CN106267781A - 用于体育训练的防水型动作捕捉系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于体育训练的防水型动作捕捉系统，包括：一个或多个动作捕捉装置，用于监测一个或多个部位的动作信息；通信中继装置，用于接收一个或多个部位的动作信息，并实时监测动作捕捉对象的身体状况信息和所处环境信息；处理器，用于接收一个或多个部位的动作信息、身体状况信息和环境信息，并得到动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息；服务器，用于对动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息进行大数据处理、云计算、深度学习及数据挖掘，以得到完整运动姿态及完整运动信息的优化信息。本发明能够对人体的实际运动进行仿真、分析，实现了动作捕捉及动作完善，且具有精确度高、成本低、便捷性高及适用性强的优点。

Description

用于体育训练的防水型动作捕捉系统

技术领域

本发明涉及动作捕捉技术领域，特别涉及一种用于体育训练的防水型动作捕捉系统。

背景技术

长期以来，国内竞技体育训练的科技水平相对较低，一直采用以主观和经验为主的教学方法，教练员凭借肉眼和经验对运动员的技术动作进行指导，运动员也只能通过多次的重复性练习来掌握技术要领，这些都严重影响了我国竞技体育运动水平的进一步快速地提高。国内外的体育专家经过长期实践与研究取得一致公认：在运动训练中引入数字技术(图形图像技术)，可以帮助运动员在训练过程中尽快掌握动作的技术要领，减少盲目的重复，极大地提高训练效率、降低运动员受到伤害的可能性，从而达到最佳的训练效果。

目前已有的运动分析系统主要有以下几类：

(1)图像解析类：通过摄像机对运动员(或器械)进行拍摄，获取运动图像，再根据人工或自动标记解析，计算出被测对象的运动速度，或者高度，或者位置信息。

(2)测量分析类：通过各种传感器，比如激光、红外线和力等传感器将所要采集的信号传输到计算机进行相关计算和分析。

(3)技术分析和统计：主要是3D空间数据采集系统，用光学系统跟踪标示点，通过图像算法获得运动物体的三维空间坐标信息。

总的来说，目前动作捕捉系统有光学式和惯性式两大主流技术路线，其中光学式动作捕捉是通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成动作捕捉的任务。这种系统在捕捉对象动作时，肢体会遮挡标记点，尤其在捕捉多目标时，目标间若产生遮挡，将影响捕捉系统的精度甚至会丢失捕捉目标，无法精确还原动作轨迹。另外对光学装置的标定工作程序复杂，且只能捕捉相机重叠区域的物体运动，使用者的运动空间被限制在摄像机的视觉范围内，降低了实用性。另外，这种系统价格也相对昂贵。

惯性式动作捕捉系统需要在身体的重要节点佩戴集成加速度计，陀螺仪和磁力计等惯性传感器设备，然后通过算法实现动作的捕捉。相比于光学式动作捕捉系统，基于惯性传感器的动作捕捉系统不受环境干扰影响，又克服了摄像机监测区域受限的缺点，并可以实现多目标捕捉，捕捉精确度高。由于采用高集成芯片、模块，体积小、尺寸小，重量轻，性价比高。但是由于测量噪声和游走误差等因素的影响，惯性传感器无法长时间地对人体姿态进行精确的跟踪，所以对系统的设计要求比较高。

也就是说，目前国内并没有很完善的运动分析系统，这样就使运动动作错误纠正显得困难，所以在体育运动训练中一套完整的动作捕捉系统有着重要的应用价值。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于体育训练的防水型动作捕捉系统，该系统能够对人体的实际运动进行仿真、分析，实现了动作捕捉及动作完善，且具有精确度高、成本低、便捷性高及适用性强的优点。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种用于体育训练的防水型动作捕捉系统，包括：一个或多个动作捕捉装置，所述一个或多个动作捕捉装置设置在动作捕捉对象的一个或多个部位，用于监测所述一个或多个部位的动作信息；通信中继装置，所述通信中继装置与所述一个或多个动作捕捉装置相连，用于接收所述一个或多个部位的动作信息，并实时监测所述动作捕捉对象的身体状况信息和所处环境信息，并传输所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息；处理器，所述处理器与所述通信中继装置相连，用于接收所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息，并根据所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息，得到所述动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息；服务器，所述服务器与所述处理器相连，用于对所述动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息进行大数据处理、云计算、深度学习及数据挖掘，以得到所述完整运动姿态及完整运动信息的优化信息，并将所述优化信息推送给所述处理器。

另外，根据本发明上述实施例的用于体育训练的防水型动作捕捉系统还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述处理器用于根据预定算法对所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息进行处理，得到所述动作捕捉对象的位置信息、加速度、角速度及地磁信息，并根据所述位置信息、加速度、角速度及地磁信息生成生物力学模型，并根据所述生物力学模型得到所述动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息。

在一些示例中，所述动作捕捉装置和所述通信中继装置均被构造为防水结构，所述防水结构包括上盖、电路板、密封圈、下盖，所述电路板通过密封圈固定在上盖和下盖之间，所述上盖和下盖之间通过超声焊接、激光焊接、密封圈结构、胶粘或卡扣的方式密封结合，并通过螺栓外部固定。

在一些示例中，所述动作捕捉装置包括：MEMS传感器单元，所述MEMS传感器单元由MEMS加速度计、MEMS陀螺仪及MEMS磁力计构成，用于分别对所述一个或多个部位的加速度、角速度以及磁力信号进行测量；第一微控制单元，所述第一微控制单元与所述MEMS传感器单元相连，用于对所述一个或多个部位的加速度、角速度以及磁力信号进行处理；第一通信模块，所述第一通信模块与所述第一微控制单元相连，用于将处理后的加速度、角速度以及磁力信号发送给所述通信中继装置或所述处理器；第一电源模块，所述第一电源模块用于为所述一个或多个动作捕捉装置供电；第一存储模块，所述第一存储模块用于存储所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息；同步模块，所述同步模块用于对所述一个或多个动作捕捉装置与通信中继装置进行同步，以使所述一个或多个动作捕捉装置与通信中继装置之间的时钟同步。

在一些示例中，所述通信中继装置包括：第二微控制单元、第二通信模块、第三通信模块、传感器模块、第二存储模块及第二电源模块，其中，所述第二微控制单元分别与所述第二通信模块和第三通信模块相连，以控制所述第二通信模块接收所述一个或多个动作捕捉装置发送的动作信息，以及控制所述第三通信模块将所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息发送给所述处理器；所述传感器模块包括温度传感器、压力传感器及模数转换器，所述温度传感器用于测量环境温度、所述动作捕捉对象的温度，所述压力传感器用于测量大气压或水压，所述模数转换器分别与所述第二微控制单元、温度传感器和压力传感器相连，以对所述温度传感器和压力传感器的测量数据进行处理，并将处理后的数据发送给所述第二微控制单元，以便所述第二微控制单元控制所述第三通信模块将所述处理后的数据发送给所述处理器；所述第二电源模块用于为所述通信中继装置供电；所述第二存储模块用于存储所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息。

在一些示例中，所述第一电源模块包括：电池、无线充电电路及电源管理模块，其中，所述电池用于为所述一个或多个动作捕捉装置供电；所述无线充电电路与外部充电装置连接，用于对所述电池进行充电；所述电源管理模块用于对所述电池和所述无线充电电路进行管理。

在一些示例中，所述电池为可充电电池或超级电容。

在一些示例中，所述同步模块用于通过同步电路或同步算法对所述一个或多个动作捕捉装置与通信中继装置进行同步。

在一些示例中，所述一个或多个动作捕捉装置与所述通信中继装置之间，以及所述通信中继装置与所述处理器之间通过有线或无线的方式进行通信。

在一些示例中，所述处理器为个人电脑、平板电脑或智能手机。

根据本发明实施例的用于体育训练的防水型动作捕捉系统，实现了体育训练中对人体动作的捕捉，并可对运动轨迹、运动姿态、人体温度、压力、脉搏等信息采集并实时传输、存储，然后通过处理器的数据分析，可以对人体的实际运动进行仿真、分析，改进运动员的技术要领，并可以发现问题、找出差距，减少盲目的重复，提高训练效率、降低运动员受到伤害的可能性，从而达到最佳的训练效果。另外，该系统使用防水结构实现了动作捕捉系统的多环境适用，即适用性强，使用MEMS传感器、节点设计、无线连接使穿戴节点设备具备体积小、重量轻、功耗低等优点，使性价比明显提高；另外，各节点之间的无线连接，改善了穿戴的便捷性；使用无线充电技术实现系统内各模块的充电便捷性；同步模块实现了系统的数据同步，提高了采集设备的实时性、一致性；系统内设备集成多种传感器，不仅实现对捕捉对象的动作捕捉，也实现了对温度、气压、生物体脉搏等重要信息的采集，极大地提高了系统的智能型和精确性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的用于体育训练的防水型动作捕捉系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的防水结构的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的动作捕捉装置的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的通信中继装置的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的处理器的结构示意图；以及

图6是根据本发明一个具体实施例的用于体育训练的防水型动作捕捉系统的应用场景示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的用于体育训练的防水型动作捕捉系统。

图1是根据本发明一个实施例的用于体育训练的防水型动作捕捉系统的结构示意图。如图1所示，该系统100包括：一个或多个动作捕捉装置110、通信中继装置120、处理器130和服务器140。

其中，一个或多个动作捕捉装置110设置在动作捕捉对象的一个或多个部位，用于监测一个或多个部位的动作信息。具体地，一个或多个动作捕捉装置110例如通过有线或无线的方式传输监测到的一个或多个部位的动作信息。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，动作捕捉装置110例如包括：MEMS传感器单元111、第一微控制单元112、第一通信模块113、第一电源模块115、第一存储模块114和同步模块116。其中，MEMS传感器单元111由MEMS加速度计1111、MEMS陀螺仪1112及MEMS磁力计1113构成，用于分别对一个或多个部位(即被测部位)的加速度、角速度以及磁力信号进行测量；第一微控制单元112与MEMS传感器单元111相连，用于对一个或多个部位的加速度、角速度以及磁力信号进行处理；第一通信模块113与第一微控制单元112相连，用于将处理后的加速度、角速度以及磁力信号发送给通信中继装置120或处理器130；第一电源模块115用于为一个或多个动作捕捉装置110供电；第一存储模块114用于存储一个或多个部位的动作信息、身体状况信息和环境信息；同步模块116用于对一个或多个动作捕捉装置110与通信中继装置120进行同步，以使一个或多个动作捕捉装置110与通信中继装置120之间的时钟同步。

其中，第一电源模块115例如包括电池、无线充电电路及电源管理模块，其中，电池用于为一个或多个动作捕捉装置110供电；无线充电电路与外部充电装置连接，用于对电池进行充电；电源管理模块用于对电池和无线充电电路进行管理。更为具体地，电池为可充电电池或超级电容。

在一些示例中，上述的第一存储模块114例如为SD卡、Flash或存储芯片。

其中，同步模块116例如通过同步电路或同步算法对一个或多个动作捕捉装置110与通信中继装置120进行同步，以保证一个或多个动作捕捉装置110与通信中继装置120的时钟同步。

通信中继装置120与一个或多个动作捕捉装置110相连，用于接收一个或多个部位的动作信息，并实时监测动作捕捉对象的身体状况信息和所处环境信息，并传输一个或多个部位的动作信息、身体状况信息和环境信息。其中，动作捕捉对象的身体状况信息例如包括动作捕捉对象的心率/脉搏等信息，所述环境信息例如包括环境的温度、压力/气压等。更为具体地，通信中继装置120例如通过有线或无线的方式传输一个或多个部位的动作信息、身体状况信息和环境信息。

在本发明的一个实施例中，如图4所示，通信中继装置120例如包括：第二微控制单元121、第二通信模块122、第三通信模块123、传感器模块124、第二电源模块125和第二存储模块126。其中，第二微控制单元121分别与第二通信模块122和第三通信模块123相连，以控制第二通信模块122接收一个或多个动作捕捉装置110发送的动作信息，以及控制第三通信模块123将一个或多个部位的动作信息、身体状况信息和环境信息发送给处理器130；传感器模块124包括温度传感器1241、压力传感器1242及模数转换器1243，温度传感器1241用于测量环境温度、动作捕捉对象的温度，压力传感器1242用于测量大气压或水压，模数转换器1243分别与第二微控制单元121、温度传感器1241和压力传感器1242相连，以对温度传感器1241和压力传感器1242的测量数据进行处理，并将处理后的数据发送给第二微控制单元121，以便第二微控制单元121控制第三通信模块123将处理后的数据发送给处理器130；第二电源模块125用于为通信中继装置120供电，也即为通信中继装置120的各单元模块供电；第二存储模块126用于存储一个或多个部位的动作信息、身体状况信息和环境信息。

在本发明的一个实施例中，上述的动作捕捉装置110和通信中继装置120例如被构造为防水结构。如图2所示，该防水结构包括上盖151、电路板152、密封圈153、下盖154，电路板152通过密封圈153固定在上盖151和下盖154之间，上盖151和下盖154之间采用密封结构157设计，可有效防水，满足水下正常工作。更为具体地，密封结构157例如通过超声焊接、激光焊接、密封圈结构、胶粘或卡扣的方式密封结合上盖151和下盖154，并通过螺栓156外部固定。

处理器130与通信中继装置120相连，用于接收通信中继装置120发送的一个或多个部位的动作信息、身体状况信息和环境信息，并根据一个或多个部位的动作信息、身体状况信息和环境信息，得到动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息。具体地，处理器130通过对一个或多个部位的动作信息进行处理和分析，以得到动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息。

更为具体地，在本发明的一个实施例中，如图5所示，处理器130用于根据预定算法对一个或多个部位的动作信息、身体状况信息和环境信息进行处理，得到动作捕捉对象的位置信息、加速度、角速度及地磁信息，并根据位置信息、加速度、角速度及地磁信息生成生物力学模型，并根据生物力学模型得到动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息。

需要说明的是，在本发明的实施例中，处理器130可实时接收数据并实时同步动作捕捉对象的动作、参数，也可以使用二次导入的方式从一个或多个动作捕捉装置110和通信中继装置120的存储介质内导入数据。

在本发明的一个实施例中，处理器130例如为个人电脑、平板电脑或智能手机等具有智能运算能力的终端设备。

在本发明的一个实施例中，上述的一个或多个动作捕捉装置110与通信中继装置120之间，以及通信中继装置120与处理器130之间通过有线或无线的方式进行通信。

服务器140与处理器130相连，用于对处理器130发送的动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息进行大数据处理、云计算、深度学习及数据挖掘，以得到完整运动姿态及完整运动信息的优化信息，并将优化信息推送给处理器130，用户可通过处理器查看优化信息，并根据优化信息对动作捕捉对象的动作进行修正和完善，从而帮助和指导动作捕捉对象改善体育训练中的不足，例如图6所示。

综上，根据本发明实施例的用于体育训练的防水型动作捕捉系统，实现了体育训练中对人体动作的捕捉，并可对运动轨迹、运动姿态、人体温度、压力、脉搏等信息采集并实时传输、存储，然后通过处理器的数据分析，可以对人体的实际运动进行仿真、分析，改进运动员的技术要领，并可以发现问题、找出差距，减少盲目的重复，提高训练效率、降低运动员受到伤害的可能性，从而达到最佳的训练效果。另外，该系统使用防水结构实现了动作捕捉系统的多环境适用，即适用性强，使用MEMS传感器、节点设计、无线连接使穿戴节点设备具备体积小、重量轻、功耗低等优点，使性价比明显提高；另外，各节点之间的无线连接，改善了穿戴的便捷性；使用无线充电技术实现系统内各模块的充电便捷性；同步模块实现了系统的数据同步，提高了采集设备的实时性、一致性；系统内设备集成多种传感器，不仅实现对捕捉对象的动作捕捉，也实现了对温度、气压、生物体脉搏等重要信息的采集，极大地提高了系统的智能型和精确性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种用于体育训练的防水型动作捕捉系统，其特征在于，包括：

一个或多个动作捕捉装置，所述一个或多个动作捕捉装置设置在动作捕捉对象的一个或多个部位，用于监测所述一个或多个部位的动作信息；

通信中继装置，所述通信中继装置与所述一个或多个动作捕捉装置相连，用于接收所述一个或多个部位的动作信息，并实时监测所述动作捕捉对象的身体状况信息和所处环境信息，并传输所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息；

处理器，所述处理器与所述通信中继装置相连，用于接收所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息，并根据所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息，得到所述动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息；

服务器，所述服务器与所述处理器相连，用于对所述动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息进行大数据处理、云计算、深度学习及数据挖掘，以得到所述完整运动姿态及完整运动信息的优化信息，并将所述优化信息推送给所述处理器。

2.根据权利要求1所述的用于体育训练的防水型动作捕捉系统，其特征在于，所述处理器用于根据预定算法对所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息进行处理，得到所述动作捕捉对象的位置信息、加速度、角速度及地磁信息，并根据所述位置信息、加速度、角速度及地磁信息生成生物力学模型，并根据所述生物力学模型得到所述动作捕捉对象的完整运动姿态及完整运动信息。

3.根据权利要求1所述的用于体育训练的防水型动作捕捉系统，其特征在于，所述动作捕捉装置和所述通信中继装置均被构造为防水结构，所述防水结构包括上盖、电路板、密封圈、下盖，所述电路板通过密封圈固定在上盖和下盖之间，所述上盖和下盖之间通过超声焊接、激光焊接、密封圈结构、胶粘或卡扣的方式密封结合，并通过螺栓外部固定。

4.根据权利要求1所述的用于体育训练的防水型动作捕捉系统，其特征在于，所述动作捕捉装置包括：

MEMS传感器单元，所述MEMS传感器单元由MEMS加速度计、MEMS陀螺仪及MEMS磁力计构成，用于分别对所述一个或多个部位的加速度、角速度以及磁力信号进行测量；

第一微控制单元，所述第一微控制单元与所述MEMS传感器单元相连，用于对所述一个或多个部位的加速度、角速度以及磁力信号进行处理；

第一通信模块，所述第一通信模块与所述第一微控制单元相连，用于将处理后的加速度、角速度以及磁力信号发送给所述通信中继装置或所述处理器；

第一电源模块，所述第一电源模块用于为所述一个或多个动作捕捉装置供电；

第一存储模块，所述第一存储模块用于存储所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息；

同步模块，所述同步模块用于对所述一个或多个动作捕捉装置与通信中继装置进行同步，以使所述一个或多个动作捕捉装置与通信中继装置之间的时钟同步。

5.根据权利要求1所述的用于体育训练的防水型动作捕捉系统，其特征在于，所述通信中继装置包括：第二微控制单元、第二通信模块、第三通信模块、传感器模块、第二存储模块及第二电源模块，其中，

所述第二微控制单元分别与所述第二通信模块和第三通信模块相连，以控制所述第二通信模块接收所述一个或多个动作捕捉装置发送的动作信息，以及控制所述第三通信模块将所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息发送给所述处理器；

所述传感器模块包括温度传感器、压力传感器及模数转换器，所述温度传感器用于测量环境温度、所述动作捕捉对象的温度，所述压力传感器用于测量大气压或水压，所述模数转换器分别与所述第二微控制单元、温度传感器和压力传感器相连，以对所述温度传感器和压力传感器的测量数据进行处理，并将处理后的数据发送给所述第二微控制单元，以便所述第二微控制单元控制所述第三通信模块将所述处理后的数据发送给所述处理器；

所述第二电源模块用于为所述通信中继装置供电；

所述第二存储模块用于存储所述一个或多个部位的动作信息、所述身体状况信息和所述环境信息。

6.根据权利要求4所述的用于体育训练的防水型动作捕捉系统，其特征在于，所述第一电源模块包括：电池、无线充电电路及电源管理模块，其中，

所述电池用于为所述一个或多个动作捕捉装置供电；

所述无线充电电路与外部充电装置连接，用于对所述电池进行充电；

所述电源管理模块用于对所述电池和所述无线充电电路进行管理。

7.根据权利要求5所述的用于体育训练的防水型动作捕捉系统，其特征在于，所述电池为可充电电池或超级电容。

8.根据权利要求4所述的用于体育训练的防水型动作捕捉系统，其特征在于，所述同步模块用于通过同步电路或同步算法对所述一个或多个动作捕捉装置与通信中继装置进行同步。

9.根据权利要求1所述的用于体育训练的防水型动作捕捉系统，其特征在于，所述一个或多个动作捕捉装置与所述通信中继装置之间，以及所述通信中继装置与所述处理器之间通过有线或无线的方式进行通信。

10.根据权利要求1-9任一项所述的用于体育训练的防水型动作捕捉系统，其特征在于，所述处理器为个人电脑、平板电脑或智能手机。