CN110859452A - 一种可三维矫姿的学习桌以及三维矫姿的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可三维矫姿的学习桌以及三维矫姿的方法，学习桌包括桌子和椅子，桌子上设有用于检测人体坐姿的追踪设备以及用于检测椅子位置信息的定位设备；椅子为六自由度座椅，其至少包括第一检测点、第二检测点、第三检测点。本方法通过Kinect获取人体骨骼的弯曲角度，最大限度的避免了周围光照条件和遮挡的影响，精确的确定人体是否属于错误坐姿；能及时发现人体在调整坐姿后仍不能达到正确坐姿的情况，并且结合超声定位装置和配备的六自由度椅子，对椅子的相对位置进行调节，使其快速回到正确的高度差和距离，从而确保人体最舒适的学习环境。

Description

一种可三维矫姿的学习桌以及三维矫姿的方法

技术领域

本发明涉及智能化学习用具领域，尤其涉及一种可三维矫姿的学习桌以及三维矫姿的方法。

背景技术

目前的中小学生大部分是独生子女，在家长工作繁忙的时候往往只能一个人在家学习，作业里遇到的问题也不能及时地得到解决。更为重要的是，由于缺乏监督学生会出现或多或少的学习上的坏习惯，例如坐姿问题，错误的坐姿一方面对眼睛视力不好，出现腰酸背痛的症状，特别是正处于发育期的中小学生，对今后的身体发育都带来严重影响；另一方面，容易分散注意力，进而影响学习效率。

随着科学技术的飞速发展，越来越多的智能硬件出现在了人们的生活中。因此，对于中小学生，迫切需要有一种智能学习桌，既能满足学生贴近“桌面”的传统的学习习惯，又能够及时解决学生学习过程中的坐姿问题。微软公司的自然交互设备Kinect，能够实时地捕捉人体20个骨骼点的三维空间位置，这对于人体追踪很有帮助。Kinect采用主动红外线技术进行深度探测，在识别人体骨骼的同时，避免了周围光照条件和遮挡的影响。但是，由于错误坐姿不光有自身原因，也可能是受外界因素影响，例如桌子和椅子的高度差、距离等，都会影响使用者坐姿。很多时候在调整坐姿后，由于桌子椅子的问题仍是错误的坐姿，然而自己确误以为已经是正确坐姿了。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可三维矫姿的学习桌以及三维矫姿的方法，其解决了学生在学习使用错误的坐姿，进而影响身体和学习的问题。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种三维矫姿的方法，包括以下步骤：

a、间歇式获取追踪设备拍摄的视频中姿态深度图像，计算姿态深度图像中人体的弯曲角度，判断在所述弯曲角度状态下的人体是否属于错误坐姿；

b、若判断属于错误坐姿，则生成周期提示的控制命令并开始发出提示，并在此周期时间内不断重复步骤a：

若在重复步骤a过程中判断属于正确坐姿，则立即停止提示，矫姿完毕；

若在重复步骤a过程中判断一直属于错误坐姿，则进一步判断人体弯曲角度在此周期内是否向有矫正趋势：

若没有矫正趋势，则接着生成周期提示的控制命令并开始发出提示，重复步骤a过程并继续上述判断，直到判断属于正确坐姿或有矫正趋势；

若有矫正趋势，则通过定位设备获取人体的承载平台的位置信息，并根据此位置信息对承载平台进行位置调整。

进一步改进在于，所述追踪设备由Kinect和可编程旋转摄像机组成，通过Kinect获取人体骨骼数据序列，并从中提取躯干和颈部骨骼点在Kinect坐标系中的坐标，并根据坐标计算人体的弯曲角度。

进一步改进在于，所述错误坐姿的具体判断方法为：

先计算人体的躯干弯曲角度，若所述躯干弯曲角度大于第一阈值时，确定当前姿态深度图像状态下为错误坐姿；

若所述躯干弯曲角度小于或等于第一阈值时，计算当前姿态深度图像状态下人体的颈部弯曲角度，若所述颈部弯曲角度大于第二阈值时，确定当前姿态深度图像状态下为错误坐姿。

进一步改进在于，所述周期提示为在8s内连续性发出提示音。

进一步改进在于，所述正确坐姿的具体判断方法为：

先计算人体的躯干弯曲角度，若所述躯干弯曲角度小于或等于第一阈值时，计算当前姿态深度图像状态下人体的颈部弯曲角度，若所述颈部弯曲角度小于或等于第二阈值时，确定当前姿态深度图像状态下为正确坐姿。

进一步改进在于，所述矫正趋势的判断标准为：当人体在一个周期后仍属于错误坐姿，但人体的弯曲角度变小了，则判定此周期内有矫正趋势。

进一步改进在于，所述承载平台的位置信息包括承载平台上各个检测点的三维坐标。

进一步改进在于，所述对承载平台进行位置调整的步骤包括沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动、沿Z轴方向移动、绕X轴方向旋转、绕Y轴方向旋转、绕Z轴方向旋转，所述X轴方向、Y轴方向、Z轴方向在空间内两两互相垂直。

一种可三维矫姿的学习桌，包括相互活动连接的桌子和椅子，

所述桌子上设有用于检测人体坐姿的追踪设备以及用于检测椅子位置信息的定位设备；

所述椅子为六自由度座椅，其至少包括第一检测点、第二检测点、第三检测点。

进一步改进在于，所述追踪设备由Kinect和可编程旋转摄像机组成；

所述定位设备包括在桌子下方设置的超声波发生器，以及在所述第一检测点、第二检测点、第三检测点上分别设置的超声波定位装置；

所述桌子上设有控制器以及与控制器连接的语音提示模块，所述椅子内设有用于调整椅子位置的驱动机构，所述驱动机构受控制器控制。

本发明的有益效果是：本方法通过Kinect获取人体骨骼的弯曲角度，最大限度的避免了周围光照条件和遮挡的影响，精确的确定人体是否属于错误坐姿。另外，本方法能及时发现人体在调整坐姿后仍不能达到正确坐姿的情况，并且结合超声定位装置和配备的六自由度椅子，在此情况下通过俯仰调节、滚转调节、偏航调节、Z轴垂直升降调节、Y轴纵向位移调节、X轴侧向位移调节这六个方式对椅子的相对位置进行调节，使其快速回到正确的高度差和距离，从而确保人体最舒适的学习环境。

附图说明

图1为三维矫姿的方法流程图；

图2为可三维矫姿的学习桌的结构图；

图3为椅子底部各检测点的位置图；

其中，1-桌子，2-椅子，21-第一检测点，22-第二检测点，23-第三检测点，3-追踪设备3，4-超声波发生器，5-语音提示模块。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种三维矫姿的方法，其包括以下步骤：

步骤a、

a-1、间歇式获取追踪设备拍摄的视频中姿态深度图像，计算姿态深度图像中人体的弯曲角度，判断在所述弯曲角度状态下的人体是否属于错误坐姿。

间歇式获取指的是每隔1s时间获取一帧视频中姿态深度图像。追踪设备由Kinect和可编程旋转摄像机组成，通过Kinect获取人体骨骼数据序列，并从中提取躯干和颈部骨骼点在Kinect坐标系中的坐标，并根据坐标计算人体的弯曲角度。本发明所指的人体的弯曲角度包括躯干的弯曲角度和颈部的弯曲角度，均可通过相应骨骼检测计算得到。

上述错误坐姿的具体判断方法为：

先计算人体的躯干弯曲角度，若躯干弯曲角度大于第一阈值时，确定当前姿态深度图像状态下为错误坐姿；若躯干弯曲角度小于或等于第一阈值时，计算当前姿态深度图像状态下人体的颈部弯曲角度，若所述颈部弯曲角度大于第二阈值时，确定当前姿态深度图像状态下为错误坐姿。

其中，第一阈值、第二阈值为预设角度值，一般均设置为15°，例如躯干弯曲角度大于15°则确定为错误坐姿。

需要说明的是上述用到的计算弯曲角度的过程以及判定过程均为现有技术。例如公开号为CN107153829A的专利文献中公开了一种装置，其包括监测模块、计算模块和确定模块，可以通过人体骨骼数据序列，计算人体的弯曲角度，并作出判断的原理技术，故这里不详细介绍。

步骤b、

b-1若判断属于错误坐姿，则生成周期提示的控制命令并开始发出提示，并在此周期时间内不断重复步骤a：

b-11、若在重复步骤a过程中判断属于正确坐姿，则立即停止提示，矫姿完毕。

b-12、若在重复步骤a过程中判断一直属于错误坐姿，则进一步判断人体弯曲角度在此周期内是否向有矫正趋势：

b-121、若没有矫正趋势，则接着生成周期提示的控制命令并开始发出提示，重复步骤a过程并继续上述判断，直到判断属于正确坐姿或有矫正趋势；

b-122、若有矫正趋势，则通过定位设备获取人体的承载平台的位置信息，并根据此位置信息对承载平台进行位置调整。

上述周期提示为在8s内连续性发出提示音，可通过相应语音播报设备发出，用于提示使用者错误坐姿的信息。

所述正确坐姿的具体判断方法为：

先计算人体的躯干弯曲角度，若所述躯干弯曲角度小于或等于第一阈值时，计算当前姿态深度图像状态下人体的颈部弯曲角度，若所述颈部弯曲角度小于或等于第二阈值时，确定当前姿态深度图像状态下为正确坐姿。

所述矫正趋势的判断标准为：当人体在一个周期后仍属于错误坐姿，但人体的弯曲角度变小了，则判定此周期内有矫正趋势。即，人体有听到提示音，并作出了姿势调整，但仍属于错误坐姿的范畴，此时说明不是人体自身原因，而是人体的座椅不匹配，例如桌子与椅子高度差不适合、距离较大或较小。此时，只需要对承载平台的位置进行调节即可。

特别的，承载平台的位置信息包括承载平台上各个检测点的三维坐标，在空间内建立三维坐标系，用各个检测点的坐标(x，y，z)获取整个承载平台的位置信息。

对承载平台进行位置调整的步骤包括沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动、沿Z轴方向移动、绕X轴方向旋转、绕Y轴方向旋转、绕Z轴方向旋转，所述X轴方向、Y轴方向、Z轴方向在空间内两两互相垂直。

通过上述方法，最大限度的避免了周围光照条件和遮挡的影响，精确的确定人体是否属于错误坐姿。另外，能及时发现人体在调整坐姿后仍不能达到正确坐姿的情况，并且结合超声定位装置和配备的六自由度椅子，在此情况下通过俯仰调节、滚转调节、偏航调节、Z轴垂直升降调节、Y轴纵向位移调节、X轴侧向位移调节这六个方式对椅子的相对位置进行调节，使其快速回到正确的高度差和距离，从而确保人体最舒适的学习环境。

上述三维矫姿的方法可以应用到学习桌、办公桌等领域，这里介绍在学习桌领域的应用。

结合图2和图3所示，一种可三维矫姿的学习桌，包括相互活动连接的桌子1和椅子2，桌子1上设有用于检测人体坐姿的追踪设备3以及用于检测椅子位置信息的定位设备；椅子2为六自由度座椅，其至少包括第一检测点21、第二检测点22、第三检测点23，三个检测点不共线。

其中，追踪设备3由Kinect和可编程旋转摄像机组成，Kinect摄像头比一般的摄像头更为智能，首先，它能够发射红外线，从而对整个房间进行立体定位，Kinect摄像头则可以借助红外线来识别人体的运动，对人体的骨骼点进行实时追踪。对Kinect深度摄像头拍摄的视频中每一帧深度图像中进行人体骨架模型匹配，追踪所述深度图像的人体的骨架关节点，以确定当前深度图像中人体的躯干线，并计算人体躯干线或颈部线与重力线的夹角，得到人体的躯干弯曲角度。

所述定位设备包括在桌子1下方设置的超声波发生器4，以及在所述第一检测点21、第二检测点22、第三检测点23上分别设置的超声波定位装置(图中未示出)；

所述桌子1上设有控制器(图中未示出)以及与控制器连接的语音提示模块(图中未示出)，所述椅子2内设有用于调整椅子位置的驱动机构(图中未示出)，所述驱动机构受控制器控制。

超声波发生器4工作，与安装在椅子2底部的三个超声波定位装置共同确定椅子2的位置，具体的可以确定椅子2的高度值、横向和纵向坐标值。控制器的型号为DATA-7311，其可将椅子2的高度值、横向和纵向坐标值与原本预设值进行比较，然后控制驱动机构带动椅子2进行相应调节，包括俯仰调节、滚转调节、偏航调节、Z轴垂直升降调节、Y轴纵向位移调节、X轴侧向位移调节这六个方式，这六个调节方式是六自由度椅子的基本调节方式。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种三维矫姿的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、间歇式获取追踪设备拍摄的视频中姿态深度图像，计算姿态深度图像中人体的弯曲角度，判断在所述弯曲角度状态下的人体是否属于错误坐姿；

b、若判断属于错误坐姿，则生成周期提示的控制命令并开始发出提示，并在此周期时间内不断重复步骤a：

若在重复步骤a过程中判断属于正确坐姿，则立即停止提示，矫姿完毕；

若在重复步骤a过程中判断一直属于错误坐姿，则进一步判断人体弯曲角度在此周期内是否向有矫正趋势：

若没有矫正趋势，则接着生成周期提示的控制命令并开始发出提示，重复步骤a过程并继续上述判断，直到判断属于正确坐姿或有矫正趋势；

若有矫正趋势，则通过定位设备获取人体的承载平台的位置信息，并根据此位置信息对承载平台进行位置调整。

2.根据权利要求1所述的一种三维矫姿的方法，其特征在于：所述追踪设备由Kinect和可编程旋转摄像机组成，通过Kinect获取人体骨骼数据序列，并从中提取躯干和颈部骨骼点在Kinect坐标系中的坐标，并根据坐标计算人体的弯曲角度。

3.根据权利要求1所述的一种三维矫姿的方法，其特征在于，所述错误坐姿的具体判断方法为：

先计算人体的躯干弯曲角度，若所述躯干弯曲角度大于第一阈值时，确定当前姿态深度图像状态下为错误坐姿；

若所述躯干弯曲角度小于或等于第一阈值时，计算当前姿态深度图像状态下人体的颈部弯曲角度，若所述颈部弯曲角度大于第二阈值时，确定当前姿态深度图像状态下为错误坐姿。

4.根据权利要求1所述的一种三维矫姿的方法，其特征在于：所述周期提示为在8s内连续性发出提示音。

5.根据权利要求1所述的一种三维矫姿的方法，其特征在于，所述正确坐姿的具体判断方法为：

先计算人体的躯干弯曲角度，若所述躯干弯曲角度小于或等于第一阈值时，计算当前姿态深度图像状态下人体的颈部弯曲角度，若所述颈部弯曲角度小于或等于第二阈值时，确定当前姿态深度图像状态下为正确坐姿。

6.根据权利要求1所述的一种三维矫姿的方法，其特征在于，所述矫正趋势的判断标准为：当人体在一个周期后仍属于错误坐姿，但人体的弯曲角度变小了，则判定此周期内有矫正趋势。

7.根据权利要求1所述的一种三维矫姿的方法，其特征在于：所述承载平台的位置信息包括承载平台上各个检测点的三维坐标。

8.根据权利要求1所述的一种三维矫姿的方法，其特征在于：所述对承载平台进行位置调整的步骤包括沿X轴方向移动、沿Y轴方向移动、沿Z轴方向移动、绕X轴方向旋转、绕Y轴方向旋转、绕Z轴方向旋转，所述X轴方向、Y轴方向、Z轴方向在空间内两两互相垂直。

9.一种可三维矫姿的学习桌，其特征在于：包括相互活动连接的桌子和椅子，

所述桌子上设有用于检测人体坐姿的追踪设备以及用于检测椅子位置信息的定位设备；

所述椅子为六自由度座椅，其至少包括第一检测点、第二检测点、第三检测点。

10.根据权利要求9所述的一种可三维矫姿的学习桌，其特征在于：所述追踪设备由Kinect和可编程旋转摄像机组成；

所述定位设备包括在桌子下方设置的超声波发生器，以及在所述第一检测点、第二检测点、第三检测点上分别设置的超声波定位装置；

所述桌子上设有控制器以及与控制器连接的语音提示模块，所述椅子内设有用于调整椅子位置的驱动机构，所述驱动机构受控制器控制。

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