CN109935329A - 一种基于云平台的便携式人体平衡能力评测与训练系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于云平台的便携式人体平衡能力评测与训练系统,其结构包括平衡台模块、云平台模块、移动端显示模块;平衡台模块由平衡板、惯性传感器组成,用来获取姿态信息,通过无线网络将数据传输给云平台模块;云平台模块根据力矩平衡原理,求解人体地表重心变化,结合低频段功率谱密度百分比的人体平衡能力评估方法,给出人体平衡能力评测和训练结果,存储与投屏到移动端显示模块的手机端,供使用者和医师实时查看数据;基于手机端的虚拟现实游戏设计,实现人体平衡能力的评测与多模式的康复训练,充分调动使用者主动参与训练的积极性,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
技术领域
本发明涉及人体平衡能力评测与训练领域,具体涉及到一种基于云平台的便携式人体平衡能力评测与训练系统。
背景技术
人体平衡能力是评价身体素质的一种重要特征,即抵抗破坏人体平衡的外力,以保持全身处于稳定状态的能力;人体平衡能力训练有利于提高运动器官的功能和前庭器官的机能,改善中枢神经系统对肌肉组织与内脏器官的调节功能,保证身体活动的顺利进行,提高自我保护的能力。因此,对人体的平衡能力进行评测和训练具重要的现实意义。
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结构复杂,体型庞大,不便于移动,价格昂贵,且其多存在于医院内的康复训练科室;此外,模式化训练形式单一,缺乏趣味性,使用者长期使用后会对训练产生厌倦心理,对训练结果造成不好的影响;在训练过程中,及时掌握使用者康复状态,制定合理的训练计划,对使用者的康复治疗意义重大;因此,急需一种结构简单便携、可及时反馈使用者状态、训练模式多样化、使用户主动参与平衡能力训练的系统。
针对现有的不足,本发明设计了一种基于云平台的便携式人体平衡能力评测与训练系统。
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,设计出一种基于云平台的便携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:
所述系统结构包括平衡台模块、云平台模块,移动端显示模块;平衡台模块由平衡板、惯性传感器构成,可实时采集姿态信息,通过无线网络发送给云平台模块;基于人体平衡能力评估方法,云平台模块分析平衡台模块所得数据,在云平台上位机的虚拟游戏软件中显示,并给出人体平衡能力的评测结果,为使用者建立个人档案,自动记录和保存使用者的评测和训练数据;移动端显示模块由一部手机和一个移动端VR头盔设备组成,手机安装有基于Android Studio软件自制的移动端APP,VR头盔具有麦克风与耳机;云平台上位机游戏可投屏到手机,使用者通过自身重心控制虚拟游戏中物体运动,实现人体平衡能力的主动康复训练。
所述系统的平衡台模块由一个平衡板、一个惯性传感器构成,平衡板上安装有惯性传感器,可测得各轴向的加速度与旋转角度等姿态信息;人体站立于平衡台上保持平衡时,平衡台模块实时采集的姿态信息,通过无线网络的形式发送给云平台模块,进行数据交换与处理。
所述系统的云平台模块位于远程服务器端,服务器端由一台装有Unity软件以及IntelliJ IDEA软件的计算机组成,计算机显示器显示虚拟现实游戏,将虚拟现实游戏投屏到移动端显示模块;IntelliJ IDEA编写的上位机软件,通过网络接收惯性传感器发送的姿态信息,根据力矩平衡原理,求解人体地表重心变化,基于低频段功率谱密度百分比的人体平衡能力评估方法,自动给出人体平衡能力的评测结果,为使用者建立档案,记录和保存使用者的评测与训练数据,并供医师和使用者在移动端APP中实时查询使用者数据。
所述系统的移动端显示模块包括一部装有此系统APP的手机和VR头盔设备,通过将云平台显示器上虚拟现实游戏投屏到手机,为使用者提供高沉浸感的人体平衡虚拟现实训练游戏。
所述系统的人体平衡评测方案是基于系统开发的虚拟现实评测游戏,云平台自动记录和保存使用者从开始到结束测试的人体动态重心轨迹,结合已设计的人体平衡能力评测方法,经过数据处理,给出平衡能力评测结果。
所述系统的人体平衡训练方案是基于Unity制作的虚拟现实游戏,训练游戏有四种模式,即单人训练、多人对抗训练、康复医师辅助患者的康复训练、家属陪伴患者的康复训练;虚拟现实游戏场景有多种,如赛车、滑雪,如使用者通过控制自身重心变化,驱动虚拟现实游戏中赛车加速、减速,变换车道,躲避障碍物,实现人体平衡能力训练,充分调动使用者主动参与训练的积极性。
所述系统的移动端手机APP基于Android系统,采用Android Studio软件开发,进入APP时可选择角色,角色分为医师、训练者和家属,选择角色后输入用户名和密码进行登录;选择训练者康复训练模式,如单人训练、多人模式对抗、康复医师辅助患者的康复训练、家属陪伴患者的康复训练;使用者可以实时在手机应用上查看医师训练方案、人体平衡评测和训练情况以及在游戏中的排名;并且在进行虚拟现实游戏训练时,多位使用者之间可以通过语音进行交流,克服单独训练的乏味性;选择医师角色登陆后,可实时查看患者信息,根据系统平衡评测与训练情况,制定合理训练方案,也可与患者一起进入康复医师辅助患者的康复训练,提高训练效果;选择家属角色登录后,可与患者一起进入家属陪伴患者的康复训练,减轻使用者的心理负担,增加训练的趣味性。
本发明公开了一种基于云平台的便携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结构复杂、趣味性低、测试流程复杂等缺点;采用多种训练模式,且在进行平衡训练时可与其他训练者进行语音上的交流,充分调动使用者参与训练的积极性;同时,云平台上位机软件可记录和保存使用者的评测和训练信息,建立个人档案,使用者和医师可在移动端实时查看数据,对使用者进行病例跟踪和治疗,高效方便。
附图说明
图1为所述一种基于云平台的便携式人体平衡能力评测与训练系统的结构示意图
图2为所述一种基于云平台的便携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所示的一种基于云平台的便携式人体平衡能力评测与训练系统,其结构包括平衡台模块(1),云平台模块(2),移动端显示模块(3)。
如图1所示的平衡台模块(1)由平衡板(1-1)、惯性传感器(1-2)组成,人体站立在平衡台上时,平衡台利用惯性传感器实时采集姿态信息,通过无线网络将数据发送给云平台模块。
如图1所示平衡台的原材料是PVC塑料板材料,形状为标准球体截取的一部分,平衡板上平面为直径100公分的圆,上平面到平衡台底部为10公分,在平衡板上方标定好坐标轴;训练时,要求人体直立于平衡台平面上,通过手机APP与平衡台配对后,佩戴VR头盔设备,进行基于Unity设计的人体平衡虚拟现实游戏训练。
如图1所示的惯性传感器为九轴姿态传感器,该传感器安装于平衡板上平面的中心位置,放置方向使传感器自身坐标轴方向与平衡板标定坐标轴方向相同,该传感器可实时获取平衡板的位置与姿态信息,并采用无线通信的方式将所得数据发送给云平台模块。
如图1所示的云平台模块(2)是由一台计算机组成,计算机安装有基于Unity开发的虚拟现实游戏和使用IntelliJ IDEA编写的上位机软件,云平台模块采用无线网络接收平衡台发送的姿态数据,基于力矩平衡原理,推算出人体的重心坐标,并根据低频段功率谱密度百分比的人体平衡能力评价方法,给出人体平衡能力评价结果,实时记录和保存用户数据,可供医师和使用者查看记录;计算机显示器显示安装的用于平衡训练虚拟现实游戏软件,包括多种模式和3D虚拟现实训练场景,训练时投屏到移动端显示模块中使用者手机上,用来显示高沉浸感的虚拟现实场景。
如图1所示平衡台的人体地表重心计算方法为:
以平衡台水平放置时与地面的接触点为坐标原点,建立坐标轴,坐标轴方向与此时惯性坐标轴方向与此时惯性传感器自身坐标轴方向一致,人体地表重心在该坐标系下的坐标计算公式为:
其中X、Y是人体的重心在所建立坐标轴上的投影坐标;M物、M人分别是平衡板和人体的质量,R为平衡板对应球体的半径,h1是平衡板的重心到平衡板上平面中心位置的距离,h2是平衡板上平面中心位置到所对应球体球心的距离,其中R、h1、h2、M物为已知,α是人体的重心坐标到坐标原点的连线与X轴的夹角,β是人体的重心坐标到坐标轴原点的连线与Y轴的夹角,θ是平衡板上平面与地面的夹角,所用角度可由惯性传感器所得加速度值计算获得,以ax、ay、az为重力加速度在传感器各轴的分量,g为重力加速度,可得所用倾角的计算公式为:
如图1所示的系统的人体平衡能力评价指标采用人体重心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。
如图1所示移动端显示模块(3)由一部装有系统对应APP的手机(3-1)、VR头盔设备(3-2)组成,手机APP供使用者查看训练计划,进行多种模式下训练时进行投屏;手机APP也可供医师查看患者训练和平衡能力评测结果,并进行修改、发布训练计划;投屏时,将手机放入VR头盔设备中提供,由使用者佩戴好VR设备,显示高沉浸感的虚拟现实场景;VR头盔具有麦克风与耳机,可以实现多人训练的远程语音交流,克服单独训练的乏味性。
所述人体平衡训练方案如下:使用者打开APP,选择使用角色并登录,选择训练模式和训练游戏场景,如使用人体重心控制的多人赛车对抗游戏,点击开始后,云平台模块开始向移动端显示模块中手机进行投屏,使用者将手机放入到VR头盔设备中,佩戴好VR设备,直立于平衡台上,通过控制自身重心移动,驱动虚拟游戏中赛车模型加减速,变换车道来躲避障碍物;每次游戏训练结果按时间评价,若使用者能够在规定的游戏时间内通过终点,则训练结果记为优,若使用者在规定的游戏时间内完成了关卡的百分之八十以上,则记为良,若使用者在规定的时间内完成了关卡的百分之六十以上,则记为好,若使用者在规定的时间内完成了关卡的百分之六十以下,则记为差;训练结束后实时将数据传送到云平台模块,医师在医师端查看患者训练结果,给出评测结果,评测结果为优时,可修改训练计划或者终止训练。
具体实施例
使用本系统时,使用者应先打开APP,选择使用者角色,输入用户名和密码进行登录;登录成功以后,使用者可以选择查看由云平台返回的个人信息、评测和训练记录等数据;或者查看使用者对应医师所发布训练计划,选择云平台中基于虚拟现实游戏的评测、单人训练、多名使用者对抗模式、康复医师辅助训练模式、家属陪伴训练模式中一种模式进行人体平衡能力评测与训练;开始时,云平台虚拟现实游戏投屏到使用者手机APP中,将手机放入VR头盔设备,使用者佩戴好VR设备,直立于平衡台上。
当选择评测模式时,云平台显示测试场景并投屏到使用者手机,手机显示虚拟现实游戏测试场景,使用者佩戴好VR设备后,开始测试;使用者在虚拟场景中使用自身重心控制虚拟赛车的运动,云平台上位机软件自动记录和保存使用者开始到结束测试场景的动态重心轨迹,结合已设计的人体平衡能力评测方法,经过数据处理,给出平衡能力评测结果,并保存在使用者个人信息档案中,供医师实时在移动端查询查看。
当选择单人训练模式时,选择虚拟游戏场景,通过云平台投屏到使用者手机,使用者站到平衡板上,佩戴好VR设备后,开始人体平衡能力单人训练;每次游戏结束后,将游戏数据和训练数据上传至云平台,并保存至个人档案信息中,也可通过无线网络传输方式供医师实时在移动端查询查看。
当使用者选择多名使用者对抗模式或家属陪伴训练模式,选择使用人体重心控制的多人滑雪、多人赛车等场景,可同时选择是否在房间中通过语音进行交流;使用者和家属分别站在不同的平衡台上,均在手机APP上点击开始,在云平台虚拟现实游戏加入对抗房间,等待游戏开始后,可在高沉浸感的虚拟现实场景中使用自身重心控制人物模型或赛车运动,从而训练人体的平衡能力,并且使用者可实时查看自己和家属在游戏中的排名;每次游戏结束后,游戏数据和训练数据上传至云平台,并保存至个人档案信息中;云平台通过分析数据,进行平衡能力的评测,将评测结果传送到医师端APP,医师根据评测结果及时制定、更改适合病人的训练计划。
当医师和患者同时选择医师辅助训练模式,云平台中虚拟现实游戏会进入单人训练场景,使用者的在虚拟游戏中的视角会同时投屏到使用者和医师的手机APP中,使用者和医师分别将手机放到VR设备上,使用者站立在平衡台上;在进行医师辅助训练过程中,医师通过语音通话对患者进行指导训练,提高使用者训练效果;医师也可以手机APP查看使用者评测和训练记录,同时发布建议训练计划,使用者可根据其进行训练,提升人体平衡训练效果。
训练结束时,使用者摘下VR设备,取下手机,关闭平衡台电源并离开,人体平衡评测和训练结果和游戏数据会自动上传到云平台上位机,供医师和使用者通过手机APP进行查看,作为医师制定患者训练计划的根据;将所有设备放置在安全位置上,最终完成整个人体平衡能力评测与训练过程。
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 (5)
1.本发明公开了一种基于云平台的便携式人体平衡能力评测与训练系统,其结构包括平衡台模块,云平台模块,移动端显示模块,其特征在于:平衡台模块由平衡板、惯性传感器组成;云平台模块位于远程服务器端,用来分析平衡台模块采集到的姿态数据,给出人体平衡能力评价结果,实时记录和保存用户数据,可供医师和使用者实时查询记录,并且装有基于Unity软件设计评测和训练用的虚拟现实游戏,用于提供训练场景;移动端显示模块由一部手机、VR头盔设备组成,手机安装有基于Android Studio软件自制的移动端APP,供使用者、医师和使用者家属操作,VR头盔具有麦克风与耳机,可以实现多人训练的远程语音交流,克服训练过程的乏味性。
2.权利要求1所述的一种基于云平台的便携式人体平衡能力评测与训练系统的评测方案是基于无线通信,云平台模块设计的虚拟现实游戏可投屏到手机上,并将手机放入VR头盔中,使用者佩戴VR头盔,并直立于平衡板上,完成相应的虚拟现实任务,平衡台模块可实时采集姿态信息,以无线网络形式发送数据给云平台模块;云平台模块根据力矩平衡原理,求解人体地表重心变化,基于低频段功率谱密度百分比的人体平衡能力评估方法,给出测评结果,供医师和使用者在移动端APP上查看,并存储使用者的信息。
3.权利要求1所述的一种基于云平台的便携式人体平衡能力评测与训练系统的训练方案,其特征在于:该基于虚拟现实技术,在云平台上设计有高沉浸感的训练游戏,使用者站立于平衡台上,通过主动控制自身重心变化,来控制虚拟场景中虚拟角色的运动,实现人体平衡能力的单人训练,如虚拟场景中的赛车游戏,使用者主动控制自身重心变化,驱动虚拟赛车加减速、左右变道,躲避障碍物;每次游戏训练结果按时间评价,若使用者能够在规定的游戏时间内通过终点,则训练结果记为优,若使用者在规定的游戏时间内完成了关卡的百分之八十以上,则记为良,若使用者在规定的时间内完成了关卡的百分之六十以上,则记为好,若使用者在规定的时间内完成了关卡的百分之六十以下,则记为差。
4.权利要求1所述的云平台上开发有基于unity3D软件的训练游戏,通过无线网络方式通信,使系统可以实现单人训练、远程多人对抗训练、医生辅助患者训练以及家属陪伴患者康复训练的人体平衡能力训练模式,充分调动使用者主动参与人体平衡评测与训练的积极性。
5.权利要求1所述的移动端显示模块的移动端APP,其特征在于:通过Android Studio工具开发用于医师、使用者和患者家属使用的手机APP,用户在打开手机APP时根据自身选择不同的角色,登录到不同的用户模式(医师、使用者和患者家属),用户可查询医师发布训练计划,并可选择多种游戏模式(单人训练、多人对抗训练)来进行人体平衡能力的评测与训练;家属也可实时查看患者训练进度,选择家属陪伴患者康复训练模式,帮助患者在家中实现人体平衡能力的训练;医师也可实时查询使用者的训练记录和评价结果,修改训练计划,来提升训练效果;基于云平台,手机APP还可实现3D游戏场景显示,手机放入VR头盔后,提供高沉浸感的人体平衡虚拟现实训练场景。
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