CN109821211A - 一种基于虚拟现实的游泳教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实的游泳教学系统，由头戴式设备、机械臂装置和主控装置组成，头戴式设备包括VR眼镜、与VR眼镜顶部固定的头罩、与VR眼镜背部固定的耳机以及通过旋钮活动固定在耳机上的面罩，面罩的内侧设有用于检测用户呼吸速率的气流传感器；机械臂装置包括底部支撑组件、固定在底部支撑组件上的腰撑组件、以及与所述腰撑组件固定连接的关节机械臂组件；关节机械臂组件中安装有传感器组件和电机；主控装置通过处理所述传感器组件检测到的数据来判断用户泳姿是否正确，并控制电机改变机械臂装置的活动阻力，用于模拟游泳状态的阻力。利用本发明，可以为用户提供身临其境的互动式游泳学习体验。

Description

一种基于虚拟现实的游泳教学系统

技术领域

本发明属于体育设备和虚拟现实技术领域，尤其是涉及一种基于虚拟现实的游泳教学系统。

背景技术

游泳是一项需要人的肢体高度协调的复杂运动，人们在学习游泳时会经常重复手臂和腿的运动来形成肌肉记忆，以此来达到肢体协调准确。但由于缺乏像游泳教练和游泳池这样的游泳条件，导致学习游泳对于大多数人来说是极其不方便的。

公告号为US4830363A的专利说明书公开了一种用于旱地游泳训练的便携式可调节装置。该装置包括支撑工作台的框架，使用者的躯干可以在该工作台上被支撑在大致水平的位置，杠杆装置固定到工作台后面的框架以可支撑地接收使用者的腿，杠杆装置在使用者的腿移动时可移动并且，臂移动装置固定到框架上，以便由使用者的手抓握，以允许使用者的手臂像游泳一样移动。

公告号为US4948119A的专利说明书公开了一种用于在模拟游泳运动中移动使用者的手臂和腿部时锻炼的装置，尤其涉及在进行锻炼时支撑使用者处于直立姿势的装置。该装置有一个座位，该座位将使用者支撑在一个大致直立的位置，在该位置，手臂和腿可以以类似于游泳时遇到的方式自由移动。座椅支撑在基座上方，该基座具有位于其一端的阻力装置，当它们围绕臀部以摆动运动时，该阻力装置对腿的运动施加阻力。

但是目前的这些游泳教学系统都只是机械让人们进行重复肢体运动，让用户感觉自己只是在锻炼身体，而不是学习游泳，学习过程非常枯燥，不能完全沉浸到学习氛围中去。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种基于虚拟现实的游泳教学系统，可以为用户提供身临其境的互动式游泳学习体验。

本发明的技术方案如下：

一种基于虚拟现实的游泳教学系统，由头戴式设备、机械臂装置和主控装置组成，所述头戴式设备包括VR眼镜、与VR眼镜顶部固定的头罩、与VR眼镜背部固定的耳机以及通过旋钮活动固定在耳机上的面罩，所述面罩的内侧设有用于检测用户呼吸速率的气流传感器；

所述机械臂装置包括底部支撑组件、固定在底部支撑组件上的腰撑组件、以及与所述腰撑组件固定连接的关节机械臂组件；所述关节机械臂组件中安装有传感器组件和电机；

所述主控装置通过处理所述传感器组件检测到的数据来判断用户泳姿是否正确，并控制电机改变机械臂装置的活动阻力，用于模拟游泳状态的阻力。

本发明在使用过程中，头戴式设备与机械臂装置通过WIFI连接传输数据。VR眼镜中实时显示虚拟人物的游泳画面，机械臂装置中的传感器实时检测人的动作，并给与反馈，告诉使用者正确泳姿，此外VR系统还可以切换不同的游泳场景，为用户提供身临其境的互动式游泳学习体验。气流传感器通过检测人呼出与吸入的气流大小与频率来判断人的呼吸是否符合游泳时的呼吸频率，同时气流传感器的检测数据用来指导气泵的工作强度。

作为优选，所述面罩的内侧设有气囊，所述气囊与VR眼镜上设置的气泵连接，所述气泵根据主控装置的指令控制气囊的充气与放气。头戴式设备中气流传感器检测人的呼吸通过气泵控制气囊大小，从而对鼻腔上部产生压迫，模拟人们在水中的压迫感，让使用者有身临其境的感觉。

作为优选，所述面罩由若干层U型挡板组成，每层U型挡板的尾部通过旋钮活动固定在耳机上，使得面罩可以根据需要展开与收起。

所述底部支撑组件包括底板、固定在底板上的支撑杆、以及一端与支撑杆活动连接的摆臂，所述摆臂的另一端与所述腰撑组件活动连接；所述摆臂中设有用于驱动摆臂运动的电机。

所述腰撑组件包括与所述摆臂固定的连接杆、活动固定在连接杆上的U型腰撑、以及固定在U型腰撑上的两块腰板；所述连接杆中设有用于驱动连接杆运动的电机。

所述关节机械臂组件包括与腰板固定的两根关节腰臂，每根关节腰臂的两端分别通过旋转轴连接有关节大臂和关节大腿臂，所述关节大臂上活动连接有关节小臂，所述关节大腿臂上活动连接有关节小腿臂；所述关节小臂和关节小腿臂上均设有手脚固定绑带。

作为优选，所述关节小臂和关节小腿臂的上表面设有U型凹槽。设置U型凹槽可以方便人的手脚放置，在U型凹槽边缘可以设置一圈橡胶圈用来保证手臂和小腿放置舒适度。

所述的传感器组件包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器和仰角传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明不同于传统的通过简单的机械装置帮助人们学习游泳，而是用机械臂代替游泳教练指导用户学习游泳动作，使用户形成肌肉记忆，同时加入虚拟现实技术辅助教学，让用户有沉浸式体验，降低了人们的学习成本，提高人们学习游泳运动的效率。

2、头戴式设备中气流传感器检测人的呼吸通过气泵控制气囊大小，从而对鼻腔上部产生压迫，模拟人们在水中的压迫感，让使用者有身临其境的感觉。

3、机械臂装置中加入大量传感器来检测人体肢体运动，从而能够准确捕捉人体肢体错误，帮助人们进行正确的泳姿训练，而不用花钱请私人教练来指导。

4、VR系统可以进行多场景的切换，完善了现有技术单一场景的缺陷，帮助人们在不同的水环境在进行学习，体验多种环境下的动作流程。

附图说明

图1为本发明实施例中头戴式设备的结构示意图；

图2为本发明实施例中机械臂装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中关节机械臂组件的内部结构示意图；

图4为本发明实施例中头戴式设备的使用方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

一种基于虚拟现实的游泳教学系统，包括头戴式设备、机械臂装置和主控装置。如图1所示，头戴式设备包括VR眼镜1、面罩2、耳机3、气囊4和头罩5。

VR眼镜1顶部与头罩5相连，且设有有三条通气槽，用来与外界空气进行流通，背部设有气泵6，控制气囊4的充气与放气。

VR眼镜1底部与面罩2顶部相连，面罩2由多层U型挡板8组成，U型挡板8尾部通过旋钮9固定在耳机3上，面罩2可以展开与收起。

气流传感器7固定在面罩2内侧，通过检测人呼出与吸入的气流大小与频率来判断人的呼吸是否符合游泳时的呼吸频率，同时气流传感器7的检测数据用来指导气泵6的工作强度。

如图2所示，机械臂装置包括底部支撑组件、固定在底部支撑组件上的腰撑组件、以及与腰撑组件固定连接的关节机械臂组件；关节机械臂组件中安装有传感器组件24和电机25。

底部支撑部件包括摆臂20、支撑杆21和底板22。腰撑组件包括腰板17、U型腰撑18、连接杆19。关节机械臂组件包括手脚固定绑带10、关节小臂11、关节大臂12、关节腰臂13、旋转轴14、关节小腿臂16和关节大腿臂15。

手脚固定绑带10有四个，分别固定在两个关节小臂11和两个关节小腿臂16顶端，关节小臂11和关节小腿臂16结构相同，长度不同，在上表面有U型槽，方便人的手脚放置，在U型槽边缘附有一圈橡胶圈用来保证手臂和小腿放置舒适度。

关节小臂11通过螺丝固定至关节大臂12上，关节大臂12连接至旋转轴23，再连接至关节腰臂13。关节大臂12可以绕关节腰臂13做360度旋转。

关节小腿臂16连接至关节大腿臂15上，关节大腿臂15连接至旋转轴14，再连接至关节腰臂13。

两个关节腰臂13分别固定在两个腰板17上，腰板17通过螺丝固定在U型腰撑18上，腰板17抵住人的腰部，U型腰撑18抵住人的腹部。

U型腰撑18与连接杆19相连，连接杆19与摆臂20相连，摆臂20与支撑杆21相连，支撑杆21焊接在底板22上。

本实施例中关节机械臂组件的内部结构如图3所示，包括传感器组件24和电机25。

传感器组件24集成了位置传感器、速度传感器、加速度传感器和仰角传感器，用来检测人的肢体运动，并将数据传输给主机，主机处理后用来判断用户泳姿是否正确，并控制电机25改变机械臂装置的活动阻力，用来模拟游泳状态的阻力。同时结果也传送给头戴式头盔控制气泵6充放气强度。

机械臂组件、连接杆19和摆臂20中均设有电机，用来驱动机械臂的运动，机械臂组件的关节机械臂控制人的肢体运动，连接杆19和摆臂20中的电机控制装置的旋转角度，帮助用户改变他们的姿势和模拟游泳时的晃动感。

如图4中(a)和(b)所示，头戴式设备上的面罩2可以根据需要展开与收起。头戴式设备检测用户的呼吸速率并通过气流传感器7将数据传输到机器人手臂。面罩2的气囊4通过气泵6连接到空气，用于收缩和膨胀。机器人手臂识别用户的游泳姿势是否正确以影响可伸缩面罩中的气囊4的膨胀和收缩。

详细地，当机器人臂检测到用户的错误动作时，气囊4将膨胀然后接触鼻梁。相反，当用户进行标准游泳运动时，气囊会收缩而不会碰到皮肤。如果用户在安全气囊充气期间感觉不舒服，他们可以向上推动可伸缩面罩以便停止充气气囊。

系统中设置有各种游泳学习内容，包括竞技游泳(例如蝴蝶，仰泳，蛙泳和自由泳，同步游泳等)和实用游泳(例如自救和浮动)当他们意外掉入水中时游泳等)。多样化的教学内容能够使用户能够在无水和安全的环境中实现专业的游泳指导并增强他们的肌肉记忆力。

本发明的工作过程为：使用者戴上头戴式设备，将小腿和手臂固定在对应的关节机械臂的绑带上，此时设备为垂直状态。在使用过程中，支撑组件的电机启动将机械臂装备旋转切斜至水平状态。游泳学习有两种模式:学习模式和自由模式。学习模式是机械臂臂驱动用户肢体运动，自由模式是用户自由运动，传感器实时检测用户的动作。使用者可以选择任意模式进入学习，头戴式设备中的气流传感器检测人的呼吸，利用气囊压迫人的鼻腔模拟水对鼻子的压力，VR眼镜中实时显示虚拟人物的游泳画面，机械臂装置中的传感器实时检测人的动作，并给与反馈，告诉使用者正确泳姿。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于虚拟现实的游泳教学系统，其特征在于，由头戴式设备、机械臂装置和主控装置组成，所述头戴式设备包括VR眼镜、与VR眼镜顶部固定的头罩、与VR眼镜背部固定的耳机以及通过旋钮活动固定在耳机上的面罩，所述面罩的内侧设有用于检测用户呼吸速率的气流传感器；

所述机械臂装置包括底部支撑组件、固定在底部支撑组件上的腰撑组件、以及与所述腰撑组件固定连接的关节机械臂组件；所述关节机械臂组件中安装有传感器组件和电机；

所述主控装置通过处理所述传感器组件检测到的数据来判断用户泳姿是否正确，并控制电机改变机械臂装置的活动阻力，用于模拟游泳状态的阻力。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的游泳教学系统，其特征在于，所述面罩的内侧设有气囊，所述气囊与VR眼镜上设置的气泵连接，所述气泵根据主控装置的指令控制气囊的充气与放气。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的游泳教学系统，其特征在于，所述面罩由若干层U型挡板组成，每层U型挡板的尾部通过旋钮活动固定在耳机上。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的游泳教学系统，其特征在于，所述底部支撑组件包括底板、固定在底板上的支撑杆、以及一端与支撑杆活动连接的摆臂，所述摆臂的另一端与所述腰撑组件活动连接；所述摆臂中设有用于驱动摆臂运动的电机。

5.根据权利要求4所述的基于虚拟现实的游泳教学系统，其特征在于，所述腰撑组件包括与所述摆臂固定的连接杆、活动固定在连接杆上的U型腰撑、以及固定在U型腰撑上的两块腰板；所述连接杆中设有用于驱动连接杆运动的电机。

6.根据权利要求5所述的基于虚拟现实的游泳教学系统，其特征在于，所述关节机械臂组件包括与腰板固定的两根关节腰臂，每根关节腰臂的两端分别通过旋转轴连接有关节大臂和关节大腿臂，所述关节大臂上活动连接有关节小臂，所述关节大腿臂上活动连接有关节小腿臂；所述关节小臂和关节小腿臂上均设有手脚固定绑带。

7.根据权利要求6所述的基于虚拟现实的游泳教学系统，其特征在于，所述关节小臂和关节小腿臂的上表面设有U型凹槽。

8.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的游泳教学系统，其特征在于，所述的传感器组件包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器和仰角传感器。