，能够将采集到的模拟电压转换为数字量，在允许的输入电压范围内，能够输出15位的数字信号，供上位机训练信息输入模块1中的算法调用，然后将反馈信号传送至下位机逻辑控制模块5，控制抗噪音耳机6产生不同的声音反馈。所述的下位机逻辑控制模块5可以为ArduinoMega2560(或ArduinoUnoR3及相近系列)芯片的单片机PCB板，通过CH340芯片与上位机训练信息输入模块1进行串口通信。所述下位机逻辑控制模块5还与抗噪音耳机6相连，根据需要可以实现对不同情况播放不同类型声音反馈。此外，本发明实施例的上述方案还可以包括：底座，用于固定所述手指力采集模块；遮光眼罩，用于在训练过程中，隔绝外界环境的视觉干扰。需要强调的是，本发明实施例所要保护的是图1所示系统的组成及其结构，当基于上述组成结构时才能实现训练阶段的功能。此外，通过前文的描述可知，训练阶段实质是进行手指力按压的精确力控制测试，也就是说，该系统通过相应的策略不断的进行手指力按压的精确力控制测试并能自适应性的调整测试难度。每一次手指力按压的精确力控制测试时，系统中信号的处理流程如图2所示。当然，图2仅为示意图，其中压力传感器的数量仅为举例，并非构成限制。前文已经对系统的组成及其结构进行了详细的描述，下面对训练阶段的过程以及手指力按压的精确力控制测试的原理做详细的介绍。训练阶段涉及了手指力按压的精确力控制测试，本发明实施例中的手指力按压的精确力控制测试中包含了初始常量固定目标力F0、初始容差值W0、最大相对容差值δmax、最小相对容差值δmin、最大占空比ηmax、最小占空比ηmin、容差值Wj、相对容差值δj、占空比ηj与对应手指的实时力Fi；通过对手指力按压的精确力控制测试中的两个重要参量{δj,Fi}协同控制来动态的调整绝对容差值Wj，从而调整每一次手指力按压的精确力控制测试的难度，即自适应地跟随用户的能力水平使其任务难度总接近用户的极限水平；具体如下：δj为第j次容差值刷新时的相对容差值，其与第j次容差值刷新时容差值Wj有如下关系式：Wj＝F0·δj。而δj的数值大小受控于占空比ηj，其表达式如下：δj+1=δj·(1-α),ηj>ηmaxδj+1=δj,ηmin≤ηj≤ηmaxδj+1=δj·(1+α),ηj<ηminδj+1=δmax,δj+1>δmaxδj+1=δmin,δj+1<δmin;]]>上式中，α为小于1的系数。所述占空比ηj为各组电压信号数据中所有电压信号均处于目标力容差范围的累计时长，占训练任务开始至第j次容差值刷新之前总时长的百分比，也就是说，占空比ηj的大小，与每一组电压信号数据Fi相关。由于固定目标力F0、初始容差值W0、最大相对容差值δmax、最小相对容差值δmin、最大占空比ηmax、最小占空比ηmin均为预设的固定常量，因而其常量值存在无穷多种。而生活实际中，我们通过手指指尖执行精细操作时，所施加的力通常并不大。为了研究方便，选取了一个典型的初始值，即初始常量固定目标力F0＝2N、初始容差值W0＝0.2N、最大相对容差值δmax＝0.5、最小相对容差值δmin＝0.05、最大占空比ηmax＝0.8、最小占空比ηmin＝0.7。需要强调是，前文中一些常量的赋值仅为举例说明，并非构成限制；在实际应用中可以根据需求来设定或更改其大小取值。基于上述占空比的计算原理，本发明实施例中的主控制模块，还用于在训练任务结束后，计算各组电压信号数据中所有电压信号均处于目标力容差范围累计时长占本次训练的总时长T的百分比，并将计算到的百分比作为本次训练的成绩。训练阶段中手指力按压的精确力控制测试的示意图如图3所示。图3中最下方的两个图像示意了听觉反馈的规则，这三个示意图均通过声音听觉形式显示。图3所示的示例中，在底座8上设置了4个压力传感器(精度为0.1N)，压力传感器采集到的精确按压力信号通最终传输到上位机训练信息输入模块1中，下位机逻辑控制模块5的力触觉信号采集频率为500Hz。当完成一次手指力按压的精确力控制测试后，主控制模块会通过抗噪音耳机6输出听觉形式的结果反馈；例如，当单个手指实时力超过容差范围上限时，抗噪音耳机6会产生相应手指指力过高的警告性声音(即告警音up)反馈；当单个手指实时力低于容差范围下限时，抗噪音耳机6会产生相应手指指力过低的警告性声音(即告警音down)反馈；当所有手指实时力在容差范围内时，抗噪音耳机6产生奖励性音乐反馈。需要强调的是，本发明实施例并不对容差值刷新次数K和实时力值刷新次数进行设定限制，图3所示的容差值刷新次数K和实时力值刷新次数仅为举例并非构成限制，具体的数据设定可以由工作人员根据实际情况来设定。另一方面，本发明实施例所提供的上述系统，还可以根据其信息控制策略划分为如图4所示的4个部分：中枢控制系统9、听觉反馈系统10、自适应控制系统11和执行系统12。实际上，这4个部分的具体过程在前文已经进行了详细的介绍；此处仅进行简要描述。自适应控制系统11中，上位机训练信息输入模块1接收到手指力采集模块2采集的手指力输入信息。听觉反馈系统10，根据下位机逻辑控制模块5发来的指令，控制抗噪音耳机6的声音反馈类型。自适应控制系统11中，利用如图5所示的在线闭环控制策略使用户在一次完整的训练过程中的表现始终保持在接近自身极限水平附近。上位机训练信息输入模块1将各次力控制任务的成败结果传送至声音反馈系统10，通过抗噪音耳机6输出反馈结果。结合图3-图4，每一次手指力按压的精确力控制测试时，首先接收到抗噪音耳机6的听觉刺激，从而诱发大脑13的声音感知皮层的活动，并由大脑13的运动皮层控制手指去执行按压力传感器的力控制任务。同时手指上的主动力触觉通道再次激发大脑13的触觉感知皮层的活动。每次控制任务反应时，抗噪音耳机6提供声音反馈，即促发大脑13的联结活动。其后左右手的四个手指随机交替使用，一指活动，其他手指抑制，或多指同时活动，这一过程增强了左右脑在胼胝体的频繁通讯。从而使用户的注意力在训练过程中，连续地聚焦于任务的执行之中。通过这种连续的注意力聚焦活动的训练，并通过自适应算法自动调节训练任务的难度适应用户不断提高的控制能力或者不同人的个体差异，闭环控制算法使用户对训练任务的积极性以及注意力的投入都始终维持在一个最高水平。增强大脑13中注意力活动的生理机能，从而达到提高目标人群的注意力的目的。在训练阶段中，采用在线闭环控制的方式，自适应的实时更新绝对容差值Wj的大小，从而调节任务难度，使得任务难度始终接近用户的极限水平。意大利Padova大学的学者Montani提出，在视频游戏设计中使用户的成功率维持在75％时用户参与游戏的主观积极性最高。因此，在下面的示例中，可以将占空比(即成功率)设为75％附近(即，设置ηmax＝80％,ηmin＝70％)；当然，上述具体数值仅为举例并非构成限制。在线闭环控制的过程如图6所示，具体过程如下：所示主控模块中，绝对容差值Wj＝F0*δj，控制相对容差值δj的变化即可控制绝对容差值Wj的变化。相对容差值δj受占空比ηj的控制：δj+1=δj·(1-α),ηj>ηmaxδj+1=δj,ηmin≤ηj≤ηmaxδj+1=δj·(1+α),ηj<ηminδj+1=δmax,δj+1>δmaxδj+1=δmin,δj+1<δmin]]>由于容差值刷新一次包括若干次实时力值(即若干组实时采集的电压信号数据)的刷新，而实时力值的刷新频率是稳定不变的，故本示例中，将占空比定义中的时间转换为实时力值的刷新次数。则占空比ηj受手指实时力处于目标范围内的次数Si影响：ηj=Σi=0MSiM;]]>上式中，M为单位时间内实时力值刷新的总次数。实时力处于目标范围内的次数Si由实时力值Fi与相对容差值δj联合确定：当达到本次训练的总时长T，结束训练。此外，所述训练阶段的手指力按压的精确力控制测试包括针对一个手指的测试或多个手指的组合测试。举例来说，可以将压力传感器的数量设置为10个；同时，进行多指协同的手指力按压的精确力控制测试，并分别为每种情况提供不同形式的听觉刺激和反馈，从而可以进一步开发形式和难度级别更多的训练任务。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。当前第1页1 2 3