[发明专利]一种手柄类操作手法和力道的实时测量和评价系统

说明书

本发明提供的一种手柄类操作方法和力道的实时测量和评价系统，其传感模块实时获取手柄类杆件受拉压、弯、扭时的状态变化，使用信号采集调理模块处理获取信号后，将数据通过无线通信模块传输到PC端，进行手法水平评价、力道定量评价和熟练程度评价；手法水平评价中使用了机器学习算法，自动提取出操作者和熟练操作者在手法上的差距量化；力道定量评价即通过与有经验操作者的时频谱比较，获得力道的定量差异；最后使用了信号中的复杂度指标来评价操作者对操作的熟练程度和有经验操作者的差异。本发明给出操作者与有经验的操作者在精细操作中手法和力道的相似程度和具体差别，并提供定量评价指标，并为操作者的手法和力道训练提供指导依据。

技术领域

本发明属于经验操作的测量和评价方法的结合，具体涉及一种手柄类操作手法和力道的实时测量和评价系统。

背景技术

日常工作生活中许多操作，例如手术、刮痧等高技术性动作，都需要使用类似长勺、把手、牙刷等基于手柄结构的工具，并根据之前的经验控制使用时的手法和力道。“手法”一般是指施力的方式，常见有拉、压、弯、扭四种；“力道”一般是指一定时间内施力方式的组合以及施力的大小。但是对于一些需要精细操作的任务，初学者获得足够的经验通常需要很长的周期，往往需要花费大量时间和进行大量的练习以积累经验，有时即使经过了有经验的人指点，依旧不得要领。如果能通过有经验的人，手把手训练，相对会容易得多；但是很多情况下很难有这种机会。

发明内容

为了解决目前初学者难以准确掌握正确的基于手柄结构工具的操作手法和力道的问题，本发明提出了一种手柄类操作手法和力道的实时测量和评价系统。通过与有经验的操作者完成同样任务时的典型拉压弯扭模式进行比对，给出当前操作者与有经验的操作者在手法和力道的相似程度和具体差别，提供定量评价指标，并为操作者的手法和力道训练提供指导依据。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的一种手柄类操作手法和力道的实时测量和评价系统，由传感模块、信号调理采集模块、无线通信模块以及手法水平评价、力道定量评价以及熟练程度评价模块组成。

传感模块内置的测拉压应力应变片组中，一半应变片的应变方向平行于杆件的轴线方向，其有益效果是，提高了传感模块对杆件受拉压应力的灵敏度；另一半应变片的应变方向垂直于杆件的轴线方向，其有益效果是，接入电路后能实现温度补偿，使测拉压应力应变片组不容易受到温度变化的影响。传感模块内置的测弯矩应变片组的应变方向均平行于杆件的轴线方向，垂直于轴线方向并排布置并均布在杆件上下表面，其有益效果是，既能使应变片组不容易受到温度变化的影响，同时也能提高对杆件受弯状况的灵敏度，更精确地测量弯矩大小。传感模块内置的测扭矩应变片组在杆件的同一表面上的应变方向分别与杆件轴线成45°和135°，且均分分布在杆件的两个对侧面，其有益效果是，能准确测量杆件受扭曲作用时的扭矩大小。

信号调理采集模块包含多路测量切换开关，其有益效果是，仅用一组信号放大电路和一个模数转换器就能够对多路传感模块进行测量，大大减小了系统体积，使得系统更加小巧。信号调理采集模块包含一组信号放大电路和一个模数转换器，其有益效果是，能够有效减少外界噪声对测量结果的影响，提高测量的精确度与稳定性。

无线通信模块由蓝牙传输模块和WiFi传输模块构成，其有益效果是，能够在不连接数据线的情况下将采集到的数据传输至上位机，使得整个系统更加的轻巧、便携，同时能够更远距离地传输数据，使得系统的测量部分与上位机显示部分能够远距离分离，使用距离大大增加。

手法水平评价技术方案，具体步骤如下：

(1)采集设备运行数据：当前操作者的每次操作过程采集得到拉压、弯、扭三路信号的时间序列形成3*N的矩阵，N为一次操作对应的采样点个数；将上述3*N的时间序列重整成为3N*1的列向量；同样步骤选取q人、每人w次操作，共计M＝q*w次操作，由此构建了自编码神经网络的M*3N维训练数据矩阵。优选的，N＝1000。