CN109692431A - 一种双人交互式人体平衡能力评测与训练系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双人交互式人体平衡能力评测与训练系统，其结构包括信号采集模块、数据处理与显示模块、人机交互模块；信号采集模块可准确获取使用者的足底压力中心轨迹信息，基于蓝牙通信发送给数据处理与显示模块；数据处理与显示模块可记录与保存使用者的测试数据并建立其个人档案，根据已设计的人体平衡能力分析方法，自动给出人体平衡能力评价结果，并在上位机中显示；基于VR头盔与Unity设计的人机交互模块，可为使用者提供高沉浸感的虚拟现实交互游戏，实现双人交互式人体平衡能力训练与评测，从而充分调动受试者主动参与训练的积极性，有效提高人体平衡能力训练效率；本发明结构简单易用，可靠性高，具有良好的市场推广价值。

Description

一种双人交互式人体平衡能力评测与训练系统
技术领域
本发明涉及人体平衡能力评测与训练领域，具体涉及到一种双人交互式人体平衡能力评测与训练系统。
背景技术
人体平衡能力是指人体维持自身稳定性的能力，包括维持某种姿势的能力或受外作用力时调控机体保持平衡的能力；平衡能力是衡量人体健康程度的重要指标，与人们的日常生活息息相关，人体平衡能力越好，越能快速对突发的平衡干扰做出响应，表现出更好的平衡控制能力，因此，对人体的平衡能力进行评测具有重要的现实意义。
人体出现平衡能力障碍的原因有很多，如脑卒中、骨质疏松、脑外伤、下肢损伤等疾病，以及随着年龄的增长，相当一部分老年人出现的平衡能力障碍，我国每年都有大量患者需要进行人体平衡能力的评测与训练。
目前，国内外专门用于平衡能力评测和训练的设备一般都是面向单个使用者，训练环境单一乏味，使用者自身进行模式化的平衡训练，时间久了就会对训练环境产生厌倦，并产生抵触训练的心理，影响训练效果；在康复治疗的过程中，及时了解使用者的康复状态，制定合理的康复计划，对使用者的康复治疗具有重要的作用；因此，急需设计一套操作简单且便于移动，能够及时了解使用者的康复状态，又能充分调动使用者主动参与训练的积极性的平衡能力评测与训练系统。
针对现有的不足，本发明采用虚拟现实技术，设计了一种新型双人交互式平衡能力评测及训练系统。
发明内容
本发明的目的是针对当前人体平衡能力评测及训练系统的不足，引入虚拟现实技术，设计出一种双人交互式人体平衡能力评测与训练系统，为患有平衡功能障碍的人群提供平衡能力评测与训练服务。
本发明的技术解决方案如下：
所述系统结构包括信号采集模块，数据处理与显示模块，人机交互模块；使用者完成基于Unity设计的虚拟现实任务时，信号采集模块可实时采集人体的足底压力中心轨迹信息，以蓝牙通信方式发送给数据处理与显示模块；基于频域分析方法，数据处理与显示模块分析所得数据，给出人体平衡能力的评测结果，在上位机软件中显示，并自动记录和保存使用者的评测和训练数据，为使用者建立个人档案；人机交互模块为使用者提供高沉浸感的虚拟现实交互游戏，使用者通过游戏手柄与自身重心控制虚拟场景中物体的运动，实现双人交互式的人体平衡能力评测与训练；训练模式分为两位使用者间的对抗训练、康复医师辅助患者的康复训练、家属陪伴患者的康复训练。
所述系统的信号采集模块由两套相同的测试台构成，每套测试台由一块钢化玻璃承重板、四个压力传感器、四个测量变送器、蓝牙模块、单片机开发板、手扶护栏和钢制黑盒子组成，可实时采集人体的压力中心轨迹信息，作为评价人体平衡能力的特征参数，并通过蓝牙模块发送给信号处理与显示模块。
所述系统的数据处理与显示模块是一台装有VS2015以及Unity软件的一体式计算机，采用VS2015软件编写上位机软件，通过蓝牙通信接收COP轨迹信息，经过数据处理，自动给出人体平衡能力的评测结果，该上位机软件还能实时显示评测结果，记录和保存使用者的评测与训练数据，为使用者建立个人档案。
所述系统的人机交互模块包括一个外接式VR头盔及其配套手柄，使用者通过手柄与自身重心控制，实现双人交互式的平衡能力训练与评测。
所述系统的人体平衡能力评测与训练方案是采用基于unity自主设计的双人交互虚拟现实场景作为训练环境，通过双人完成已设计的交互式虚拟游戏任务来进行人体平衡能力评测与康复训练；其中训练模式可分为三种，即双人对抗训练，康复医师辅助患者的康复训练，患者与家属间的康复训练；这些方式可充分调动使用者主动参与训练的积极性，大大提高康复训练的效率。
本发明公开了一种双人交互式人体平衡能力评测与训练系统，优势在于：引入虚拟现实技术，克服传统平衡能力评测与训练系统训练方式单一、测试流程复杂、交互性低、容易使受试者对训练产生厌倦等缺点；采用双人交互训练模式，为使用者提供多样的、娱乐性强又具有交互性的平衡能力训练场景，充分调动使用者主动参与训练的积极性，有效提高其训练效果；同时上位机软件可记录和保存使用者的评测和训练信息，建立使用者个人档案，方便对使用者进行病例跟踪与治疗。
附图说明
图1为所述一种双人交互式人体平衡能力评测与训练系统的结构图。
图2为所述一种双人交互式人体平衡能力评测与训练系统的使用流程图。
具体实施方法
如图1所示的一种双人交互式人体平衡能力评测与训练系统，其结构包括信号采集模块(1)，数据处理与显示模块(2)，人机交互模块(3)。
如图1所示的信号采集模块由两套相同的测试台组成，每套测试台由一块钢化玻璃承重板(1-1)，四个压力传感器(1-2)，四个压力变送器，单片机开发板，蓝牙模块、手扶护栏(1-3)、钢制黑盒子(1-4)组成，能够实时采集人体的压力中心轨迹信息。
如图1所示的测试台安装方式为：四个压力传感器分别放置于钢化玻璃板下方距离边缘各5cm处，固定在钢化玻璃板下方和钢制黑盒子上方，手扶护栏焊接在钢制黑盒子上方，压力变送器、蓝牙模块、电池等配件与单片机开发板封装于一个钢制黑盒子当中。
如图1所示的手扶护栏用于防止使用者摔倒，是由七根直径为3cm的铁杆焊接而成，四根长度为1米的铁杆垂直焊接在钢制黑盒子四个角落上方，用于固定；另外三根铁杆水平焊接在四根垂直放置的铁杆上方，用于使用者抓握。
如图1所示的信号采集模块的人体重心计算方法为：
以承重踏板的中心为原点，使用者站立的正前方为x轴，左侧为y轴；
其中Fi为各个压力传感器的压力值，L为相邻两压力传感器之间的距离，(X,Y)为人体重心坐标点。
如图1所示的数据处理与显示模块采用VS2015编写上位机软件，通过蓝牙通信接收人体压力中心轨迹信息，并根据已知算法自动给出人体平衡能力的评价结果；该上位机软件还具有用户数据的记录和保存，评测结果的显示等功能，供医师查看与记录。
如图1所示的数据处理与显示模块采用Unity软件制作虚拟场景，具体包括评测场景和训练场景，均为3D虚拟现实场景，可为使用者提供高沉浸感的虚拟现实体验。
如图1所示的人机交互模块是由一款无线VR头盔(3-1)及其配套手柄(3-2)构成，头盔可显示已设计的VR场景，包括评测用场景和训练用场景，为使用者提供高沉浸感可交互的虚拟现实体验；手柄用于控制虚拟现实场景的开始、暂停、结束与紧急停止，还可用于控制场景中虚拟物体的运动；使用者通过手柄与自身重心协调控制，共同实现双人交互式的平衡能力训练与评测。
所述人体平衡能力的评测实验方案如下：使用者佩戴VR头盔，直立在平衡测试台上，周围环境相对安静，实验过程中不可有外来的人为干扰，不可弯腰驼背，双腿绷直不可弯曲，双手自然下垂，五指并拢放于裤缝上，双手不可随意摇摆，保持重心稳定，VR头盔中播放白天和黑夜两种场景，分别记录两种场景下，人体重心移动轨迹，每个场景播放时间为30秒。
所述系统的人体平衡能力评价指标采用人体COP轨迹特征的频域分析方法给出，将频率范围划分为0.02-0.2Hz、0.2-2Hz、2-10Hz，以低频段(0.02-0.2Hz)的功率谱密度百分比作为评价指标,已知人体重心到坐标原点的距离为功率谱密度是信号f(t)在时间区间(-∞,+∞)的平均功率，用F表示，功率谱密度函数为：
其中，FT(jw)是fT(t)的傅里叶变换，则低频段功率谱密度百分比，记为P，可表示为：
已知正常群体的P值均值约为126.8，据此标准划分优、良、中、差四个平衡能力等级，P值在80以下和170以上记为差，P值在80-90和160-170之间记为中，P值在90-110和140-160之间记为良,P值在110-140之间记为优。
所述人体平衡能力训练方案如下：使用者佩戴VR头盔，选择相应的训练场景及训练时长，训练场景多样，如使用手柄控制的双人击剑场景和使用人体重心控制的双人赛车场景等，使用者两人为一组，每天训练1-2个小时，达到训练时长后完成平衡能力测试，直到使用者平衡能力测试结果为优或良，停止最终康复训练；使用者可根据自身需求，选择与平衡能力相近的患者进行对抗训练、与医师进行康复训练、与家人进行康复训练等训练模式。
具体实施例
使用本系统时，先由医师在上位机软件中输入使用者姓名，上位机软件会自动为使用者建立个人档案，医师选择评测模式或训练模式，并提示使用者佩戴好VR头盔，使用者直立于测试台上。
当医师选择测试模式，打开测试场景时，VR头盔会显示测试用场景，使用者使用手柄点击开始测试，播放测试场景，分别为白天场景与黑夜场景，使用者直立于测试台上，每个场景要求使用者静止站立30s，使用者完成测试任务之后，上位机软件自动记录和保存使用者测试过程中的压力中心轨迹信息，结合已设计的人体平衡评测方法，经过数据处理，给出人体平衡能力评测结果，显示在上位机界面当中，并保存于使用者个人档案信息中。
当医师选择训练模式时，VR头盔中播放训练场景，有多个训练场景可供选择，如使用手柄控制的双人击剑场景和使用人体重心控制的双人赛车场景等，训练场景是双人交互场景，训练时，两位使用者同时站在测试台上，佩戴好VR头盔，如医师在上位机中选择了双人赛车场景及7天的训练时长，使用者双方VR头盔中就会播放相同的训练场景，由使用者使用手柄点击开始，两位使用者便可在高沉浸感的虚拟现实场景中使用自身重心控制赛车模型运动，在虚拟现实场景中进行双人赛车比赛，从而训练使用者在双人交互场景中的平衡能力，充分调动患者主动参与训练的积极性；每天训练1-2个小时，当达到训练时长后完成平衡能力评测，直到使用者平衡能力评测结果为良或优，停止最终康复训练；使用者也可根据自身需求进行选择，如与平衡能力评测结果相近的使用者进行对抗训练，与康复医师进行康复训练、与家人进行康复训练等训练模式。
在训练结束后，关闭电源，使用者离开测试台，并摘下VR头盔，将所有设备放置在安全位置，最终完成整个训练及评测过程。
以上显示和描述了本发明的基本原理、实施过程和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.本专利公开了一种双人交互式人体平衡能力评测与训练系统，其结构包括信号采集模块，数据处理与显示模块，人机交互模块，其特征在于：信号采集模块由两套相同的测试台构成，每套测试台由一块钢化玻璃承重板，四个压力传感器，四个压力变送器，单片机开发板，蓝牙模块，手扶护栏和钢制黑盒子组成，四个压力传感器分别放置于钢化玻璃承重板下方距离边缘各5cm处，固定在钢化玻璃承重板下方和钢制黑盒子上方，压力变送器、蓝牙模块、电池等配件与单片机开发板封装于一个钢制黑盒子中；手扶护栏用于防止使用者摔倒，由七根直径为3cm的铁杆焊接而成，四根长度为1米的铁杆垂直焊接在钢制黑盒子四个角落上方，用于固定，另外三根铁杆水平焊接在四根垂直放置的铁杆上方，用于使用者抓握；数据处理与显示模块是一台一体式计算机；人机交互模块是由无线VR头盔及其配套手柄构成，头盔用于显示已设计的虚拟现实场景，手柄用于控制虚拟现实场景的开始、暂停、结束与紧急停止，还可用来控制场景中虚拟物体的运动；使用者完成基于Unity设计的虚拟现实任务，信号采集模块可实时采集人体的足底压力中心轨迹信息，以蓝牙通信方式发送给数据处理与显示模块；基于频域分析方法，数据处理与显示模块分析所得数据，对人体的平衡能力进行评价，在上位机软件中显示评价结果，并自动记录和保存使用者的评测和训练数据，为使用者建立个人档案；人机交互模块为使用者提供高沉浸感的虚拟现实交互游戏，使用者可通过游戏手柄或自身重心控制虚拟场景中物体的运动，实现双人交互式的人体平衡能力评测与训练，从而充分调动使用者主动参与康复训练的积极性，有效提高其训练效率。
2.权利要求1所述的双人交互式人体平衡能力评测与训练系统的训练方案，其特征在于：两位使用者分别站在两个测试台上，并佩戴VR头盔，每位使用者通过手柄与自身重心协调控制，完成基于Unity 设计的双人交互式虚拟现实游戏，实现双人交互式的人体平衡能力训练；训练模式可分为两位使用者间的对抗训练、康复医师辅助患者的康复训练、家属陪伴患者的康复训练三种模式。
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