CN101801471B - 训练方法和用于实施所述方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及训练的方法和用于实现训练方法的装置，可被用于学习和/或发展动作技能、固定动态套式并用于训练动作协调。本发明的目的是，在训练的过程中向受训者提供在线校正触觉反馈，并通过使动作尽可能接近基准动作改善动作的技术和速率。本发明的训练方法包括：当学习动作时将所述动作数字化；将其与基准动作的数字化模式进行比较；以及如果受训者偏离基准动作，那么由所述受训者接收用于在线校正所述动作的触觉反馈(触觉作用)。本发明的装置包括用于在线动作数字化的传感器、用于将由此获得的数字化动作与基准动作(由专家规定或在计算机上被模拟)进行比较以控制触觉反馈元件的计算机、和用于执行校正作用的所述触觉反馈元件。

Description

训练方法和用于实施所述方法的装置
技术领域
本发明涉及训练，并且可被用于学习和/或发展动作技能、固定动态套式(stereotype)并用于训练动作协调。
本发明可适用于练习不同的运动、格斗运动、舞蹈中的动作，适用于训练竞赛中的戏剧演员、芭蕾舞舞蹈演员、马戏表演者等。
背景技术
许多活动需要以变化的程度处理特定的动作技能。这些活动可包含舞蹈、运动、武术、戏剧、哑剧和戏剧活动等。用于学习动作技能的生理学基础包括在在CNS中训练动作的开始阶段在调节不同的肌肉和器官的活动的神经中心之间形成不稳定的暂时链接。在后面的阶段，这些链接被区分并被巩固。
常规上，发展动作技能分为三个阶段。
第一阶段的特征在于，当学习新的动作时，物理动作协调性差并且在技术上效率低。
神经系统的某些中心的兴奋的集中是发展所述技能的第二阶段的基础。
发展所述动作技能的第三阶段是动作的自由性、高度的协调性及其稳定性。
通过以严格限定的序列多次执行练习，产生动态套式。产生动态套式需要长时间的辛苦训练。执行动作技能的稳定性与其掌握程度非常密切地相关。作为其它的条件反射，动作技能在开始时是不够稳定的，但是在将来变得更加稳定。它们的结构中的技能越简单，他们就学得越快。受训者在学习结构复杂的动作的开始阶段的主要问题是，用于产生正确的动态套式的、身体的所有部分在练习动作的过程中的协调性。
在学习一个或另一个动作的过程中，通常的实践是在训练者的引导下对它的多次重复，该训练者校正身体的不同部分的动作轨迹，目的是获得在技术上完美的表演。在动作套式固定后，逐渐掌握执行动作的速率和自由度。显然，用该方法达到成功主要取决于训练者的能力和精熟度(mastery)。并且，对于具有一个训练者的有限数量的受训者，该方法是有效的，随着组中的受训者的数量增大，利用训练者的训练效率下降。
业界已知用于学习运动动作并改善动作的技术的视频分析系统(例如，SiliconCoach Company的方案)。视频分析系统使用运动员的视频记录来分析其动作的不同阶段(轨迹、角度和速率，参见http://www.acrosport.ru/items/zifrovietehnologii/video.htm)，并且将受训者的动作与专业运动员的动作进行比较以对他们进行校正。
本发明的方法的最接近时类似物是从申请118No.2002/0077189，cl.A63B 67/02，2002获知的训练方法和用于实施所述方法的装置。
已知的训练方法包括：当学习动作时将所述动作数字化；将其与基准动作的数字化模式进行比较；以及，如果受训者在在所述动作中受控的身体的一些部分内偏离基准动作，那么由所述受训者接收在线校正身体的相关部分的动作的触觉信号。
已知的装置包括用于受训者的身体部分的在线动作数字化的传感器、用于将由此获得的数字化动作与基准动作进行比较的计算机、和用于在线执行在所述动作内涉及的身体的各部分的动作校正的触觉反馈元件。
发明内容
本发明的目的是，在训练中向受训者提供在线校正触觉反馈、并通过使动作尽可能接近基准动作而改善动作的技术和速率。本发明的训练方法包括：在学习动作时，将所述动作数字化，将其与基准动作的数字化模式进行比较，以及，如果受训者偏离基准动作，那么由所述受训者接收用于在线校正所述动作的触觉反馈(触觉作用)。
根据本发明的另一实施例，用于实现所述训练方法的本发明的装置包括：用于动作数字化的传感器、用于将由此获得的数字化动作与基准动作进行比较的计算机、和用于在线校正受训者的动作的触觉反馈元件。
基准动作模式可由使用一些记录设备的本领域技术专家(例如，运动员)规定，或者通过计算机被模拟。
附图说明
通过图形表示说明所要求保护的本发明，所述图形表示显示：
图1是学习动作的过程中的校正触觉作用的例子；
图2是肢体超出可允许的偏离带时的训练模拟器的动作的例子的示图；
图3是受训者的身体上的移动传感器和反馈元件的可能的位置；
图4是肢体上的反馈元件的振动变体的可能的位置。
具体实施方式
可通过以下的例子说明训练方法。
当学习武术时，初学者的最常见的错误中的一种是，当用一个胳膊实施打击时，他们忘记另一个胳膊应提供面部保护。在图1(1～3)中示出另一个胳膊在实施打击的过程中的正确位置。当实施打击时，新手运动员常常放低另一个胳膊(图1(5))。在这种情况下，一旦提供保护的胳膊放得低于临界点，那么反馈元件的触觉信号就从手的下侧致动，从而使得胳膊返回正确的位置(图1(5～6))。
如果在学习动作时受训者的身体的一部分或另一部分从规定的轨迹(参见图2(1))超出可允许的偏离带，那么受训者通过接通出现临界偏离的区域中的触觉反馈元件接收关于它的信号(参见图2)。由此，可从朝其出现所述偏离的一侧馈送信号(如同一会儿就将身体的一部分“推”出禁止的区域(图2(2))，或者从身体的所述部分应返回的一侧馈送信号(如同将其“拉”入)。这实际上使得能够在训练的过程中在专家(训练者)最少介入或者根本不介入的情况下立即校正受训者的整套动作。触觉作用的强度取决于偏离率，该偏离率随着偏离的增大而增大。
可通过传送身体的一个或另一部分从规定的轨迹的触觉偏离信号获得身体的所有部分的协同工作。集中注意腿部的动作的受训者不会再忘记关于胳膊的位置，因为触觉信号会提醒他就在那儿的偏离。
通过声音、视觉或触觉信号(背景音乐、以一定的步幅(pace)重复的单一声音信号、视频序列、光指示器闪烁、周期性振荡等)设定动作的步幅。
实施训练的变更方式：
1.与视频课程组合-由视频序列规定要被重复的动作，基准动作的数字化模式是事先产生的并被装入视频课程中；
2.与个人计算机(PC)软件组合。此变更方式使得能够将设定动作的视频序列(在PC监视器上)和基准动作的数字化模式同步，以保持统计数据并在PC屏幕上执行动作的分析；
3.当受训者将他自身执行的动作设为基准动作时，自主地实施。
4.当由一个人(例如，训练者)在线规定的动作变为另一人/其它人的基准时，在组中实施。因此，可以组织处于一个房间中或远离的人们的联合训练(通过电信技术)。对于训练者来说，进行正确的动作就够了-受训者的动作的所有错误将立即通过触觉被校正。
5.与虚拟现实联合体(complex)组合，以将一些差异性带入训练中并使受训者更深入地沉浸于训练过程中。
为了实现所述的技术结果，本发明的装置(也称为“训练模拟器(TRAINING SIMULATOR)”)包括用于在线动作数字化的传感器、用于将由此获得的数字化动作与基准动作(由专家规定或者在计算机上被模拟)进行比较以控制触觉反馈元件的计算机、和用于执行校正作用的所述触觉反馈元件。
训练模拟器可包含以下的主要元件：
-用于动作数字化的受训者的身体部分的空间移动传感器，所述空间移动传感器可以是例如视觉、磁、机械传感器，微机械加速计，陀螺仪，其它类型的确定身体部分的空间位置的传感器，或它们的组合。传感器的某些附着点、它们的数量和构成取决于所研究的动作的具体情况。
-可以使用提供触觉作用的例如振动、热元件、电流放电、其它元件的触觉反馈元件。反馈元件作用的某些点、它们的数量和构成取决于所执行的动作的具体情况。
-需要例如基于袖珍式PC、不可移动的PC所实现的、或被实现为专用装置的计算机(计算单元)，以处理来自移动传感器的信号、将传感器信号转换成数字化动作模式、将基准动作与用户的动作进行比较，控制反馈元件，等等。
-为了存储受训者的动作以供进一步的使用(作为基准动作模式、用于借助于计算设备进行分析，等等)，可以使用存储关于正学习的动作的基准模式的信息的存储单元，如果在训练者执行动作并且受训者重复它的条件下实施训练，那么它是可选的-在此情况下，训练者的数字化动作作为基准动作模式在不存储的情况下立即传向受训者的训练模拟器；
-用于在训练模拟器元件、几个训练模拟器之间以及在训练模拟器和外部设备之间传送信息的数据总线(有线的或无线的，例如，通过蓝牙技术或利用Microchip rfPICTM芯片)；
-用于训练模拟器的电源(例如，蓄电池)，可为对于所有的训练模拟器元件的单个电源，也可为对于各元件/元件组的单独的电源。
以上给出的训练模拟器部件的列表是大概的，因为可存在多种训练模拟器集成变更方式并且它取决于要学习的动作的详细情况和提供训练材料的机构。因此，训练模拟器可包含脚上的压力的传感器、和将脚上的压力的过剩和缺少信号化的元件、使训练模拟器与可用作用于训练视频序列的屏幕的个人计算机同步化的机构、和对训练模拟器提供扩展其服务功能和更舒适的工作的其它部件。
利用训练模拟器的操作算法如下：
1.借助于专用的软件产生或从专家的身体取得动作技术的基准模式(直接通过使用训练模拟器或没有反馈元件的其简化的变更方式；利用其它可用的手段和方法)。
2.通过一些手段或其它手段在第一阶段构建的移动模式被传送到与受训者的训练模拟器的计算机单元耦合的存储单元。
3.受训者重复例如由视频序列规定或由教师演示或以任何其它可用的方式呈现的正学习的动作。
4.训练模拟器通过移动传感器描绘(trace)受训者的动作并将它们与在阶段1获得的基准动作进行比较。放置传感器和反馈元件的最方便的区域是关节(joint)区域，但其它的放置变更方式也是可以的。
5.关于掌握动作的水平，可以规定所谓的“自由区域”(或“偏离带”图2(1))-训练模拟器不响应基准动作和受训者的动作之间的差异的区域。
6.当一个或另一个传感器的动作的轨迹偏离基准动作到不能容许的程度时，训练模拟器借助于反馈元件关于它进行信号化，所述反馈元件限定出现所述偏离的区域并且使得受训者在执行动作的过程中校正动作。
7.在学习动作的开始阶段，训练模拟器可以在足够大的限度内不响应偏离，但是，随着动作被掌握，自由区域可减小，并且，作为结果，训练模拟器逐渐地校正从基准动作的较小的偏离。
8.在训练的过程中，可以记录受训者的动作的三维模式以供进一步的分析和将它与PC监视器上的基准动作进行比较。
9.训练模拟器的实现可提供在训练的过程中通过在一个训练模拟器上记录动作而存储动作模式并将它作为基准动作传送到另一训练模拟器的机会。
10.在训练模拟器包含“动作记录”条件的情况下，用户可在对于选择的活动(舞蹈、哑剧、武术等)搜索最适合的动作时使用训练模拟器，对于记录动作接通它。并且，可通过在训练条件中放置训练模拟器恢复(recover)所执行的动作。
11.为了分析执行一个或另一个高步幅动作的精度(当在物理上不可能及时地响应训练模拟器信号时)，可以为了进一步的分析记录快速的动作。
根据要求，这里描述了本发明的详细的实施例；但是，应当理解，所描述的实施例仅是本发明的可能的实施例，能够不同地实现本发明。因此，这里描述的具体结构和功能细节不应被解释为限定权利要求，而仅应被解释为权利要求的基础。
另外，这里使用的术语和短语意图不在于限定本发明，而是要提供对本发明的可理解的描述。
对于本领域技术人员来说，显然可以以硬件、软件或它们的组合实现本发明的部分。可以在包含光盘、硬盘驱动器、带子、可编程只读存储器微芯片等的各种类型的计算机可读信息介质上存储实现本发明的程序或其部分。网络电路也可暂时用作从中读取符合本发明的原理的程序的计算机可读信息介质。
在优选的实施例中，与本发明对应的训练模拟器包含以下的基本元件：
-基于微机械加速计制造的受训者的身体部分的空间移动传感器。加速计正交地3件为一组地被布置在主肢体关节的区域中(图3)，并且用于设定各肢体关节的坐标。用布置在移动传感器外壳内的基于硬件的手段实施加速计数据的处理。处理结果(分别)是传向训练模拟器的计算单元以供进一步的处理的传感器坐标(和肢体)。
-触觉反馈元件，所述触觉反馈元件是单个的、或者堆积(bank)在2、3或更多个电动机的组中，在它们中的每一个的轴上附着偏心装置(eccentric)以及驱动信号处理单元。在关节区域中均匀地绕肢体(图4(2))布置电动机(图4(1))。用不同的力接通的振动元件的组合规定应移动肢体以将其返回正确轨迹的方向(图4(3))。在基本肢体关节的区域中布置振动元件(图3)。
从计算单元接收并通过硬件触觉反馈手段(means)处理指示哪个电动机应以什么速率旋转的驱动信号(以产生必要的触觉作用)；
-附着在左腕上的移动传感器和反馈元件单元包含训练模拟器控制面板。
-附着在受训者的身体上的包含存储单元的计算单元；
-根据蓝牙技术在实现的训练模拟器元件之间传送信息的数据总线；
优选的实施例中的用于描绘身体的一部分的移动传感器和触觉反馈元件被设计在一个主体(body)内，并具有共用的电源和形成记录和反馈单元的数据总线接口，该记录和反馈单元可借助于“钻(bur)”型紧固件被附着在主体上。
优选实施例中的计算单元、存储单元、数据总线接口和它们的电源被设计在一个外壳(housing)内，并且形成附着在受训者的腰带中的评价器。
在优选实施例中，训练模拟器动作如下：
通过数据总线，在训练模拟器中加载要学习的动作的基准模式。训练模拟器被附着在受训者的身体上。受训者摆出一定的初始姿势(例如，直立，两脚并齐，左臂沿身体下放，右手手指在左手的手腕上)，并且通过按压相应的控制面板键执行训练模拟器的初始化。在初始化之后，受训者采取正学习的动作的开始位置并且开始执行它。在训练模拟器控制面板上设定动作执行的开始速率。通过训练模拟器传感器描绘受训者的动作并将其与基准动作模式进行比较。如果受训者的动作不与基准模式对应，那么训练模拟器向相关的反馈单元馈送触觉反馈信号，一会儿就校正它们。如果动作被正确地执行，那么如果需要的话训练模拟器增大执行动作的速率，以逐渐增大的声音信号将速率的每一次增大信号化。如果正确地执行了所需速率的动作，那么训练模拟器用一定的声音信号将其信号化。该动作被视为学会了，可继续学习下一动作或下一组动作。
应当提到，由于类似的装置已被实现并被用于演员的移动数字化系统中，因此描绘身体部分移动的信息不涉及根本的困难。当前存在三种类型的这种系统-机械的、电磁的和光学的(例如，X-ISTRealtime Technologies GmbH、Ascension Technology Corporation、Polhemus，Inc等公司的产品)。
触觉反馈元件的实现也不涉及困难。已经开发了类似的装置。例如，由日本研究院(Japan’s National Institute of Advanced IndustrialScience and Technology-AIST)协同Tsukuba大学设计的能够产生诸如“按、拉(traction)和摇动(jiggle)”的感觉的称为GyrocubeSensuous的界面。
在作者的观点中，为了检测轨迹的临界差异的区域以发出反馈信号而进行的身体部分的移动轨迹与基准动作的一致性的分析主要是琐碎的编程问题。
在现有技术状态设定训练模拟器元件之间的数据交换是同样琐碎的问题。
因此，可以表明实现训练模拟器没有根本的困难。可通过包括关于将使用它的学习活动的具体领域的多个具体的实施例实现训练模拟器。
虽然已描述和示出了本发明的优选实施例，但显然本发明不限于它。在不脱离根据以下的权利要求所确定的本发明的本质和范围的情况下，本领域技术人员可以识别多种修改、改变、变更、替换和等同物。

Claims (34)

1.一种用于在训练中向受训者提供在线校正触觉反馈的方法，所述方法包括：当学习动作时将所述动作数字化；和
将其与基准动作的数字化模式进行比较，其中对于所述动作设置偏离带，所述偏离带包含对于所述动作规定的偏离操作阈值；以及，其中所述方法还包括：如果受训者的身体部分的空间动作偏离超过基准动作的偏离操作阈值，那么接通触觉反馈元件并且由所述受训者接收用于在线校正所述受训者的身体的相关部分的空间动作的触觉信号，其中所述触觉信号是由绕受训者的身体的相应部分布置的多个触觉反馈元件对于身体的所述部分提供的，从而，在使用中，被接通的触觉反馈元件的组合在超过偏离操作阈值的身体部分侧或相反侧提供触觉反馈信号。
2.根据权利要求1的方法，其中，通过将专家的动作数字化获得基准动作的模式。
3.根据权利要求1的方法，其中，通过计算机模拟获得基准动作的模式。
4.根据权利要求1的方法，其中，通过将受训者自己的动作数字化获得基准动作的模式。
5.根据权利要求1的方法，其中，减小阈值偏离值，直到动作被掌握。
6.根据权利要求1的方法，其中，随着受训者的动作从基准动作的偏离扩大，触觉信号的强度增大。
7.根据权利要求1的方法，其中，触觉信号被馈送到倚靠正确轨迹的身体的表面。
8.根据权利要求1的方法，其中，触觉信号被馈送到最接近正确轨迹的身体的表面。
9.根据权利要求1的方法，其中，随着错误的动作的减少，动作的步幅增大。
10.根据权利要求1的方法，其中，在区段中周期性地重复要学习的动作，并且，随着错误的动作的减少，在一个区段中重复的动作的数量增大。
11.根据权利要求1的方法，其中，通过声音信号规定动作步幅。
12.根据权利要求1的方法，其中，通过光学信号规定动作步幅。
13.根据权利要求1的方法，其中，由训练者规定要被重复的动作。
14.根据权利要求1的方法，其中，通过视频序列规定要被重复的动作。
15.根据权利要求1的方法，其中，在计算机屏幕上规定要被重复的动作。
16.根据权利要求1的方法，其中，以打印的形式规定要被重复的动作。
17.根据权利要求1的方法，其中，当受训者的动作偏离基准动作时，让受训者暂停以找到此动作阶段的正确位置，然后，动作继续。
18.一种用于根据权利要求1-17中任一项实施训练方法的装置，所述装置包括用于将正学习的动作所涉及的受训者的身体部分的空间动作数字化的传感器、用于将由此获得的数字化动作与基准动作进行比较并确定何时超过基准动作的所述偏离操作阈值的计算机、和用于对于身体的一个或多个部分在线校正正学习的动作所涉及的受训者的身体部分的空间动作轨迹的绕受训者的身体的相应部分布置的多个触觉反馈元件。
19.根据权利要求18的装置，其中，对于动作数字化使用光学传感器。
20.根据权利要求18的装置，其中，对于动作数字化使用机械传感器。
21.根据权利要求18的装置，其中，对于动作数字化使用磁传感器。
22.根据权利要求18的装置，其中，对于动作数字化使用基于微机械加速计和/或微机械陀螺仪的传感器。
23.根据权利要求18的装置，其中，对于动作数字化使用基于光纤的传感器。
24.根据权利要求18的装置，其中，对于动作数字化使用利用多普勒效应的传感器。
25.根据权利要求18的装置，其中，对于动作数字化使用利用从具有已知的坐标的点到传感器的波传播时间来设定身体部分的坐标的传感器。
26.根据权利要求18的装置，其中，对于动作数字化使用光、机械、磁传感器，基于微机械加速计、微机械陀螺仪的传感器，基于光纤的传感器，利用多普勒效应用于设定坐标或从具有已知的坐标的源到传感器的信号传播时间的传感器的组合。
27.根据权利要求18的装置，其中，对于建立触觉反馈使用振动元件。
28.根据权利要求18的装置，其中，对于建立触觉反馈使用热元件。
29.根据权利要求18的装置，其中，对于建立触觉反馈使用电流放电。
30.根据权利要求18的装置，其中，对于建立触觉反馈使用借助于可膨胀元件实施压力的机构。
31.根据权利要求18的装置，其中，装置元件由有线数据总线连接。
32.根据权利要求18的装置，其中，装置元件由无线数据总线连接。
33.根据权利要求18的装置，其中，所述装置能够将动作数字化并且将其作为基准动作迅速传送到另一用于实施训练方法的装置。
34.根据权利要求18的装置，其中，所述装置包含与计算机的通信，从而使得能够将在计算机监视器上规定的动作和它们的速率与装置内的基准动作模式同步。
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