CN108744428A - 一种虚拟健身训练系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种虚拟健身训练系统，包括：虚拟健身训练数据采集系统、虚拟健身训练数据分析处理系统和虚拟健身训练效果评价系统，所述虚拟健身训练数据采集系统采集的数据传递给虚拟健身训练数据分析处理系统，所述虚拟健身训练数据分析处理系统把分析后的数据传递给虚拟健身训练效果评价系统进行效果评价。本发明有益效果是：本发明通过虚拟健身训练数据采集系统和虚拟健身训练数据分析处理系统的配合使用能够将所得的运动参数反馈给虚拟健身训练效果评价系统，结果将以等级的形式反馈给用户；本发明通过虚拟健身训练效果评价系统的结果与用户自身生理信息相结合，可对用户起到提醒作用，避免用户的过度运动。

Description

一种虚拟健身训练系统
技术领域
本发明涉及健身训练技术领域，具体涉及一种虚拟健身训练系统。
背景技术
近年来，在国家大力推动下，全民健身的热情不断升温，越来越多的人们开始参与到各种健身项目中。全身锻炼能够快速燃烧脂肪，打造健康的体型，同时能够纾解压力，受到了越来越多的民众的青睐。
但是不同的人需要不同的训练方法和训练程度，人们在锻炼训练中应该通过平时自己完成动作的质量和所做的运动量提供了可供参考的指标，再制定计划，运动一定时间后再通过以前的数据与现在的数据做对比，及时调整自己实时的运动计划，这样才能更好的达到运动效果，所以现在急需一种虚拟健身训练系统来帮助人们完成数据的呈现。
发明内容
为解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本发明提供了一种虚拟健身训练系统能够解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种虚拟健身训练系统，包括：虚拟健身训练数据采集系统、虚拟健身训练数据分析处理系统和虚拟健身训练效果评价系统，所述虚拟健身训练数据采集系统采集的数据传递给虚拟健身训练数据分析处理系统，所述虚拟健身训练数据分析处理系统把分析后的数据传递给虚拟健身训练效果评价系统进行效果评价；
所述虚拟健身训练数据采集系统包括运动参数实时采集装置和生理状态参数实时采集装置，所述运动参数实时采集装置包括力的测量装置、速度的测量装置、角度的测量装置、角度的测量装置和频率的测量装置；所述生理状态参数实时采集装置包括运动生理参数数据采集装置、心率检测装置、体温测量装置、呼吸频率检测装置和心电图检测装置。
进一步的，所述力的测量装置为力传感器，所述速度的测量装置为速度传感器，所述角度的测量装置为加速度传感器，所述角度的测量装置为角度传感器，所述频率的测量装置为频率开关传感器。
进一步的，所述运动生理参数数据采集装置由传感器、信号放大与滤波电路模块、数据采集系统和无线数据传输系统组成。
进一步的，所述数据采集系统为带A/D转换的单片计算机。
进一步的，所述无线数据传输系统为GSM或CDMA网络。
进一步的，所述心率检测装置为红外检测技术的心率检测电路，所述体温测量装置为半导体温度传感器，所述呼吸频率检测装置为热敏电阻的呼吸频率测量电路，所述心电图检测装置为三导联心电图检测电路。
进一步的，所述虚拟健身训练数据分析处理系统和虚拟健身训练效果评价系统为多功能计算机。
本发明有益效果是：本发明通过虚拟健身训练数据采集系统和虚拟健身训练数据分析处理系统的配合使用能够将所得的运动参数(速度，加速度，力的大小等)反馈给虚拟健身训练效果评价系统，用户可以对于不同的健身动作进行了观察研究，为用户在锻炼训练中的完成动作的质量、所做的运动量提供了可供参考的指标。通过用户数据与指标的对比，用户的运动给予合理的综合评估，结果将以等级的形式反馈给用户；本发明通过虚拟健身训练效果评价系统的结果与用户自身生理信息(年龄、性别)相结合，可对用户起到提醒作用，避免用户的过度运动。
附图说明
图1是本发明的系统分布图；
图2是本发明虚拟健身训练数据采集系统的模块示意图；
图3是本发明运动生理参数数据采集装置的模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1至图3所示，本发明提供一种虚拟健身训练系统，包括：虚拟健身训练数据采集系统1、虚拟健身训练数据分析处理系统2和虚拟健身训练效果评价系统3，所述虚拟健身训练数据采集系统1采集的数据传递给虚拟健身训练数据分析处理系统2，所述虚拟健身训练数据分析处理系统2把分析后的数据传递给虚拟健身训练效果评价系统3进行效果评价；
所述虚拟健身训练数据采集系统1包括运动参数实时采集装置11和生理状态参数实时采集装置12，所述运动参数实时采集装置11包括力的测量装置111、速度的测量装置112、角度的测量装置113、角度的测量装置114和频率的测量装置115；所述生理状态参数实时采集装置12包括运动生理参数数据采集装置121、心率检测装置122、体温测量装置123、呼吸频率检测装置124和心电图检测装置125。
人体在运动的时候伴随着大量的运动参数的变化，通过传感器实时检测这些运动参数的变化可以更有针对性地对训练者进行运动状态分析，常见的运动状态描述参数，例如力、速度、加速度、角度、频率等等，这些运动参数都在运动的过程中实时发生着变化，我们需要通过采集这些运动训练的参数，来剖析运动训练过程中用户的运动状态，通过数据驱动，对传感器反馈到数据库中的参量指标进行数据清洗，数据挖掘，可以有效地反馈出不同运动状态的人具体的训练成效，为之后的效果评价提供可靠的数据支撑。通过对合理的运动参数，能够给与用户即时有效的训练反馈，对于用户健身训练，调整自己的训练方式具有重要的意义。
力的测量装置111使用力传感器，通过受力分析，将力传感器安装在力的作用点处，通过力传感器形变的程度反馈的电流值不同，可以测量到力的具体大小，将所测量的数据实时的传输到对应用户的个人数据库中供后端数据分析。
速度的测量装置112使用速度传感器，可以将运动时的速度非电信号转化为计算机能够读取的电信号，常见的速度传感器有超声波传感器，激光传感器。
角度的测量装置113使用加速度传感器，加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。
角度的测量装置114使用角度传感器。角度传感器，顾名思义，是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。
频率的测量装置115用频率开关传感器。频率开关传感器是将输入频率转换成按线性输出的直流电流、电压并隔离的模拟信号的仪器。是电力系统、远程控制、自动化控制系统等必需的模拟量采集的输入部件。在电力、轻工、化工、纺织、印刷、机械、冶金、电信、交通、自控、电子计算机等领域有广泛的应用。可以精确测量低频、工频、高频等各种频率。
人体运动过程中伴随大量生理特征变化，以肌肉兴奋、呼吸加速、心率加快、出汗、体温变化等生理现象表现出来，这些特征和运动量、运动持续时间有一定的内在联系，通过对数据进行挖掘，利用灰色关联分析法可以具体分析出不同的特征和运动量，运动状态等指标之间的贡献度，从而确定描述运动员身体运动状态的评价方程。(利用传感器测量的生理参数，和运动参数输入计算机系统进行实时分析与处理，可找出一个运动员运动特点和生理参数的关系(注:此处可修改))。在训练中通过对实时采集数据的分析，按照每日训练的结果评价报告，参考运动员个人的心理意愿调整训练计划，可有效防止运动员出现过度疲劳和身体受损，有效地减少运动员在训练过程中受伤的几率。通过监控运动员生理参数变化，对参赛队员的状态进行打分，可以此为依据，调整参赛人员的出赛顺序，以保持参赛运动员充沛的体力，同时具备更好的运动状态。赛前训练过程中，通过分析生理参数变化，确定合理运动量，将运动员的身体状况调整到最佳状态，以最大限度地提高运动成绩。
人体生理特征很多，受运动影响较大且容易测量的运动生理参数主要有心率、体温、呼吸频率、血氧浓度(SP02)和三导联心电图。根据体育运动特点确定需要测量的运动生理参数并进行实时分析，为体育训练和比赛提供科学的决策信息，对体育运动具有重要意义。
运动生理参数的实时采集因运动员身体剧烈运动遇到很大的挑战,传统的有线测量方法是无法满足训练和比赛要求的，因此，研制可采集多种运动生理参数的无线数据采集系统,对于体育运动科研是极为重要的。运动生理参数数据采集装置121。由传感器1211、信号放大与滤波电路模块1212、数据采集系统1213和无线数据传输系统1214组成。
其中传感器1211可根据监测需求而定，后面给出多种测量传感器实例，传感器1211类型的选择主要关注数据采集稳定性，数据的可靠性，硬件的防水防汗处理，可穿戴性等；信号放大与滤波电路模块1212用于放大微弱的传感器信号，同时抑制各种干扰和噪声，由于在传感器1211工作过程中可能受到外接环境干扰影响比较大，需要选择抗干扰性较强的传感器1211进行指标采集；数据采集系统1213可采用带A/D转换的单片计算机，完成传感器1211数据的采样、保持、硬件滤波和A/D转换，对传感器1211进行一定程度的管理，并对采集的数据进行初步处理；无线数据传输系统1214可采用GSM或CDMA网络，也可采用专用网络(如CDPD)或短程无线，尤其在大型运动场馆中，如何保证传输的有效性和稳定性是一个难题，采用WIFI模块时一般的2.4G无线模块可能由于发射功率不足或信道抢占的原因导致传输数据丢包，编码解码错误等，可采用5G无线发射接受模块搭建局域网进行数据传输，通过这样的方式来减少无线数据传输过程中可能遇到的干扰，有效提高信号传输过程中的有效性，降低误码率。
由于传感器1211采集的信号属于弱信号，无法直接通过发射模块进行传输，因此需要经过功率放大电路对于采集后的信号进行放大处理，在这一过程中可能会放大噪声信号，产生信号淹没现象，因此在功率放大电路设计过程中，除了在硬件电路设计中关注硬件滤波之外，对于数据离常，进行卡尔曼滤波可以有效地减少误差。卡尔曼滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态。
放大滤波后的运动生理信号需要A/D转换和进一步数字信号处理，一般采用单片计算机(AVR单片机或68HC12单片机)(通常采用高性能DSP专用处理芯片对于数据进行处理分析，因为单片机的ALU能力不强，在进行加法和乘法运算过程中性能远低于DSP专用芯片，DSP扩展板也具有AD转换的功能)来完成这一工作。利用单片机片上A/D转换器和数字处理功能，对运动生理信号进行硬件滤波，剔除异常信号和运动干扰，利用实际测量数据对传感器进行校正等，最后将准确测量值发送到通信接口。
运动生理参数的无线传送可借助现代无线通信网络，也可建立专用数据传输链路。采用无线通信网络存在通信堵塞问题，特别是进行大型体育比赛的场所，无线通信设备过多，而可用通信信道有限。其优点是建立通信链路简单方便，可在网络覆盖的任何地方设置后台处理系统。专用通信链路具有实时性好、资源可有效保证的优点。
心率检测装置122使用红外检测技术的心率检测电路，可将发光/光电管做成适宜于戴在手指上的指环进行测量，其原理是检测手指血管末梢血液充盈引起的红外光吸收变化情况，从而检测出心率变化。
体温测量装置123使用了低成本快反应的半导体温度传感器。因人体温度差异不大，只要在37土3C范围内测准即可，故采用低成本传感器。本电路的优点是检测灵敏度高、功耗低、电路简单、反映速度快。
呼吸频率检测装置124使用热敏电阻的呼吸频率测量电路，该电路充分利用呼吸气流造成的温度差异,检测出热敏电阻(灵敏度很高)上温度变化，并将其放大和整型，形成呼吸脉冲，通过计算呼吸脉冲的周期，即可测量出运动员的呼吸频率。该电路功耗低、体积小、安装方便。
心电图检测装置125使用三导联心电图检测电路，采用了测量放大器以消除共模干扰，测量电极采用导电医学橡胶，为避免运动员剧烈运动造成测量电极脱落，应制作专门贴身穿戴的内衣，将引线和测量电极安装在内衣上。
虚拟健身训练数据分析处理系统2和虚拟健身训练效果评价系统3为多功能计算机。其中虚拟健身训练数据分析处理系统2采用复杂健身训练动作识别算法与分析和重复性健身训练运动参数与生理参数实时分析与比较法对训练数据进行分析处理；虚拟健身训练效果评价系统3采用针对不同用户的对应措施和针对健身训练的加权性效果评价来呈现出用户最终的健身训练效果评价。
上述具体实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围中。

Claims (7)

1.一种虚拟健身训练系统，其特征在于，包括：虚拟健身训练数据采集系统(1)、虚拟健身训练数据分析处理系统(2)和虚拟健身训练效果评价系统(3)，所述虚拟健身训练数据采集系统(1)采集的数据传递给虚拟健身训练数据分析处理系统(2)，所述虚拟健身训练数据分析处理系统(2)把分析后的数据传递给虚拟健身训练效果评价系统(3)进行效果评价；
所述虚拟健身训练数据采集系统(1)包括运动参数实时采集装置(11)和生理状态参数实时采集装置(12)，所述运动参数实时采集装置(11)包括力的测量装置(111)、速度的测量装置(112)、角度的测量装置(113)、角度的测量装置(114)和频率的测量装置(115)；所述生理状态参数实时采集装置(12)包括运动生理参数数据采集装置(121)、心率检测装置(122)、体温测量装置(123)、呼吸频率检测装置(124)和心电图检测装置(125)。
2.根据权利要求1所述的一种虚拟健身训练系统，其特征在于，所述力的测量装置(111)为力传感器，所述速度的测量装置(112)为速度传感器，所述角度的测量装置(113)为加速度传感器，所述角度的测量装置(114)为角度传感器，所述频率的测量装置(115)为频率开关传感器。
3.根据权利要求1所述的一种虚拟健身训练系统，其特征在于，所述运动生理参数数据采集装置(121)由传感器(1211)、信号放大与滤波电路模块(1212)、数据采集系统(1213)和无线数据传输系统(1214)组成。
4.根据权利要求3所述的一种虚拟健身训练系统，其特征在于，所述数据采集系统(1213)为带A/D转换的单片计算机。
5.根据权利要求3所述的一种虚拟健身训练系统，其特征在于，所述无线数据传输系统(1214)为GSM或CDMA网络。
6.根据权利要求1所述的一种虚拟健身训练系统，其特征在于，所述心率检测装置(122)为红外检测技术的心率检测电路，所述体温测量装置(123)为半导体温度传感器，所述呼吸频率检测装置(124)为热敏电阻的呼吸频率测量电路，所述心电图检测装置(125)为三导联心电图检测电路。
7.根据权利要求1所述的一种虚拟健身训练系统，其特征在于，所述虚拟健身训练数据分析处理系统(2)和虚拟健身训练效果评价系统(3)为多功能计算机。
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