CN106807056A - 一种基于体感游戏的健身训练指导系统及指导方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于体感游戏的健身训练指导系统，所述指导系统包括用于显示体感游戏界面的显示装置，用于存储体感游戏数据包的存储装置，以及分别与所述显示装置和存储装置连接的处理器，还包括佩戴在用户身体上用于采集用户运动数据的侦测装置，用于传感用户脚部位置和运动频率的压敏地毯，以及用于采集用户实时动作状态的摄像装置；所述的侦测装置连接有信号发射模块，所述信号发射模块和与所述处理器连接的信号接收模块通信连接，所述压敏地毯和摄像装置均与处理器电连接。本发明通过增加侦测装置和压敏地毯能够更加准确的判断用户的实际动作，提高系统识别的准确性，在体感游戏项目的人机交互中使用户的动作更加标准，提高锻炼的效果。

Description

一种基于体感游戏的健身训练指导系统及指导方法

技术领域

本发明涉及体感游戏系统领域，具体的说，是一种基于体感游戏的健身训练指导系统及指导方法。

背景技术

随着人们生活节奏的不断加快，以及长期处于较高压力和负荷下进行工作，身体亚健康状况已经覆盖了大部分城市上班一族，尤其是从事工作时间长，无规律或者倒班的工作岗位。因此，锻炼身体不再是中老年朋友的项目，也是上班一族的年轻人坚持并热衷于的一件事情；由于繁琐的工作和城市快节奏的生活方式导致了人们通常没有足够的时间外出散步或、跑步或者单独到游泳馆、健身房进行健身，加之专业健身房的价格高昂，其受众人群相对较少。

由于体感游戏同时具有娱乐和健身的作用，且成本低，使用灵活，可利用家里的电视即可实现足不出户体验娱乐和健身带来的双重功效而深受人们的喜爱。体感游戏系统是通过将系统内固有的包含一定动作的视频游戏展示出来，指导人们进行相应动作，实现人机交互，并在人机交互的过程中通过人们的自身动作而达到锻炼目的的系统。

现有的体感游戏系统通常是利用摄像头等视频采集设备采集人们的动作，然后将采集的动作进行转换并建立三维模型，通过显示设备进行显示，这种摄像头交互的系统通常适用于操作类互动游戏，例如水果忍者，不适用于指导性教学交互游戏，如体操演示、舞蹈教学等。鉴于现有技术存在的局限性和弊端，为了更好的解决人们的多样性娱乐和健身需求，有必要提供一种改进型体感游戏系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于体感游戏的健身训练指导系统，用于解决背景技术中提到的现有体感游戏系统具有较强的局限性，不能适用于教学类的健身项目的指导，且单纯的展示无法让用户精确的掌握技术要领，本发明的系统既能够实现交互性游戏健身项目的运行，也能运行教学类的健身项目并根据用户的实际动作给出教学意见和纠正方法；同时本发明还提供上述体感游戏系统的指导方法，用于更好的实现本发明所述系统。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于体感游戏的健身训练指导系统，所述指导系统包括用于显示体感游戏界面的显示装置，用于存储体感游戏数据包的存储装置，以及分别与所述显示装置和存储装置连接的处理器，还包括佩戴在用户身体上用于采集用户运动数据的侦测装置，铺设在地面用于传感用户脚部位置和运动频率的压敏地毯，以及用于采集用户实时动作状态的摄像装置；所述的侦测装置连接有信号发射模块，所述信号发射模块和与所述处理器连接的信号接收模块通信连接，所述压敏地毯和摄像装置均与处理器电连接，所述处理器还连接有用于传感用户体温的温度传感器，脉搏传感器。

优选地，所述指导系统还包括用于增加、删除或者调用体感游戏数据包的人体学输入设备和数据接口；所述人体学输入设备包括鼠标、键盘和手写板，所述数据接口包括USB、VGA和话筒接口。

优选地，所述侦测装置包括内置的三轴陀螺仪和重力传感器；所述显示装置为两块独立的触摸显示屏。

优选地，所述压敏地毯内均匀分布有多个并联的压敏电阻触发电路。

一种基于体感游戏的健身训练指导系统的指导方法，包括以下步骤：

步骤一:体感游戏的选择及调取步骤：

S10用户通过触摸显示装置上显示的体感游戏菜单，显示装置将用户选择的指令转换成电信号发送至处理器；

S11所述处理器将步骤S10中的电信号进行识别处理，并调用存储装置内对应的体感游戏数据包；

S12显示装置将步骤S11中调用的体感游戏数据包B00的全部信息按序进行动态显示；

步骤二：用户实时动作的采集步骤：

S20佩戴在用户身体上的侦测装置实时采集用户的运动信息并发送至处理器，所述运动信息包括瞬时速度v、加速度a；压敏地毯将用户脚部的实时位置信息发送至处理器；摄像装置将用户的实时运动图像信息发送至处理器；

S21处理器将步骤S20中采集的信息分别建立独立的动作数据包D00、D11和D22；

步骤三：显示装置显示输出用户的动作状态和偏差；

S30处理器将一个时间周期Δt内产生的数据包D00和D11的信息通过内置于处理器内的固定积分计算公式获得用户的运动轨迹曲线并与对应数据包D22进行对比，形成最终的用户动作数据包D33并通过显示装置显示输出展示；

S31处理器将步骤S30中的数据包D33与体感游戏数据包B00进行对比，将动作偏差信息存储为数据包E00并通过显示装置显示输出展示，用于用户调整动作。

优选地，所述步骤S30中所述积分计算公式具体为：

从时刻t0到时刻t，连续时间域中位移s(t)，速度v(t)和加速度a(t)的计算公式如下：

令Δt＝t0-t1＝t2-t1＝t3-t2＝……＝tn-tn-1，Δt为时间间隔，则当n大于1时，n时刻的速度

n时刻单轴移动的距离

所述侦测装置内置的三轴陀螺仪在X、Y、Z轴上的瞬时运动速度分别为：

则t时刻侦测装置在三维空间的瞬时运动速度为：

对应t时刻目标物体沿X、Y、Z轴的运动位移分别为：

在t-Δt时间段内，侦测装置在空间运动位移为：

进一步优选，所述步骤三中还包括步骤S32，即所述脉搏传感器实时将用户脉搏频率发送至处理器并通过处理器将离散脉搏数据以连贯曲线方式在显示装置上输出显示。

更进一步优选，所述步骤三中还包括步骤S33，即所述温度传感器实时将用户体温发送至处理器并通过处理器将体温数据以连贯曲线方式在显示装置上输出显示。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过增加侦测装置和压敏地毯能够更加准确的判断用户的实际动作，提高系统识别的准确性，在体感游戏项目的人机交互中使用户的动作更加标准，提高锻炼的效果。

(2)本发明增设有脉搏传感器和温度传感器，能够随时显示用户的心跳和体温变化，让用户掌握健身消耗的热量及劳动强度，能够将健身实现科学管理。

(3)本发明通过精准的三轴陀螺仪采集用户不同部位的运动方向和速度变化，通过公式精确的拟合出用户实际的空间运动轨迹，然后与标准的游戏数据包中的运动轨迹进行对比，获得修改建议方案，并通过显示装置输出显示，实现了纠正用户动作不标准，不能达到预期锻炼效果的问题。

(4)本发明能够自动存储用户的每一次健身数据，并能实现回放功能，方便用户自己查找动作偏差，进一步规范动作，精确实时健身计划。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构连接框图；

其中1-处理器；2-信号接收模块；3-摄像装置；4-显示装置；5-侦测装置；6-压敏地毯。

具体实施方式

下面结合本发明的优选实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1所示，

一种基于体感游戏的健身训练指导系统，所述指导系统包括用于显示体感游戏界面的显示装置4，用于存储体感游戏数据包的存储装置，以及分别与所述显示装置4和存储装置连接的处理器1，还包括佩戴在用户身体上用于采集用户运动数据的侦测装置5，铺设在地面用于传感用户脚部位置和运动频率的压敏地毯6，以及用于采集用户实时动作状态的摄像装置3；所述的侦测装置5连接有信号发射模块，所述信号发射模块和与所述处理器1连接的信号接收模块2通信连接，所述压敏地毯6和摄像装置3均与处理器1电连接，所述处理器1还连接有用于传感用户体温的温度传感器，脉搏传感器。

优选地，所述指导系统还包括用于增加、删除或者调用体感游戏数据包的人体学输入设备和数据接口；所述人体学输入设备包括鼠标、键盘和手写板，所述数据接口包括USB、VGA和话筒接口。用户可以通过外接话筒在运动过程中将音频信息一并采集并由处理器1将用户的动作和声音以独立的数据包存储，以备用户后期调用。若需要新增体感游戏数据包，则可以通过USB接口直接拷贝新的数据包放置在储存装置内，处理器1即可自动读取信息调用，通过显示装置4显示。

优选地，所述侦测装置5包括内置的三轴陀螺仪和重力传感器；所述显示装置4为两块独立的触摸显示屏。本实施例中的其中一块触摸显示屏是用于显示体感游戏数据包的标准信息，作为交互和展示用；另一块触摸显示屏是用于显示用户不当动作与标准动作之间的纠正直到视频或者图像，以及显示用户在整个游戏健身过程中的心跳、脉搏变化曲线、体温变化曲线以及根据获取的运动量计算消耗的热量理论值，以用于用户的实时参考。

优选地，所述压敏地毯6内均匀分布有多个并联的压敏电阻触发电路。

一种基于体感游戏的健身训练指导系统的指导方法，包括以下步骤：

步骤一:体感游戏的选择及调取步骤：

S10用户通过触摸显示装置4上显示的体感游戏菜单，显示装置4将用户选择的指令转换成电信号发送至处理器1；

S11所述处理器1将步骤S10中的电信号进行识别处理，并调用存储装置内对应的体感游戏数据包；

S12显示装置4将步骤S11中调用的体感游戏数据包B00的全部信息按序进行动态显示；

步骤二：用户实时动作的采集步骤：

S20佩戴在用户身体上的侦测装置5实时采集用户的运动信息并发送至处理器1，所述运动信息包括瞬时速度v、加速度a；压敏地毯6将用户脚部的实时位置信息发送至处理器1；摄像装置3将用户的实时运动图像信息发送至处理器1；

S21处理器1将步骤S20中采集的信息分别建立独立的动作数据包D00、D11和D22；

步骤三：显示装置4显示输出用户的动作状态和偏差；

S30处理器1将一个时间周期Δt内产生的数据包D00和D11的信息通过内置于处理器1内的固定积分计算公式获得用户的运动轨迹曲线并与对应数据包D22进行对比，形成最终的用户动作数据包D33并通过显示装置4显示输出展示；

S31处理器1将步骤S30中的数据包D33与体感游戏数据包B00进行对比，将动作偏差信息存储为数据包E00并通过显示装置4显示输出展示，用于用户调整动作。

优选地，所述步骤S30中所述积分计算公式具体为：

从时刻t0到时刻t，连续时间域中位移s(t)，速度v(t)和加速度a(t)的计算公式如下：

令Δt＝t0-t1＝t2-t1＝t3-t2＝……＝tn-tn-1，Δt为时间间隔，则当n大于1时，n时刻的速度

n时刻单轴移动的距离

所述侦测装置5内置的三轴陀螺仪在X、Y、Z轴上的瞬时运动速度分别为：

则t时刻侦测装置5在三维空间的瞬时运动速度为：

对应t时刻目标物体沿X、Y、Z轴的运动位移分别为：

在t-Δt时间段内，侦测装置5在空间运动位移为：

进一步优选，所述步骤三中还包括步骤S32，即所述脉搏传感器实时将用户脉搏频率发送至处理器1并通过处理器1将离散脉搏数据以连贯曲线方式在显示装置4上输出显示。

更进一步优选，所述步骤三中还包括步骤S33，即所述温度传感器实时将用户体温发送至处理器1并通过处理器1将体温数据以连贯曲线方式在显示装置4上输出显示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于体感游戏的健身训练指导系统，所述指导系统包括用于显示体感游戏界面的显示装置(4)，用于存储体感游戏数据包的存储装置，以及分别与所述显示装置(4)和存储装置连接的处理器(1)，其特征在于：还包括佩戴在用户身体上用于采集用户运动数据的侦测装置(5)，铺设在地面用于传感用户脚部位置和运动频率的压敏地毯(6)，以及用于采集用户实时动作状态的摄像装置(3)；所述的侦测装置(5)连接有信号发射模块，所述信号发射模块和与所述处理器(1)连接的信号接收模块(2)通信连接，所述压敏地毯(6)和摄像装置(3)均与处理器(1)电连接，所述处理器(1)还连接有用于传感用户体温的温度传感器，脉搏传感器。

2.根据权利要求1所述的一种基于体感游戏的健身训练指导系统，其特征在于：还包括用于增加、删除或者调用体感游戏数据包的人体学输入设备和数据接口；所述人体学输入设备包括鼠标、键盘和手写板，所述数据接口包括USB、VGA和话筒接口。

3.根据权利要求1所述的一种基于体感游戏的健身训练指导系统，其特征在于：所述侦测装置(5)包括内置的三轴陀螺仪和重力传感器；所述显示装置(4)为两块独立的触摸显示屏。

4.根据权利要求3所述的一种基于体感游戏的健身训练指导系统，其特征在于：所述压敏地毯(6)内均匀分布有多个并联的压敏电阻触发电路。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于体感游戏的健身训练指导系统的指导方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一:体感游戏的选择及调取步骤：

S10用户通过触摸显示装置(4)上显示的体感游戏菜单，显示装置(4)将用户选择的指令转换成电信号发送至处理器(1)；

S11所述处理器(1)将步骤S10中的电信号进行识别处理，并调用存储装置内对应的体感游戏数据包；

S12显示装置(4)将步骤S11中调用的体感游戏数据包B00的全部信息按序进行动态显示；

步骤二：用户实时动作的采集步骤：

S20佩戴在用户身体上的侦测装置(5)实时采集用户的运动信息并发送至处理器(1)，所述运动信息包括瞬时速度v、加速度a；压敏地毯(6)将用户脚部的实时位置信息发送至处理器(1)；摄像装置(3)将用户的实时运动图像信息发送至处理器(1)；

S21处理器(1)将步骤S20中采集的信息分别建立独立的动作数据包D00、D11和D22；

步骤三：显示装置(4)显示输出用户的动作状态和偏差；

S30处理器(1)将一个时间周期Δt内产生的数据包D00和D11的信息通过内置于处理器(1)内的固定积分计算公式获得用户的运动轨迹曲线并与对应数据包D22进行对比，形成最终的用户动作数据包D33并通过显示装置(4)显示输出展示；

S31处理器(1)将步骤S30中的数据包D33与体感游戏数据包B00进行对比，将动作偏差信息存储为数据包E00并通过显示装置(4)显示输出展示，用于用户调整动作。

6.根据权利要求5所述的一种基于体感游戏的健身训练指导系统的指导方法，其特征在于，步骤S30中所述积分计算公式具体为：

从时刻t0到时刻t，连续时间域中位移s(t)，速度v(t)和加速度a(t)的计算公式如下：

$s\left(t\right)={\∫}_{t_0}^{t}v\left(t\right)dt+s\left(t_0\right)$

$v\left(t\right)={\∫}_{t_0}^{t}a\left(t\right)dt+v\left(t_0\right)$

令Δt＝t0-t1＝t2-t1＝t3-t2＝……＝tn-tn-1，Δt为时间间隔，则当n大于1时，n时刻的速度

$\begin{array}{c}v\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{a(k-1)+a\left(k\right)}{2}\mathrm{\Δ}t+v\left(0\right)\\ =v\left(0\right)+\frac{1}{2}\[a\left(0\right)+a\left(n\right)\]\·\mathrm{\Δ}t+\[a\left(1\right)+a\left(2\right)+...+a(n-1)\]\·\mathrm{\Δ}t\end{array}$

n时刻单轴移动的距离

$\begin{array}{c}s\left(n\right)=n\·v\left(0\right)\·\mathrm{\Δ}t+\[(n-1)\·a\left(1\right)+(n-2)\·a\left(2\right)+...+v(n-1)\]\·{\mathrm{\Δt}}^2\\ +\frac{1}{4}\[a\left(0\right)+a\left(n\right)\]\·{\mathrm{\Δt}}^2\end{array}$

所述侦测装置(5)内置的三轴陀螺仪在X、Y、Z轴上的瞬时运动速度分别为：

$\stackrel{\→}{v_x}\left(t\right)=\stackrel{\→}{v_x}(t-\mathrm{\Δ}t)+\frac{\stackrel{\→}{a_x}\left(t\right)+\stackrel{\→}{a_x}(t-\mathrm{\Δ}t)}{2}\mathrm{\Δ}t$

$\stackrel{\→}{v_y}\left(t\right)=\stackrel{\→}{v_y}(t-\mathrm{\Δ}t)+\frac{\stackrel{\→}{a_y}\left(t\right)+\stackrel{\→}{a_y}(t-\mathrm{\Δ}t)}{2}\mathrm{\Δ}t$

$\stackrel{\→}{v_z}\left(t\right)=\stackrel{\→}{v_z}(t-\mathrm{\Δ}t)+\frac{\stackrel{\→}{a_z}\left(t\right)+\stackrel{\→}{a_z}(t-\mathrm{\Δ}t)}{2}\mathrm{\Δ}t$

则t时刻侦测装置(5)在三维空间的瞬时运动速度为：

$\stackrel{\→}{v}\left(t\right)=\stackrel{\→}{v_x}\left(t\right)+\stackrel{\→}{v_y}\left(t\right)+\stackrel{\→}{v_z}\left(t\right)$

对应t时刻目标物体沿X、Y、Z轴的运动位移分别为：

$s_x\left(t\right)=s_x(t-\mathrm{\Δ}t)+v_x(t-\mathrm{\Δ}t)\·\mathrm{\Δ}t+\frac{1}{4}\[a_x(t-\mathrm{\Δ}t)+a_x\left(t\right)\]\·{\mathrm{\Δt}}^2$

$s_y\left(t\right)=s_y(t-\mathrm{\Δ}t)+v_y(t-\mathrm{\Δ}t)\·\mathrm{\Δ}t+\frac{1}{4}\[a_y(t-\mathrm{\Δ}t)+a_y\left(t\right)\]\·{\mathrm{\Δt}}^2$

$s_z\left(t\right)=s_z(t-\mathrm{\Δ}t)+v_z(t-\mathrm{\Δ}t)\·\mathrm{\Δ}t+\frac{1}{4}\[a_z(t-\mathrm{\Δ}t)+a_z\left(t\right)\]\·{\mathrm{\Δt}}^2$

在t-Δt时间段内，侦测装置(5)在空间运动位移为：

$s_{\mathrm{\Δ}}\left(t\right)=\sqrt{{\[s_x\left(t\right)-s_x(t-\mathrm{\Δ}t)\]}^2+{\[s_y\left(t\right)-s_y(t-\mathrm{\Δ}t)\]}^2+{\[s_z\left(t\right)-s_z(t-\mathrm{\Δ}t)\]}^2}$

7.根据权利要求5所述的一种基于体感游戏的健身训练指导系统的指导方法，其特征在于，所述步骤三中还包括步骤S32，即所述脉搏传感器实时将用户脉搏频率发送至处理器(1)并通过处理器(1)将离散脉搏数据以连贯曲线方式在显示装置(4)上输出显示。

8.根据权利要求5所述的一种基于体感游戏的健身训练指导系统的指导方法，其特征在于，所述步骤三中还包括步骤S33，即所述温度传感器实时将用户体温发送至处理器(1)并通过处理器(1)将体温数据以连贯曲线方式在显示装置(4)上输出显示。