CN108905164A - 一种纠正运动姿态的穿戴系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纠正运动姿态的穿戴系统，包括九轴传感器模块、心率血压传感器模块、主控MCU模块、电源管理模块和交互上位机模块，所述九轴传感器模块用于感知用户肢体各部位的移动数据，通过传感器获取肢体运动的角速度数据和加速度数据；本发明结构简单、成本低廉、穿戴方便、可靠实用、交互性强，可以帮助专业运动员分析运动过程，为提高成绩提供有效数据，有效的控制和调节每次运动的运动量，达到高效训练、安全训练的目标，通过人体动作的捕捉系统来捕获运动员肢体的动态，并与标准姿势对比，通过分析各个关节运动状态来指导、纠正训练者的动作，从而提高运动员的运动成绩。

Description

一种纠正运动姿态的穿戴系统
技术领域
本发明涉及人体姿态捕捉技术领域，具体涉及一种纠正运动姿态的穿戴系统。
背景技术
随着社会经济、社会文化的不断提高和发展，健康的地位和价值也在提高，人们对健康的认识和理解不断增强，随着人们健康意识的不断增强，对运动健身市场的需求不断日益提高，特别随着人们经济生活水平的不断提高，对于高端建设、户外运动等教练需求也急剧上升，而运动教练的素质难以保证以及数量供不应求，并且现有的运动器材也难以满足人们的需求，因此这个问题急需解决；而且现有技术中主要通过视觉摄像头系统捕捉运动姿态，由于使用对象是无时无刻在运动着的，目前技术无法细致到每一个角度对其进行视觉定位来避免运动员较大幅度的动作遮挡某一部分身体以及关节的运动，因此无法给出一个准确的测量精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、成本低廉、穿戴方便、可靠实用、交互性强的纠正运动姿态的穿戴系统。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种纠正运动姿态的穿戴系统，包括九轴传感器模块、心率血压传感器模块、主控MCU模块、电源管理模块和交互上位机模块，其中：
所述九轴传感器模块用于感知用户肢体各部位的移动数据，通过传感器获取肢体运动的角速度数据和加速度数据；所述九轴传感器模块包括三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器，所述九轴传感器模块将各节点的数据经总线发送给所述主控MCU模块整合，经由WiFi发送给所述交互上位机模块进行运动姿态的计算仿真；
所述心率血压传感器模块用于感知用户在运动过程中的心率血压，并将实时的身体情况传送给所述交互上位机模块；所述心率血压传感器模块将用户的实时身体状况数据发送给所述主控MCU模块整合，再经由WiFi发送给所述交互上位机模块计算运动的最佳节奏以达到最高效率的运动；
所述主控MCU模块用于处理各个传感器的数值信号，通过一个IIC总线接口和四个GPIO控制所有的传感器，三个GPIO分别连接所述九轴传感器模块的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器的中断信号，并作为该三个传感器的中断输出；一个GPIO作为所述心率血压传感器模块的中断输出；其中，所述主控MCU模块中的主控MCU支持IIC总线协议和串口通讯协议，并通过IIC总线接口汇聚各节点传感器的数据，将数据由串口通过WiFi传输到所述交互上位机模块，再通过所述交互上位机模块的PC端软件进行进一步的数据仿真和比对；
所述电源管理模块用于为所述九轴传感器模块，心率血压传感器模块和主控MCU模块的各类传感器和主控MCU提供3V的低差稳压电路，并使用3V输出的锂电池作为系统的电力支持；
所述交互上位机模块用于将收集到的加速度数值信号和地磁数值信号进行低通滤波处理，将收集到的角速度数值信号进行高通滤波，并通过所述交互上位机模块的PC端软件的仿真将用户实际运动姿态在屏幕上显示出来，并将实际数据和预先设定好的正确数据进行比对，告知用户的动作正确指数并指导用户改正错误姿势；其中，所述交互上位机模块通过WiFi接收器接收来自所述主控MCU模块的运动姿态数据，通过PC端运行数据解析软件来仿真人体实际运动姿态，通过预先设定保留的正确姿态数据进行比对，得到改进的数据并在交互界面呈现出来。
优选地，所述主控MCU模块的主控MCU采用意法半导体公司生产的型号为STM32F103C8T6主控MCU；STM32F103C8T6的物理尺寸仅为7*7mm，采用内核是ARM公司设计的Cortex-M3，主频最高可达72MHz，计算能力可以达到1.25DMips/MHz，且内部集成有单周期的乘法器和除法器，可以对乘法、除法进行硬件加速，同时该MCU的成本也非常低。
优选地，所述九轴传感器模块采用型号为JY901的九轴陀螺仪模块。
优选地，所述心率血压传感器模块采用型号为MKB0705的心率血压模块。
优选地，所述主控MCU模块采用型号为ESP8266的无线WiFi传输模块；ESP8266为一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，小巧的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计。
优选地，所述九轴传感器模块、心率血压传感器模块和主控MCU模块均采用IIC通信协议。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
本发明结构简单、成本低廉、穿戴方便、可靠实用、交互性强，可以帮助专业运动员分析运动过程，为提高成绩提供有效数据，有效的控制和调节每次运动的运动量，达到高效训练、安全训练的目标，通过人体动作的捕捉系统来捕获运动员肢体的动态，并与标准姿势对比，通过分析各个关节运动状态来指导、纠正训练者的动作，从而提高运动员的运动成绩；在运动分析领域内，本发明可以应用于两个方面：第一个方面是用于日常运动的运动检测，实现对运动过程的实时监控，对运动量的实时计算，从而有效的控制和调节每次运动的运动量，达到高效训练、安全训练的目标；第二个方面是在跳远、跳水、跑步、竞走等体育项目中，通过人体动作的捕捉系统来捕获运动员肢体的动态，并与标准姿势对比，通过分析各个关节运动状态来指导、纠正训练者的动作，从而提高运动员的运动成绩。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的数据采集原理框图；
图4为本发明的传感器运行流程图。
图中附图标记为：A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2、E、F均为九轴传感器模块；G为心率血压传感器模块；H为主控MCU模块。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1～4所示，一种纠正运动姿态的穿戴系统，包括九轴传感器模块、心率血压传感器模块、主控MCU模块、电源管理模块和交互上位机模块，其中：
所述九轴传感器模块用于感知用户肢体各部位的移动数据，通过传感器获取肢体运动的角速度数据和加速度数据；所述九轴传感器模块包括三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器，所述九轴传感器模块将各节点的数据经总线发送给所述主控MCU模块整合，经由WiFi发送给所述交互上位机模块进行运动姿态的计算仿真；再与已设定的正确姿态进行比对，通过PC端交互界面告知用户的姿势正确指数，并通过比对正确姿势数据之后，将需改正的动作通过三维模型在pc端软件交互界面展示出来，使用人可以按照提示修改自身的错误姿势；所述九轴传感器模块采用型号为JY901的九轴陀螺仪模块。
所述心率血压传感器模块用于感知用户在运动过程中的心率血压，并将实时的身体情况传送给所述交互上位机模块；所述心率血压传感器模块将用户的实时身体状况数据发送给所述主控MCU模块整合，再经由WiFi发送给所述交互上位机模块计算运动的最佳节奏以达到最高效率的运动；所述心率血压传感器模块采用型号为MKB0705的心率血压模块。
所述主控MCU模块用于处理各个传感器的数值信号，通过一个IIC总线接口和四个GPIO控制所有的传感器，三个GPIO分别连接所述九轴传感器模块的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器的中断信号，并作为该三个传感器的中断输出；一个GPIO作为所述心率血压传感器模块的中断输出；其中，所述主控MCU模块中的主控MCU支持IIC总线协议和串口通讯协议，并通过IIC总线接口汇聚各节点传感器的数据，将数据由串口通过WiFi传输到所述交互上位机模块，再通过所述交互上位机模块的PC端软件进行进一步的数据仿真和比对；所述主控MCU模块的主控MCU采用意法半导体公司生产的型号为STM32F103C8T6主控MCU；STM32F103C8T6的物理尺寸仅为7*7mm，采用内核是ARM公司设计的Cortex-M3，主频最高可达72MHz，计算能力可以达到1.25DMips/MHz，且内部集成有单周期的乘法器和除法器，可以对乘法、除法进行硬件加速，同时该MCU的成本也非常低；所述主控MCU模块采用型号为ESP8266的无线WiFi传输模块；ESP8266为一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，小巧的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计。
所述九轴传感器模块、心率血压传感器模块和主控MCU模块均采用IIC通信协议。
所述电源管理模块用于为所述九轴传感器模块，心率血压传感器模块和主控MCU模块的各类传感器和主控MCU提供3V的低差稳压电路，并使用3V输出的锂电池作为系统的电力支持；所述电源管理模块主要用于为整套服装系统的电子设备提供电力来源，既要保证供电稳定，又要保证服装使用过程中用电安全，防止对人体产生危害，因此只需要提供3V的低压电就足够了，既不影响传感器和MCU的正常使用，又不对人体造成触电影响；同时，具有保护电路的电路系统能够使元器件处于更适宜的环境下运行，提高元器件的使用寿命。
所述交互上位机模块用于将收集到的加速度数值信号和地磁数值信号进行低通滤波处理，将收集到的角速度数值信号进行高通滤波，并通过所述交互上位机模块的PC端软件的仿真将用户实际运动姿态在屏幕上显示出来，并将实际数据和预先设定好的正确数据进行比对，告知用户的动作正确指数并指导用户改正错误姿势；其中，所述交互上位机模块通过WiFi接收器接收来自所述主控MCU模块的运动姿态数据，通过PC端运行数据解析软件来仿真人体实际运动姿态，通过预先设定保留的正确姿态数据进行比对，得到改进的数据并在交互界面呈现出来。
如图2所示，本系统主要包括10个分布在运动服上的九轴陀螺仪模块，具体来说，上衣两边衣袖的袖口各一个如A1/A2、两边肘关节处各一个如B1/B2，裤子两边的裤脚各一个如C1/C2、两边膝关节各一个如D1/D2，人体颈部一个如E，腰部一个如F；再通过有线连接的方式接入主控MCU模块H的IIC总线接口，可以降低电流消耗、抗高噪声干扰，在运动过程中降低数据携带噪声；开始工作时进行初始化，工作过程中将所处部位的运动加速度等数据信息交付给主控MCU，再由WiFi模块将数据完整传输给上位机，结束后发现数据未完整传送，WiFi模块将完整数据重新传送。
心率血压传感器设置在左边衣袖袖口G处，工作时将感知运动员的心率血压，根据不同的运动设置不同的上限值，达到上限值主控MCU将会报警提醒用户注意休息及运动节奏，将实时的身体情况传送给上位机可以结合动作仿真计算能量消耗和身体健康情况。
通过汇聚各个节点传感器的数据传送给位于PC端软件平台，最后在软件平台软件进行数据运算并仿真运动员的运动姿态，比对正确的姿态之后将比对数据在PC端软件呈现出来；运动员可以通过PC端进行数据交互，得知自己的姿态是否正确，是否需要调整，根据终端提示进行调整，达到最完美最准确的运动姿势。
如图3所示的传感器单元的数据采集模块框架图，主要包括传感器与MCU的连接方式，MCU与通讯模块的连接方式，运动服与PC端的连接方式。主要的，传感器通过IIC总线接入MCU，WiFi无线通讯模块通过串口连接的方式接入MCU，当MCU有数据需要传输时启用WiFi模块，通过WiFi的无线通讯方式发送给PC端，PC端通过WiFi接收器接收来自MCU的数据进行运算仿真。
主控MCU通过IIC总线连接所有内部的传感器，收集整组感测数据，传输中有主机接收器，它必须通过在传感器发出的最后一个字节时产生一个响应，向传感器发送器通知数据结束。在收集位于各节点的传感器数据时需要先设定信号通道，各节点传感器加入到主机配置的节点网络，将传感器的电平数据信息经信号通道发给MCU，MCU接收完数据将数据封装打包经无线通道发送给PC端。
如图4所示的各节点传感器运行流程图，待机状态下的传感器和MCU处于低功耗待机状态，使用前唤醒MCU，启动运动服上的各类元器件进行初始化，更新内存器的缓存数据，获取新的姿态数据之后发送给PC端，PC端收到数据之后重新发送确认送达数据串，在确认送达之后重新进入待机状态，否则重新发送。
本发明结构简单、成本低廉、穿戴方便、可靠实用、交互性强，可以帮助专业运动员分析运动过程，为提高成绩提供有效数据，有效的控制和调节每次运动的运动量，达到高效训练、安全训练的目标，通过人体动作的捕捉系统来捕获运动员肢体的动态，并与标准姿势对比，通过分析各个关节运动状态来指导、纠正训练者的动作，从而提高运动员的运动成绩；在运动分析领域内，本发明可以应用于两个方面：第一个方面是用于日常运动的运动检测，实现对运动过程的实时监控，对运动量的实时计算，从而有效的控制和调节每次运动的运动量，达到高效训练、安全训练的目标；第二个方面是在跳远、跳水、跑步、竞走等体育项目中，通过人体动作的捕捉系统来捕获运动员肢体的动态，并与标准姿势对比，通过分析各个关节运动状态来指导、纠正训练者的动作，从而提高运动员的运动成绩。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种纠正运动姿态的穿戴系统，其特征在于，包括九轴传感器模块、心率血压传感器模块、主控MCU模块、电源管理模块和交互上位机模块，其中：
所述九轴传感器模块用于感知用户肢体各部位的移动数据，通过传感器获取肢体运动的角速度数据和加速度数据；所述九轴传感器模块包括三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器，所述九轴传感器模块将各节点的数据经总线发送给所述主控MCU模块整合，经由WiFi发送给所述交互上位机模块进行运动姿态的计算仿真；
所述心率血压传感器模块用于感知用户在运动过程中的心率血压，并将实时的身体情况传送给所述交互上位机模块；所述心率血压传感器模块将用户的实时身体状况数据发送给所述主控MCU模块整合，再经由WiFi发送给所述交互上位机模块计算运动的最佳节奏以达到最高效率的运动；
所述主控MCU模块用于处理各个传感器的数值信号，通过一个IIC总线接口和四个GPIO控制所有的传感器，三个GPIO分别连接所述九轴传感器模块的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器的中断信号，并作为该三个传感器的中断输出；一个GPIO作为所述心率血压传感器模块的中断输出；其中，所述主控MCU模块中的主控MCU支持IIC总线协议和串口通讯协议，并通过IIC总线接口汇聚各节点传感器的数据，将数据由串口通过WiFi传输到所述交互上位机模块，再通过所述交互上位机模块的PC端软件进行进一步的数据仿真和比对；
所述电源管理模块用于为所述九轴传感器模块，心率血压传感器模块和主控MCU模块的各类传感器和主控MCU提供3V的低差稳压电路，并使用3V输出的锂电池作为系统的电力支持；
所述交互上位机模块用于将收集到的加速度数值信号和地磁数值信号进行低通滤波处理，将收集到的角速度数值信号进行高通滤波，并通过所述交互上位机模块的PC端软件的仿真将用户实际运动姿态在屏幕上显示出来，并将实际数据和预先设定好的正确数据进行比对，告知用户的动作正确指数并指导用户改正错误姿势；其中，所述交互上位机模块通过WiFi接收器接收来自所述主控MCU模块的运动姿态数据，通过PC端运行数据解析软件来仿真人体实际运动姿态，通过预先设定保留的正确姿态数据进行比对，得到改进的数据并在交互界面呈现出来。
2.根据权利要求1所述的纠正运动姿态的穿戴系统，其特征在于，所述主控MCU模块的主控MCU采用意法半导体公司生产的型号为STM32F103C8T6主控MCU。
3.根据权利要求1所述的纠正运动姿态的穿戴系统，其特征在于，所述九轴传感器模块采用型号为JY901的九轴陀螺仪模块。
4.根据权利要求1所述的纠正运动姿态的穿戴系统，其特征在于，所述心率血压传感器模块采用型号为MKB0705的心率血压模块。
5.根据权利要求1所述的纠正运动姿态的穿戴系统，其特征在于，所述主控MCU模块采用型号为ESP8266的无线WiFi传输模块。
6.根据权利要求1所述的纠正运动姿态的穿戴系统，其特征在于，所述九轴传感器模块、心率血压传感器模块和主控MCU模块均采用IIC通信协议。
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