Устройство для диагностики и развития когнитивных способностей человека

Полезная модель относится к области психологической диагностики и обучения и может быть использована для оценки пространственных способностей, развития пространственного мышления, а также формирования когнитивных навыков, необходимых для построения схем и чертежей.
Известны устройства, решающие проблему развития способностей человека в области решения пространственных задач. Для установления технического уровня можно принять во внимание «Устройство для развития пространственного мышления» RU 168862 U1, которое относится к области развлечений, и представляет собой настольную игру, предназначенную для развития пространственного мышления и воображения. Устройство представляет собой объемный прозрачный прямоугольный короб в который на гибком подвесе через верхнюю грань опускаются различные геометрические объекты с высверленным центром масс. Через одну из боковых стенок корпуса пропущены жесткие стержни, которые пользователь может совместить с высверленными в объектах отверстиями, добиваясь при этом решения поставленной перед ним задачи по идентификации объектов, установлению их формы и пространственных отношений между ними. Стержни размещены на разном расстоянии друг от друга по глубине и высоте короба таким образом, чтобы условие задачи определяло необходимость их оптимального выбора для решения поставленной задачи.
Достоинством такого решения является возможность организации контролируемых действий пользователя в объемном пространстве задачи и возможность решать задачи классификации и взаимного пересечения объемных тел в пространстве. Недостатком является необходимость манипуляции геометрическими объектами при помощи системы механических связей, зависимость от которых требует нарушения целостности фигур сквозными отверстиями.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая нами полезная модель, является создание технического устройства, реализующего проблемную ситуацию перехода от сенсомоторных действий человека на плоской схеме к мысленным представлениям о пространственных преобразованиях объекта - объемной геометрической фигуры в виде ее проекции на плоскость.
Технический результат, заключается в обеспечении сенсомоторной коррекции при помощи визуальной обратной связи.
Указанный технический результат достигается за счет перехода от наглядно-действенного способа управления состоянием целевого объекта к построению логической схемы его сборки обеспечиваемый конструктивно заложенным различием визуального и сенсомоторного полей восприятия испытуемого - органы управления расположены в двумерном пространстве, в то время как плоскость изображения видеоэкрана демонстрирует элементы трехмерного объекта.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, где 1 - корпус, 2 - джойстик, 3 - блок управления, 4 - видеоэкран, 5 - грани объемной фигуры, 6 - блок формирования изображения.
Устройство для диагностики и развития когнитивных способностей человека состоит из корпуса (1), двух или более джойстиков (2), блока управления (3), видеоэкрана (4), блока формирования проекции трехмерного изображения на плоском экране (6), объединенных в единую конструкцию таким образом, что данные о положении джойстиков (2) логически объединяются блоком управления (3), формирующем пространственный образ трехмерной геометрической фигуры, каждая грань (5) которой ассоциирована с отдельным джойстиком (2) и может перемещаться, вращаться или масштабироваться в пространстве независимо от остальных граней (5), выводимых в виде изображения на видеоэкране при помощи блока формирования проекции трехмерного изображения на плоском экране (6).
Под джойстиком мы понимаем приспособление, преобразующее движение руки человека в информацию о пространственном положении реального или воображаемого объекта или его визуального образа, являющегося объектом управления с точки зрения его состояния, например пространственного положения. По функциональному назначению джойстик можно называть манипулятором или рукояткой. Конструктивно джойстик представляет собой вертикально установленный стержень, способной свободно наклоняться в одной или двух плоскостях вокруг некоторого центра. При этом обеспечивается передача данных о положении рукоятки при помощи механической, электромеханической, гальванической связи, в том числе при помощи технологий цифрового кодирования, исполнительному органу конструкции. В разрыв цепи связи между джойстиком и исполнительным органом может быть установлен блок управления, выполняющий некоторое преобразование данных о требуемом состоянии исполнительного органа. Например, при использовании механической связи это может быть увеличение усилия на исполнительном органе, изменение плоскости его движения или даже изменение направления движения по сравнению с тем, которое предполагается направлением, задаваемым рукояткой.
В предложенном нами устройстве исполнительным органом для джойстиков является визуальный образ объемной фигуры таким образом, что каждый джойстик ассоциируется с гранью этой фигуры. При этом отношение джойстик - грань может быть выполнено по схеме «один к одному», «один к многим» и «многие к одному». В первом случае каждый джойстик логически связан с одной гранью и изменение его положения приводит к изменению положения соответствующей грани. Однако логика предъявления задачи испытуемому может предусматривать связь двух и более джойстиков с одной гранью и связь одного джойстика с двумя и более гранями. Для гибкой реализации различных схем опосредования связи между джойстиками и гранями объемной фигуры целесообразно использовать джойстики с цифровым кодированием положения управляющей рукоятки, так как агрегация данных о положении двух и более манипуляторов может быть осуществлена микропроцессорным устройством, выполняющим функции блока управления. Для усиления эффекта глубины изображения и возможности доступа к осмотру каждой грани объемной фигуры один из джойстиков может быть использован для поворота всех граней вокруг общего центра. Все джойстики устанавливаются на общей плоскости на равном расстоянии друг от друга таким образом, чтобы обеспечивалась изоморфность сенсомоторного пространства человека, рассматривающего полученный набор джойстиков в качестве единой управляющей панели.
Видеоэкран устройства предназначен для отображения объемного образа исполнительного органа устройства - объемного многогранника на плоскости таким образом, чтобы сохранить все признаки глубины пространства. В современном обществе взрослый человек достаточно легко использует эти признаки для неосознаваемой реконструкции объемного изображения. Ребенок может затрудняться в решении такой задачи из-за недостатка сенсорного опыта, для приобретение которого также может быть использовано данное устройство.
Изображение для видеоэкрана подготавливается блоком формирования проекции трехмерного изображения на плоском экране на основе существующих технологий, таких как OpenGL, DirectX, Vulkan. На вход блока, реализуемого микропроцессорным устройством, подается схема размещения и характеристики граней объемной фигуры, формируемая блоком управления. Выход блока формирования проекции трехмерного изображения обеспечивает видеосигнал, подаваемый на видеоэкран.
Корпус устройства обеспечивает конструкционное объединение всех элементов устройства, их защиту от воздействия внешних факторов, защиту пользователя от поражающего действия электрического тока, питающего устройство.
Устройство работает следующим образом.
Пользователь получает инструкцию, объясняющую условия решения задачи или условия игры. При этом задача подразумевает в своем начальном состоянии наличие визуального образа - набор граней из которых необходимо собрать заданную фигуру. Например, для сборки пирамиды на экран выводится набор из четырех треугольных граней не связанных между собой и разнесенных в пространстве. Для сборки куба или призмы это будет уже шесть квадратных граней. В случае призмы - шесть граней в форме прямоугольников и паралеллограммов. В самом простом случае грани, подлежащие сборки к целостному образу фигуры связаны с джойстиками, располагаемыми на одной плоскости с экраном и могут менять свое положение в зависимости от положения джойстиков. В конструкции джойстиков могут быть предусмотрены дополнительные клавиши, нажатие на которые фиксирует выбранное пользователем для граней положение. Для лучшего обзора собираемой фигуры возможно использовать для ее поворота в пространстве отдельного джойстика или включение режима непрерывного поворота фигуры вокруг некоторого центра.
После того, как пользователь соберет целостный объект задача считается выполненной. Информация о времени выполнения и особенностях действия манипуляции с гранями может быть использована как данные о результативности пространственного мышления пользователя и стратегий решения им задач такого типа.
В более сложном случае пользователь может быть вынужден самостоятельно устанавливать соответствие между гранями и джойстиками, при том, что для повторного выполнения задачи это соответствие может быть задано по другой схеме.
Возможен также вариант, когда соответствие между джойстиком и гранью усложняется тем, что некоторые джойстики могут также влиять на состояние уже установленного соотношения, но в меньшей степени. Кроме того, возможно моделирование такой физической характеристики грани, как ее масса. В этом случае прекращение воздействия джойстика на грань происходит не мгновенно, а через некоторое время, после окончания приложения усилия пользователем.
Источники информации:
1. Патент RU 168862 U1, МПК A63F 9/06. Устройство для развития пространственного мышления. Опубл. 21.02.2017.