CN111047935A - 运动康复智能交互式教学培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种运动康复智能交互式教学培训系统。该系统将运动康复教学培训内容与前沿信息化技术相互融合，为使用者提供规避环境条件限制且能够提供与真实场景相似的视觉、听觉和触觉内容，将人体机能评估、物理治疗训练和康复方案推演有机整合，合理设置，实现影像学分析、触诊、动作测试、手法治疗等运动康复技能的交互式训练和身体情况评估、康复效果推演等运动康复理论学习的定制化智能展现。该系统包括头戴式显控设备、动作捕捉分系统、身份识别分系统、智能仿真人体模型、设备接入管理分系统、综合展现分系统、运动康复智能培训分系统、数据“云”平台。该系统的使用可有效提高使用者培训效果、极大缩短人员培训周期，实时记录和分析操作动作，准确判定动作结果，可智能完成康复方案的推演评估及效果展现，大幅提高评估方案的合理性和科学性，可实现培训内容优化定制，培训过程的引导式教学，培训方案的智能优化。

Description

运动康复智能交互式教学培训系统

技术领域

本发明涉及运动康复的基本理论知识和基本技能的教学培训领域，尤其涉及一种基于智能仿真人体模型、人工智能算法、虚拟现实和动作捕捉技术的运动康复智能交互式教学培训系统。

背景技术

运动康复是新兴的体育、健康和医学交叉结合的前沿学科，主要研究运动与健康的关系。运动康复内容通常是指通过整体评估（包括问诊、观察、触诊、动作测试、测量、影像学分析等）找出患者的具体问题以及形成问题过程中的因素，综合考虑损伤组织修复周期和个人具体情况设置康复计划，通过现代康复器械、物理手法治疗和康复训练解除症状，然后加强肌肉和关节，让患处能够承受更多负荷以免症状反复出现，最后优化身体姿势形态减少患处的受力。

运动康复教学培训内容主要包括身体机能评估、物理治疗和康复方案制定三部分，学习内容涉及人体解剖学、运动生物学、诊断学、康复医学等多个专业领域。现阶段运动康复教学方式主要包括：理论教学、课堂讲解，视频演示、挂图、人体模型展示，操作示范和实体训练。运动康复课程涉及内容广泛，但不同课程的教学相对独立，不利于学员在学习过程中对相关课程的综合学习运用和融会贯通；运动康复实际技能的掌握很大程度上来源于经验的积累和操作实践，现阶段教学内容理论较多，与运动康复实际技能掌握要求不相匹配；师资力量有限，很难满足不同学习者的差异化教学和针对性辅导；操作实践机会较少，难以形成理论与实践的相互映证；同时由于教员示范动作缺乏统一的标准规范，难以对学员的操作动作起指导作用；所用教学培训辅助器材与真实操作场景差别较大、无互动性、缺乏真实性和体验感；运动康复专业教学对于学习者的综合理解能力和跨学科的综合运用能力提出了很高要求，传统的教学手段难以在短时间内培养出综合能力合格的专业技能人才。

目前，虚拟现实技术、动作捕捉技术在运动、医疗和教学领域已经有了广泛应用，尤其是应用于运动仿真、虚拟手术、康复治疗、基础学科教学等领域，人工智能主要应用于信息识别和智能算法。但将虚拟现实、人工智能、动作捕捉等技术综合运用于某学科的教学培训中以达到智能教学、交互式操作、课程智能优化目标的综合集成系统还尚未实现。国内虚拟现实、动作捕捉、人工智能等技术在运动康复中的应用主要集中在病人的运动情况收集、康复场景模拟、康复动作展示方面，没有在运动康复教学培训领域进行应用，现有的应用重在展示和模拟，难以满足教学培训过程中的复杂交互需求和真实场景体验。与实际的学习需求差距较大。

发明内容

本发明目的意在解决现有运动康复教学培训方法缺陷，贴近运动康复人才培训需求，提出的一种将现有的运动康复人才培训模式与人工智能技术、虚拟现实技术、动作捕捉技术相互融合的运动康复智能交互式教学培训系统。该系统针对运动康复人才培训内容，通过为使用者提供规避环境条件限制且能够提供与真实场景相似的视觉、听觉和触觉内容，将人体机能评估、物理治疗训练和康复方案推演有机整合，合理设置，实现影像学分析、触诊、动作测试、手法治疗等运动康复技能的交互式训练和身体情况评估、康复效果推演等运动康复理论学习的定制化智能展现，有效解决运动康复相关教学内容的抽象性、复杂性和多样性。

该系统包括。

头戴式显控设备，该设备中设置显示屏可显示虚拟场景中内容。所述头戴式显控设备上安装光学动作捕捉设备和惯性动作捕捉设备，用于实时记录使用者头部动作数据和定位信息。

动作捕捉分系统，用于对培训环境内所有使用者及物体的动作和空间定位数据进行实时记录、分类管理、融合处理。

身份识别分系统，该分系统主要包括身体特征识别和影像识别等设备，用于记录使用者的身高、体重、面部特征等身份信息，实现用户特征识别和信息管理。

智能仿真人体模型，所述智能仿真人体模型为现实场景中的实体模型，与虚拟场景中的虚拟人体模型一致对应。

综合展现分系统，用于完成使用者在虚拟场景中动作与真实环境中动作的同步处理，和虚拟场景的综合展现。

运动康复智能培训分系统，对运动康复智能交互教学培训内容的制作管理。

数据“云”平台，用于完成各类数据的收集管理、分析挖掘、智能优化，为所述运动康复智能培训分系统提供数据支撑。

设备接入管理分系统，与所述头戴式显控设备、动作捕捉分系统、身份识别分系统、智能仿真人体模型、综合展现分系统、运动康复智能培训分系统、数据“云”平台进行连接，对系统中的所有设备进行维护监控。

优选的，所述动作捕捉分系统包括光学动作捕捉设备、惯性动作捕捉设备、设备架、配套连接线路、电源系统和动作捕捉服务器，所述动作捕捉分系统与头戴式显控设备分离。

优选的，所述智能仿真人体模型内置力量传感器、动作传感器，用于测量和记录使用者作用于智能仿真人体模型的力量数据、动作数据和智能仿真人体模型的形态变化数据。

优选的，所述智能仿真人体模型为通过3D打印技术和硅胶分层冷凝技术完成的人体三维结构模型，智能仿真人体模型内植入力量传感器、动作传感器。

优选的，所述运动康复智能培训分系统，用于完成培训课程的定制制作、培训方案的推演评估、培训内容的智能优化、操作动作的判定分析、训练结果的效果评估。

根据上述技术方案，本发明产生的有益效果是。

可对培训环境中所有使用者的影像、肢体等身体特征数据进行精确采集，实现使用者身份自动识别。

可对培训环境中物体的空间位置数据和使用者动作数据进行实时采集和记录，为所述运动康复智能交互教学培训系统实现课程的智能优化、动作模型的标准化引导、教学内容的实时展现提供数据支撑。

可让使用者在进行运动康复教学培训过程中获得更加真实的交互体验。用户可通过配套设备和智能仿真人体模型，直接模拟真实场景中的肢体触诊、手法治疗、康复辅导等运动康复相关培训内容的操作动作，通过声音反馈和力反馈效果缩小培训场景与真实场景中的体验偏差，解决了运动康复培训教学中的实际操作机会少、真实操作感不强的问题。

不同于现有虚拟现实的单一视觉立体、触觉立体或场景效果的简单模拟，所述运动康复智能交互教学培训系统基于真实人体数据，针对不同的人体结构组织提供真实力反馈效果，同时加入声音交互和人体构造、身体状态的动态效果展现，使用户同时感受到不同部位的触感、结构性质、形态和柔韧度等区别，逼真模拟各类运动康复训练或治疗后所产生的“人体”的变化特征。

虚拟人体模型和真实仿真人体模型相结合，用户可在虚拟场景中看到与真实人体一致的多维人体模型，在进行动作操作时，对应的操作部位可以用文字、图片、视频、动画的方式综合展现相关信息，强化理论内容与实际场景的关联学习效果。

在虚拟培训环境中，用户可进行不同视角切换，让使用者可从多角度观摩标准动作的教学操作，同时可在虚拟场景中，观看运动康复教学操作动作的放大效果，解决学员在观摩动作过程中的角度单一，视线阻挡和无法看清细微动作的实际操作限制。

可智能完成康复方案的推演评估及效果展现，大幅提高评估方案的合理性和科学性。

在虚拟场景中可对虚拟人体模型进行局部或整体操作，同时提供智能化动作判定分析，有效提高使用者对于各种不同动作和不同位置的操作训练，极大缩短实际培训周期，降低使用者对于教员的动作判定纠正依赖。

基于使用者身份特点，通过人工智能分析处理，完成培训内容的优化定制，全面提升使用者运动康复课程的学习培训效果。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为使用本发明的准备工作流程图。

图3为本发明实施过程的总体流程图。

具体实施方式

以下，将参考附图来详细说明本发明的实施例。

图1为本发明的系统结构示意图，包括智能仿真人体模型、动作捕捉分系统、头戴式显控设备、身份识别分系统、设备接入管理分系统、运动康复智能培训分系统。其中智能仿真人体模型为实体仿真模型，用于为用户提供真实人体的操作反馈效果、实时测量和记录使用者作用于智能仿真人体模型的力量数据、动作数据和智能仿真人体模型的形态变化数据。动作捕捉分系统，包括光学动作捕捉设备、惯性动作捕捉设备、动作捕捉服务器、配套安装设施，用于对培训空间内所有使用者和物体的动作和空间定位数据进行实时记录、分类管理、融合处理。头戴式显控系统，用于为使用者提供虚拟场景的查看功能，同时可对头部动作进行记录和定位。身份识别分系统，主要包括身体特征识别和影像识别等设备，用于记录使用者的身高、体重、面部特征等身份信息，实现用户身份识别和信息管理。设备接入管理分系统，用于完成对各分系统所产生和采集数据的分类接入，对培训环境内的所有设备运行状态的监控维护。运动康复智能培训分系统，用于完成培训课程的定制制作、培训方案的推演评估、培训内容的智能优化、操作动作的判定分析、训练结果的效果评估。

图2为用户使用本发明的准备工作流程图。主要包括使用者准备、设备穿戴、环境设备状态测试三个步骤。使用者做好准备后，进入培训环境，穿戴头戴式显控设备，可根据培训场地大小放置不同数量的智能仿真人体模型或智能仿真人体局部模型。培训环境内需使用饱和自热光，不可使用有色灯光。培训环境内还可放置其他培训器材，供使用者多种需求。用户对所有穿戴和环境设施进行状态检查，若动作和位置捕捉信息正确，启动无误，则检测成功，头戴式显控设备内的显示屏正确显示当前视角画面，培训环境内物体正确显示。若检测失败，则提示用户调整穿戴设备或重新定位设备。

图3为本发明的实施过程的总体流程图。当使用者进入培训环境后，根据使用者身份信息进行课程匹配，并向不同使用者推送培训课程。使用者根据系统推送课程进行引导式教学训练，系统可提供康复技能操作理论讲解、技能操作示范，若有教师示范，则实时展示教师示范动作，若无教师示范，则自动转为标准动作的人工智能示范，系统可对使用者操作动作进行智能化评判，并推演其手法操作对人体发生的作用；使用者也可通过病情判断，自行制定康复方案，系统可按运动康复科学规律智能推演方案疗效，并生成分析报告。在使用者使用该系统过程中，系统可基于数据分析智能化算法，迭代式优化培训方案内容，不断提升培训内容的针对性和科学性。

Claims (5)

1.一种运动康复智能交互式教学培训系统，其特征在于：该系统设置设备接入管理分系统，所述设备接入管理分系统与头戴式显控设备、动作捕捉分系统、身份识别分系统、智能仿真人体模型、综合展现分系统、运动康复智能培训分系统、数据“云”平台进行连接， 其中：

头戴式显控设备，所述头戴式显控设备中设置显示屏可显示虚拟场景中内容，所述头戴式显控设备可记录使用者头部动作数据；

动作捕捉分系统，用于对培训环境内所有使用者和物体的动作和空间定位数据进行实时记录、分类管理、融合处理；

身份识别分系统，该分系统主要包括身体特征识别和影像识别等设备，用于记录使用者的身高、体重、面部特征等身份信息，实现用户特征识别和信息管理；

智能仿真人体模型，所述仿真人体模型为现实场景中的实体模型，与虚拟场景中的虚拟人体模型一致对应；

设备接入管理分系统，与所述头戴式显控设备、动作捕捉分系统、重力传感分系统、智能仿真人体模型、针型模拟器材、综合展现分系统、智能中医技能培训考核分系统、数据“云”平台进行连接，用于完成对各分系统所产生和采集数据的分类接入，对培训环境内的所有设备运行状态的监控维护；

综合展现分系统，用于完成使用者在虚拟场景中动作与真实环境中动作的同步处理，和虚拟场景的综合展现；

运动康复智能培训分系统，对运动康复智能交互教学培训内容的制作管理；

数据“云”平台，与设备接入管理分系统相连，对各类数据进行传输管理。

2.根据权利要求1所述的运动康复智能交互式教学培训系统，其特征在于：所述头戴式显控设备上安装光学动作捕捉设备和惯性动作捕捉设备。

3.根据权利要求1所述的运动康复智能交互式教学培训系统，其特征在于：所述动作捕捉分系统包括光学动作捕捉设备、惯性动作捕捉设备、动作捕捉设备架设框架、配套连接线路、电源系统和动作捕捉服务器，所述动作捕捉分系统与头戴式显控设备分离。

4.根据权利要求1所述的运动康复智能交互式教学培训系统，其特征在于：所述智能仿真人体模型内置力量传感器、动作传感器，用于测量和记录使用者作用于智能仿真人体模型的力量数据、动作数据和智能仿真人体模型的形态变化数据。

5.根据权利要求1或4所述的运动康复智能交互式教学培训系统，其特征在于：所述智能仿真人体模型为通过3D打印技术和硅胶分层冷凝技术完成的人体三维结构模型，智能仿真人体模型内植入力量传感器、动作传感器。

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