CN105911910A - 一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法 - Google Patents

一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法 Download PDF

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刘冲
王宏
陆志国
赵海滨
颜世玉
于清文
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Abstract

本发明提供一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法，该包括头部动作检测传感器、USB‑UART信号转换器、单片机和上位机，所述头部动作检测传感器设置于人体头部额头处，所述头部动作检测传感器的输出端连接单片机的输入端，所述单片机的串口连接USB‑UART信号转换器的串口信号端，所述USB‑UART信号转换器的USB端连接上位机的USB输入端；该系统可以采集人体头部动作，并将采集到的动作转换为对计算机按键的响应事件，可以实现通过颈部运动来控制颈椎锻炼应用程序的目的，具有成本低、结构比较简单、使用方便的优势。系统使用的传感器原理、结构简单容易实现，且所用电子器件数量较少。

Description

一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法
技术领域
本发明涉及人体颈椎运动锻炼技术领域，具体涉及一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法。
背景技术
随着计算机的大量普及，长时间静坐在计算机前工作与学习成了颈椎病发作的主要原因。颈椎病虽然比较常见，但却是一种疑难杂症，轻者会导致患者头、颈及肩等部位的酸痛，重者会使患者卧床不起，由此可见，颈椎病给患者带来的危害是非常严重的。
对于颈椎病的防治，关键在于日常的预防锻炼，只有平时多注意预防并加强自身防护和颈部功能锻炼，增强全身肌群的协调性，才能达到预防颈椎病的发生。目前颈椎的锻炼手段主要是一些颈椎运动操(多为头部仰/俯运动)，然而，由于做这些运动操过于单调等原因，使得人们往往忘记或者不喜欢做，极容易使运动操做的不连续，预防效果不好。因此，亟需一种能够提起人们兴趣的方法来增加颈部运动操的趣味性，达到帮助使用者持续进行颈部锻炼的目的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法。
本发明的技术方案是：
一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统，包括头部动作检测传感器、USB-UART信号转换器、单片机和上位机；
所述头部动作检测传感器设置于人体头部额头处，所述头部动作检测传感器的输出端连接单片机的输入端，所述单片机的串口连接USB-UART信号转换器的串口信号端，所述USB-UART信号转换器的USB端连接上位机的USB输入端；
所述头部动作检测传感器，用于实时检测人体头部的动作，得到输出电信号；
所述单片机，用于接收头部动作检测传感器的输出电信号，根据该输出电信号的有无判断头部动作是否发生，当头部动作发生时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口；
所述USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源；
所述上位机，用于根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
所述上位机安装有颈椎运动锻炼单元，包括键盘虚拟码设定模块、接口模块和颈椎运动锻炼模块；
所述键盘虚拟码设定模块，用于设定头部不同动作的数据对应的键盘虚拟码；
所述接口模块，用于识别接收的数字信号对应的头部动作，并将该动作对应的键盘识别码传送至颈椎运动锻炼模块；
所述颈椎运动锻炼模块，用于设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
所述头部动作检测传感器采用槽型光电传感器内部放入遮光球实现。
采用基于人机接口的颈椎运动锻炼系统进行控制的方法，包括以下步骤：
步骤1：在人体头部进行动作时，头部动作检测传感器实时检测人体头部的动作，得到输出电信号；
步骤2：当单片机接收到头部动作检测传感器的输出电信号时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口；
步骤3：USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源；
步骤4：上位机根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法，该系统可以采集人体头部动作，并将采集到的动作转换为对计算机按键的响应事件，可以实现通过颈部运动来控制颈椎锻炼应用程序的目的。本系统具有成本低、结构比较简单、使用方便的优势。系统使用的传感器原理、结构简单容易实现，且所用电子器件数量较少。系统由计算机USB端口供电无需外接电源，能够将颈椎运动操作与计算机游戏控制结合在一起，增加了颈部运动操的趣味性，有利于颈椎病的预防。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中基于人机接口的颈椎运动锻炼系统的结构示意图；
图2本发明具体实施方式中头部动作检测传感器的结构原理图；
(a)为遮光球未遮挡投光器的原理图；
(b)为遮光球跳起并遮挡投光器的原理图
图3本发明具体实施方式中使用头部动作检测传感器进行检测时采集到的信号波形图；
图4为本发明具体实施方式中单片机与头部动作检测传感器的电路图；
图5为本发明具体实施方式中USB-UART信号转换器的电路图；
图6为本发明具体实施方式中基于人机接口的颈椎运动锻炼方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统，如图1所示，包括头部动作检测传感器1、USB-UART信号转换器、单片机和上位机。
头部动作检测传感器1设置于人体头部额头处，头部动作检测传感器1的输出端连接单片机的输入端，单片机的串口连接USB-UART信号转换器的串口信号端，USB-UART信号转换器的USB端连接上位机的USB口的输入端。
头部动作检测传感器1，用于实时检测人体头部的动作，得到输出电信号。
本实施方式中，头部动作检测传感器1采用槽型光电传感器内部放入遮光球实现，如图2所示，对槽型光电传感器进行封闭，内部放入一个遮光球，可使用直径为3mm的金属球。当头部动作检测传感器1随着头部进行晃动时，遮光球会由于惯性作用跳起并遮挡投光器发出的红外光，头部动作检测传感器1的输出信号由此会发生改变，当头部每进行一次动作时，头部动作检测传感器1的输出端都会出现一次脉冲信号，从而实现对颈椎动作的检测。使用头部动作检测传感器1进行检测时采集到的信号波形图如图3所示，遮光球一次遮光产生的脉冲信号幅值为5V左右，脉冲宽度大概为20ms。
单片机，用于接收头部动作检测传感器的输出电信号，根据该输出电信号的有无判断头部动作是否发生，当头部动作发生时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口。
本实施方式中，单片机将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号，如头部向左转：0x01、头部向右转：0x02、头部向上：0x03、头部向下：0x04。
本实施方式中，头部动作检测传感器P2与单片机U1连接的电路，如图4所示。第一电阻R1与第一电容C1相连构成单片机U1的自动复位电路，第二电阻R2连接头部动作检测传感器P2的输出端与电源端起到上拉电阻的作用，第三电阻R3连接电源端与信号输入端，使头部动作检测传感器P2内部的发光管发光，第二电容C2和第三电容C3分别连接晶体振荡器Y1的两端以及GND端，头部动作检测传感器P2的信号输出端连接单片机U1的外部中断引脚12号脚上，单片机U1的20号和40号引脚分别连接GND端和供电端，本实施方式中，单片机U1型号为STC89c51。
USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源。
本实施方式中，USB-UART信号转换器的电路图如图5所示，USB-UART信号转换器为PL-2303HX转换芯片，第四电容C4和第五电容C5分别连接PL-2303HX转换芯片的28号引脚和27号引脚与GND端，晶振Y2的两端直接连接PL-2303HX转换芯片的28号引脚和27号引脚，PL-2303HX转换芯片的26号引脚、25号引脚、21号引脚以及8号引脚分别与GND相连，第六电容C6连接在PL-2303HX转换芯片的25号脚和17号脚之间，PL-2303HX转换芯片的20号引脚连接上位机USB端口的4号引脚作为供电端，第七电容C7连接PL-2303HX转换芯片的20号引脚与USB端的1号引脚，USB端的1号引脚作为GND端，第4电阻R4连接PL-2303HX的17号引脚与USB端的1号引脚，第五电阻R5和第六电阻R6分别连接PL-2303HX转换芯片的16号引脚与USB端的3号引脚以及PL-2303HX转换芯片的15号引脚与USB端的2号引脚。
上位机，用于根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
上位机安装有颈椎运动锻炼单元，包括键盘虚拟码设定模块、接口模块和颈椎运动锻炼模块。
键盘虚拟码设定模块，用于设定头部不同动作的数据对应的键盘虚拟码。
本实施方式中，头部向左转0x01对应的键盘按键为向左方向键、头部向右转0x02对应的键盘按键为向右方向键、头部向上0x03对应的键盘按键为向上方向键、头部向下0x04对应的键盘按键为向下方向键。
接口模块，基于Visual Basic设计，可实现对上位机虚拟串口的设置和数据的读取，通过USB端口读取USB-UART信号转换器的UART信号数据，设置的波特率为4800，数据位为8位，停止位为1位，无奇偶校验位。用于识别接收的数字信号对应的头部动作，并将该动作对应的键盘识别码传送至颈椎运动锻炼模块。此部分功能可通过Visual Basic中相应的API函数来实现。
颈椎运动锻炼模块，设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
本实施方式中，颈椎运动锻炼模块可以基于趣味游戏开发，要求使用者通过头部动作来控制游戏人物完成特定场景任务，例如控制人物通过跳跃来躲避障碍物等。该程序在响应使用者动作的同时还可将使用者每次的锻炼时间，锻炼次数以及完成任务的成绩等数据进行记录，并可根据这些数据为使用者每天的锻炼目标进行分析及设定，为使用者量身订制锻炼方案。
采用基于人机接口的颈椎运动锻炼系统进行控制的方法，如图6所示，包括以下步骤：
步骤1：在人体头部进行动作时，头部动作检测传感器实时检测人体头部的动作，得到输出电信号；
步骤2：当单片机接收到头部动作检测传感器的输出电信号时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口；
步骤3：USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源；
步骤4：上位机根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。

Claims (4)

1.一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统，其特征在于，包括头部动作检测传感器、USB-UART信号转换器、单片机和上位机；
所述头部动作检测传感器设置于人体头部额头处，所述头部动作检测传感器的输出端连接单片机的输入端，所述单片机的串口连接USB-UART信号转换器的串口信号端，所述USB-UART信号转换器的USB端连接上位机的USB输入端；
所述头部动作检测传感器，用于实时检测人体头部的动作，得到输出电信号；
所述单片机，用于接收头部动作检测传感器的输出电信号，根据该输出电信号的有无判断头部动作是否发生，当头部动作发生时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口；
所述USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源；
所述上位机，用于根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
2.根据权利要求1所述的基于人机接口的颈椎运动锻炼系统，其特征在于，所述上位机安装有颈椎运动锻炼单元，包括键盘虚拟码设定模块、接口模块和颈椎运动锻炼模块；
所述键盘虚拟码设定模块，用于设定头部不同动作的数据对应的键盘虚拟码；
所述接口模块，用于识别接收的数字信号对应的头部动作，并将该动作对应的键盘识别码传送至颈椎运动锻炼模块；
所述颈椎运动锻炼模块，用于设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
3.根据权利要求1所述的基于人机接口的颈椎运动锻炼系统，其特征在于，所述头部动作检测传感器采用槽型光电传感器内部放入遮光球实现。
4.采用权利要求1所述的基于人机接口的颈椎运动锻炼系统进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在人体头部进行动作时，头部动作检测传感器实时检测人体头部的动作，得到输出电信号；
步骤2：当单片机接收到头部动作检测传感器的输出电信号时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口；
步骤3：USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源；
步骤4：上位机根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
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