人机交互论文
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人机交互论文范文第1篇
关键词：移动机器人；人机交互；计算机子平台；通信技术
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 11-0000-02
一、概述
随着社会的发展，社会分工越来越细。尤其在现代化的大生产中，人们感到自己在不断异化，各种职业病开始产生，人们强烈希望用某种机器代替自己完成一成不变的工作。于是人们研制出机器人，以代替人完成那些枯燥、单调、危险的工作。目前，机器人技术得到迅速的发展，其应用领域越来越广泛，性能越来越先进，机器人模块化、平台统一化的趋势亦越来越明显[1]。这种先进机器设备的出现提高了劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富。机器人是一种高集成度自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器[2-3]。人机交互、人机互动（英文：Human–Computer Interaction或Human–Machine Interaction，简称HCI或HMI），是门研究系统与用户之间的互动关系的学问[4]。人机交互界面通常是指用户可见的部分。用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作[5]。本论文以项目“无线网络机器人视觉采集”为背景，项目描述如下：构建一个以红外线传感器为节点的无线局域网，监测特定的环境。
二、移动控制系统设计
“移动控制系统”主要由PDA客户端、笔记本计算机子平台、移动机器人以及通讯四个部分组成。其总体设计方框如图1所示。
上图中的数字标号表示系统的数据交互：
①人的意识；
②PDA控制指令（即①意识的具体化）；
③机器人指令（来自②，经过笔记本计算机子平台解析）；
④、⑤机器人传感器信息数据；
⑥经PDA客户端整理的可视化传感器信息数据。
上面对“移动控制系统”总体设计方框和软件体系作了简单的介绍，接下来我们将先了解系统的集成开发环境以及关键技术，然后在第三章会详细介绍移动机器人的特性，第四章则侧重具体阐述“子平台系统”在实验室条件下的实现过程。
三、子平台系统的实现
笔记本计算机子平台，作为“移动控制系统”的传输枢纽，一方面通过串口与机器人进行通讯，另一方面要与PDA客户端进行无线通讯，另外还要求提供良好的人机界面供管理人员操作。可以说，它的功能要求比较高。在Visual 下，使用Visual C++语言环境，创建基于MFC——Dialog based的工程“Subplatform”。创建相应的功能模块类和对象，添加控件并编写代码实现对话框功能。其程序类视图如图2所示：
（一）无线通讯模块
此模块选用上文介绍的UDP协议作为传输机制，将设置相关的参数，包括笔记本计算机子平台的IP地址、远程端口和本地端口。另外，这部分还提供“打开端口”和“关闭端口”两个功能按钮，如图3所示。
运行软件后，在“端口”框输入本地地址端口（如5001），然后按下“打开端口”，成功打开端口后按钮变为“不可见”。在这里我们创建CUDPServer类，封装了Windows Socket API函数。
（二）机器人管理模块
此模块是子平台系统的核心功能部分，用于对移动机器人进行控制操作和传感器的状态转换，主要是通过检测机器人的状态，并根据需要切换其各个传感器的状态，确保其处于正常工作状态，进而使得PDA客户端向子平台请求控制机器人命令顺利实现。
有一点值得注意，当PDA客户端经请求成功获取对机器人的控制后，笔记本计算机子平台提供的软件系统将不能再对机器人进行操作，以确保其指令的同一性。为此，需要对NB子平台软件界面上的有关控制按钮进行“不可见”处理，可以使用对话框中具体控件的Control（CWnd：public CCmdTarget）类型的成员变量提供的成员函数“BOOL EnableWindow(BOOL bEnable=TRUE)；”来实现“不可见”处理。
至于动作控制操作，则要为对话框上的控制按钮添加相应的映射函数（即事件处理程序），然后在其函数体内添加具体的控制指令代码。
（三）信息显示模块
此模块既显示PDA客户端指令信息，检验是否正确接收并解析指令；又显示采集自移动机器人传感器的信息数据，以检验移动机器人的状态是否正常。
在列表框中按时间顺序显示PDA客户端发送过来的“人”的指令的具体意义，即PDA客户端希望机器人执行的动作，并显示相应的操作动作时间。对话框选用了“List Box”控件，利用对应控件类CListBox的成员函数AddString()来实现数据的显示。如图4所示。
将机器人传感器的信息数据（包括“声纳”和“红外”）显示在软件界面上，方便笔记本计算机子平台的操作人员监测传感器的工作情况。对话框选用了“ListCtrl”控件，利用对应控件类CListCtrl的成员函数来实现数据的显示。程序设计、编写完成后，在笔记本计算机子平台上调试，其软件界面如图5所示：
四、结论
本文首先分析了“移动控制系统”整体架构的可行性，并在此基础上引入相应的开发平台和关键技术，然后详细介绍了博创UP-Voyager ⅡA机器人的机械和软件特性，最后重点阐述了笔记本计算机子平台软件的实现过程。子平台作为整个系统的枢纽，一方面成功与PDA客户端进行基于UDP协议的通讯，另一方面能控制机器人的运动。笔记本计算机子平台软件提供了一个良好的人机互动界面，操作简单，实用性较好。
参考文献：
[1]王亚辉,何耀文.机器人的应用现状及发展趋势[J].经济师,2005,8:246-247
[2]刘志雄.基于嵌入式系统的室内移动机器人的应用研究[D].昆明理工大学硕士学位论文,2007
[3]方建军,何广平.智能机器人[M].化学工业出版社,2004
人机交互论文范文第2篇
论文摘要：计算机辅助工业设计是工业设计未来的发展方向，本文从工业设计及计算机辅助工业设计的一般含义出发，探究计算机辅助工业设计的应用，着重探讨计算机辅助设计中的人机交互，并对其做出了展望。
工业设计是一门综合性学科，其知识体系包括数学、物理学、材料学、工程学、电子学、机械学、色彩学、心理学、美学、传播学及伦理学等。它在促进经济发展，改善人的生活方式等方面发挥了重要的作用。但究竟什么是工业设计，一直众说纷纭。2006年国际工业设计协会理事会（ICSID）给出的定义认为：设计是一种创造性活动，其目的是确立产品多向度的品质、过程、服务及整个生命周期系统，因此，设计是科技人性化创新的核心因素，也是文化与经济交流至关重要的因素。工业设计的任务是对结构、组织、功能、表达和经济关系的发现和评估，主要表现在：
（1）增强全球可持续化发展和对环境的保护；
（2）赋予人类社会整体、个人、集体以利益与自由；
（3）决定用户、生产者和市场领导者；
（4）不论世界如何全球化，支援文化多样化；
（5）赋予产品、服务、系统与其特性在形式（符号的、语义学）的表达上与内涵的协调（审美的、美学）保持一致。
近五十年工业设计得到了快速发展，特别是以计算机和通信技术为代表的数字化信息时代的到来，进一步促进了工业设计的发展。计算机辅助工业设计以一种崭新的面貌进入企业，改变着企业传统的产品研发过程。
一、计算机辅助工业设计
20世纪60年代，随着计算机图形理论的创立，计算机辅助设计（CAD）应运而生。随之而来的是软硬件的不断更新和现代工业的迫切需要，因此计算机辅助设计引入工业设计，也成为一种必然。工业迅猛发展，市场日新月异，产品的更新换代更加迅速，为了获得竞争的胜利，企业就需要缩短产品的研发周期，获得更好的市场资料，传统的产品研发手段已不能满足这种需求，借助计算机辅助工业设计（CAID）的技术则可以更加容易满足这种需求。
CAID，即是计算机及其系统集成相关高新科技，辅助产品（工程）或服务工业设计的现代设计技术，它的技术原理是将设计人员的最佳特性、创造性思维、经验知识、综合判断与决策能力、想象能力、审美能力等，与计算机的强大记忆、信息检索能力、海量信息高速精确计算与处理能力、易修改设计、虚拟真实显示、艺术渲染、一定的人工智能、工作状态稳定且不会疲劳等特性相结合，从而提高设计速度和效率，大大缩短设计周期，保证设计质量，降低设计成本。
二、CAID的应用
CAID的应用主要是基于数字化平台实现的，借助CAID，企业可以大大缩短产品的研发周期，降低产品的研发成本，同时能够保证产品的质量，进而增强企业的市场竞争力。CAID将科学思维和艺术思维融合在一起，科学的发明融入了艺术的思维，可使产品外观和操作更加人性化；将科学思维融入到艺术思维中，可以确保对产品的形态美及功能美的探求有科学的依据。
1、计算机辅助形态设计
计算机辅助形态设计就是借助计算机软硬件，通过形态变化、分割与比例等方法按照形式美法则对产品的造型进行探究，以获得功能布局合理、操作人性化的技术美。在这个阶段，设计师会经常对产品的形态进行探索，以获得良好的产品形态，这必然要求设计师经常对已有的产品形态进行修改。CAID的参数化功能，便于反复修改尺寸、线型等；具有较强的曲面造型功能；能够快速地实现基于草图的三维建模。
2、计算机辅助色彩设计
色彩对于产品的重要性是不言而喻的，不同人群及地域对色彩的理解不一样，因此，设计师要根据不同的目标人群在特定的使用情景下使用特定的色彩，同时，特定形态的产品，也需要特定的色彩才能更加完美地展现产品的特性。计算机辅助设计中的相关软件一般都有强大的色彩编辑器，及色彩拾取功能，这可以让设计师方便地选取色彩，进而提高设计师的工作效率，也更加便于对色彩的修改。此外，软件的色彩数据库能不时更新，保证了设计的时代性、时尚性。
3、计算机辅助人机设计
人机工程的主要任务是研究用户使用产品时的合适尺度关系、操作方式，及使用时的生理反应与心理感受。它的根本目的在于通过对“人-机-环境”相互影响的研究，创造出一个最合理的“人-机-环境”系统。
人机设计的好坏将直接影响产品的性能及用户的安全，好的人机设计将有利于产品性能的最佳发挥，提高生产效率，反之，将威胁用户的身体健康，给用户的操作带来不便，降低生产效率，降低产品人机环境的综合性能。随着计算机辅助技术的发展，以CAD为代表的三维数字化产品设计技术已成为企业提高竞争力的重要手段，进而出现了“数字化人机工程”概念，即借助计算机、信息处理技术，利用计算机辅助人机设计软件系统进行人机设计与评价。如运动型人体模型，它可以用来模拟人体的运动特性，在影视、工程设计、军事领域具有广泛的应用，在人机工程领域主要用于对姿态与动作的分析。
4、计算机辅助设计评价
借助CAID对设计方案进行评价是提高设计质量的一个重要环节。由此，可以判断各个方案的价值，确定其优劣，以便筛选出最佳的设计方案。评价工具的出现，使得设计评价方法和原则具有更强的可操作性。例如利用计算机对产品进行艺术美学的评价和分析，这是CIAD进行评价的一个突出案例。“计算机艺术美评价系统实质上也是个智能专家系统，在系统知识库中集中了客观上对某种产品是否美的评价概念，也集中了专家级的艺术美学思想及认识，它在系统推理中确定了评价艺术美的准则，然后进行人机对话对产品的艺术美做出专家级的评价”（汪海波《浅析计算机辅助工业设计》，载于《安徽工业大学学报》2005年第4期）。
三、计算机辅助工业设计的人机交互
信息在人类社会活动中变得越来越重要，当今社会已从以“技术为核心”变为以“信息为核心”，这标志着社会的进步，同时，也给设计者带来了一定的挑战，即如何将信息正确、及时地传递给用户。这就要求用户和产品实现无障碍交流，因此才有互动模式的CAID实现。目前，在CAID技术领域，人机交互的研究主要体现在人机界面设计和虚拟仿真设计等方面。
1、人机界面设计
计算机系统中的人机界面也称为用户界面，它介于用户和计算机之间，是用户与计算机进行信息传递和信息交换的载体，是用户使用计算机的综合操作环境。人机界面中设计师的作用就是处理人与硬件界面和软件界面的关系，而硬件界面与软件界面之间的关系则通过计算机技术来解决。目前，人机界面主要研究领域是人机界面模型设计、虚拟界面设计、多感官界面设计和多用户界面设计等。
2、虚拟仿真技术
通过计算机硬件系统的虚拟仿真技术，可以对人机关系进行有效的设计、验证和评估等工作。当前，“虚拟仿真技术的研究主要体现在触觉反馈、压力反馈等基础技术以及人机交互的模拟、人机虚拟环境的构建等方面”（罗海玉《计算机辅助工业设计技术综述》，载于《甘肃科技》2003年第7期）。它是一种高度逼真地模拟人在自然环境中试听等主观行为的人机界面技术。目前，已有很多设备可以用来虚拟仿真设计，如三位空间交互球、力反馈器、数据手套、头盔显示器等。虚拟仿真技术在国内目前主要用于军事领域、航空航天领域，在工业设计领域的运用还不多。但是，毫无疑问的是虚拟仿真技术必然是工业设计未来发展的一个主要方向，借助它可以实现设计过程中任一环节的考察与操作，可以帮助设计师快速、真实、有效地实现和修改设计方案，减少不必要的体力与脑力劳动，实现与设计团队的信息交流和资源共享，进而提高产品研发的速度，快速及时地抓住市场机遇，提高企业市场竞争力，获得巨大经济效益。
结 语
借助CAID可以有效地缩短产品的研发周期，但是，目前CAID技术还不够成熟，急需进一步研究。从工业设计本身而言，随着人工智能、虚拟仿真等技术的不断发展，设计师的设计思维也将发生重大变化，人机交互模式的CAID就将成为未来工业设计发展的必然趋势，更加人性、快捷、真实的人机交互方式将会是CAID中人机交互的必然结果。
参考文献
1、 zh.wikipedia.org/zh-cn/%E5%B7%A5%E6%A5%AD%E8%A8%AD%E8%A8%88. 维基百科
2、 刘和山、赵英新、黄克正、张明《浅谈计算机辅助工业设计》，载于《山东内燃机》1999年第3期
3、 杨海成、陆长德、余隋庆《计算机辅助工业设计》，北京理工大学出版社2009年版
4、 汪海波《浅析计算机辅助工业设计》，载于《安徽工业大学学报》2005年第4期
人机交互论文范文第3篇
【关键词】体感交互技术；体感教育；幼儿教育
【中图分类号】G612 【文献标识码】A 【文章编号】1004-4604（2016）01/02-0035-04
近年来，体感交互技术、云计算、大数据、移动互联网等技术飞速发展，不仅推动了社会经济的巨大变革，也为教育的发展带来了重大机遇和挑战。在“互联网+”和信息技术高速发展的时代，幼儿教育如何接受这一轮技术变革浪潮的洗礼，是一个值得深入研究的课题。其中，体感交互技术在幼儿教育中的应用就是一个值得我们深入研究的问题。
一、体感交互技术的概念与发展：以Kinect为例
（一）体感交互技术的概念
体感交互技术（Motion Sensing Interaction Technology）是指人们能够直接运用手势、肢体动作、语音、眼球转动等方式与计算机及其相关设备进行互动的新型自然交互技术。体感交互技术强调创造性地运用手势、肢体动作、语音等方式与计算机进行交互，无需为实现人机互动而额外学习，从而减轻了人们学习鼠标、键盘等非自然操控方式的负担，使用户关注于任务本身。〔1〕体感交互技术的出现在人机交互（Human-computer Interaction，HCI）技术发展进程中具有里程碑意义。继键盘、鼠标和多点触摸人机交互方式之后，体感交互被称为“第三次人机交互革命”。
在体感交互技术发展过程中，Kinect的出现具有十分重要的意义。Kinect是微软公司开发的一款姿态传感输入设备。从词源上看，Kinect一词是Kinectics（动力学）和Connect（连接）的合成。〔2〕Kinect主要由一个彩色摄像头、一对深度传感器、一组麦克风及一个马达构成，作为XBOX360外接的3D体感摄影机和新一代体感设备，它具有即时动态捕捉、影像辨别、麦克风输入、语音辨识、社群互动等功能，能够捕捉使用者的动作、面部表情、语音等，从而让用户摆脱传统输入设备的束缚，实现直接通过自己的身体控制终端的目的。
Kinect体感交互技术是人机自然交互技术的重大发展， Kinect实现的“手势、深度和骨骼追踪”是人机自然交互技术最基础、最实用的内容。“手势、深度和骨骼追踪”的组合，对人体基本姿势进行了定义和匹配，从而实现了通过身体的自然交互控制计算机的目的。〔3〕与传统输入设备如键盘、鼠标等不同，Kinect直接通过用户的身体来控制终端，用一种最自然、最自由也是最柔软的方式与装置和环境产生交互，有效减少了硬件设备对用户的束缚，进而降低了用户的认知负荷，提高了用户的参与度，加深了用户的情感体验等。因此，Kinect具有巨大的应用潜力。〔4〕
基于Kinect体感交互技术的教育产品是一种情境化的、自然交互的学习工具，可以为学习者提供与现实世界相似的虚拟或仿真情境，让学习者 “身临其境”地获得拟真实的、鲜活的学习体验，真正实现寓教于乐、寓教于动。
（二）体感交互技术的发展和应用前景
2008年，在美国举行的国际消费电子展（CES）上，比尔·盖茨提出了自然用户界面（Natural User Interface，NUI）的概念，并预言人机交互将在未来几年内有很大的发展，键盘和鼠标将逐步被更自然的触摸式、视觉型以及语音控制等技术所代替。与此同时，“有机用户界面”（Organic User Interface）也悄然兴起，主要包括生物识别传感器、皮肤显示器等，实现大脑与计算机的直接对接。这些技术无疑会对人类生活产生重大影响。从比尔·盖茨提出NUI概念到现在不过短短几年，一系列人机交互新技术，包括第六感设备、增强现实、多点触摸、追影技术、虚拟现实、语音识别、体感操作和脑机接口等相继诞生，从二维空间扩展到三维空间，从接触式逐渐转变为非接触式。当前，体感交互（ Gestural Interaction）从众多自然人机交互技术中脱颖而出，成为最前沿的研究领域之一。〔5〕
目前体感交互技术的使用已非常广泛，涉及虚拟应用（如体感试衣）、3D建模、机械控制、虚拟乐器、虚拟娱乐、虚拟实验、游戏操控、康复训练等多个领域。〔6〕Kinect已被广泛用于教育及医疗康复领域。中国台湾地区的Chiang等人运用Kinect体感交互技术训练老年人的手眼协调能力；美国明尼苏达大学儿童发展研究所的研究人员借助Kinect体感交互技术收集和跟踪儿童的语言和行为，协助开展自闭症的相关研究。美国罗彻斯特理工学院的Darren Stanley通过Kinect体感交互技术收集被试在持续性操作测验中肢体和头部的姿势以及动作来测试其注意力水平。体感交互技术在教育上的应用是一个特别值得关注的问题。
二、体感教育：体感交互技术在幼儿教育中的应用
（一）体感教育的概念
体感教育目前还没有统一的定义，本文尝试将其界定为：以体验式学习理论、情境化学习理论和具身认知理论为基础，将体感交互技术以及其他多媒体技术、3D技术和AR增强现实技术等应用于教育的过程。其中，幼儿教育中体感教育通常是指让幼儿通过各种身体动作，如挥手、伸展、奔跑、跳跃等操控三维场景中的人和物，并与三维场景中的人和物进行互动，将学习、体验、探索、运动和游戏融为一体。体感教育有一个特别的优势，它可以通过体感交互技术将幼儿原本无法直接体验的内容，如海底探索、太空旅行、火灾地震防范等，以接近真实的三维场景呈现给幼儿，让幼儿获得拟真实的体验。
体感交互技术给人们带来了全新的体验：拟真实的情境、身体的直接参与等。它有助于学习者（包括幼儿）获得更为丰富的认知和情感体验，帮助学习者开展深度浸入式的学习以及角色扮演式学习等，从而弥补学习者无法在真实情境中体验学习的缺憾。体感教育出现不过短短几年，已经引起了广泛关注。2011年美国弗罗里达科技教育峰会上，来自佐治亚州社区学校的教育学家Janice Sinclair分享了他将AR技术应用于幼儿教育的心得。他认为，在幼儿教育中运用3D产品颇受幼儿的欢迎。幼儿非常喜欢和拟真实的虚拟环境中的动物们交流、玩耍，乐此不疲，原本枯燥的学习变得非常有趣。卡内基梅隆大学人机交互研究所最新的一项研究显示， Kinect游戏是比手机游戏或平板电脑游戏更有效的学习方式。幼儿通过Kinect搭建积木比通过移动平台游戏的效果更好。他们在测试中分别给两组幼儿发放了平板电脑或笔记本电脑以及Kinect体感交互技术装置和专用的投影大屏幕，结果发现，使用Kinect体感交互技术装置的幼儿学习效率更高，搭建的作品更稳固，而且幼儿非常喜欢Kinect游戏。由此可以看到，游戏和拟真实情境的结合对提高幼儿的学习能力具有积极的作用。
（二）体感教育的特点
1.沉浸性
体感交互技术创造的拟真实情境，打破了幼儿和学习对象之间的隔阂， 幼儿被“嵌入”到游戏场景中，“身临其境”地获得真实体验。游戏过程中，幼儿所有的感觉器官和注意力被调动， 通过特定的角色扮演，完全投入到学习活动中，从而进入心理学家米哈里·齐克森米哈里 （Mihaly Csikszentmihalyi） 所说的“心流”状态。
2.交互性
体感交互技术条件下的人机互动，是使用者（幼儿）与计算机产生的3D虚拟环境的实时互动。此外，还包括虚拟环境中多人游戏时自发出现的同伴互动、师幼互动和亲子互动。
3.娱乐性
游戏是体感教育的主要途径，因此，体感教育具有较强的娱乐性和游戏性，对幼儿具有极强的吸引力，可以充分激发幼儿的兴趣并保持幼儿的注意力。
（三）体感教育的作用
首先，体感教育可以拓展幼儿体验和操作的范围。《3～6岁儿童学习与发展指南》指出，幼儿的学习以直接经验为基础，在游戏和日常生活中进行。成人应理解幼儿的学习方式和特点，珍视游戏和生活的独特价值，为幼儿创设丰富的教育环境，最大限度地支持和满足幼儿通过直接感知、实际操作和亲身体验获取经验的需要。然而，现实生活中，特别是在现代化城市生活条件下，幼儿能够直接感知体验的对象十分有限，而海底世界、航空航天、天文现象、水下探险、史前文明、恐龙时代等更不可能直接感知。体感教育可以创造出接近真实的三维场景，让幼儿化身宇航员遨游浩瀚的宇宙，穿上潜水服畅游神奇的海底世界，还可以用肢体动作操控猎豹在非洲大草原上捕猎。这种情景式、沉浸式的学习方式，打破了时间和空间的限制，能充分满足幼儿的好奇心和求知欲，培养他们的想象力、冒险精神和探索精神。
其次，体感教育可以成为幼儿开展运动、锻炼身体的有效途径。与电脑游戏、手机游戏相比，体感交互技术与运动高度关联。体感教育活动的设计也多将动作和运动嵌入到整个教育活动中。美国田纳西大学的一项研究表明，体感游戏将成为幼儿锻炼身体的绝佳途径。该大学健康饮食和体育实验室的哈利雷纳（Hollie Raynor）博士表示，体感游戏比缺乏科学指导的户外活动的锻炼强度大，锻炼效果也更佳。2010年10月，美国心脏协会对购买体感游戏设备的玩家进行调查后发现，体感游戏不但可以让玩家在游戏的同时进行运动，还能在无意中改变玩家非游戏时间的运动习惯。参加调查的2284名玩家中，有58%表示，他们现在不仅在游戏中运动，在平时生活中也增加了户外运动，例如慢跑、散步或打网球等；68%的玩家认为，他们每天应该进行更多的体力活动。〔7〕此外，体感教育也将改善由传统网络游戏带来的诸多问题，如网瘾、长期保持不变的坐姿和盯着屏幕看可能对躯体和眼睛带来的伤害等。
再次，体感教育可以使幼儿的科学教育“活”起来。体感交互设备可以使幼儿园的科学活动室真正“动”起来。一直以来，科学教育都令幼儿园教师头疼，因为缺乏相应的科学知识、科学教育资源以及专门的培训，幼儿园科学教育活动往往很难有效开展。许多幼儿园的科学活动室装修豪华，却几乎沦为摆设。体感交互设备的引入可以帮助幼儿园教师有效开展科学教育活动，例如，幼儿可以“穿上”潜水服在神奇的海底世界，与海豚、海龟、鲸鱼互动，也可以直观地了解地震、火灾等自然灾害，等等。体感交互设备能够大大提高幼儿园科学活动室的利用率，使幼儿园的科学教育落到实处。
最后，体感教育有助于幼儿园安全教育的有效开展。引入体感交互设备，幼儿园的安全教育不再仅仅停留在书面，教师可以让幼儿在虚拟的真实场景中体验特定的安全情境，自然地形成安全意识。如，“消防安全”体感课程就可以帮助幼儿学习如何灭火及逃离火场，“地震逃生”课程则可以帮助幼儿了解地震时正确的应对方法。
三、体感交互技术应用于幼儿教育的问题与展望
毫无疑问，和任何新生事物一样，体感交互技术应用于幼儿教育面临诸多质疑和挑战。“我们之所以需要人工物，是因为自然物不能满足我们的需要，人工情感的制造也是基于同样的理由。由此我们可以持这样一种态度，即人工情感如果实在对我们有用，能用它来解决我们的困难，产生出真实的人性的效果，其真假问题也就退居其次了。”〔8〕体感教育也同样如此。
体感交互技术不仅可以应用于幼儿教育，还可以广泛用于基础教育、特殊教育、职业教育以及康复训练等诸多领域。值得注意的是，体感交互技术仍处于发展初期，存在诸多有待解决的问题，如动作错误识别、过度识别、输入延迟等，这些都严重影响着人机交互的流畅性。〔9〕同时，现有的体感交互技术平台普遍缺乏触觉反馈体验，这是一个比较大的体验黑洞。〔10〕此外，现有的体感交互设备缺乏生理疲劳监测与反馈，〔11〕教师和家长无法有效监控幼儿的运动量。如何增强体感交互设备对幼儿动作敏感性的促进作用，如何让幼儿在利用体感交互设备游戏时实现钻、爬等复杂动作，如何增强体感教育活动的粘性，如何在同一时间增加更多玩家或满足多人操作需求等等，都是需要进一步探索的问题。体感教育活动的设计也面临实际困难和伦理风险，特别是在如何将教育、游戏和运动加以有机整合等方面仍面临诸多困难和挑战。
总之，体感交互技术以及体感教育还是刚刚出现的新生事物，它不是要取代幼儿在真实情境中的体验和操作，而是起到拓展、丰富和补充作用。我们相信，随着体感交互技术的进一步发展，体感教育将呈现出更大的活力和更为广阔的发展前景。
参考文献：
〔1〕〔10〕李青，王青.体感交互技术在教育中的应用现状述评〔J〕.远程教育研究，2015，（1）：48-56.
〔2〕 余涛.Kinect应用开发实战：用最自然的方式与机器对话〔M〕.北京：机械工业出版社，2012. [本文由WWw. dYlW.nEt提供，第 一专业教学论文，欢迎光临dYLW.neT]
〔3〕张诗潮，钱冬明.体感技术现状和发展研究〔J〕.华东师范大学学报：自然科学版，2014，（2）：40-49.
〔4〕赵洋帆，杜娜，等.用户运动信息反馈形式对体感操作用户体验的影响：一项基于Kinect的可用性研究〔J〕.应用心理学，2014，20（4）：367-374.
人机交互论文范文第4篇
论文摘要:分析产品设计中的认知模型,探讨设计中概念生成与交互的具体过程和作用。以设计理论研究和实践运用建立方法论基础,为设计师个体设计或团队设计的过程、组织和策略提供设计方法。
概念设计活动是一个从设计任务的要求开始,到概念生成及其可视化的过程。不论是设计师的个体设计,还是团队设计、协同设计,通过研究影响设计的行为和认知因素就能揭示概念设计活动的根本规律。或者说是设计问题中,研究从问题域到解域的具体解决过程、任务和步骤,对于设计研究和设计实践都具有重要意义。
1概念生成中的认知行为
概念生成是指设计师或设计团队能迅速产生多个有用概念,是一个思维的过程,也是一种认知活动。
传统设计模型将设计作为分阶段、线性或循环的过程进行形式化表达(符号化表达)。设计过程按照分类学分解为若干子阶段和子任务。尽管各种设计模型命名原则不同,设计子流程某些主要种类大体一致。设计过程主要被分为:问题/情境、综合/生成、表达和评价。
MarvinMinsky在其有趣的书《思维的社会》中提出:无论是人类的思维还是人工智能的思维,都是由原本简单的元素相连而组成,当这些元素组成一个整体时,他们又变为无限复杂的。
设计活动中,概念生成的思维活动应是一种创造性思维的活动。创造性思维的实质,表现为“选择”、“突破”、“重新建构”这3者的关系与统一。创造性思维的关键点在善于进行“重新建构”,有效及时地抓住事物新的本质,构筑建新的思维支架。创造性思维包括:灵感思维、发散思维、收敛思维、分合思维、逆向思维和联想思维[1]。从方法论上讲,强化创造动因的团队激智方法,如头脑风暴法、德尔菲法、CBS法、KJ法等,都会结合运用各种创造性思维方法。
研究具体的设计思维过程需要建立认知活动模型[2]。上世纪80年代,就提出研究设计思维(designthinking)。Schon,D(1983)建立的设计模型能够从认知方面来获取“设计师脑中的进程”,即把设计当作一种“反射性活动”,从设计问题到设计结果是一个接受(感知)—反射(解释)—反应(转化)的反射活动。Schon认为,设计是“与视觉媒介的交互”,目的是“为进一步设计提供信息”的过程,即设计思维的本质是通过与视觉媒介(包括纸媒介、数字媒介等)的交互过程,获得新的设计信息,实现设计创新。在这个研究中,设计情境(designScenario)被定义为2种属性,也就是2种问题形式:创造性设计与常规设计;2种限制情景:无限制问题与限制问题。
2设计过程中的交互
设计研究表明设计师通常不是显性地意识到他们按照某种设计交互顺序做设计的。对于实践,研究案例表明设计师应该有意识地运用交互,来实现设计创新。交互作为一种有效的设计方法,体现了设计思维的本质,是设计研究的重要课题。设计师在个体或团队设计概念生成过程中的交互,是一种认知活动的交互,包括人机交互HCI(Human-ComputerInteraction),人人交互HHI(Human-Humaninteraction)。交互实质上是“2个(或多个)参与者之间交替听、想、说的循环过程”或者说是“两者之间(无论是生命体还是机器)连续的作用和反应的过程”。对于设计,交互取决于设计表达和生成,表达是交互的对象,生成是交互的结果。事实上,设计表达和生成能力强的设计师其交互能力和水平也高。
交互的信息是交互的实质,包括数据、图像、语音、行为。交互过程中,交互媒介也可分为传统的纸媒介(paper-based)和数字媒介(digitalmedia),见图1。基于纸媒介的交互,其交互信息是隐性的,基于数字媒介的交互信息被显性化了。后者较于前者,更加系统化、更加完整表述和更易被人接受和操作。
从设计认知活动分析,交互可分为:与自由形态的交互,例如和自己的手绘之间的交互;与数字形态的交互,如与建立的几何描述模型的交互;与由形态语法或拓扑机制发展而来的特定机制生成的数字表达的交互;和与由设计生成工具所表达生成的数字环境的交互[5]。
人机交互过程实际上是一个输入和输出的过程,人通过人机界面向计算机输入指令,计算机经过处理后把输出结果呈现给用户。人和计算机之间的输入和输出的形式是多种多样的,因此交互的形式也是多样化的。其中数据交互作为人通过输入数据的方式与计算机进行交流的一种方式,并且它是人机交互的重要内容和形式。
人人的交互是一种交流的活动,可表现为对话、问答、演说或者会议等,也通过计算机来辅助人人交互,甚至通过网络来实现远程的交互,人人交互不排斥人机交互。在数字环境下,可以设计并实现一个原型系统将多个参与人员和应用程序集中起来,实现不同地点的用户能同步或异步地交互。也可以通过传统媒介,运用团队激智方法在同一地点同步的交互。
3概念设计认知模型
概念生成的过程是怎样的?它和交互是怎样的关系?它在设计师的认知行为中扮演的角色?设计概念是怎样被提升、组合、适应、重用、抛弃和丢失的。设计研究者和认知学家都发展了各种程序模型来研究设计中的创造。这些模型通常是从观察设计流程和设计草案而分析发展来的。French(1985)提出了一个设计程序模型:分析问题,概念生成,图式(schema)化,和细节设计。这些模型,阐明了设计中的工作步骤或思维步骤[7]。
从研究设计活动的流程和内容,来分析可能的交互机制。IDEF0是以结构化分析和设计技术(StructuredAnalysisandDe-signTechnique,SADT)为基础建立了一种系统功能表达的工具。该模型帮助我们认识概念生成程序的不同阶段。在IDEF0中,由一个活动所生成的内容作为输出,它可以被输入、控制,或机制。这些活动控制,见图2。基于IDEF0(May-er,1992),建构了一个概念设计的认知模型(YanJinandPawatChusilp,2005)。
图2的模型包含概念设计过程中4个关键的认知活动和一个交互机制:分析问题,包括理解现存问题和探索再设计中需要满足和保留的需求和约束[4]。通过任务分析,设计目标被提出,约束和需求被定义。作为问题分析,问题求解标准也从设计目标中决定。问题分析的输出是一个完整的问题情境描述。
想法(idea)生成,指生成新的初始概念。根据所给的问题需求和约束条件,设计师从他们记忆中提取相关的记忆信息和知识来创造初始的设计概念。基于Finke(1992,Creativecogni-tion-theory,research,andapplication),Oxman(2002,Thethinkingeye:visualre-cognitionindesignemergence)和前面的认知交互模型,想法生成活动不只是记忆提取,而且是“两者之间(无论是生命体还是机器)连续的作用和反应的过程”。组成概念,是初始设计想法到设计概念的发展和构建过程。这个活动中设计师联结思维中先前生成或别人的想法或概念,这种想法的联结会转换为更加成熟的设计概念,组成可以看作是新的生成。
概念评估,是评价组成的概念是否满足设计需求,约束条件和评估标准。作为一个认知的过程,评估意味着设计师确认生成的概念是相关的、有用的、好的。相关的和有用的决定了概念是否满足需求和约束条件,同时设计标准决定其好坏。
概念设计认知模型中的交互机制,是为问题分析、想法生成、组成概念以及概念评估提供的一个支撑平台,通过传统设计环境的纸媒介,或是数字设计环境的数字媒介,设计信息通过交互机制,被交换和操作后形成设计认知互动。
图2中,交互机制中A可是点对点,也可以是点对多点的一个交互过程。交互机制本身可是一个CAD系统,或一种团队激智方法。如草图风暴法,其关键在想法或概念的相互激发。这个机制的优点是将多样的设计信息显性化,提供给不同背景的设计师。
作为交互机制本身存在一个二律背反,交互的信息越多越利于生成更多、更完备的设计概念,设计创新度也高;但交互的信息越多,设计师的精力和时间成本越高,不利于概念生成的。所以一个好的交互机制应该是有条理,分阶段,信息管理合理的。例如:参加一次团队激智的成员不宜多,避免交互过于繁复。设计一个交互机制应该是符合伦理,意图明确,注重实效,并包含合适的认知和情感刺激的[3]。
4案例分析
这里对一个创新性设计案例进行分析,这个案例为团队设计并且是多学科协同设计的过程。由一组研究生和相关专家组成的设计团队来完成一个产品——奥运火炬的概念设计,生成其造型特征并用一个宣传短片明晰和深化其概念,提供给后面进一步的设计。明确设计任务后,向团队成员说明设计要求和设计目标。
向设计师说明要加强交互在概念生成中的运用。见图3,运用草图风暴和书写风暴相结合作为交互机制,这种同步激智方法是一个循环的过程,规定约15min为一个循环,团队成员为10人。生成大量想法后,开始将这些想法进行组合,由相关专家评定,按照获得的信息进行进一步概念生成、组合,几个循环后进行细节设计,生成故事板和火炬的造型特征。由于设计过程有明确的交互机制,设计概念生成更加有序、有效和快速。新晨
为了进一步研究交互机制对概念生成的影响,还把这个设计流程引入到实际设计公司,观察在更加广泛和实际的设计情景中,交互机制的应用。采用近距离的观察来发现实际设计环境下认知活动,并用自然语言法(NLP)对设计过程进行分析[6]。设计的对象为手机,观察者作为团队的成员之一,研究发现,见图4。
如图4,设计师的设计活动都可以解释为设计师的信息处理通过设计过程中交互机制里传递的信息,以设计目标和设计流程为标准,将其进行分类和进行定性描述。可以看到设计信息应是显性的,促进性的。公式化的信息更加高效并符合设计问题情景,但是会缺乏创新性。另外作为背离问题情景的信息,不应全部否定,其中部分信息具有高创新性,可以修改后重用。
5结语
概念设计的认知模型明确了设计概念生成过程和交互过程,以及相互的联系,可以更好地分析设计的本质过程,提高设计交互的效率和设计创新性。从分析设计师在设计过程中概念生成和交互的行为特点,可以构建更加完备的设计交互机制来促进设计。
参考文献:
[1]简召全.工业设计方法学[M].修订版2版.北京:北京理工大学出版社,2000.
[2]赵江洪.人机工程学[M].北京:高等教育出版社,2006.
人机交互论文范文第5篇
关键词：计算机视觉 手势识别 OpenCV 静态手势识别
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）-0048-02
计算机从问世以来就在逐步改善我们的生活。随着计算机在各个领域使用的普及化，人机交互技术正在此时引起了世界各国专家们极大的兴趣，并对其开始进行深入的研究。近些年来，对于符合人际交流习惯的新型人机交互技术的研究变的相当的活跃。而这些研究中主要包含了人的脸部识别、面部表情变化的识别、唇读、凝视与头部运动的跟踪以及手势识别等方面。而手势识别则因为更加符合人与人之间的交流习惯，从而成为了一种以人为交互的中心的新型的人机交互技术。因此，手势识别技术已经成为人机交互领域的一大研究热点，本文主要研究基于视觉的静态手势识别技术。
1 手势识别技术的分类
近些年，手势技术已经出现了几种比较完善的理论体系，通过不同的手势输入设备可以将手势的识别主要分为基于视觉的手势识别和基于数据的手势识别这两种技术。
1.1 基于数据手套的手势识别
作为一种交互设备的数据手套，它在虚拟现实中应用广泛，有只利用几个传感器来测量手势中手指的弯曲度的简单的数据手套，也有用多个传感器来测量手势中的多个信息的复杂的数据手套。基于数据手套的手势识别技术是利用数据手套和位置跟踪器测量手势在空间运动中的轨迹和时序信息。在手势识别的过程中，被识别人佩戴数据手套后建立3D手势模型，系统可以通过所佩戴数据手套上的多个传感器来采集动态手势的运动信息，应用一系列识别算法，达到识别的效果。
1.2 基于视觉的手势识别
基于视觉的手势识别技术是通过摄像头来采集手势，这里的摄像头可以是单个或者多个。之后对所采集到的手势进行相应的特征提取后对特征进行识别，从而达到识别手势的目的。相比前者，基于视觉的手势识别技术的优势在于手势采集设备比较便宜，同时基于视觉的手势识别技术能够使人以更自然的方法与机器进行交互。缺点是这种技术实时性较差，受外界因素的影响较大，例如背景、光照等。
2 手势识别技术在人机交互中的应用
手势识别作为典型的人机交互技术，主要有以下几个方面的应用。
（1）主要用于虚拟环境上的交互。如：虚拟的装配、虚拟的制造、产品设计等等。虚拟的装配主要是通过手的动作来控制零件的装配工作，并且还可以通过语音与手势之间的合成来定义零件之间的装配关系，同时还可以将手势识别用在复杂的设计信息输入上。
（2）主要用于手语的识别。对于聋哑人来说，手语是他们的语言，也是他们依赖的对象，而手语则是由手型、动作、表情、姿势等方面所构成的一套手语交流的体系，它主要是依赖视觉与动作的交流。当手势识别与手语相互结合之后，机器就能看懂聋哑人的语言，故而，形成一套人与机器的手语翻译系统，这样就很好地便于聋哑人的交流。
（3）用于机械手的抓取。机械手的自然抓取一直是机器人研究领域的难点。手势识别，尤其是对于基于数据手套的手势识别技术的研究对克服这个问题有重要的意义，是手势识别的重要应用领域之一。
3 手势识别技术的主要识别方法
目前，无论是在基于数据手套的手势识别还是基于视觉的手势识别技术都有很多的分类识别算法，常用的主要有模板匹配法、神经网络法、隐马尔科夫模型法（HMM）和支持向量机法等等。
3.1 神经网络方法
神经网络作为一种被广泛应用的工具，在静态手势识别中也起到很大的作用。神经网络是一种大规模并行处理网络。由许多具有非线性映射能力的神经元组成，神经元之间通过权相连。神经网络作为一种静态手势识别技术，具有自组织和自学习能力，能有效抗噪声、同时具有很强的容错性和鲁棒性。经过多年发展，人工神经网络已经具有很多模型，例如模糊神经网络和BP神经网络。目前应用比较广泛的是以反向传播学习算法为基础的多层神经网络，简称为BP神经网络。
3.2 隐马尔可夫模型（HMM）方法
对于动态的手势，可以理解成一个连续区间内的手势信号。而对于分析区间内的信号，通常采取HMM方法进行模型化。HMM是在马儿可夫链的基础之上发展起来的。由于实际问题比马儿可夫链模型所描述的更为复杂，观察到的事件并不是与状态一一对应的，而是通过一组概率分布相联系，这样的模型就称为HMM。它是一个双重随机过程：一是马儿可夫链，这是基本随机过程，它描述状态的转移；另一个随机过程描述状态和观察值之间的统计对应关系。这样，站在观察者的角度，只能看到观察值，不像链马儿可夫模型中的观察值和状态一一对应，因此，不能直接看到状态，而是通过一个随机过程去感知状态的存在及其特性。因而称之为“隐”马儿可夫模型，即HMM。 然而正是由于HMM拓扑结构的一般性，导致这种模型在分析动态手势信号时过于复杂，使HMM训练和识别计算量过大，尤其是在连续的HMM中，由于需要计算大量的状态概率密度，需要估计的参数个数较多，使得训练及识别的速度相对较慢，因而以往手势识别系统所采用一般为离散HMM。
3.3 模板匹配方法
这是一种最简单的识别技术，其核心的思想就是将输入的原始数据与预先存储的模板进行匹配，通过测量两个模板之间的相似度来完成识别任务。最常用的匹配方法有加权欧氏距离法，相关系数法以及对数距离法。目前，这种方法广泛用于静态手势识别，具有计算简单、速度快的特点。
4 本文研究工作
4.1 本报告的研究内容
本手势识别系统的工作原理：在已经获取的手势照片中，每个手势选取4张图片作为模板，提取三个特征值，作为贝叶斯分类器的训练样本，训练完成后，用同样的方法提取读入图片的三个特征值，用贝叶斯分类器对其分类进行预测，从而得到识别结果
系统可以实时的对本文预定义的六个手势进行识别，六个手势按照手指数分别定义为0，1，2，3，4，5。系统由三个模块所组成，分别为图像预处理、特征提取以及手势的分类识别。
（1）手势图像预处理：减少图片的像素值后通过肤色检测检测手所在区域，将图像二值化，用边缘检测方法提取手势的边缘图像。
（2）手势图像特征提取：在得到手势的边缘图像以及轮廓矩阵之后，按照本文所采用的手势特征，对手势进行特征提取，生成手势的特征向量。
（3）手势的分类识别：本文采用训练过的贝叶斯分类器计算后验概率，选择最大的后验概率的类作为该手势所属的类别，即得出系统的识别结果。
4.2 图像处理与特征提取
4.2.1 图像预处理和肤色区域提取
对读入的图像先进行预处理，将图片的像素减少以增加运行速度。肤色区域的提取算法原理如下：肤色在YCbCr空间里的Cb、Cr分量聚集成一个椭圆形状，KL变换就是将坐标轴按照训练肤色样本的分布方差经过旋转平移成一组新的正交坐标轴，然后再这新的坐标系中构建椭圆肤色检测模型，在本系统中就是把图像的Y、Cb、Cr三个通道分开，然后用指针分别对这三个通道的每一个像素进行处理。
4.2.2 手势图像特征提取
本系统主要提取了手势的三个特征，提取方法如下：
（1）手势图像内手所占面积与手区域外接矩形面积的比值，提取方法为对图像内的像素点进行扫描，得到最靠近图片四周的白色像素点，经过这几个像素点做图片边长的平行线得到该矩形并计算面积，手势面积是计算提取肤色之后的图片中白色像素点的数量来获得。
（2）手区域外接矩形的宽与长的比值，矩形的长与宽的获得方法如上。
（3）手指数量，用一根水平线对进行过边缘提取的图片进行从上到下的扫面，求出出现在该水平线上白色像素点的最大值，记为ymax，手指数量即为ymax/2。
4.2.3 贝叶斯分类器训练和识别
本程序中对bayes分类器使用步骤如下：
（1）样本的选择。
对每个手势选取较有代表性的四张图片，对其三个特征进行提取，并作为训练样本对贝叶斯分类器进行训练。
（2）手势的识别。
用训练好的贝叶斯分类器对输入图片处理后得到的特征向量进行分类，得到其所属的类别。
5 实验结果及总结
5.1 实验结果
对获得的130张手势照片中，识别正确的照片的张数为94，占总数的72.3%，对与算法比较简陋的程序来说识别率还是令人满意的。
5.2 程序可改进的技术途径
（1）手势区域的提取。
本程序采用肤色检测来识别手势区域，实际使用中效果不佳，任何类肤色区域都将被识别成手势区域，故检测程序时，采用的是深色背景的手势图片，以减少背景被检测为手势区域的可能。可见单纯的肤色检测并不能很好的检测手势区域，尤其是复杂背景下的手势区域，在肤色检测的前提下，另外可以通过提取手势图像的灰度图的直方图，确定阈值来对图像进行二值化，二者结合使用必定回避单纯使用肤色检测的准确度有所提高。
（2）分类器的设计。
本程序采用的是opencv内置的贝叶斯分类器，而且也只是用了三个特征值，如果要进行优化，可以增加有效地特征值数量，来提高识别的准确度。
（3）特征值的提取。
在手势区域较好的识别的情况下，面积比和宽长比的获得较为简单。手指数量的提取在实际操作中的效果并不如人意，因为实际检测中，犹豫肤色检测本身的缺陷，导致提取出来的手势区域存在缺陷，进而导致手指数量的不准确提取。
参考文献
[1] 戴丹.基于图像的静态手势识别及在服务机器人的应用[D].浙江大学本科生毕业论文，2007.
人机交互论文范文第6篇
论文介绍的可重构多变魔方模块采用了GY-85传感器模块感知位置信息，步进电机为执行器，模块监控器通过IIC总线与多变魔方控制器形成一个模块化分布式控制系统。论文以4模块构建的多变魔方为例，介绍了可重构多变魔方模块的硬件结构、软件结构、通信协议和模块运动的同步控制方法。
【关键词】模块化机器人 GY-85传感器 运动控制
1 可重构机器人与多变魔方
可重构机器人（Reconfigurable Robot）是由功能简单而具有一定感知能力的模块机器人有机联接而成。其核心是将机器人分解为标准化、模块化的组件，研究这些模块化组件如何有机的结合，以达到机械系统的快速拆装、功能模块间的有效通讯、整体机器人系统的协同控制。
多变魔方可看作是一个简单的可重构机器人，它同时拥有自重构、自组装和群体机器人的特点。多变魔方由结构简单、功能单一、配置方便的机电模块连接而成，这些模块集传感器、执行器、通信接口等装置为一体，能够快速拆装、互换装配、互相通讯、协调控制。多变魔方机器人的每个模块都可以自主移动并与其他模块自组装成魔方结构，可以被配置成各种不同形态，实现变形。
下面介绍一种可重构多变魔方模块及其重构的实现方法。
2 多变魔方的硬件结构
2.1 多变魔方的机械结构
多变魔方模块的机械结构采用直角立体三角形如图 1所示，每个模块包含了一个步进电机、位置传感器和驱动电路。由4个模块可组装连接成一个简单的多变魔方（其中有1个模块与支架相连，1个模块没有步进电机），通过驱动各模块步进电机可实现的几个变形操作见图2。
2.2 多变魔方的电路结构
可重构多变魔方模块包含位置信息传感器（GY-85）、步进电机驱动电路。模块之间通过IIC总线连接，并连接到多变魔方控制器，形成一个简单的模块化分布式控制系统。每个模块的电路是一样的，只是作为IIC总线上的器件地址需要进行设置。多变魔方控制器（上位控制机）包含人机交互和通信接口 。
位置信息传感器采用GY-85模块，这是一款九轴自由度IMU传感器，集成了三轴陀螺仪（ITG3205）、三轴加速度（ADXL345）和三轴磁场（HMC5883L）传感器，三个器件由IIC总线连接，集成在一小块PCB上，能够同时测量重力方向、磁场方向和角度方向的变化。
GY-85模块中ITG3205、ADXL345和HMC5883L三个器件已有统一的访问地址，分别为0xD0、0xA6和0x3C。为使多个GY-85模块通过IIC总线相连，需要通过模块监控器将每个可重构模块重新封装成一个IIC器件，并由模块编号开关设置不同的IIC器件地址。
模块监控器采用C8051F320，负责读取GY-85模块中位置信息和驱动模块执行器。
可重构模块的执行器采用步进电机，驱动参数有3个：当前的位置、目标位置和步进速度。模块监控器写入和读取驱动参数，可改变和获取步进电机状态。
多变魔方控制器通过通信接口IIC与各模块连接，并通过人机交互设备（带触摸屏的LCD显示器）显示多变魔方的状态信息，输入多变魔方状态的控制信息。
3 多变魔方的软件结构
多变魔方的软件由两部分组成：基于32位ARM架构下的多变魔方控制器软件和基于兼容8位MC51架构下的可重构模块监控软件，其中模块监控软件及其数据结构是重要基础。
3.1 模块监控软件及其数据结构
模块监控软件包括GY-85位置信息读取、电机状态读取、电机驱动、IIC总线驱动等模块组成。其中模块状态的数据结构通过下面语句来定义。
typedef struct {
int AA_x，AA_y，AA_z； //三轴角加速度数据
int Acc_x，Acc_y，Acc_z； //三轴加速度数据
int Mag_x，Mag_y，Mag_z； //三轴磁场数据
}GY_85； // GY-85模块位置信息数据结构
typedef struct {
int Target； //电机目标位置
int Position； //电机当前位置
int Speed； //电机当前运动速度方向（分正负方向）
}Motor； //电机数据结构
每个模块可分别定义两个位置信息变量和两个电机信息变量：
GY_85 GG0，GG1；
Motor MM0，MM1；
其中GG0、MM0为当前状态，由定时中断程序刷新（刷新周期取400ms），GG1、MM1为同步状态，由控制器发出的同步命令将GG0、MM0复制过来，以实现数据的同步采集。控制器发出的电机命令设置MM0中参数，可实现电机运动控制；先设置MM1然后同步复制到MM0可实现电机的同步控制。
3.2 控制器软件和通信协议
控制器软件在uC/OS II实时操作系统下工作，包括人机交互、运动控制、数据通信三个功能模块。人机交互的功能包括：多变魔方基本状态显示、各模块位置信息显示、多变魔方基本状态和自定义状态按钮检测。运动控制模块功能包括：单个模块驱动、基本状态控制、自定义状态控制。数据通信模块功能包括：IIC总线驱动、各模块位置信息和电机状态读取和电机运动数据设置。
多变魔方控制器与各可重构模块之间采用IIC通信接口，控制器为主器件，可重构模块为从器件。IIC总线的数据传输格式通常为：地址（1字节）+参数（n字节），设可重构模块扩展地址M_Addr为8位二进制，其中高4位为模块号M_No（模块号0000B对应所有模块），低4位为命令号M_Com（最低位为IIC的读写标志），参数分别为P1、P2……Pn。通信协议的数据包格式如图3所示，相关命令格式说明见表1。
4 模块运动的同步控制方法
首先通过多变魔方的上位控制机发出“同步允许”和“同步禁止”命令，来选择需要同步采集和同步控制的模块。
4.1 数据同步采集
发出对模块号为0000B（即对应所有模块）发出“同步刷新G”和“同步刷新M”命令，可将各模块的位置信息和电机信息的同步采集存放到各自GG1和MM1变量中，然后分别由“位置信息1”和“电机信息1”命令读取各模块的GG1和MM1变量，由此实现对各模块的数据同步采集。
4.2 电机同步控制
对各模块发出“运动控制1”命令，将模块电机目标位置发送到模块的MM1变量中，发出对模块号为0000B（即对应所有模块）发出“同步还原M”命令，各模块将同时驱动电机按给定的速度和方向到达目标位置，从而实现对各模块运动的同步控制。
5 结论
利用上述的可重构模块设计了一个四模块的多变魔方，实现了典型的变形操作。所设计的多变魔方融合了数字化传感技术、控制技术、通信技术和机电技术等；可重构模块不仅在机械结构上可以快速配置，形成不同构型的机器人，而且在电子线路上也能快速拓展；多变魔方结构简单，但造型丰富，能形成众多形态，再配上表面的灯光显示，具有很强的展示功能；多变魔方作为一个机电设计的教学案例，用于综合实验教学也有着重要意义。如将其作为一种新颖的室外大型电子“数字魔型”，布置在校园内或公共场所，在不同的时间、场合展示不同的造型，则需要改进其通信接口，如采用RS486、CAN总线。
参考文献
[1]强，关胜晓.可重构模块化机器人研究[J].计算机系统应用，2008，17（9）： 28-32.
人机交互论文范文第7篇
论文关键词：船舶辅锅炉 虚拟现实 控制
论文摘要：结合实船燃油辅锅炉的实际情况和具体操作要求，通过建立维模型、人机交互、Web 3D网页浏览技术等米构建船舶辅锅炉虚拟操控系统，达到以虚拟操作代替实际操作，节省开支、实现远程培训、以及人机交互的目的，克服了船舶辅锅炉控制系统实际训练中不可避免的资源消耗、维护费用高等难题。
辅锅炉是船舶动力装置中的重要组成部分其控制的可靠性和经济性对保证船舶安全航行有着重要的意义。
船舶辅锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂的控制对象，其实际操作必须遵循严格的步骤，在实习和教学环节中，实现每个人都进行实际操作有难度。因燃油运行成本且可能出现操作失误，会给实习和教学带来一定的困难和不安全因素。随着虚拟现实技术的产生，这些问题将逐步得到解决。
1 控制系统的组成
辅锅炉是船舶上最早实现自动控制的装置之一，其控制项目包括：水位自动控制，燃烧自动控制 ，锅炉点火及燃烧 时序 自动控制和 自动安全保护。
1)水位自动控制。控制给水量的多少，使进人锅炉的给水量大致大于锅炉的蒸发量。
在蒸发量比较小、蒸汽压力比较低的船舶辅锅炉中，大部分采用双水位自动控制系统。双水位控制系统指辅锅炉的水位可以在一定范围内波动，辅锅炉水位所允许的变化范围是 60～120 mm。当水位下降到水位下限时，自动起动给水泵 ，给水泵开始向辅锅炉供水，辅锅炉水位就会逐渐升高 ；当给水量达到一定限度，也就是水位上限时，给水泵自动停止工作，不再向辅锅炉供水。
2)燃烧自动控制。被控量是辅锅炉内的蒸汽压力，根据汽压的高低自动改变进入炉膛的喷油量和送风量。
对货船辅锅炉，燃烧自动控制系统的要求简单、可靠，对辅锅炉运行的经济性要求不是很严格，大多数这样的辅锅炉采用汽压的双位控制，少数采用比例控制，并保证辅锅炉在不同负荷下，其送风量基本适应喷油量的要求。在油船辅锅炉中，要求汽压必须稳定，同时对辅锅炉的运行经济性要求比较高，这样辅锅炉才能在不同的负荷情况下，保证有一个最佳的风油比，所以通常采用比例积分控制或更好的控制算法。
3)点火及燃烧时序控制。给锅炉一个起动信号后，按时序的先后进行预扫风、预点火、喷油点火，点火成功后对锅炉进行预热，接着转入正常燃烧的负荷控制阶段，同时对锅炉进行一系列的安全保护。
按下辅锅炉启动按钮后，自动启动燃油泵和鼓风机，关闭燃油电磁阀使燃油在辅锅炉外面循环，此时风门开的最大，以最大风量进行预扫风，防止炉内残存的油气在点火中产生冷爆。
预扫风的时间根据辅锅炉的结构形式不同而异，一般是 20～6O S。达到预扫风的时问后自动关小风门，同时点火电极打出火花进行预点火，时间约为3 S。然后打开燃油电磁阀或开大回油阀，或让一个油头喷油工作，即以小风量和少喷油进行点火。点火成功后，先维持一段 时间低火燃烧，对辅锅炉进行预热，再开大风门关小 回油阀或增加一个油头向炉膛喷油，使辅锅炉转入高火燃烧，即进入正常燃烧的负荷控制阶段。在预定的时间内若点火不成功或风机失压、中间熄火等，会自动停炉，待故障排除后按恢复按钮使时序控制恢复到起动前的状态，方能重新起动辅锅炉 。
2 设计的实现
该系统采用 TCP／IP结构，是一个开放 的模块化环境 ，系统 的管理和三维模型 的实时渲染都在 web服务器上运行 ，客户端只要连接到 Internet上的任意一 台计算机，下载一个很小的网页插件就可以遍览该系统。而它的实现方式就是通过网络传输反映三维场景的模型文件，用户根据自己的需求将相应的模型文件下载到客户端，通过网页插件来提供对模型文件的动态实施和实时渲染。方案流程见图 1。
3 三维实体模型的建立
维实体模型是该系统实现漫游和交互的基础，模型的好坏直接影响运行的效果和客户端浏览的逼真度。粗糙 的模型，不能给人视觉上的美感，失去原有实体模型 的真实性；模型建得过细，就会降低场景图形的绘制效率，同时给渲染和计算机的显示带来麻烦，因此建模过程中，平衡模型细节度和复杂度显得尤为重要。
采用 3ds max进行建模。逐级对船舶辅锅炉的组成部分，各组成部分中的零部件进行分割，根据部件的形状和工作特征，选择不同的建模方法，然后把个部件组合成完整的三维场景，最后导入到虚拟编辑器(VRP编辑器)，以供底层的程序进行控制，形成一个完整动态模型。图 2为锅炉控制面版 的三维图形。
4 交互功能的实现
在交互功能的实现过程中，首先使用 VisuaC++中的 MFC框架来设计服务器的用户界面根据界面定义的功能，使用网络类作为基类来设计一个专门处理自己窗口通信消息的网络对象通过消息函数(CRemoteTestDlg：：()nButtonStartVrp())调入设计的三维场景，通过控件定义相应事件处理函数来驱动三维场景，从而实现对j维场景 中模型的控制 。
在=三维虚拟文件与 H’I’MI 网页结合上采用超链接的方式：在 HTMI 网页中，通过超链 接的设置来实现同维虚拟文件的结合。浏览者可以通过激活超链接来实现网页与虚拟现实场景的转换，双方的平面显示空间不受约束，为场景中的一些重要细节呈现提供更广阔的空间。例如，当用户点击视点切换文本框 中的一个超链接 ，维虚拟场景中的视点就会 自动切换到相对应的场景。 以辅锅炉水位控制算法程序为例说明交互的实现机制 。
水位控制的算法分为水位控制的运动算法和模拟水的行为算法。水位控制的运动算法相对简单 ，根据锅炉的运行状态 ，水位做相应的变化 ，可以匀速上升、匀速下降、加速上升、加速下降以及在某一水平线的波动。模拟水的行为算法是实现水位控制虚拟化的核心，采用四连通的五位区域采样方法，将四连通周围的五个点求平均值；通过引入阻尼系数来模拟水波上升或下降的震动效果，并反映到导航图中；然后通过激活水波使整个水位控制更接近实际，真正达到虚拟仿真的效果以下是模拟水的行为算法的部分程序：
for Y：一1 toM AXY一 ]do again
for x：一 1 to MAXY一 1 do again
xDiff：一Trunc(WaveMapEx+1，y]一WaveMapEx)；
yDiff：一Trunc(WaveMapE X，y+1]一WaveMapE xy2)；
xAngle：arctan(xDiff)；
xRefraction：一aresin(sin(xAngle)／rlndex)；
xDisplace：一Trunc(tan(xRefraction) xDiff)；
yAngle：arctan(yDiff)；
yRefraction：一arcsin(sin(yAngle)／rlndex)；
yDisplace：==Trunc(tan(yRefraction) yDiff)；
if xDiff
if yDiff< 0 then
newcolor：==BackgroundImage[X— xDisplace，Y～yDisplace]；
else
newcolor：一Backgroundhnage[x x1)isplace，Y+yDisplace]；
if yDiff
newcolor：一 Backgroundlmage[x—xI)isplace，Y～yDisplace]；
else
newcolor：-_Backgroundlmage[X xI)isplace，Y+yDisplace]；Targetlmage[x，y]
end；
end；
5 结束语
从开发高度逼真的船舶辅锅炉系统的实际需要开发，设计出一种纯软件控制系统，在独立的PC机上运行，将船舶辅锅炉控制系统虚拟到计算机上，操作人员调用内存中的船舶辅锅炉操控系统的 维图形 ，(用 鼠标控制浏览方 向)对三维对象进行虚拟控制，利用虚拟现实技术构建虚拟动态设备，仿真出与实际设备相近的运行过程，弥补传统操作流程上真实感的不足。
同时利用虚拟现实技术提供的高速运行环境，能够实现多人远程实时操作和三维模型的浏览和交互动态演示，让操作者与电脑实现人机交互，如同身临其境，达到替代实际现场操作的目的，克服了实际操作的单一性和危险性等缺点，降低了船舶辅锅炉控制系统运行演示的成本以及船舶辅锅炉误操作的影响。
参考文献
[1]费干．船舶辅机[M]．大连：大连海事大学出版社，1998．
[2]张力明，卢晓春，叶翠安．基于组态控制船用辅锅炉监控系统的设计与实现[J]．船海工程，2008，37(4)：55—57．
人机交互论文范文第8篇
论文摘要：论述了基于虚拟产品设计模式和虚拟环境的产品创新设计、人机工程分析、形态组构、设计管理等产品造型设计方法的应用，认为在 现代 工业设计中运用虚拟现实技术，将极大地加快产品设计周期，降低产品开发的成本，对工业设计方法的创新有着巨大影响。
0 引言
虚拟现实 vr (virtual reality)是一种高度逼真的模拟人在 自然 环境 中的视 、听、动等行为 的人机界面。 简单地说，是一种可 以创建和体验虚拟世界的 计算 机系统。虚拟现实技术是 20世纪末兴起的一 门新的综合性信息技术 ，它融合了计算机图形学、多媒体技术 、人工智能、人机接口技术 、数字图像处理 、 网络 技术 、传感器技术及高度并行的实时计算等技术，它不仅指那些戴着头盔和手套的技术，而且还包括一切与之有关的具有 自然模拟、逼真体验的技术和方法 ，它的根本目标就是达到真实体验和基于 自然技能的人机交互。
工业设计是建立在 科学 技术基础之上 ，以赋予工业产品 艺术 性为目的的一项感性思维和理性思维相互融合的工作。工业设计的程序有具体的方法和整体的战略进行指导和支持，不同国家、不同时期面对不同的设计对象时，工业设计的程序与方法也是各不相同，大体上有以下几种：创新设计法 、人机工程学法 、形态组构法 、系统设计方法 、caid方法 、价值工程与价值创新法、设计管理法等 。将虚拟现实技术引入工业设计中，在设计的各个阶段利用虚拟数字模型方便快速地进行各种调查和试验，可以取得适用面更广、更接近真实状态的试验数据。同时，建立在实验基础上的产品设计工作将更具科学性和客观性，给工业设计的方法论 以新的理念。
1 虚拟现实技术在国内外研究的现状
1．1 国外的研究情况
随着虚拟技术的不断成熟与 发展 ，一些发达国家已经在很多领域 中应用了虚拟设计 ，也成立了许多与虚拟技术相关的实验室、课题组，其中著名的有美 国贝卡罗来那大学(unc)的计算机系 ，其主要的研究课题是物理建模与仿真项目和建筑漫游项 目，此外还有美 国的密歇根大学虚拟现实实验室，主要研究 vr在轿车车身设计中的应用以及虚拟现实技术在产品开发中的应用。瑞士苏黎士理工大学计算机图形实验室主要的研究课题包括动画与虚拟平台、协同虚拟环境 (collaborative virturalenvironment)等。美国宇航局(nasa)的ames研究中心利用流行的液晶现实技术和其它零部件研制出了虚拟飞行器，弥补了飞行模拟器成本过高的不足。美国麦道飞机公司采用沉浸式的虚拟现实系统进行新型号发动机的辅助设计。
1．2 国内的研究现状
相对于国外虚拟设计的发展。国内虚拟技术的研究和应用还比较落后。自20世纪 80年代 vr技术开始起步以来，至今我国在 vr的基础图形技术领域 已经具备了坚实的基础。据不完全统计，目前全国已有 34家科研机构、高等院校和 企业 正在开展虚拟制造技术的研究、开发及初步的示范应用工作 ，有 4家企业参与了这种新的探索，其主要的研究内容包括：① 产品的虚拟设计；② 热加工工艺模拟；③加工过程、装配过程的仿真；④ 虚拟轴机床和虚拟量仪的研制和开发；⑤虚拟企业。总体来看，我国虚拟制造技术的研究多数 是在原先的cad／cam 及仿真技术的基础上进行，而系统 、全面的虚拟制造技术的研究尚未开展，还很少能将成熟的虚拟技术应用到实际开发中，尤其在产品的创新设计中，虚拟技术还未发挥出它应有的作用，应用水平远落后于发达国家。由此来看，我国重视产品设计水平的提升，将虚拟技术应用到设计领域已成为当前国内产品开发的重要环节。
2 基于虚拟现实技术的工业设计方法
2．1 创新设计法
创新是工业设计 的灵魂所在。当代社会 经济 条件下 ，市场产品没有创新就犹如失去了灵魂，很难在竞争对手如林的市场上取得优胜。在当今全新 的经济背景下，设计创新将引导消费、把握机遇，成为决定产品生命力的重要条件之一，以思维创新、行为创新、方式创新为核心的工业设计将在企业产品开发过程中扮演着举足轻重的角色。如图 1、2所示 ，在传统 的工业设计中，人们一直沿用着平面 图来表达设计思想。即使应用计算 机三维 软件，最终也只能得到某个视角的立体效果图，难以真实完整地表达 出设计者的意图。而基于虚拟现实技术的工业设计方法将 以数字化的三维模型作为设计思想的载体，全面表达设计者的意图。人们可以根据自己的需要任意放大、旋转模型 ，主动索取信息，从而实现工业设 计由 面表达 向体表达 的突破 ，使设计师有更充裕 的时间来考虑设计的细节 问题这无疑对工业设计的方法创新带来了革命性的冲击如图 3所示。
此外 ，虚拟现实技术与网络技术的结合，将可以构建一个全新的开放式设计平台，以三维数字化模型作为设计思想的载体 ，全面表达设计者的意图。打破地域限制，实现用户与设计 、开发人员的良好沟通和互动。
2．2 基于虚拟现实技术的产品人机工程分析
(1)人机工程学参数的采集与分析。传统的人机工程学在参数的采集和分析中存在诸多问题：①采样数量 、测量和数据分析的工作量均很大，且成本高 、周期长；②无法进行动态修订；③缺乏对于企业具体产品的针对性；④参数多为二维模型。若在具体的采集和分析中使用三维扫描技术 (获取静态三维数据 )、 动作捕捉技术 (获取动作特征数据)，即可生成虚拟被试三维动态数字模型 。这些数字模型在被更新前一直可以 “活在”虚拟现实技术平台上，通过对虚拟被试三维动态数字模型的关键点控制 ，实现实时数据的不断更新。 (2)虚拟人机工程设计与评价 。虚拟人机工程设计借助于虚拟样机 (virtual prototype)系统进行设计 ，故也称其为虚拟人机工程学环境。设计人员和不同技术背景的人可以直观地观察到各种虚拟人体三维数字模型的实时情况，精确研究产品的人机工程学参数 ，直接与设计的产品进行交互，并评价产品的性能。
在传统产品设计的人机系统中，人是操作者 ，机器只是被动的反应 ，而在虚拟产 品设计的人机系统中，人成为主动参与者 ，复杂系统中可能有许多参与者共同在以计算机网络系统为基础的虚拟环境中协同工作。在基于人机工程的传统产品设计中，人机分析和评价必须是在产品设计完成后的样机模型中或者在试制的产品中进行．而在基于人机工程的虚拟产品设计中，人机设计分析评价又是在产品设计的过程中可以同时进行，也可与产品使用者进行各种实时的交互。
如图 4所示．基于人机工程的传统产品设计的人机评价是在样品试制后才进行，若人机评价结果达不到要求 ，就需要进行重新设计 和样 品试 制 ，再进行人机评价，这样反复循环指导方能达到要求，这种评价方式既浪费时间又耗费资源。而图 5基于人机工程的虚拟产品设计全过程采用协 同并行式，人机设计 、人机仿真和人机评价实现交互式。不需要样品试制的过程 ，而且和虚拟加工 、虚拟制造形成并行 ，大大 的节省 了时 间和资原，也加快 企业 新产品的开发进程。
2.3形态组构法
有研究表明，“看”是人类五种感觉中最为重要的感觉，因此，形态与色彩在设计中占据着尤为关键的地位。崭新符号的合理创造，依赖于深入观察理解生活与 自然 形态，及随后进行的创造性抽象思维活动。这里需要强调的是，通过对自然的学习、研究、分析，进一步升华创造出富有生命力的形态这一过程，必须遵循 科学 的研究方法与程序[5]。图2所示的电锤，其头部造型形成了电锤强劲的冲击力，而整体的外形设计不仅有传统电锤的风格，更有本款造型个性设计的明显特征；锤前端典型的电锤圆鼓造型构成了锤的共有特征，但也被赋予了更明确的时尚个性，线条形式随锤体轻微向外弯曲，以至前端产生运动感，海鱼般的外形与原有造型相比更是有着大胆的突破，但那正体现了电锤灵活的运动特征。在采用虚拟现实技术进行本产品的造型设计时，设计师借助于freeform系统，依照科学的方法从虚拟立体的观察和人机交互中不断进行深入分析研究，见图6，找出形态变化的一般 规律 ，使其在固有的限定条件下自如地进行联想、抽象与创造，把思维与创造力带入一个“美的自由王国”。
2.4设计管理法
设计管理常以并行工程为模式[7]，设计过程引入虚拟现实，将使参与产品开发的所有专业人员可采用并行工作模式系统地将市场需求、工艺制造水平、装配、维修、产品推广等来实现协同工作。图6所示的freeform建模系统即可以在设计过程中满足直观交流这一要求，设计师利用力反馈输入设备进行模型的塑造，也可在原来产品的基础上进行不断地修改，并在短时间内完成新的概念模型。为了让更多的专业人员参与到设计中，还可利用增强式虚拟现实系统，在真实的环境中增加虚拟物体、装饰、结构部件，改变样式，将信息与生产准备阶段的反馈信息相结合,选出最后方案。基于虚拟现实技术的设计管理能很好地遵循“赋予工作的喜悦”的理念,设计中注重理性因素的表达，使设计更加大胆地运用前卫个性的动物外观形态的处理手法，将产品的目标市场牢牢抓住，本文电锤产品便是作者为无锡锐克电动工具有限公司进行设计的典型范例。目前电锤产品包括八个系列，在虚拟设计中能感悟到该品牌的每一款产品，设计集个性、高性能、完美美学和实用乐趣于一身，在虚拟使用电锤中感悟到高科技，感悟到电锤凸形腰线的形态美，及至高境界的精神美。