針對(duì)智力障礙兒童的眼腦手協(xié)調(diào)訓(xùn)練系統(tǒng)

彭 偉，邵東升，孫少明，占禮葵，張茹斌，孫大鵬，趙英俊，楊曉悅

1 中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，合肥市，230031

2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥市，230026

3 中科院合肥技術(shù)創(chuàng)新工程院，合肥市，230088

4 安徽大學(xué)，合肥市，230601

針對(duì)智力障礙兒童的眼腦手協(xié)調(diào)訓(xùn)練系統(tǒng)

【作者】彭 偉1,2，邵東升3，孫少明3，占禮葵3，張茹斌1，孫大鵬4，趙英俊1，楊曉悅1

1 中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，合肥市，230031

2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥市，230026

3 中科院合肥技術(shù)創(chuàng)新工程院，合肥市，230088

4 安徽大學(xué)，合肥市，230601

為了幫助提高智力障礙兒童的注意力和基本感覺(jué)統(tǒng)合能力，該文提出了一種交互式的眼腦手協(xié)調(diào)訓(xùn)練系統(tǒng)，通過(guò)觸控板與上位機(jī)軟件的個(gè)性化圖標(biāo)進(jìn)行交互操作，實(shí)現(xiàn)眼睛看見(jiàn)-大腦思考-手指運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練機(jī)制，從而幫助其提高基本的認(rèn)知和行為能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該訓(xùn)練平臺(tái)具有很高的操作性和接受程度，為智力障礙兒童提供了便攜的訓(xùn)練手段。

智力障礙兒童；腦手眼協(xié)調(diào)；觸控板；訓(xùn)練系統(tǒng)

0 引言

在中國(guó)，目前大約有5 100萬(wàn)殘疾人口，智力殘疾(智力落后、弱智)者近五分之一，其中有539萬(wàn)是14歲以下的兒童，由于社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)條件、公共衛(wèi)生保障等多方面制約，智力障礙兒童的教育、康復(fù)面臨非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

智力障礙(MR)又稱(chēng)智力缺陷，一般指的是由于大腦受到器質(zhì)性的損害或是由于腦發(fā)育不完全從而造成認(rèn)識(shí)活動(dòng)的持續(xù)障礙以及整個(gè)心理活動(dòng)的障礙。臨床表現(xiàn)有：感知速度減慢、注意力嚴(yán)重分散、記憶力差、言語(yǔ)能力差、思維能力低、基本無(wú)數(shù)字概念、情緒不穩(wěn)、自控力差、意志薄弱以及交往能力差等。這些癥狀可概括表現(xiàn)為注意力低下和感覺(jué)統(tǒng)合能力失調(diào)[1]兩個(gè)方面。兒童的感覺(jué)統(tǒng)合失調(diào)是指外部的感覺(jué)刺激信號(hào)無(wú)法在兒童的大腦神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行有效的組合，而使機(jī)體不能和諧的運(yùn)作，久而久之形成各種障礙最終影響身心健康。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，兒童學(xué)習(xí)困難與注意力缺陷、感覺(jué)統(tǒng)合失調(diào)有著更為顯著的關(guān)系[2]。

智力障礙兒童的治療方式包括教育療法、醫(yī)學(xué)療法、體育療法、音樂(lè)療法、游戲療法以及綜合康復(fù)療法[3]，其中體育療法和游戲療法是目前應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展最為豐富的智力障礙干預(yù)手段[4-5]，例如基于kinect體感游戲的訓(xùn)練系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明對(duì)智障兒童行為改善是顯著的[6]。此外，現(xiàn)階段的治療集中于醫(yī)療機(jī)構(gòu)和特殊教育學(xué)校，資源較為集中，不利用常規(guī)化、家庭化智力障礙干預(yù)治療的發(fā)展和普及，因此本文提出一種游戲化的、簡(jiǎn)單可行的腦手眼協(xié)調(diào)訓(xùn)練方法和設(shè)備終端。

1 研究?jī)?nèi)容

根據(jù)以上概述，本文所提出的智力障礙兒童腦手眼協(xié)調(diào)訓(xùn)練平臺(tái)，需要在以下三個(gè)方面展開(kāi)研究：

(1) 針對(duì)智力障礙兒童注意力的提高和感覺(jué)統(tǒng)合失調(diào)程度的改善，提出一種科學(xué)的、便于操作的腦手眼訓(xùn)練方法，該方法以動(dòng)態(tài)圖標(biāo)作為視覺(jué)信息源，以位置的不同在大腦中產(chǎn)生感應(yīng)思考，并通過(guò)手部的觸控運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦中的位置判斷進(jìn)行響應(yīng)，最終反饋到屏幕中相應(yīng)圖標(biāo)的變化，從而實(shí)現(xiàn)腦手眼協(xié)調(diào)訓(xùn)練機(jī)制；

(2) 基于柔性陣列式傳感器開(kāi)發(fā)出適合手指運(yùn)動(dòng)的壓力觸控平臺(tái)，并進(jìn)行手指壓力標(biāo)定和軟件數(shù)據(jù)解析，實(shí)現(xiàn)手指觸控坐標(biāo)的識(shí)別；

(3) 訓(xùn)練軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練基本內(nèi)容和附加功能，引入游戲化設(shè)計(jì)元素，提高軟件整體的可接受程度。

2 方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以游戲化訓(xùn)練方式為基本設(shè)計(jì)原則，采用智能化的觸控式壓力板作為用戶(hù)的交互設(shè)備，通過(guò)編寫(xiě)訓(xùn)練軟件實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練內(nèi)容，訓(xùn)練者通過(guò)觸控壓力板對(duì)軟件界面圖標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)，做到眼睛看見(jiàn)-大腦思考-手指運(yùn)動(dòng)的腦手眼協(xié)調(diào)鍛煉，并通過(guò)游戲化的操作邏輯設(shè)計(jì)得分、過(guò)關(guān)等要素，在保障訓(xùn)練科學(xué)性、有效性的同時(shí)，極大提高用戶(hù)的訓(xùn)練積極性。訓(xùn)練系統(tǒng)平臺(tái)包含硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件主要是壓力板的設(shè)計(jì)，軟件包括壓力板數(shù)據(jù)處理（下位機(jī)）和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。下面將對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所研發(fā)的柔性壓力陣列傳感器[7]是一種用于獲取步態(tài)特征、體態(tài)特征等柔性壓力信息的傳感平臺(tái)，采用將低溫應(yīng)變電阻漿料在聚酯基材上通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝制備而成，具有非常成熟的制造工藝和完善的系統(tǒng)產(chǎn)品，目前已應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)步態(tài)分析[7]、步態(tài)身份識(shí)別[8]等領(lǐng)域。

本系統(tǒng)的觸控壓力板依據(jù)此技術(shù)，定制了一塊24×15的傳感器陣列，通過(guò)對(duì)手指壓力的重新標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的手指觸控位置識(shí)別。所涉及的電路控制方面的組成框圖如圖1所示?；谠撽嚵惺絺鞲衅骱涂刂齐娐钒澹诌M(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的包裝，設(shè)計(jì)了一塊可操作的觸控壓力板，如圖2所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件部分主要完成以下幾個(gè)方面功能：(1) 控制基本外圍電路，包括接口、指示信號(hào)、數(shù)據(jù)采集卡等；

圖1 硬件邏輯框圖Fig.1 Hardware logic diagram

圖2 觸控板Fig.2 Touch control panel

圖3 軟件整體流程圖Fig.3 Software overall f ow chart

(2) 定時(shí)掃描壓力傳感器陣列的數(shù)據(jù)信息；

(3) 壓力數(shù)據(jù)處理，生成固定格式的數(shù)據(jù)幀，并向上位機(jī)發(fā)送有壓力值變化的數(shù)據(jù)幀；

(4) 下位機(jī)作為客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

2.2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)是本套訓(xùn)練系統(tǒng)的核心，是訓(xùn)練內(nèi)容執(zhí)行的平臺(tái)。軟件采用Windows編程技術(shù)，編程環(huán)境為VS2010，基于MFC進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

該軟件開(kāi)發(fā)了兩大模塊，其一是用戶(hù)數(shù)據(jù)管理，其二是訓(xùn)練執(zhí)行。用戶(hù)數(shù)據(jù)管理具體功能包括用戶(hù)注冊(cè)/登錄、個(gè)人信息查詢(xún)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)記錄以及管理員登錄等。訓(xùn)練方法執(zhí)行包括下位機(jī)(觸摸板)上傳數(shù)據(jù)的處理和訓(xùn)練邏輯設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，其中下位機(jī)數(shù)據(jù)處理主要實(shí)現(xiàn)壓力板的觸摸位置識(shí)別，以響應(yīng)訓(xùn)練界面中位置隨機(jī)出現(xiàn)的圖標(biāo)，該部分算法是訓(xùn)練執(zhí)行的基礎(chǔ)。軟件整體流程圖如圖3所示。部分軟件界面如圖4所示。下面針對(duì)軟件設(shè)計(jì)的四個(gè)核心部分進(jìn)行介紹。

圖4 軟件界面Fig.4 Software interface

(1) 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

軟件用戶(hù)數(shù)據(jù)管理部分基于Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行鏈接開(kāi)發(fā)，采用ODBC方式。數(shù)據(jù)庫(kù)表單字段包括用戶(hù)名、密碼、姓名、年齡、性別、上次訓(xùn)練日期、累計(jì)訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)以及三關(guān)訓(xùn)練游戲最高分。

首先設(shè)計(jì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)文件，建立包含上述字段的記錄表，并以.mdb格式進(jìn)行保存。在系統(tǒng)中建立Access數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)文件的關(guān)聯(lián)，之后軟件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件的操作都通過(guò)該數(shù)據(jù)源進(jìn)行間接操作。MFC程序新建派生于基類(lèi)CRecordSet的子類(lèi)，通過(guò)該子類(lèi)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)源進(jìn)行綁定，并通過(guò)變量與數(shù)據(jù)庫(kù)文件中的字段實(shí)現(xiàn)匹配。最后，在需要使用數(shù)據(jù)庫(kù)的其他類(lèi)中，添加該子類(lèi)型的變量，通過(guò)變量的屬性和函數(shù)并配合SQL語(yǔ)句即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的各種操作，如打開(kāi)、關(guān)閉、新增、刪除、過(guò)濾等。

(2) 網(wǎng)口通信模塊

基于大面積柔性壓力傳感器的觸控板，在硬件電路上設(shè)計(jì)了串口通信和網(wǎng)口通信兩種接口，考慮到壓力信息數(shù)據(jù)量大、發(fā)送頻率高的特點(diǎn)，并為后期開(kāi)發(fā)保證技術(shù)余量，因此本上位機(jī)軟件通信模塊采用網(wǎng)口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)觸控板與上位機(jī)程序的數(shù)據(jù)交換。

本網(wǎng)絡(luò)編程采用Windows Socket方式，該方式是網(wǎng)絡(luò)程序中一種比較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法。套接字Socket是連接應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的橋梁，其在應(yīng)用程序中創(chuàng)建，通過(guò)綁定操作與驅(qū)動(dòng)程序建立關(guān)系。此后，應(yīng)用程序送給Socket的數(shù)據(jù)，由Socket交給驅(qū)動(dòng)程序向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送出去。計(jì)算機(jī)從網(wǎng)絡(luò)上收到與該Socket綁定的IP地址和端口號(hào)相關(guān)的數(shù)據(jù)后，由驅(qū)動(dòng)程序交給Socket，應(yīng)用程序便可以從該Socket中提取接收到的數(shù)據(jù)[9]。

傳輸方式基于TCP協(xié)議，上位機(jī)作為服務(wù)器端，程序流程如下：

①在對(duì)話(huà)框類(lèi)的OnInitDialog函數(shù)中，完成創(chuàng)建套接字（socket）、將套接字綁定到一個(gè)本地地址和端口號(hào)上（6800）、將套接字設(shè)為監(jiān)聽(tīng)模式（listen）三個(gè)操作；

②為了防止程序阻塞，在OnInitDialog函數(shù)中創(chuàng)建子線(xiàn)程，在子線(xiàn)程中通過(guò)accept函數(shù)等待客戶(hù)請(qǐng)求到來(lái)，當(dāng)請(qǐng)求到來(lái)后，接受連接請(qǐng)求，并返回一個(gè)新的套接字（sockConn）用于數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，之前的套接字一直用于監(jiān)聽(tīng)服務(wù)；

③用套接字sockConn的send函數(shù)發(fā)送采集指令，開(kāi)啟下位機(jī)采集數(shù)據(jù)功能（見(jiàn)數(shù)據(jù)分析模塊介紹）；

④在需要使用網(wǎng)絡(luò)通信接收數(shù)據(jù)的對(duì)話(huà)框?qū)?yīng)的類(lèi)中創(chuàng)建子線(xiàn)程，用于接收數(shù)據(jù)（recv）；

⑤套接字關(guān)閉，對(duì)話(huà)框關(guān)閉。

(3) 數(shù)據(jù)分析模塊

該部分程序目的在于分析下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，得出壓力點(diǎn)坐標(biāo)信息，并歸化成1～15區(qū)域值，通過(guò)該區(qū)域值實(shí)現(xiàn)與屏幕中的位置圖標(biāo)進(jìn)行匹配、交互。數(shù)據(jù)分析流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析流程Fig.5 Data analysis process

網(wǎng)口接收數(shù)據(jù)之前，需要發(fā)送特殊指令給下位機(jī)控制器，以控制壓力傳感器各種工作狀態(tài)，共有4種特殊寫(xiě)入指令，對(duì)應(yīng)功能如下：

讀零命令：0x04 0x00 0x02 0x00；

采集命令：0x04 0x00 0x03 0x00；

停止命令：0x04 0x00 0x04 0x00；

復(fù)位命令：0x16 0x00；

下位機(jī)通過(guò)網(wǎng)口上傳的數(shù)據(jù)以24個(gè)字節(jié)為一幀，格式見(jiàn)表1。

表1 壓力信息數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Frame format of pressure data

在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)幀字節(jié)順序的調(diào)整，主要是因?yàn)橄挛粰C(jī)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用雙字節(jié)發(fā)送，上位機(jī)與下位機(jī)大小段存儲(chǔ)方式的不同，造成相鄰字節(jié)順序錯(cuò)誤，通過(guò)調(diào)整使得數(shù)據(jù)幀與規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式一致，方便程序的進(jìn)一步處理。

陣列壓力傳感器為24列15行，通過(guò)分析數(shù)據(jù)幀得出有壓力變化的具體行列值，根據(jù)游戲邏輯模塊圖標(biāo)顯示位置的設(shè)計(jì)確定觸控板區(qū)域的劃分，該區(qū)域的劃分需保證與屏幕中顯示的圖標(biāo)位置相對(duì)應(yīng)。

(4) 訓(xùn)練邏輯模塊

圖形操作是智力障礙兒童的有效訓(xùn)練方式之一[10]，圖形通常采用生活中常見(jiàn)的數(shù)字或圖標(biāo)，如水果、動(dòng)物、交通工具等，智力障礙兒童通過(guò)對(duì)圖片的交互認(rèn)知和操作識(shí)別，既可以學(xué)習(xí)大量生活日常知識(shí)，又得到反射機(jī)制訓(xùn)練，改善思維方式，有效提高注意力和感覺(jué)統(tǒng)合能力。

本訓(xùn)練采用15點(diǎn)圖標(biāo)的方式，即軟件對(duì)屏幕坐標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)置15個(gè)用于圖標(biāo)顯示的坐標(biāo)點(diǎn)（可采用均勻分布的方式），并從左到右、從上到下編號(hào)1～15，與上述觸控板劃分的區(qū)域值一一對(duì)應(yīng)。圖標(biāo)具體設(shè)計(jì)包含表情笑臉、水果、食物三組。訓(xùn)練游戲設(shè)計(jì)3關(guān)，具體操作方法見(jiàn)圖3所示。每一關(guān)游戲設(shè)定一分鐘，難度與同一時(shí)間出現(xiàn)的圖標(biāo)個(gè)數(shù)相關(guān)，即第一關(guān)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)位置隨機(jī)的圖標(biāo)，訓(xùn)練者在觸摸板上觸壓到相對(duì)應(yīng)的位置得分，隨即該圖標(biāo)消失并出現(xiàn)下一圖標(biāo)，以此循環(huán)；第二關(guān)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)位置隨機(jī)的圖標(biāo)，訓(xùn)練者依次觸壓到兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的位置即得分；第三關(guān)同時(shí)出現(xiàn)三個(gè)位置隨機(jī)的圖標(biāo)，訓(xùn)練者依次觸壓到三個(gè)相對(duì)應(yīng)的位置即得分。整套訓(xùn)練游戲的圖標(biāo)、關(guān)卡都可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，得分和難度也可根據(jù)具體操作情況進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)束

本文針對(duì)智力障礙兒童，提出了一種簡(jiǎn)單、有效的腦手眼協(xié)調(diào)訓(xùn)練方法，并給出了訓(xùn)練平臺(tái)的原理和設(shè)計(jì)方案，在一定程度上彌補(bǔ)了目前培智教育設(shè)備市場(chǎng)的不足，給智力障礙兒童的康復(fù)訓(xùn)練提供了一種新的技術(shù)手段和訓(xùn)練平臺(tái)。

該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在合肥某所培智教育學(xué)校進(jìn)行了布點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)樣本20人，年齡分布8～15歲，訓(xùn)練強(qiáng)度每天半個(gè)小時(shí)，訓(xùn)練周期為兩周。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，學(xué)生的游戲得分能力明顯增強(qiáng)，反映出腦手眼協(xié)調(diào)能力的一定提高，如圖6所示。

圖6 訓(xùn)練結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of training results

此外，通過(guò)“數(shù)字劃消”實(shí)驗(yàn)的前后對(duì)比，我們也發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生注意力也得到了一定程度的改善。整套訓(xùn)練系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)階段穩(wěn)定度高、操作性強(qiáng)，得到了培智教育和健康教育領(lǐng)域工作者的充分肯定，具有非常重要的社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值。

當(dāng)然，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還存在很多的不足之處，需要在后面的工作中進(jìn)行不斷改進(jìn)，也需要通過(guò)更多的實(shí)驗(yàn)反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，因此在后期工作中我們制定了以下幾個(gè)研發(fā)改進(jìn)方向：

(1) 加強(qiáng)智障兒童教育訓(xùn)練理論方面的學(xué)習(xí)和研究，設(shè)計(jì)更科學(xué)、更便捷的訓(xùn)練方式；

(2) 改進(jìn)游戲化的設(shè)計(jì)，提高訓(xùn)練過(guò)程的趣味性，包括界面風(fēng)格、圖標(biāo)樣式、音效以及得分等各個(gè)方面；

(3) 完善數(shù)據(jù)庫(kù)功能，增加與游戲相關(guān)各種信息的存儲(chǔ)和管理；

(4) 學(xué)習(xí)人機(jī)工程學(xué)相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)更符合兒童手型的鍵盤(pán)；

(5) 開(kāi)展大量后期實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的認(rèn)可程度和訓(xùn)練效果。

通過(guò)本文介紹的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和后期的不斷改進(jìn)，我們希望能夠量產(chǎn)出可投入市場(chǎng)的產(chǎn)品，為培智教育提供智能化、信息化的教育設(shè)備。

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Eyes-Brain-Hands Coordination Training System for Mental Retarded Children

【W(wǎng)riters】PENG Wei1,2, SHAO Dongsheng3, SUN Shaoming3, ZHAN Likui3, ZHANG Rubin1, SUN Dapeng4, ZHAO Yingjun1,
YANG Xiaoyue1
1 Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Science, Hefei, 230031
2 University of Science and Technology of China, Hefei, 230026
3 CAS(Hefei) Institute of Technology Innovation, Hefei, 230088
4 Anhui University, Hefei, 230601

In order to help improving mental attention and sensory integration ability of mental retarded children, this paper proposes an interactive eyes-brain-hands coordination training system. This system realizes the principle of seeing, thinking and moving of hands by an interactive operation between the computer software custom icons and a touch control panel, so it can improve cognitive function and activity of daily living. The results show this training platform has a high degree of application and acceptance, and provides a portable training method for mental retarded children.

mental retarded children, Eyes-Brain-Hands coordination, touch control panel, training system

TP23；R749.94

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.05.005

1671-7104(2016)05-0331-05

2016-03-17

安徽省科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（15czz02072）；安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目（1604a0902188）

彭偉，E-mail: wpeng@mail.ustc.edu.cn

孫少明，E-mail: smsun@iim.ac.cn