CN111292492A - 一种羽毛球运动风险预警智能穿戴设备 - Google Patents

一种羽毛球运动风险预警智能穿戴设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种羽毛球运动风险预警智能穿戴设备，所述的智能穿戴设备包括数据采集模块、数据处理模块、供电模块和风险预警装置；其中，数据采集模块包括多个柔性薄膜压力传感器和控制芯片，由柔性材料所保护，用于测量羽毛球运动过程中不同足部区域的压力大小和分布及其随时间的变化并将数据传输至数据处理模块；数据处理模块接收和处理采集到的压力数据和其他输入的数据，识别穿着者的动作模式，评估穿着者的运动风险，并将风险信号发送给风险预警装置进行预警。供电模块提供无线充电功能，穿着者可将智能穿戴设备放置在无线充电底座上进行反复充电。

Description

一种羽毛球运动风险预警智能穿戴设备
技术领域
本发明涉及可穿戴设备领域，尤其涉及智能足部穿戴设备，能实现对羽毛球运动特定技术动作以及运动状态的智能识别，并对运动状态及相关运动风险进行智能预警和提示。
背景技术
科技的发展给人们日常生活带来了很多变化，可穿戴设备就是其中之一。目前，我国的运动健身人群日益增加，健康意识的增加也表现在健身人群对运动周边产品技术要求的提升，比如运动APP的使用、鞋服功能和科技感的需求，对于运动定制产品的需求等，这些科技需求也促进了可穿戴产品的研发。另外，运动损伤在运动过程中很难避免，尤其是在高强度、大力量、高精度、长时间的运动训练和比赛的后半程，如何科学健身、避免损伤也是现今的热点话题之一。
在羽毛球运动中，运动场和赛场是损伤发生率最高的场所，占比83.63％，专项训练致伤率达到60.24％。损伤的主要原因包括高频率地重复步法和高强度导致的运动疲劳。蹬跨步是羽毛球运动中最主要，也是最常用的专业步法之一，其使用频率占所有形式技术动作的15％左右，而且比赛级别越高，蹬跨步的使用频率也越高。羽毛球的比赛时长并不固定，有可能达到1-2个小时，在如此高强度和长时间的运动状态下，极易导致运动疲劳的发生。而运动疲劳是影响神经系统和肌肉骨骼系统的重要因素，它不但会影响动作表现和运动成绩，前瞻性的研究结果还表明疲劳会增加损伤风险。已有研究表明，疲劳会降低肌肉的力量，减弱本体感觉，降低运动过程中人体对动作控制能力和平衡能力，这些都容易导致下肢着地缓冲能力下降，膝关节稳定能力下降，还会使急停起跳的着地阶段胫骨近侧端剪切力峰值增大，膝关节外翻力矩增大，膝关节屈曲角度减小，这些指标的变化增加了前交叉韧带的负荷，增大损伤的风险。不同的动作姿势下，其足底压力的大小和分布表现出不同的特征，可以通过足底压力的大小和分布等特点对其动作模式及运动状态进行监测与识别，提前为运动员提供预警，帮助运动员在损伤发生之前得到提醒并进行相应的调整和准备，提升运动表现，同时减少运动损伤的发生几率
发明内容
本发明提供一种智能足部穿戴设备，该智能足部穿戴设备主要针对羽毛球运动，能够通过足底关键区域压力分布的特征和大小，智能识别羽毛球蹬跨步等动作，并实现实时检测足底压力的变化，监测该足部智能穿戴设备使用者的运动状态，提前警示可能出现的运动损伤，让使用者实时了解自身的运动状态，提早做出相应的调整和预防措施，从而在一定程度上避免运动损伤的发生。
本发明实施例的技术方案实现如下：
本发明实施例提供一种羽毛球运动风险预警智能穿戴设备，该穿戴设备包括数据采集模块、数据处理模块、风险警示模块和供电模块。
其中，数据采集模块由多个柔性薄膜压力传感器组成，分布在前掌内侧、中间和外侧，以及后跟的内侧和外侧，用于测量羽毛球运动过程中不同足部区域的压力大小和分布及其随时间的变化。压力传感器嵌入并固定在鞋中底内，与数据处理模块和供电模块相连接。风险预警装置放置位置不限，可以在鞋底、鞋面或设备APP中。
上述方案中，所述的供电模块由一块2000mA的锂离子电池以及无线充电装置构成。鞋内侧中腰部设置了LED灯，以不同颜色显示电池的电量：绿色表示电池电量在50％以上，黄色表示电量在10％和50％之间，低于10％，LED灯将显示红色并闪烁。无线充电装置支持电池进行无线充电，在需要充电的时候，只需要将鞋子放置在无线充电底座上即可对电池进行充电。
上述方案中，所述的风险警示模块在系统确认穿着人员在羽毛球运动过程中进入疲劳状态或出现可能发生运动损伤的风险后，给予集成在供电模块上的振动器以振动信号，通过振动提示穿着者损伤风险的出现，慢频率的振动提示较为轻微的运动风险，快频率的振动提示较为严重的运动风险。
本发明实施例还提供一种智能足部穿戴设备的应用数据方法，所述方法包括：
接收智能足部穿戴设备中多个压力传感器采集的压力数据；根据采集到的压力数据，分析使用者的动作模式：根据优势侧(持拍侧)足内侧和外侧压力出现的时间确定使用者的着地方式，即足外侧先出现压力值并增大再过度到内侧时，则确定使用者的着地方式为足跟外侧，并预估其进行跨步动作，如后续足底压力峰值出现在跖骨区，则判断其进行的是跨步动作；当足跟内侧先出现压力值并直接过度到前脚掌时，则确定使用者的着地方式为足跟内侧；当足前掌区先出现压力值并且为单峰值时，则确定使用者前脚掌着地，并初步判断使用者为跳步动作。根据采集到的优势侧足跟内、外侧和跖骨区域的压力数据变化差异，分析运动风险程度。
上述压力数据，优势侧的足底压力值大小与分布只是初步判断其动作，具体的动作模式还需要结合非优势侧(非持拍侧)足底压力值的大小与分布进行。
本发明实施例还提供一种智能足部穿戴设备的数据处理装置，所述的装置包括：
数据接收模块：用于接收数据采集模块采集到的智能足部穿戴设备中多个压力传感器的压力-时间数据；
计算模块：用于根据所述的压力-时间数据，计算使用者单、双侧不同足底区域着地的时刻(T)、着地持续时间长短(D)、最大压力(MF)、压力时间积分(FTI)等；
动作模式分析模块，用于根据计算模块的数据，结合优势侧和非优势侧不同足底区域着地的先后顺序和步法特征定义，判断使用者步法并给出特定步法的动作频次，同时分析其动作模式的准确性；
本发明实施例还提供一种风险预警装置，所述的装置包括：
动作模式分析模块，用于识别特定步法，统计动作频次，在关键参数到达阈值时向风险警示模块发出不同级别运动风险的启动信号；
风险警示模块，接收到运动风险启动信号后，给予集成在供电模块上的振动器以振动信号，通过振动提示穿着者损伤风险的出现，慢频率的振动提示较为轻微的运动风险，快频率的振动提示较为严重的运动风险。
本发明实施例还提供一种动作模式识别和风险预警智能足部穿戴设备系统，该系统包括：上述任意一种动作模式识别智能足部穿戴设备、上述任意一种具有风险预警功能的智能足部穿戴设备的数据处理与分析及预警装置。
本发明技术方案的有益效果在于：通过在智能足部穿戴设备的多个压力传感器，检测智能足部穿戴设备使用者在进行羽毛球运动时进行足底的压力大小和分布及其随时间的变化，通过结合不同步法的步态特征判断使用者的动作模式，并进一步评价动作的准确性，进而提供纠正的建议，进一步地，结合以上数据随时间的变化给出运动风险预警，从而在提高运动技术准确性的同时，在一定程度上避免或减少运动损伤的发生。
附图说明
图1为本发明实施例提供的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备的外形示意图；
图3为本发明实施例提供的足底压力传感器放置的区域定义及比例示意图；
图4为本发明实施例1提供的足底压力传感器分布示意图；
图5为本发明实施例2提供的足底压力传感器分布示意图；
图6为本发明实施例提供的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备的工作流程示意图；
图1和图2中：1鞋面；2鞋垫；3后跟区压力传感器；4前掌区压力传感器；5足趾区压力传感器；6振动器；7控制芯片和数据处理芯片；8锂电池及无线充电模块；9鞋底；10无线充电底座；11电量显示LED灯
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案与实施例，下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细地说明。很显然，这里所提供的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，任何人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
假设右侧(R)为穿着者的优势侧(持拍侧)，左侧(L)为非优势侧(非持拍侧)，下文中直接用左、右侧分别代表非优势侧和优势侧。
图1是本发明实施例提供的羽毛球运动风险预警智能产带设备的结构示意图，其中，1是鞋面，2是鞋垫，3是后跟区压力传感器，4是前掌区压力传感器，5是足趾区压力传感器，6是振动器，7是控制芯片和数据处理芯片，8是锂电池及无线充电模块，9是鞋底，10是无线充电底座。图2是本发明实施例提供的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备的外形示意图，其中，11是电量显示LED灯。
本发明中，运动过程中足底压力的数据通过分布在3后跟区压力传感器，4前掌区压力传感器和5足趾区压力传感器测量得到，经7控制芯片和数据处理芯片接收并处理、分析数据，并根据关键步法足底压力的特征进行动作的识别和运动风险评估，当达到风险阈值时传出信号至6振动器，6振动器作出相应的反应，进行快、慢不同频率的振动，从而完成预警工作。8锂电池及无线充电模块为该系统供电，11电量显示LED灯会提示电量情况，电量低时，可通过10无线充电底座进行充电。
进一步地，本发明中涉及压力传感器，图1只是给出示意，说明在足跟、前掌和足趾区域有压力传感器，而并不是传感器分布模式和分布具体区域的唯一、精确方式。图3是本发明实施例提供的足底压力传感器放置的区域定义及比例示意图，其中，L为足长，W1为足跟区足宽，W2为足前掌区足宽，HM、HL、M1、M23、M45、T1和T2-5是放置足底压力传感器的足底区域。其中，404第2-5趾骨区(toe，T2-5)。HM(medial of heel)是足跟内侧区，为足长的0％-30％，后跟宽的0％-50％；HL(lateral of heel)是足跟外侧区，为足长的0％-30％，后跟宽的50％-100％；M1(1st metatarsal)是第一跖骨区，为足长的60％-80％，前掌宽的0％-33％；M23(2nd&3rd metatarsals)是第二、三跖骨区，为足长60％-80％，前掌宽的33％-66％；M45(4th&5th metatarsals)是第四、五跖骨区，为足长的60％-80％，前掌宽的66％-100％；T1是(1st toe)大
Figure BDA0002387500550000051
趾区，为足长80％-100％，足前掌宽的0％-35％；T2-5(2nd to 5thtoes)是第二至五
Figure BDA0002387500550000052
趾区，为足长的80％-100％，足前掌宽的35％-100％。
进一步地，本发明羽毛球运动风险预警智能穿戴设备通过以上关键足底区域的压力-时间数据进行动作模式识别和运动风险预警。如图4中401的HM，402的HL，403的M1和404的T2-5是必须的关键区域。当穿着者双足站立于启动位置时，401、402和403上对应的左、右两侧的压力分布是对称的，两次启动位置之间可以认为一个完整的击球动作，在这个过程中，如果只有右侧的HL和HM区域出现高于体重的峰值压力，可以判断其进行的是蹬跨步动作。
进一步地，从启动位置开始，当压力向403和404转移时，表明穿着者已经开始启动并准备前场的步法，此时，如果，左侧M1压力峰值大于右侧M1压力峰值，然后右侧HL和HM即刻增大，表明进行的是一步蹬跨步动作；如果左侧M1压力峰值大于右侧M1峰值，且压力峰值出现时间早于右侧M1，之后左侧HL和HM区出现压力峰值，接着是右侧HL和HM出现压力峰值，这表明进行的是加一垫步后蹬跨步动作；同样，根据足跟和跖骨区的压力峰值出现的次序，还可以判断是否为两次垫步后蹬跨步，待再次出现左右两侧相应区域压力对称分布时，表明穿着者回到启动位置。
进一步地，将初始使用时间内的蹬跨步动作时采集到的数据为基础数据，当后续时间内采集的数据出现显著性增加时，尤其是HL与HM的差值明显增大时，认为其出现一定的运动风险。为了更好地进行运动风险的监测，我们可以在其它关键区添加压力传感器，如图5所示，除了501、502、503和507(同图4的401、402、403和404)之外，我们可以考虑在504、505和506区域添加压力传感器。当这些区域中某一个区域的压力时间积分较初始基础数据有显著增加时，我们认为其出现较高的运动风险。
进一步地，当动作识别模块对动作进行了判断并通过数据分析模块确定出现运动风险阈值时，将向运动风险模块发出信号，风险警示模块则在接收到运动风险启动信号后，给予集成在供电模块上的振动器以振动信号，通过振动提示穿着者损伤风险的出现。
【实施例1】
数据采集模块负责采集足底压力传感器的压力-时间数据，进一步通过数据处理模块接收并处理分析采集到的数据，并通过动作模块识别出关键的步法动作。这里动作的识别依赖于足底关键区域的压力-时间数据。如图4所示，至少需要设置在左、右足的足后跟区，并分401和402内、外侧(HM和HL)两个区，403第一跖骨区(M1)和404第2-5趾骨区(T2-5)。通过左\右两侧的足底压力是否对称分布，判断其是否在启动位置，如在启动位置，且401和402压力值明显小于403时，表明其准备启动，根据403中左、右两侧大小差值及后续峰值出现的区判断其动作模式。图4只是给出放置足底压力传感器所对应的足底区域，并未给出压力传感器的形状，这里需要说明的是，形状并不重要，对于单个足底区域来说，如果可以布满压力传感器，那么结果也将更为准确。
【实施例2】
在图4的情况下，可以较好地完成动作识别的工作，也可以为运动风险的判断提供一定的依据，比如右侧HL和HM之间压力峰值之差增大，表明其动作可能不正确，或有运动风险存在。为了更准确地进行风险预警，可以考虑在其它区放置压力传感器，如图5所示。除与图4相同的足底区域外，504的二、三跖骨区(M23)，505的四、五跖骨区(M45)和506的第一
Figure BDA0002387500550000061
趾区(T1)放置压力传感器。当504、505和506中有压力时间积分显著增大时说明出现高的运动风险。同样，图5也并为给出压力传感器的形状，如【实施例1】所述，对于单个足底区域，传感器可以布满整个区域时，结果相对来讲会更为准确。
【实施例3】
图6为本发明实施例提供的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备的工作流程示意图。如图所示，从602数据采集模块接收到601压力传感器的压力-时间数据开始，采集到的数据经603数据处理模块处理、分析后进入604动作识别模块，根据不同足底关键区上的压力-时间数据的基础数据及后续变化进行动作的识别，并在到达一定阈值后发送信号给605风险警示模块，该模块通过606振动器完成振动报警，运动风险预警结束。在这个过程中607供电模块为整个系统供电，608电池为609LED指示灯供电，610无线充电装置可以完成无线充电。
以上为本发明的几个实施例，这里需要再次强调的是，实施例只是几个具有代表性的案例，尤其是【实施例1】和【实施例2】，明确指出了放置足底压力传感器的几个关键足底区域，但未定义形状，对于某一个区域来讲，当传感器可以填满整个区域时，做出的预警判断将更为准确；另外，当足底更多区域有压力传感器时，同样会提高识别与判断的准确性。其它基于本发明关键技术方案和动作识别与预警模式的简单形状或放置传感器位置增减等的改变，均属于本发明的范围。

Claims (9)

1.一种羽毛球运动风险预警智能穿戴设备，具体是一种可监测穿着者进行羽毛球运动时的运动状态并给出运动风险预警的智能穿戴设备，包括数据采集模块、数据处理模块、供电模块和风险预警装置；其中，数据采集模块由多个柔性薄膜压力传感器和控制芯片组成，由柔性材料所保护，用于测量、分析羽毛球运动过程中不同足部区域的压力大小和分布及其随时间的变化，并将数据传输至数据处理模块进行进一步的处理。数据处理模块对所获得的数据进行运动模式匹配、时间序列和峰值比较等分析后，确定穿着者是否有运动风险的出现。风险预警装置，在达到特定阈值后发出预警信号。
2.根据权利要求1所述的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备，其特征在于，所述多个压力传感器能实时测量人体运动时足底某个特定区域的地面反作用力。
3.根据权利要求1所述的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备，其特征在于，所述数据处理模块可以实时计算人体运动时足底特定区域上的压力时间积分。
4.根据权利要求1所述的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备，其特征在于，所述数据处理模块能够对足底各特定区域压力的先后顺序和峰值大小判断羽毛球蹬跨步的运动模式。
5.根据权利要求1所述的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备，其特征在于，所述数据处理模块能够对足底特定区域的压力峰值进行分析比较，判断穿着者的关键动作是否正确。
6.根据权利要求1所述的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备，其特征在于，所述数据处理模块能够对足底特定区域的足底压力、压力时间积分等进行比较分析，判断穿着者是否有运动风险出现。
7.根据权利要求1所述的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备，其特征在于，所述的供电模块支持无线充电功能，可对供电锂电池进行反复的无线充电。
8.根据权利要求1所述的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备，其特征在于，所述的风险预警模块在收到预警信息后，以不同频次的振动提示穿着者所受到的运动风险级别。
9.根据权利要求1所述的羽毛球运动风险预警智能穿戴设备，其特征在于，所述的穿戴设备可以内嵌到鞋内，所述多个压力传感器和风险预警装置可分为两个单元，其中，多个压力传感器单元放置在鞋底不同区域；风险预警装置放置位置不限，可以在鞋底、鞋面或设备APP中。
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