CN108091380A - 基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统，包括：带有Kinect摄像头的体感游戏设备，采集玩家在游戏过程中的肢体动作信息；阵列式柔性压力传感器，实时采集玩家在游戏过程中的足底压力信息；PC机，将接收到的信息与标准数据库进行特征比对，将玩家身份信息和训练结果及时上传至云端服务平台，智能执行训练处方；显示器；云端服务平台，对接收到的玩家基本信息和训练结果进行模型计算和结果分析，对玩家的运动能力进行评估，生成个性化训练处方。本发明还公开了基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统的训练方法。本发明形成闭环交互式训练模式，不仅增强了运动的趣味性，也有助于提高青少年的身体机能和基本运动技能。

Description

基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统及方法

技术领域

本发明涉及智能化运动健康技术领域，尤其是一种基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统及方法。

背景技术

中考体育加试政策实施的几年来，青少年体质健康确实有了一定程度的提升，有效改变了国民体质持续走低的状况，但是青少年课业压力大，通常不具备接受专业指导的条件，并且体育运动训练枯燥乏味，青少年难以坚持，这些原因都导致了青少年运动技能缺乏、体育成绩提高不明显的现状。同时，由于青少年处于身体发育的关键时期，盲目的锻炼对其身体的发育会造成不良的影响，高强度过量运动甚至导致机体永久性损伤。

Kinect技术在识别人体姿态方面具有极大的优势，目前有很多研究已经将Kinect技术应用在竞技体育行业和健身行业。专家系统根据Kinect摄像头获得的运动员的动作信息与专业运动员的动作信息进行处理，提供较为科学的训练反馈信息，进而提高运动员的成绩。这种方法具有一定的科学性，但是仅仅通过肢体位置信息无法得知运动时相关肌肉或肌肉群是否发力，因此以此来判定动作的规范程度具有一定片面性。目前阵列式柔性压力传感器的相关技术已经相对成熟，实时获取人体在压力垫上行走时各压力点的压力值，并实时显示在屏幕上。近几年，一些研究表明，可以通过压力垫获取的步态特征作为某些身体指标，甚至作为身份识别的判断依据，由此看出，步态特征已经变成一项重要的人体特征，步态识别在今后的人工智能的研究中也将发挥更重要的作用。

目前，还没有出现通过结合Kinect技术和阵列式柔性压力传感器对青少年的体育运动进行科学训练的系统，也没有一套科学的训练方法。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种通过Kinect摄像头和阵列式柔性压力传感器同时检测青少年运动过程中的姿态和步态特征，据此进行相关分解训练动作，提高青少年的运动技能和身体机能的基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统，包括：

带有Kinect摄像头的体感游戏设备，用于采集玩家在游戏过程中的肢体动作信息；将体育运动动作分解为跑、跳、蹲、高抬腿的基本动作，设置体感游戏关卡融合上述分解动作；

阵列式柔性压力传感器，用于实时采集玩家在游戏过程中的足底压力信息；

PC机，用于实时接收肢体动作信息和足底压力信息，将接收到的信息与标准数据库进行特征比对；分析玩家足底压力、发力部位及其他重要的力学特征，作为分析玩家动作标准程度的重要依据；检测玩家动作、判断玩家动作是否达标，记录达标数量信息，作为后续身体机能和运动技能相关指标计算的主要依据；同时，将玩家身份信息和训练结果及时上传至云端服务平台；接收云端服务平台推送的个性化训练处方，智能执行训练处方；

显示器，用于实时显示游戏场景界面、玩家运动姿态图像界面、玩家足底压力图像界面、标准动作的运动姿态图像界面、标准动作的足底压力图像界面；

云端服务平台，存储并管理玩家的基本信息和训练数据、云计算实现玩家运动能力的量化评估、生成个人运动训练处方并及时反馈给玩家。

所述PC机包括标准数据库，所述标准数据库是将采集的专业运动员肢体信息和足底压力信息，经过骨骼特征、足底压力特征的提取处理后构建的标准动作评估模型。

所述云端服务平台包括：

训练数据库，用于存储并管理玩家的基本信息和训练过程中得到的玩家训练数据；

模型量化评估模块，根据玩家训练数据对玩家运动能力进行量化评估；

个性化处方推理机，根据量化评估结果生成个性化运动训练处方对用户进行针对性训练，并及时反馈给用户。

本发明的另一目的在于提供一种基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统的训练方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）开始训练，用户登录帐号，采集玩家在游戏过程中的肢体动作信息和足底压力信息；

（2）将采集到的信息与标准数据库中存储的数据信息进行特征比对，实时判断玩家的动作是否达标；

（3）将本次训练结果上传至云平台进行计算分析，对本次游戏中玩家的基本运动能力进行量化评估，给出个性化训练处方反馈至玩家。

由上述技术方案可知，本发明首先对青少年体育测试项目进行基本动作分解，将分解动作与游戏场景融合来设计游戏关卡，通过体感游戏设备和阵列式柔性压力传感器获取玩家肢体位置和足底压力信息，实时处理这些信息，将之与标准数据库进行特征比对，并将比对结果实时显示。同时，系统将玩家身份信息和训练结果及时上传至云端服务平台进行训练结果的分析，并实现运动能力的评估和个性化训练处方的推送，在下一次的训练模式中系统将智能执行个性化训练处方，形成闭环交互式训练模式，系统不仅增强了运动的趣味性，也有助于提高青少年的基本运动技能。

附图说明

图1是本系统的结构框图；

图2是本方法的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统，包括：带有Kinect摄像头的体感游戏设备，用于采集玩家在游戏过程中的肢体动作信息；将体育运动动作分解为跑、跳、蹲、高抬腿的基本动作，设置体感游戏关卡融合上述分解动作；阵列式柔性压力传感器，用于实时采集玩家在游戏过程中的足底压力信息；PC机，用于实时接收肢体动作信息和足底压力信息，将接收到的信息与标准数据库进行特征比对；分析玩家足底压力、发力部位及其他重要的力学特征，作为分析玩家动作标准程度的重要依据；检测玩家动作、判断玩家动作是否达标，记录达标数量信息，作为后续身体机能和运动技能相关指标计算的主要依据；同时，将玩家身份信息和训练结果及时上传至云端服务平台；接收云端服务平台推送的个性化训练处方，智能执行训练处方；显示器，用于实时显示游戏场景界面、玩家运动姿态图像界面、玩家足底压力图像界面、标准动作的运动姿态图像界面、标准动作的足底压力图像界面，上述界面均在显示器的显示屏上显示；云端服务平台，存储并管理玩家的基本信息和训练数据、云计算实现玩家运动能力的量化评估、生成个人运动训练处方并及时反馈给玩家。所述体感游戏设备、阵列式柔性压力传感器、PC机和显示器组成游戏交互平台。所述体感游戏设备中游戏关卡融合了体育运动项目基本动作分解，如：起跑、原地跳跃、原地下蹲、高抬腿等，进行这些动作的检测和计分，作为青少年运动技能的主要评判依据。

如图1所示，所述体感游戏设备通过USB3.0接口与PC机相连，所述阵列式柔性压力传感器通过RJ45接口与PC机相连。所述PC机包括标准数据库，所述标准数据库是将采集的专业运动员肢体信息和足底压力信息，经过骨骼特征、足底压力特征的提取处理后构建的标准动作评估模型。

如图1所示，所述云端服务平台包括：训练数据库，用于存储并管理玩家的基本信息和训练过程中得到的玩家训练数据；模型量化评估模块，根据玩家训练数据对玩家运动能力进行量化评估；个性化处方推理机，根据量化评估结果生成个性化运动训练处方对用户进行针对性训练，并及时反馈给用户。总之，云端服务平台对接收到的玩家基本信息和训练结果进行模型计算和结果分析，对玩家的运动能力进行评估，生成个性化训练处方发送至PC机。

如图2所示，本方法包括下列顺序的步骤：（1）开始训练，用户登录帐号，

采集玩家在游戏过程中的肢体动作信息和足底压力信息；（2）将采集到的信息与标准数据库中存储的数据信息进行特征比对，实时判断玩家的动作是否达标；（3）将本次训练结果上传至云平台进行计算分析，对本次游戏中玩家的基本运动能力进行量化评估，给出个性化训练处方反馈至玩家，体现了本系统个性化、智能化和训练科学性的特点。

以下结合图1、2对本发明作进一步的说明。

标准数据库是由采集的专业运动员肢体和足底压力信息，进行骨骼特征和足底压力特征提取等处理得到。首先对青少年体育测试项目进行基本动作分解，本系统将分解动作与游戏场景融合来设计游戏关卡，系统通过体感游戏设备和阵列式柔性压力传感器获取玩家肢体位置和足底压力信息，PC机实时处理这些信息，将之与标准数据库进行特征比对，并将比对结果实时显示。同时，系统将玩家身份信息和训练结果及时上传至云端服务平台进行训练结果的分析，并实现身体机能基线检测、运动能力的评估和个性化训练处方推送，在下一次的训练模式中系统将智能执行个性化训练处方，形成闭环交互式训练模式。系统不仅增强了运动的趣味性，也有助于提高青少年的基本运动技能。

Kinect摄像头和阵列式柔性压力传感器通过采集玩家肢体位置信息和足底压力信息，不仅能分析其肢体位置是否准确，还能通过获取的足底压力信息一定程度上分析腿部肌肉或肌肉群的发力情况，这样更加准确地检测玩家在游戏中所做的特定动作是否达标。

本系统具有进行体能要素基线检测的功能，可通过云端服务平台计算进行青少年基本运动能力的量化评估，为青少年运动能力的评估提供一种有效的检测手段。

本系统通过将青少年体育测试动作进行基本动作分解，科学设计游戏项目，将分解后得到的基本动作与体感游戏中场景融合，全面有效训练基本运动测试中发挥重要作用的肌肉或肌肉群。系统中所有游戏均以上述分解动作为基础进行设计开发，不仅使训练过程更具趣味性，还对青少年运动技能的提升具有重要作用。

游戏界面设计不仅实时显示玩家动作和标准动作图像，还对不达标的玩家动作进行提示，通过这种方法，直观地显示玩家动作与标准动作的差异，在游戏中即可帮助玩家修正错误动作，有效提升运动技能。

综上所述，本发明首先对青少年体育测试项目进行基本动作分解，将分解动作与游戏场景融合来设计游戏关卡，通过体感游戏设备和阵列式柔性压力传感器获取玩家肢体位置和足底压力信息，实时处理这些信息，将之与标准数据库进行特征比对，并将比对结果实时显示。同时，系统将玩家身份信息和训练结果及时上传至云端服务平台进行训练结果的分析，并实现运动能力的评估和个性化训练处方的推送，在下一次的训练模式中系统将智能执行个性化训练处方，形成闭环交互式训练模式，系统不仅增强了运动的趣味性，也有助于提高青少年的基本运动技能。

Claims (4)

1.一种基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统，其特征在于：包括：

带有Kinect摄像头的体感游戏设备，用于采集玩家在游戏过程中的肢体动作信息；将体育运动动作分解为跑、跳、蹲、高抬腿的基本动作，设置体感游戏关卡融合上述分解动作；

阵列式柔性压力传感器，用于实时采集玩家在游戏过程中的足底压力信息；

PC机，用于实时接收肢体动作信息和足底压力信息，将接收到的信息与标准数据库进行特征比对；分析玩家足底压力、发力部位及其他重要的力学特征，作为分析玩家动作标准程度的重要依据；检测玩家动作、判断玩家动作是否达标，记录达标数量信息，作为后续身体机能和运动技能相关指标计算的主要依据；同时，将玩家身份信息和训练结果及时上传至云端服务平台；接收云端服务平台推送的个性化训练处方，智能执行训练处方；

显示器，用于实时显示游戏场景界面、玩家运动姿态图像界面、玩家足底压力图像界面、标准动作的运动姿态图像界面、标准动作的足底压力图像界面；

云端服务平台，存储并管理玩家的基本信息和训练数据、云计算实现玩家运动能力的量化评估、生成个人运动训练处方并及时反馈给玩家。

2.根据权利要求1所述的基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统，其特征在于：所述PC机包括标准数据库，所述标准数据库是将采集的专业运动员肢体信息和足底压力信息，经过骨骼特征、足底压力特征的提取处理后构建的标准动作评估模型。

3.根据权利要求1所述的基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统，其特征在于：所述云端服务平台包括：

训练数据库，用于存储并管理玩家的基本信息和训练过程中得到的玩家训练数据；

模型量化评估模块，根据玩家训练数据对玩家运动能力进行量化评估；

个性化处方推理机，根据量化评估结果生成个性化运动训练处方对用户进行针对性训练，并及时反馈给用户。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于多传感融合的青少年基本运动能力训练系统的训练方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）开始训练，用户登录帐号，采集玩家在游戏过程中的肢体动作信息和足底压力信息；

（2）将采集到的信息与标准数据库中存储的数据信息进行特征比对，实时判断玩家的动作是否达标；

（3）将本次训练结果上传至云平台进行计算分析，对本次游戏中玩家的基本运动能力进行量化评估，给出个性化训练处方反馈至玩家。