基于多维力传感器的手写信息采集系统设计*

孙增武， 吴仲城， 罗健飞， 林秋诗， 任亭亭

(1.中国科学院大学 合肥物质研究院，安徽 合肥230031；2.中国科学院 强磁场科学中心，安徽 合肥230031)

基于多维力传感器的手写信息采集系统设计*

孙增武1,2， 吴仲城2， 罗健飞2， 林秋诗1,2， 任亭亭1,2

(1.中国科学院大学 合肥物质研究院，安徽 合肥230031；2.中国科学院 强磁场科学中心，安徽 合肥230031)

针对传统手写信息采集系统存在的信息获取不全面的弊端，设计了一种基于多维力传感器的手写信息采集系统，给出了系统的总体框架。系统以多维力传感器为核心，不仅实现了对手写过程静态轨迹信息的获取，同时实现了对手写多维力信息的获取。整个系统由用户接口模块、数据采集模块和数据处理模块组成，分析了各模块的设计思想和工作原理，并基于WinCE系统开发了一种手写信息采集系统。实验证明：该系统工作稳定，性能优良，实现了对手写过程中力和位置信息的全面获取。

多维力传感器； 手写； 信息采集； WinCE

0 引 言

随着电子技术的发展，对手写的研究不再局限于纸笔测验和肉眼的观察，数字手写板的诞生，可以即时跟踪和记录手写的运动，客观而精确地反映手写运动的动力特点[1,2]。数字手写板所具有的即时性、敏感性和精确性的特点使其作为研究工具得到了广泛的运用，被用于正常手写的运动控制机制和各种精细运动障碍潜在病理的研究[3]。

目前常用的手写输入设备有很多，如日本的Wacom公司、美国的Interlink公司以及中国的汉王公司等产品。然而现有的笔交互设备绝大部分都存在对手写过程信息获取不完整的问题,这些设备在获取笔迹等静态轨迹信息的同时仅能获得单维的笔尖压力信息，不能完成对手写运动过程全信息的获取，影响了手写运动分析的准确性[4,5]。

本文研制了一种可以实现对手写过程全力信息进行获取的手写信息采集系统——F-Pad 2，包括多维力传感器、嵌入式实时操作系统以及嵌入式微处理器等，能够对手写过程中笔尖与平台接触的全力信息的获取，不仅能够得到书写的笔迹，笔顺，笔画，字型等静态信息，还同时得到手写的力矢量信息、书写速度、加速度等动态信息[6～10]。

1 手写信息采集系统总体结构

手写信息采集系统设计采用模块化设计思想，分为总体设计和相应的单元功能模块设计。手写信息采集系统主要由用户接口模块、数据采集模块和数据处理模块组成，图1所示为手写信息采集系统总体架构。数据采集模块主要任务是实时采集多维力传感器输出的手写三维力信息。数据处理模块主要完成对手写过程中力信息的采集处理。用户接口模块是手写信息采集系统的主要模块，与数据处理模块和数据采集模块直接联系，具体可分为数据保存模块、用户手写模块和状态显示模块三个子模块。

图1 手写信息采集系统总体架构Fig 1 Overall architecture diagram of handwriting information acquisition system

2 系统硬件设计

2.1 多维力传感器模块设计

多维力传感器模块主要负责完成对手写过程中产生的笔尖施力信息的全面获取。F-Pad 2手写信息获取平台是基于多维力传感器设计实现的，能够直接测量出手写书写过程中三维书写力信息，并通过置于力传感器上方的触摸屏直接获得书写点的位置信息，通过计算可以得到手写过程的速度和加速度等信息。

F-Pad 2手写信息获取平台的受力作用原理如图2所示。当书写笔在任意书写点P(x,y)处书写时，书写笔将在该点产生三维书写力信息Fx,Fy和Fz。该三维力信息可以直接由平台内部的多维力传感器直接测得。

图2 F-Pad 2平台书写受力作用原理图Fig 2 Principle diagram of force action in writing of F-Pad 2 platform

在F-Pad 2平台上进行书写时，平台可以采集得到三维书写力信息和二维位置信息随时间变化的序列，序列中任一时刻t的信息可由一五维向量表示，即Pt=[Fx(t),Fy(t),Fz(t),x(t),y(t)]′，则t到t+Δt时间段内书写笔的平均书写速度为

(1)

t时刻的书写加速度可表示如下

(2)

2.2 信号调理电路

F-Pad 2平台的信号调理电路完成对多维力传感器测得的模拟信号的放大、滤波、A/D采样、预处理以及与主机的通信。其工作原理为：当书写笔在书写平面上书写时，书写力通过书写平面作用于传感器的弹性膜片，使得弹性膜片发生形变，导致膜片上的应变片也发生同样的形变；多维力传感器通过应变片组成的惠斯通桥路检测应变量，由运算放大器对其进行放大，其后采用RC滤波电路滤波，得到的稳定信号在A/D采样环节被采样数字化；A/D环节定时轮流采样3个通道的力信息，并通过SPI接口与主控单片机通信，传送采样的结果，对3个通道的应变量进行解藕计算得到相应的力信息。

3 系统软件设计

3.1 软件设计思想

手写信息采集系统对实时性要求较高，需要处理大量的数据，并且实时地计算和存储，为此，在软件系统中采用了嵌入式实时多任务操作系统，从而为管理系统任务提供了合适的平台，采用实时内核的多任务系统在系统中管理各个任务，简化了应用系统设计的复杂性，提高了系统应用的可靠性。综合开发周期、实用性和可移植性等因素，在手写信息采集系统中，采用了Microsoft公司的实时操作系统Windows CE 6.0作为整个软件的开发系统。根据需求遵循软件工程原理进行设计，系统功能通过相应的功能模块实现，其划分遵循软件工程学中模块的独立性原则，保证了模块的高内聚性和模块之间的低耦合性。

3.2 软件总体流程

手写信息采集系统，不但可以实时采集用户在F-Pad 2手写板上书写的三维力信息和二维位置信息，同时在F-Pad 2上显示书写的内容，并将这些信息保存在Windows CE 6.0系统的txt文档中，图3给出了手写信息采集系统的总体处理流程。

图3 手写信息采集系统总体处理流程Fig 3 Overall processing flow chart of handwriting information acquisition system

4 实验结果

所设计的手写信息采集系统用户界面如图4所示。整个软件主界面分为四大区域，分别是：操作区、描述区、状态显示区和书写区，其中操作区用于完成对整个软件的控制功能；描述区用于指示如何操作该软件和手写任务要求等内容；状态显示区用于显示当前的手写任务状态等内容；书写区是进行书写的区域，可以实时显示手写的结果。

图4 手写信息采集系统用户界面Fig 4 User interface of handwriting information acquisition system

图5给出了手写信息采集系统采集到的在书写汉字过程中产生的实时三维力信息和二维位置信息曲线。从实验结果可以看出:所设计的手写信息采集系统能够完整的获取手写过程中的全力信息和手写运动轨迹信息。

图5 三维力信息和二维轨迹信息Fig 5 3D force and 2D trajectory information

5 结 论

针对传统手写信息采集系统存在的信息获取不全面的问题，设计实现了一种基于多维力传感器的手写信息采集系统，不仅实现了对手写过程静态轨迹信息的获取，同时实现了对手写多维力信息的获取。基于WinCE系统开发了一种手写信息采集系统，实验证明：该系统工作稳定，性能优良，实现了对手写过程中力和位置信息的全面获取。

[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] 罗健飞,林秋诗,吴宝元,等.手写多维力信息的测量与特征分析[J].传感技术学报,2012(9):1274-1279.

[5] 任向实,关志伟,张 高,等.基于笔的人机界面和人机交互发展方向[J].计算机科学,2001(4):83-86.

[6] 姜 力,刘 宏,蔡鹤皋.多维力/力矩传感器静态解耦的研究[J].仪器仪表学报,2004(3):284-287.

[7] 干方建,刘正士,任传胜,等.一种应变式多维力传感器的优化设计[J].传感器与微系统,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] 吴宝元,申 飞,吴仲城.应变式多维力传感器结构优化设计方法研究[J].传感技术学报,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

国家自然科学基金资助项目(61301058)

TP 212

A

1000—9787(2014)12—0070—03

孙增武(1986-)，男，山东泰安人，博士研究生，主要研究方向为信号处理、生物特征模式识别、人机交互接口设计等。