CN102294120B - 体感平衡板系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体感平衡板系统，包括：平衡板和四个支撑脚，各支撑脚分别包含一升降调节装置；平衡板上表面排列有压阻传感器，用于检测平衡板受到的压力，平衡板内部集成有信号采集模块、算法模块及控制模块，信号采集模块用于采集压阻传感器的信号，算法模块用于识别人体的站位和姿态，控制模块用于控制升降调节装置产生相应形变。该平衡板系统能精确识别人体在平衡板上的位置和姿态，并能跟随人体的动作发生相应的形变。人体操作平衡板时，压阻传感器感应到人体对平衡板的压力，算法模块计算出压力的数值及受压区域的位置和形状，从而确定人体的姿态和相对位置，同时，升降调节装置受控产生相应的形变，带动平衡板产生动感效果。

Description

体感平衡板系统

技术领域

本发明涉及一种体感平衡板系统。

背景技术

与采用按键或手摇控制杆进行操作的传统游戏不同，体感游戏是一种利用肢体的动作变化进行操作的新型电子游戏，它能够让游戏者用身体去感受游戏的过程，产生身临其境的感受。

任天堂(Nintendo)公司开发的家用游戏机Wii是目前比较流行的体感游戏，其Wii主机有一个外设，称为Wii Fit，通常由平衡板和相应的游戏软件搭配出售，可以进行滑雪、瑜伽等多种游戏和健身活动。游戏时，人站在平衡板上，平衡板通过四个支撑脚内的压力传感器检测人体在游戏过程中由于姿势的变化对平衡板产生的不同压力，得到人体重量、平衡状态和重心位置等各类数据，然后，通过无线方式与Wii主机进行通信，控制游戏人物的动作，通过与Wii主机连接的显示屏幕，例如电视机，显示游戏的情景。

上述Wii Fit平衡板系统由于只在4个支撑脚上设置了普通的压力传感器，因此，压力检测范围有限，只能确定人体的重心位置，而无法精确识别出人体的姿态以及相对于平衡板的位置，如果人两脚跨立的间距很大或者两脚并拢，该平衡板系统就无法准确识别出人体真正的姿态。例如，瑜伽游戏中，当Wii主机要求练习者以单腿站立的姿势站在平衡板一侧时，练习者却偷懒，以双腿并拢的姿势站立在平衡板的一侧，该平衡板系统就无法识别出练习者这一错误的姿态，如此就无法达到健身的目的。此外，该平衡板只能放在平面上相对静止地玩游戏，不能跟随人体的动作发生相应的形变，因此，其“体感”更多的是人通过视觉感受，即通过显示屏幕看到自己对平衡板操控的效果，来体会的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种体感平衡板系统，它可以精确识别人体在平衡板上的位置和姿态，并能跟随人体的动作发生相应的形变。

为解决上述技术问题，本发明的体感平衡板系统，包括：

一块平衡板，该平衡板的上表面排列有压阻传感器，用于检测平衡板受到的压力，平衡板内部集成有信号采集模块、算法模块及控制模块，信号采集模块用于采集压阻传感器产生的信号，并传递给算法模块，算法模块用于识别人体在平衡板上的站位及动作姿态，并将动作识别数据传递给控制模块，控制模块用于控制平衡板底部四个支撑脚的升降调节装置；

四个支撑脚，位于平衡板底部，分别包含一个升降调节装置，用于改变平衡板与放置该平衡板的平面之间的距离。

所述信号采集模块将压阻传感器划分为4×4，即16个压阻传感器为一个单元，按照单元采集信号，以提高识别的速度和准确性。

所述算法模块内预先设置有一动作库，用于识别人体的动作。

所述算法模块通过对压阻传感器检测到的压力范围进行分析，计算出平衡板上受力区域的形状、大小和位置，并据此确定人体在平衡板上的站立位置及脚部的姿态。同时，算法模块还可以通过计算每个受力区域的几何中心所受到的合力，进一步计算出人体在平衡板上的重心位置。这些姿态识别数据与动作库中的数据比对，就可以识别出人体可能的动作姿态。

所述升降调节装置为电磁铁、杠杆或者齿轮。

所述平衡板内置有蓝牙通讯模块，用于平衡板系统与主机之间进行无线通讯。该平衡板可以同时内置扬声器和麦克风，用于网络游戏时，游戏者之间进行实时通话；还可以内置音效模块，使游戏的部分声音效果通过平衡板产生出来，以使游戏更加逼真。

与现有的平衡板系统相比，本发明的体感平衡板系统具有下列有益效果：

1、通过在平衡板上表面排布压阻式压力传感器阵列，扩大了压力检测的范围，提高了检测的精细度，平衡板上表面任何一个区域受到的压力都能够被检测出来，从而使得本发明的体感平衡板系统不仅能计算出人体的重心位置，而且能精确识别出人脚踩在平衡板上的位置及踩下区域的形状和大小，避免了在某些游戏情境下对人体姿态的错误判断。

2、通过在四个支撑脚内增加升降调节装置结构，使平衡板系统能跟随人体动作发生相应的形变，产生动感，并同时对人体产生不同的反作用力，使游戏者真正体会到“体感”的效果，从而提升了用户的体验。

3、通过内置的蓝牙通讯模块、音效模块、扬声器和麦克风，使游戏的部分音效能够通过平衡板来产生，从而丰富了游戏的音效，增强了游戏的真实性；此外，网络游戏时，游戏者能够进行实时对话交流，也能增强游戏的趣味性。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的体感平衡板系统未发生形变时的外观示意图；

图2是本发明的平衡板上表面压阻传感器阵列的示意图；

图3是本发明实施例的升降调节装置结构示意图；

图4是本发明的信号处理流程示意图；

图5是本发明的平衡板在人体自然站立时的受力区域映射示意图；

图6是本发明的平衡板在人体前倾站立时的受力区域映射示意图；

图7是本发明的体感平衡板系统发生形变后的外观示意图。

图中附图标记说明如下：

1：平衡板                      11：平衡板上表面

111：压阻传感器                2：支撑脚

20：升降调节装置               21：带空心止座的端面

22：线圈                       23：铁芯

D1、D2、D3、D4：受力区域

具体实施方式

为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合图示的实施方式，详述如下：

请参阅图1至图3，本发明的体感平衡板系统，主要包括平衡板1和四个支撑脚2。

平衡板1的上表面11排列有压阻传感器111阵列。压阻传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器，当其受到压力时，粘贴在传感器表面的硅膜片产生肉眼根本察觉不到的极微小应变，硅膜片原子结构内部的电子能级状态发生变化，导致电阻率变化，从而使电阻出现极大的变化，通过测量电路把电阻变化转换为正比于力变化的电压信号输出，通过测量电信号，就可以测得压阻传感器受到的压力。

平衡板1的内部集成有信号采集模块、算法模块和控制模块。算法模块中包含有一个动作库，该动作库是根据压阻传感器在平衡板上表面排列的状况以及各种人体动作下压阻传感器产生的压力值而预先设置的。

支撑脚2，位于平衡板1的底部，各支撑脚2内分别有一升降调节装置20，该升降调节装置20可以是电磁铁、杠杆或者齿轮。当采用杠杆或者齿轮等机械传动装置作为升降调节装置时，需要同时配置一电动机。在本发明的较佳实施例中，如图3所示，采用直流电磁铁作为升降调节装置20。

请参阅图4，使用本发明的体感平衡板系统进行游戏或者健身时，游戏者根据主机通过显示屏幕显示出来的游戏情景及操作提示，在平衡板1上进行相应的动作，游戏者的脚踩到平衡板1的哪个区域，分布在平衡板1上表面11相关区域的压阻传感器111就会受到压力，产生感应信号，游戏者改变动作和姿态，压阻传感器111的感应信号也发生相应的变化。

压阻传感器111的感应信号由信号采集模块进行采集和初步处理。在本发明的较佳实施例中，信号采集模块将压阻传感器阵列划分成4×4，即16个压阻传感器为一个单元，按照单元进行信号采集和处理，如此可以提高识别的速度和准确性，识别出更加细微的动作。

信号采集模块采集到的信号经I/O口传递给算法模块，算法模块对信号进行滤波，例如采用插值滤波的方法，去除噪声，使信号更加连贯平滑，然后计算出各个压阻传感器111所受压力的数值，再根据这些压力数值的大小及其在平衡板1上的分布情况，计算出平衡板1上被人体施压的区域，以及受力区域的形状和大小，从而识别出人体在平衡板1上站立的位置和脚部踩下区域的形状大小，同时，算法模块计算每个受力区域的几何中心受到的合力，并以此为基础，计算出人体的重心位置。以游戏者在平衡板上自然站立的姿态为例，在这种姿态下，人体的重力会集中在两只脚的脚掌(脚趾划归到脚掌部分)和脚跟，算法模块根据平衡板上各部位所受压力的数值，计算出人体脚部受力区域在平衡板上的映射图，如图5所示，该映射图上的D1、D2、D3和D4四个区域即平衡板的受力区域，其中，D1和D3对应于两脚掌，D2和D4对应于两脚跟，据此可以确定游戏者在平衡板上的站立位置以及脚部踩下区域的形状大小；同时，算法模块计算出D1、D2、D3和D4各区域的几何中心受到的合力，分别为∑F1、∑F2、∑F3、∑F4，以确定4个力点，人体重力G＝∑F1+∑F2+∑F3+∑F4，由此即可确定人体的重心位置。当人体运动时，脚部受力区域在平衡板上的映射会发生相应变化，如图6所示，人体前倾并双脚站立姿态下的映射图，与图5人体自然站立时的不同；同时，∑F1、∑F2、∑F3、∑F4四个力点的位置和大小也会发生相应的变化，即人体重心位置亦会改变。将这些数据送入动作库，与动作库中的数据进行比对，即可识别出人体的动作以及动作的幅度和方向等，判断操作者的动作是否正确，是否合乎游戏的要求。

接着，算法模块把动作识别的数据传输给控制模块，控制模块据此改变电磁铁线圈2中电流的大小，推动或拉紧控制升降调节装置20的铁芯23，使平衡板1与放置该平衡板1的平面(例如地面)之间的距离发生相应的改变，如图7所示，从而使平衡板1产生前、后、左、右全方位的动感。此处，若采用杠杆或者齿轮等机械传动装置作为升降调节装置，则由控制模块将指令传给电动机，电动机带动机械传动装置使平衡板发生相应的倾斜等变化，但是，采用杠杆或者齿轮等机械传动装置作为升降调节装置的缺点是比较容易损坏，而且不如使用电磁铁的升降调节装置推拉力度大，反应快。

平衡板系统在自身发生形变的同时，对其上的操作者也会有反作用力产生，游戏不同，或者操作者的动作不同，操作者受到的反作用力也不同，从而使操作者能够体会到真正的“体感”，增加游戏的乐趣。

为了增强平衡板系统的功能，平衡板1可以内置蓝牙通讯模块、音效模块、麦克风和扬声器。蓝牙通讯模块用于实现平衡板和主机之间的无线通讯。通过蓝牙通讯模块，主机可以将游戏中的部分声音需求传给平衡板1的音效模块，由音效模块再传给扬声器发出声音，比如进行跑步、滑雪等游戏时，平衡板就会有声音发出。而目前市售的平衡板是不具有音效的，其音效大部分是通过显示装置，如电脑、电视发出，小部分是通过手柄发出的。显然，声音从平衡板发出，比从显示器发出，给游戏者的感觉更加真实，更能提升游戏的乐趣。另外，当游戏者进行网络游戏时，通过蓝牙通讯模块、麦克风和扬声器，还可以和不在一处的网络游戏伙伴实时对话，如此，游戏者即使一个人在家，也能够感受到和朋友一起娱乐的乐趣。

综上所述，本发明的体感平衡板系统，不仅能够准确识别人体在平衡板上的站位和姿态，而且能够让游戏者体验到更真实的“体感”效果，相比目前已有的平衡板，具有显著的进步。

Claims (10)

1.一种体感平衡板系统，其特征在于，包括一块平衡板和四个支撑脚，其中：

四个支撑脚位于平衡板底部，分别包含一个升降调节装置，用于改变平衡板与放置该平衡板的平面之间的距离；

平衡板的上表面排列有压阻传感器，用于检测平衡板受到的压力，平衡板内部集成有信号采集模块、算法模块及控制模块，信号采集模块用于采集压阻传感器产生的信号，并传递给算法模块，算法模块用于识别人体在平衡板上的站位及动作姿态，并将动作识别数据传递给控制模块，控制模块用于控制平衡板底部四个支撑脚的升降调节装置。

2.如权利要求1所述的体感平衡板系统，其特征在于：所述信号采集模块将压阻传感器划分为4×4即16个压阻传感器为一个单元，按照单元采集信号。

3.如权利要求1所述的体感平衡板系统，其特征在于：所述算法模块内预先设置有一动作库，用于识别人体的动作。

4.如权利要求1所述的体感平衡板系统，其特征在于：所述算法模块通过对检测到的压力范围进行分析，计算出平衡板上受力区域的形状、大小和位置，据此确定人体在平衡板上的站位及脚部姿态。

5.如权利要求4所述的体感平衡板系统，其特征在于：所述算法模块通过计算每个受力区域的几何中心所受到的合力，进一步计算出人体在平衡板上的重心位置。

6.如权利要求1所述的体感平衡板系统，其特征在于：所述升降调节装置为电磁铁。

7.如权利要求1所述的体感平衡板系统，其特征在于：所述升降调节装置为杠杆或者齿轮。

8.如权利要求1所述的体感平衡板系统，其特征在于：所述平衡板内置有蓝牙通讯模块，用于平衡板系统与主机之间进行无线通讯。

9.如权利要求8所述的体感平衡板系统，其特征在于：所述平衡板内置有扬声器和麦克风，用于网络游戏时，游戏者之间进行实时通话。

10.如权利要求8所述的体感平衡板系统，其特征在于：所述平衡板内置有音效模块，用于使平衡板产生声音效果。

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