CN111330214B - 一种vr跑步机的安全防护方法、系统及可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种VR跑步机的安全防护方法、系统及可读存储介质，包括：利用标志点标定人体四肢关节，通过三维重心轨迹法测量人体四肢关节在运动空间内的轨迹，并通过Matlab建立轨迹模型；通过穿戴式设备进行人体重力加速度分析计算人体四肢关节的位置信息，然后将位置数据上传至云端服务器；云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，获取人体平衡信息；通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；当位姿变化率大于预定阈值时，通过滑模控制器调整增益，控制位姿变化率在预定阈值内；在运动过程中，通过最小二乘法优化技术抑制非线性因素及外界干扰的影响，输出防护信号，进行人体防护处理。

Description

一种VR跑步机的安全防护方法、系统及可读存储介质
技术领域
本发明涉及一种安全防护方法，尤其涉及一种VR跑步机的安全防护方法、系统及可读存储介质。
背景技术
虚拟现实技术是一种能够创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，通过与计算机生成一种交互式的三维动态视景，使用户沉浸到虚拟的环境中，实现听觉和触觉的双重体验，随着虚拟现实技术的兴起，新的设备和解决方案层出不穷，步态参数的检测最主要的目的是评估人体运动能力，而人体重心轨迹是评价步态稳定性、平衡性，最基本、最有效的形式之一，通过传感器与计算机对肢体运动特征进行定量描述，建立运动空间，使运动对象与运动空间保持相对静止，从而实现在有限的空间内实现全向运动。
传统的设备人体只能再一个方向以不同的速度行走，不能满足虚拟现实要求的人体可以以不同速度沿任意方向走动的要求，而现有的一些方法只能实现单向运动，无法做到全向运动，运动对象体验较差，且在进行跑步的过程中无法对用户进行步态空间信息的预判修正，误差较大。
为了能够对VR跑步机实现精准的控制，及用户使用过程的安全性，需要开发一款与其相匹配的系统进行控制，通过该系统对运动对象的步态空间信息进行检测，然后进行纠正处理，使得运动对象始终位于运动空间的中心位置，当用户在跑步过程中，出现即将摔倒的时候，通过该系统提前预判，提前干涉将跑步机停止运行，防止用户摔倒，对用户进行安全防护,但是在进行控制过程中，如何如何实现精准控制的同时，实现对步态空间信息的预判及修正都是亟不可待要解决的问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种VR跑步机的安全防护方法、系统及可读存储介质。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种VR跑步机的安全防护方法，包括：
利用标志点标定人体四肢关节，通过三维重心轨迹法测量人体四肢关节在运动空间内的轨迹，并建立轨迹模型；
通过穿戴式设备进行人体重力加速度分析计算人体四肢关节的位置信息，然后将位置数据上传至云端服务器；
云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，获取人体平衡信息；
通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；
当位姿变化率大于预定阈值时，通过滑模控制器调整增益，控制位姿变化率在预定阈值内；
在运动过程中，通过最小二乘法优化技术抑制非线性因素及外界干扰的影响，输出防护信号，进行人体防护处理。
优选的，云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，获取人体平衡信息；具体包括：
通过卡尔曼滤波器进行四元数姿态解算，获取姿态信息；
根据递归观法进行位置数据的更新与校正，直至将数据误差降至预定阈值内；
通过雅克比偏导数，进行线性化操作，然后进行位置数据融合。
优选的，通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；还包括：
采用惯性测量单元接收人体四肢关节的位置信息；
通过多传感器信息融合解算人体运动关节的实际位姿信息；
利用实际位姿信息提取步态时域参数；
结合航位推算算法、惯性参数分析法分析人体实际位姿信息。
优选的，找出位移轨迹的特征点，在各个特征点将位移轨迹分割成若干个直线段；
每个线段均是沿直线匀速运动直到改变方向或速度；
改变方向或速度的节点记为下一段线性运动，记为下一个直线段，得到多维点数列M集合，分别计入数据库，轨迹在时空数据库中表示为一个多维点序列，记为M＝{Xi，vi，ti|1≤i≤n}；
其中n表示该轨迹中点的个数，Xi表示在ti时刻的空间物理位置，vi表示在ti和ti+1时间间隔中的速度，即从原轨迹中按顺序抽出的若干个点组成的多维点序列。
优选的，通过三维重心轨迹法获取步态空间信息，具体包括：
建立离散分布节点，获取分布数据；
分布数据迭代预处理、步态空间信息提取及算法识别节点信息，提取步态周期与步态空间参数；
通过步态空间参数，利用数值积分与去除趋势化算法提取实时位移轨迹；
合并轨迹波动信息，生成位移轨迹信息，记入数据库。
优选的，所述步态空间信息包括根据VR场景模拟的运动路线或根据VR场景实现的肢体步态变化信息中或根据VR场景预处理运动信息的一种或两种组合或三种组合。
本发明第二方面还提供了一种VR跑步机的安全防护系统，该系统包括：存储器、处理器，所述存储器中包括VR跑步机的安全防护方法程序，所述VR跑步机的安全防护方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤：
利用标志点标定人体四肢关节，通过三维重心轨迹法测量人体四肢关节在运动空间内的轨迹，并建立轨迹模型；
通过穿戴式设备进行人体重力加速度分析计算人体四肢关节的位置信息，然后将位置数据上传至云端服务器；
云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，获取人体平衡信息；
通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；
当位姿变化率大于预定阈值时，通过滑模控制器调整增益，控制位姿变化率在预定阈值内；
在运动过程中，通过最小二乘法优化技术抑制非线性因素及外界干扰的影响，输出防护信号，进行人体防护处理。
优选的，通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；还包括：
采用惯性测量单元接收人体四肢关节的位置信息；
通过多传感器信息融合解算人体运动关节的实际位姿信息；
利用实际位姿信息提取步态时域参数；
结合航位推算算法、惯性参数分析法分析人体实际位姿信息。
优选的，找出位移轨迹的特征点，在各个特征点将位移轨迹分割成若干个直线段；
每个线段均是沿直线匀速运动直到改变方向或速度；
改变方向或速度的节点记为下一段线性运动，记为下一个直线段，得到多维点数列M集合，分别计入数据库，轨迹在时空数据库中表示为一个多维点序列，记为M＝{Xi，vi，ti|1≤i≤n}；
其中n表示该轨迹中点的个数，Xi表示在ti时刻的空间物理位置，vi表示在ti和ti+1时间间隔中的速度，即从原轨迹中按顺序抽出的若干个点组成的多维点序列。
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中包括VR跑步机的安全防护方法程序，所述VR跑步机的安全防护方法程序被处理器执行时，实现上述任一项所述的VR跑步机的安全防护方法的步骤。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)通过不同的VR场景建立不同的运动空间，根据腿部动作信号实时监测位移轨迹及步态空间信息，增加预判修正的精确性，在运动的过程中，通过步态空间信息进行运动空间的反向修正，使得运动对象在运动空间内相对位移为零，从而实现运动对象全向运动，在修正过程中，跑步机根据重力信息及重心与平台夹角进行调整运行状态，使用户能够在跑步机上平稳的移动。
(2)当检测到左腿或右腿信号出现异常时，说明用户身体倾斜率超过预定阈值，此时，需要判断是否停止跑步机运行还是调整跑步机运行参数，当用户身体倾斜较大时，需要被迫停止跑步机运行时，通过腿部信号偏差较大进行判断，此时进行跑步机急停，急停过程中，跑步机上的防护气囊充气，对用户进行安全防护，当只需要进行跑步机运行参数调整时，逐渐调整跑步机运行速度或加速度，缓慢使用户身体趋于平稳，待用户身体平稳后，再调整跑步机运行速度为预设匀速状态，此时跑步机恢复正常状态。
(3)根据实时监测位移轨迹及步态空间信息，能够通过预判修正信息进行提前预判，减少系统的滞后性，确定预判修正信息的过程中，通过将步态空间信息进行步态分割提取单步信息，对单步信息进行分析，将分析的结果再次进行聚合，即可得到完成的步态信息，通过单步修正，然后进行聚合整体修正，修正的过程中，能够根据用户的左腿动作信号与右腿动作信号，使得跑步机的运动状态与用户移动状态相匹配，能够防止用户摔倒，此种分析方式，分析速度较快，聚合模拟后的步态信息更加贴近实际，使得预判修正信息更加迅速准确。
(4)通过穿戴式设备进行人体重力加速度分析计算人体四肢关节的位置信息，然后将位置数据上传至云端服务器，云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，使得位置数据减少非线性因素及外界的干扰，增加位置数据的准确性。
(5)通过比对实际位姿与期望位姿，然后通过滑膜控制器进行增益调整，使得实际位姿更加接近期望位姿，保证人体运动的安全性，其次通过调整增益，改变跑步机参数，使跑步机配合人体运动信息，使用户在跑步机上运动时更加安全。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了本发明一种VR跑步机的安全防护方法的流程图；
图2示出了人体平衡信息的方法流程图；
图3示出了实际位姿信息的方法流程图。；
图4示出了一种VR跑步机的安全防护系统的框图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
图1示出了本发明一种VR跑步机的安全防护方法的流程图。
如图1所示，本发明第一方面提供了一种VR跑步机的安全防护方法，包括：
S102，利用标志点标定人体四肢关节，通过三维重心轨迹法测量人体四肢关节在运动空间内的轨迹，并建立轨迹模型；
S104，通过穿戴式设备进行人体重力加速度分析计算人体四肢关节的位置信息，然后将位置数据上传至云端服务器；
S106，云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，获取人体平衡信息；
S108，通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；
S110，当位姿变化率大于预定阈值时，通过滑模控制器调整增益，控制位姿变化率在预定阈值内；
S112，在运动过程中，通过最小二乘法优化技术抑制非线性因素及外界干扰的影响，输出防护信号，进行人体防护处理。
需要说明的是，建立轨迹模型的方法可以通过Matlab软件或系统建立模型,左腿护膝内侧对应于用户左腿小腿处设置有第一传感器,左腿护膝对应于大腿处设置有第二传感器；右腿护膝内侧对应于用户右小腿处设置有第三传感器,右腿护膝对应于大腿处设置有第四传感器，VR场景主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知，运动空间可以是虚拟的运动空间或真实的运动空间，具体而言，真实的运动空间能够是根据VR场景选择对应的房间或平台，房间的面积以及平台的大小可以根据VR场景进行改变，例如VR场景需要单人模拟操作时，则仅需要选择较小的房间面积或平台面积，如5-20平米，优选10平米，当需要多人配合模拟时，则需要建立较大的运动空间，如选择20-100平米的房间面积及平台大小，优选50平米的运动空间。
另外，根据VR场景建立运动空间，同时获取腿部动作信号及重力信号，得到步态空间信息，具体的，通过腿部动作信号能够获得运动对象的移动方向或即将要移动的方向，腿部动作时，重心也会产生相应的变化，在重心产生变化的过程中，检测重力信号，分析运动对象的重心变化信息，并分析获取位移轨迹信息及运动参数，位移轨迹能够是脚掌运动轨迹或人体重心的位移轨迹，步态特征的差异主要体现在体型的差异，如身体比例、身高和步长等，还有上身、手臂的摆动幅度和摆动频率均会影响步态空间信息，步态发生变化时，运动对象相对于运动空间内的位置相应产生变化，为了保持运动对象与运动空间的相对静止，需要对步态空间信息进行纠正处理。
需要说明的是，根据腿部动作信号及重力信号获取预判信号进行提前预判，得到预判修正信息，通过预判修正信息对运动空间进行预判修正；例如，检测到位移方向为第一方向，则需要控制运动空间向第二方向进行移动，其中的第一方向与第二方向为反向，即可以理解为运动空间向位移方向的反向移动，移动的位移量相同，在有限的运动空间内，实现万向运动，同时保证运动对象与运动空间相对静止，或始终位于运动空间的中心位置，
具体而言，通过腿部动作信息及重心变化信息能够确定预判修正信息，通过预判修正信息进行运动参数的修正。另外，得到预判修正信息后，进行比较步态空间信息及预判修正信息，获取偏差信息及偏差率，若偏差率大于预定阈值，则对预判修正信息进行校正；将校正后的预判修正信息反馈至VR场景，同时进行运动空间的反向修正，建立新的运动空间。
具体而言，在进行预判修正的过程中，不一定能够对运动参数一次性修正准确，所以需要进行二次或多次修正，而二次修正或多次修正的依据，则根据一次修正信息修正后，进行偏差校正，在进行校正过程中，都会预先设定一个预定偏差，只要修正后的运动参数保持在此预定偏差内，即可完成，当修正后的偏差大于预定偏差时，则需要二次修正，二次修正过程中，根据偏差进行再次确定二次预判修正信息，二次修正后，再次比较二次修正后的步态空间信息与二次预判修正信息，直至预判修正信息与步态空间信息之间的偏差率位于预定偏差率的设定范围，校正后预判修正信息能够对运动空间进行反向修正，建立新的运动空间，此处新的运动空间即虚拟或模拟的运动空间，即可以理解的是，纠正处理时，为了使运动对象具有沉浸式体验，步态空间信息发生变化时，通过纠正处理信息进行步态空间信息的实时修正，并反馈至VR场景，使VR场景与纠正处理信息相适配，实现VR跑步机的精度，使VR场景内的虚拟运动空间根据纠正信息进行实时改变，在感官上依旧实时保证位于运动空间的中心位置。
图2示出了人体平衡信息的方法流程图；
根据本发明实施例，云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，获取人体平衡信息；具体包括：
S202，通过卡尔曼滤波器进行四元数姿态解算，获取姿态信息；
S204，根据递归观法进行位置数据的更新与校正，直至将数据误差降至预定阈值内；
S206，通过雅克比偏导数，进行线性化操作，然后进行位置数据融合。
具体而言，当检测到左腿或右腿信号出现异常时，说明用户身体倾斜率超过预定阈值，此时，需要判断是否停止跑步机运行还是调整跑步机运行参数，当用户身体倾斜较大时，需要被迫停止跑步机运行时，通过腿部信号偏差较大进行判断，此时进行跑步机急停，急停过程中，跑步机上的防护气囊充气，对用户进行安全防护，当只需要进行跑步机运行参数调整时，逐渐调整跑步机运行速度或加速度，缓慢使用户身体趋于平稳，待用户身体平稳后，再调整跑步机运行速度为预设匀速状态，此时跑步机恢复正常状态。
图3示出了实际位姿信息的方法流程图。
根据本发明实施例，通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；还包括：
S302，采用惯性测量单元接收人体四肢关节的位置信息；
S304，通过多传感器信息融合解算人体运动关节的实际位姿信息；
S306，利用实际位姿信息提取步态时域参数；
S308，结合航位推算算法、惯性参数分析法分析人体实际位姿信息。
需要说明的是，惯性测量单元包括GY-85惯性传感器，惯性测量单元由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计组成，用来测量人体运动过程中肢体的加速度、角速度和磁阻偏航角，三轴陀螺仪型号能够是ITG-3025、加速度计型号能够是ADXL345、磁场强度传感器型号能够是HMC5883L，三者型号不限于这几种，本领域技术人员可以根据实际使用情况进行常规调整。
根据步态空间内的坐标信息，获取步态空间预判修正信息，在进行预判修正过程中，更加精准，根据实时监测步态空间信息及坐标信息，能够通过预判修正信息进行提前预判，减少系统的滞后性，确定预判修正信息的过程中，通过将步态空间信息进行步态分割提取单步信息，对单步信息进行分析，将分析的结果再次进行聚合，即可得到完成的步态空间信息，通过单步修正，然后进行聚合整体修正，此种分析方式，分析速度较快，聚合模拟后的步态空间信息更加贴近实际，使得预判修正信息更加迅速准确。
根据左腿与右腿的腿部动作信号计算重力信息及重心与平台夹角信息,得到安全参数信息，还包括：根据腿部动作信号，获取位移轨迹，分析重心信息，建立轨迹数据模型；采用轨迹分割进行位移轨迹信息分割提取，建立单步步态数据库；通过数据索引进行单步步态分析，将步态分析结果进行聚合模拟，得到完整的步态空间信息；通过步态空间信息分析重力信息及重心与平台夹角信息，获取安全参数信息；根据安全参数信息，校正跑步机运行速度或加速度。
需要说明的是，当检测到左腿或右腿信号出现异常时，说明用户身体倾斜率超过预定阈值，此时，需要判断是否停止跑步机运行还是调整跑步机运行参数，当用户身体倾斜较大时，需要被迫停止跑步机运行时，通过腿部信号偏差较大进行判断，此时进行跑步机急停，急停过程中，跑步机上的防护气囊充气，对用户进行安全防护，当只需要进行跑步机运行参数调整时，逐渐调整跑步机运行速度或加速度，缓慢使用户身体趋于平稳，待用户身体平稳后，再调整跑步机运行速度为预设匀速状态，此时跑步机恢复正常状态。
在本实施例中，找出位移轨迹的特征点，在各个特征点将位移轨迹分割成若干个直线段；
每个线段均是沿直线匀速运动直到改变方向或速度；
改变方向或速度的节点记为下一段线性运动，记为下一个直线段，得到多维点数列M集合，分别计入数据库，轨迹在时空数据库中表示为一个多维点序列，记为M＝{Xi，vi，ti|1≤i≤n}；
其中n表示该轨迹中点的个数，Xi表示在ti时刻的空间物理位置，vi表示在ti和ti+1时间间隔中的速度，即从原轨迹中按顺序抽出的若干个点组成的多维点序列。
需要说明的是，本实施例采用离散数据节点模型，即运动对象看作有限运动点的集合，并用基于线段的轨迹表示方法，假定运动对象都是以分段线性方式运动，即沿直线匀速运动直到改变方向或速度，从改变方向或速度的节点记为下一段线性运动，通过多段分割提取，可以将变速变向运动变为无数段匀速直线运动的集合，分别计入数据库。
运动空间为圆形平台或偏磁平台，但不限于这两种，本领域技术人员可以根据实际使用情况进行选择性调整，运动平台外部建立一个运动磁场，运动磁场的建立通过线圈通电产生磁场，其中，线圈可以是一个、两个或多个线圈单独通电或多个配合通电，多个线圈不在同一平面内，可以理解的是，多个线圈位于三维或多维空间内，当一个线圈通电时，产生单一恒定磁场，当多个线圈通电时，多个线圈产生的多个磁场之间产生作用力与反作用力，进行磁场的相互作用，磁力抵消，线圈的通电方式可以单独通电或多个线圈按照预定的顺序或预定的轨迹通断电，或多个线圈同时配合通电多种方式配合，使用灵活。
对移动对象分割后进行提取实时肢体坐标信息，圆形平台的中心点即坐标原点，建立坐标系，将移动对象轨迹按照预定的采样时间间隔进行抽样储存至数据库，然后抽样点之间的轨迹进行聚合模拟，形成完整的位移轨迹。
分割轨迹具体步骤，先找出长轨迹的特征点，再在各个特征点将长轨迹分割成若干个直线段，每个线段均是沿直线匀速运动直到改变方向或速度；从改变方向或速度的节点记为下一段线性运动，记为下一个直线段，得到多维点数列M集合。
根据本发明实施例，通过三维重心轨迹法获取步态空间信息，具体包括：
建立离散分布节点，获取分布数据；
分布数据迭代预处理、步态空间信息提取及算法识别节点信息，提取步态周期与步态空间参数；
通过步态空间参数，利用数值积分与去除趋势化算法提取实时位移轨迹；
合并轨迹波动信息，生成位移轨迹信息，记入数据库。
需要说明的是，数据库为时空数据库，时空数据库就是体现时间、空间和时空概念并且同时捕获数据的时间和空间特性的数据库，时空数据库主要用于存储和管理位置和状态均随时间变化的各类空间对象，并针对对象的时空信息进行分析处理，由于移动对象的位置随时间的变化而连续变化，所以对移动对象进行建模既要考虑连续模型，又要考虑离散模型，连续模型是指把移动对象看作无穷移动点的集合而对其进行描述，并把移动点看作是三维空间中的一条连续曲线进行分析。
根据本发明实施例，所述步态空间信息包括根据VR场景模拟的运动路线或根据VR场景实现的肢体步态变化信息中或根据VR场景预处理运动信息的一种或两种组合或三种组合。
需要说明的是，VR场景模拟的运动路线，可以理解为预先储存在VR场景内的信息，或经过VR场景预处理后的运动信息，例如VR场景内需要进行环游西湖，则需要预先进行环游西湖道路的多种规划，在进行模拟过程中，可以选择任意道路行进，不同道路具有不同的路况信息，则检测到的步态空间信息及位移信息均会有差异性，不同的道路及不同的路况信息进行修正时均具有差异性，同时得到不同的预测修正信息。
图4示出了一种VR跑步机的安全防护系统的框图。
本发明第二方面还提供了一种VR跑步机的安全防护系统4，该系统4包括：存储器41、处理器42，存储器41中包括VR跑步机的安全防护方法程序，VR跑步机的安全防护方法程序被处理器执行时实现如下步骤：
利用标志点标定人体四肢关节，通过三维重心轨迹法测量人体四肢关节在运动空间内的轨迹，并通过Matlab建立轨迹模型；
通过穿戴式设备进行人体重力加速度分析计算人体四肢关节的位置信息，然后将位置数据上传至云端服务器；
云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，获取人体平衡信息；
通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；
当位姿变化率大于预定阈值时，通过滑模控制器调整增益，控制位姿变化率在预定阈值内；
在运动过程中，通过最小二乘法优化技术抑制非线性因素及外界干扰的影响，输出防护信号，进行人体防护处理。
具体而言，根据VR场景建立运动空间，第一传感器与第二传感器用于检测用户左腿动作信号，第三传感器与第四传感器用于检测用户右腿动作信号；通过信号接收器获取第一传感信号与第二传感信号及第三传感信号与第四传感信号,得到左腿与右腿各自的腿部动作信号；根据左腿与右腿的腿部动作信号计算重力信息及重心与平台夹角信息,得到安全参数信息；通过安全参数信息进行调整平台参数信息；根据安全参数信息与平台参数信息，获取偏差信息，同时得到偏差率；当偏差率大于预定阈值时，则进行运动平台的停止，并同时输出安全防护信号，进行防护处理；左腿护膝内侧对应于用户左腿小腿处设置有第一传感器,左腿护膝对应于大腿处设置有第二传感器；右腿护膝内侧对应于用户右小腿处设置有第三传感器,右腿护膝对应于大腿处设置有第四传感器。
需要说明的是，根据VR场景建立运动空间，同时获取腿部动作信号及重力信号，得到步态空间信息，具体的，通过腿部动作信号能够获得运动对象的移动方向或即将要移动的方向，腿部动作时，重心也会产生相应的变化，在重心产生变化的过程中，检测重力信号，分析运动对象的重心变化信息，并分析获取位移轨迹信息及运动参数，位移轨迹能够是脚掌运动轨迹或人体重心的位移轨迹，步态特征的差异主要体现在体型的差异，如身体比例、身高和步长等，还有上身、手臂的摆动幅度和摆动频率均会影响步态空间信息，步态发生变化时，运动对象相对于运动空间内的位置相应产生变化，为了保持运动对象与运动空间的相对静止，需要对步态空间信息进行纠正处理。
在进行预判修正的过程中，不一定能够对运动参数一次性修正准确，所以需要进行二次或多次修正，而二次修正或多次修正的依据，则根据一次修正信息修正后，进行偏差校正，在进行校正过程中，都会预先设定一个预定偏差，只要修正后的运动参数保持在此预定偏差内，即可完成，当修正后的偏差大于预定偏差时，则需要二次修正，二次修正过程中，根据偏差进行再次确定二次预判修正信息，二次修正后，再次比较二次修正后的步态空间信息与二次预判修正信息，直至预判修正信息与步态空间信息之间的偏差率位于预定偏差率的设定范围，校正后预判修正信息能够对运动空间进行反向修正，建立新的运动空间，此处新的运动空间即虚拟或模拟的运动空间，即可以理解的是，纠正处理时，为了使运动对象具有沉浸式体验，步态空间信息发生变化时，通过纠正处理信息进行步态空间信息的实时修正，并反馈至VR场景，使VR场景与纠正处理信息相适配，实现VR跑步机的精度，使VR场景内的虚拟运动空间根据纠正信息进行实时改变，在感官上依旧实时保证位于运动空间的中心位置。
另外，VR场景主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面，模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知，除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知，运动空间可以是虚拟的运动空间或真实的运动空间，具体而言，真实的运动空间能够是根据VR场景选择对应的房间或平台，房间的面积以及平台的大小可以根据VR场景进行改变，例如VR场景需要单人模拟操作时，则仅需要选择较小的房间面积或平台面积，如5-20平米，优选10平米，当需要多人配合模拟时，则需要建立较大的运动空间，如选择20-100平米的房间面积及平台大小，优选50平米的运动空间。
根据本发明实施例，通过三维重心轨迹法获取步态空间信息，具体包括：
建立离散分布节点，获取分布数据；
分布数据迭代预处理、步态空间信息提取及算法识别节点信息，提取步态周期与步态空间参数；
通过步态空间参数，利用数值积分与去除趋势化算法提取实时位移轨迹；
合并轨迹波动信息，生成位移轨迹信息，记入数据库。
需要说明的是，数据库为时空数据库，时空数据库就是体现时间、空间和时空概念并且同时捕获数据的时间和空间特性的数据库，时空数据库主要用于存储和管理位置和状态均随时间变化的各类空间对象，并针对对象的时空信息进行分析处理，由于移动对象的位置随时间的变化而连续变化，所以对移动对象进行建模既要考虑连续模型，又要考虑离散模型，连续模型是指把移动对象看作无穷移动点的集合而对其进行描述，并把移动点看作是三维空间中的一条连续曲线进行分析。
根据本发明实施例，所述步态空间信息包括根据VR场景模拟的运动路线或根据VR场景实现的肢体步态变化信息中或根据VR场景预处理运动信息的一种或两种组合或三种组合。
需要说明的是，VR场景模拟的运动路线，可以理解为预先储存在VR场景内的信息，或经过VR场景预处理后的运动信息，例如VR场景内需要进行环游西湖，则需要预先进行环游西湖道路的多种规划，在进行模拟过程中，可以选择任意道路行进，不同道路具有不同的路况信息，则检测到的步态空间信息及位移信息均会有差异性，不同的道路及不同的路况信息进行修正时均具有差异性，同时得到不同的预测修正信息。
根据本发明实施例，通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；还包括：
采用惯性测量单元接收人体四肢关节的位置信息；
通过多传感器信息融合解算人体运动关节的实际位姿信息；
利用实际位姿信息提取步态时域参数；
结合航位推算算法、惯性参数分析法分析人体实际位姿信息。
需要说明的是，惯性测量单元包括GY-85惯性传感器，惯性测量单元由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计组成，用来测量人体运动过程中肢体的加速度、角速度和磁阻偏航角，三轴陀螺仪型号能够是ITG-3025、加速度计型号能够是ADXL345、磁场强度传感器型号能够是HMC5883L，三者型号不限于这几种，本领域技术人员可以根据实际使用情况进行常规调整。
本发明中的安全防护系统采用AT89C51单片机数据采集单元、用于数据处理、存储和控制的中央处理器，数据采集单元与传感器之间通过IIC协议通信，采集单元之间采用RS485接口通信，数据采集单元将数据暂时存储与内部RAM，各模块采集单元同时采集上传数据，保证数据的无延时精准，其中单片机的型号本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，如选择ATMEGA48或AT89C52等等均可。
加速度传感器主要用来检测运动对象的加速度信息，加速度信息能够实时显示运动对象的运动变化状态，通过加速度信息的采集进行误差校正，校正时，纠正处理信息中的加速度应与运动对象的加速度数值相同，但保持方向相反，使运动对象的位移量为零，保持相对静止。
另外，AT89C51提供以下标准功能:4k字节Flash闪速存储器，256字节片内数据存储器(00H-7FH为片内RAM，80H-FFH为特殊功能寄存器SFR)，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位
根据本发明实施例，找出位移轨迹的特征点，在各个特征点将位移轨迹分割成若干个直线段；
每个线段均是沿直线匀速运动直到改变方向或速度；
改变方向或速度的节点记为下一段线性运动，记为下一个直线段，得到多维点数列M集合，分别计入数据库，轨迹在时空数据库中表示为一个多维点序列，记为M＝{Xi，vi，ti|1≤i≤n}；
其中n表示该轨迹中点的个数，Xi表示在ti时刻的空间物理位置，vi表示在ti和ti+1时间间隔中的速度，即从原轨迹中按顺序抽出的若干个点组成的多维点序列。
需要说明的是，本实施例采用离散数据节点模型，即运动对象看作有限运动点的集合，并用基于线段的轨迹表示方法，假定运动对象都是以分段线性方式运动，即沿直线匀速运动直到改变方向或速度，从改变方向或速度的节点记为下一段线性运动，通过多段分割提取，可以将变速变向运动变为无数段匀速直线运动的集合，分别计入数据库，轨迹在时空数据库中表示为一个多维点序列，记为M＝{Xi，vi，ti|1≤i≤n}，其中n表示该轨迹中点的个数，Xi表示在ti时刻的空间物理位置，vi表示在ti和ti+1时间间隔中的速度，即从原轨迹中按顺序抽出的若干个点组成的多维点序列。
另外，数据库为时空数据库，时空数据库就是体现时间、空间和时空概念并且同时捕获数据的时间和空间特性的数据库，时空数据库主要用于存储和管理位置和状态均随时间变化的各类空间对象，并针对对象的时空信息进行分析处理，由于移动对象的位置随时间的变化而连续变化，所以对移动对象进行建模既要考虑连续模型，又要考虑离散模型，连续模型是指把移动对象看作无穷移动点的集合而对其进行描述，并把移动点看作是三维空间中的一条连续曲线进行分析。
移动对象轨迹按照预定的采样时间间隔进行抽样储存至数据库，然后抽样点之间的轨迹进行聚合模拟，形成完整的位移轨迹。
分割轨迹具体步骤，先找出长轨迹的特征点，再在各个特征点将长轨迹分割成若干个直线段，每个线段均是沿直线匀速运动直到改变方向或速度；从改变方向或速度的节点记为下一段线性运动，记为下一个直线段，得到多维点数列M集合。
本发明第三方面还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中包括VR跑步机的安全防护方法程序，VR跑步机的安全防护方法程序被处理器执行时，实现如上述任一项的VR跑步机的安全防护方法的步骤。
通过不同的VR场景建立不同的运动空间，根据腿部动作信号实时监测位移轨迹及步态空间信息，增加预判修正的精确性，在运动的过程中，通过步态空间信息进行运动空间的反向修正，使得运动对象在运动空间内相对位移为零，从而实现运动对象全向运动，在修正过程中，跑步机根据重力信息及重心与平台夹角进行调整运行状态，使用户能够在跑步机上平稳的移动。
当检测到左腿或右腿信号出现异常时，说明用户身体倾斜率超过预定阈值，此时，需要判断是否停止跑步机运行还是调整跑步机运行参数，当用户身体倾斜较大时，需要被迫停止跑步机运行时，通过腿部信号偏差较大进行判断，此时进行跑步机急停，急停过程中，跑步机上的防护气囊充气，对用户进行安全防护，当只需要进行跑步机运行参数调整时，逐渐调整跑步机运行速度或加速度，缓慢使用户身体趋于平稳，待用户身体平稳后，再调整跑步机运行速度为预设匀速状态，此时跑步机恢复正常状态。
根据实时监测位移轨迹及步态空间信息，能够通过预判修正信息进行提前预判，减少系统的滞后性，确定预判修正信息的过程中，通过将步态空间信息进行步态分割提取单步信息，对单步信息进行分析，将分析的结果再次进行聚合，即可得到完成的步态信息，通过单步修正，然后进行聚合整体修正，修正的过程中，能够根据用户的左腿动作信号与右腿动作信号，使得跑步机的运动状态与用户移动状态相匹配，能够防止用户摔倒，此种分析方式，分析速度较快，聚合模拟后的步态信息更加贴近实际，使得预判修正信息更加迅速准确。
通过穿戴式设备进行人体重力加速度分析计算人体四肢关节的位置信息，然后将位置数据上传至云端服务器，云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，使得位置数据减少非线性因素及外界的干扰，增加位置数据的准确性。
通过比对实际位姿与期望位姿，然后通过滑膜控制器进行增益调整，使得实际位姿更加接近期望位姿，保证人体运动的安全性，其次通过调整增益，改变跑步机参数，使跑步机配合人体运动信息，使用户在跑步机上运动时更加安全。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种VR跑步机的安全防护方法，其特征在于，包括：
利用标志点标定人体四肢关节，通过三维重心轨迹法测量人体四肢关节在运动空间内的轨迹，并建立轨迹模型；
通过穿戴式设备进行人体重力加速度分析计算人体四肢关节的位置信息，然后将位置数据上传至云端服务器；
云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，获取人体平衡信息；
通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；
当位姿变化率大于预定阈值时，通过滑模控制器调整增益，控制位姿变化率在预定阈值内；
在运动过程中，通过最小二乘法优化技术抑制非线性因素及外界干扰的影响，输出防护信号，进行人体防护处理；
通过三维重心轨迹法获取步态空间信息，具体包括：
建立离散分布节点，获取分布数据；
分布数据迭代预处理、步态空间信息提取及算法识别节点信息，提取步态周期与步态空间参数；
通过步态空间参数，利用数值积分与去除趋势化算法提取实时位移轨迹；
合并轨迹波动信息，生成位移轨迹信息，记入数据库；
所述步态空间信息包括根据VR场景模拟的运动路线或根据VR场景实现的肢体步态变化信息中或根据VR场景预处理运动信息的一种或两种组合或三种组合；
获取位移轨迹，分析重心信息，建立轨迹数据模型；采用轨迹分割进行位移轨迹信息分割提取，建立单步步态数据库；通过数据索引进行单步步态分析，将步态分析结果进行聚合模拟，得到完整的步态空间信息；通过步态空间信息分析重力信息及重心与平台夹角信息，获取安全参数信息；根据安全参数信息，校正跑步机运行速度或加速度。
2.根据权利要求1所述的一种VR跑步机的安全防护方法，其特征在于：云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，获取人体平衡信息；具体包括：
通过卡尔曼滤波器进行四元数姿态解算，获取姿态信息；
根据递归观法进行位置数据的更新与校正，直至将数据误差降至预定阈值内；
通过雅克比偏导数，进行线性化操作，然后进行位置数据融合。
3.根据权利要求1所述的一种VR跑步机的安全防护方法，其特征在于：通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；还包括：
采用惯性测量单元接收人体四肢关节的位置信息；
通过多传感器信息融合解算人体运动关节的实际位姿信息；
利用实际位姿信息提取步态时域参数；
结合航位推算算法、惯性参数分析法分析人体实际位姿信息。
4.根据权利要求1所述的一种VR跑步机的安全防护方法，其特征在于：找出位移轨迹的特征点，在各个特征点将位移轨迹分割成若干个直线段；
每个线段均是沿直线匀速运动直到改变方向或速度；
改变方向或速度的节点记为下一段线性运动，记为下一个直线段，得到多维点数列M集合，分别计入数据库，轨迹在时空数据库中表示为一个多维点序列，记为M＝{Xi，vi，ti|1≤i≤n}；
其中n表示该轨迹中点的个数，Xi表示在ti时刻的空间物理位置，vi表示在ti和ti+1时间间隔中的速度，即从原轨迹中按顺序抽出的若干个点组成的多维点序列。
5.一种VR跑步机的安全防护系统，其特征在于，该系统包括：存储器、处理器，所述存储器中包括VR跑步机的安全防护方法程序，所述VR跑步机的安全防护方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤：
利用标志点标定人体四肢关节，通过三维重心轨迹法测量人体四肢关节在运动空间内的轨迹，并建立轨迹模型；
通过穿戴式设备进行人体重力加速度分析计算人体四肢关节的位置信息，然后将位置数据上传至云端服务器；
云端服务器对位置数据进行预处理，并进行滤波处理，获取人体平衡信息；
通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；
当位姿变化率大于预定阈值时，通过滑模控制器调整增益，控制位姿变化率在预定阈值内；
在运动过程中，通过最小二乘法优化技术抑制非线性因素及外界干扰的影响，输出防护信号，进行人体防护处理；
通过三维重心轨迹法获取步态空间信息，具体包括：
建立离散分布节点，获取分布数据；
分布数据迭代预处理、步态空间信息提取及算法识别节点信息，提取步态周期与步态空间参数；
通过步态空间参数，利用数值积分与去除趋势化算法提取实时位移轨迹；
合并轨迹波动信息，生成位移轨迹信息，记入数据库；
所述步态空间信息包括根据VR场景模拟的运动路线或根据VR场景实现的肢体步态变化信息中或根据VR场景预处理运动信息的一种或两种组合或三种组合；
获取位移轨迹，分析重心信息，建立轨迹数据模型；采用轨迹分割进行位移轨迹信息分割提取，建立单步步态数据库；通过数据索引进行单步步态分析，将步态分析结果进行聚合模拟，得到完整的步态空间信息；通过步态空间信息分析重力信息及重心与平台夹角信息，获取安全参数信息；根据安全参数信息，校正跑步机运行速度或加速度。
6.根据权利要求5述的一种VR跑步机的安全防护系统，其特征在于：通过传感节点监测人体实际位姿，比对实际位姿与期望位姿，获取位姿误差及位姿变化率；还包括：
采用惯性测量单元接收人体四肢关节的位置信息；
通过多传感器信息融合解算人体运动关节的实际位姿信息；
利用实际位姿信息提取步态时域参数；
结合航位推算算法、惯性参数分析法分析人体实际位姿信息。
7.根据权利要求6述的一种VR跑步机的安全防护系统，其特征在于：
找出位移轨迹的特征点，在各个特征点将位移轨迹分割成若干个直线段；
每个线段均是沿直线匀速运动直到改变方向或速度；
改变方向或速度的节点记为下一段线性运动，记为下一个直线段，得到多维点数列M集合，分别计入数据库，轨迹在时空数据库中表示为一个多维点序列，记为M＝{Xi，vi，ti|1≤i≤n}；
其中n表示该轨迹中点的个数，Xi表示在ti时刻的空间物理位置，vi表示在ti和ti+1时间间隔中的速度，即从原轨迹中按顺序抽出的若干个点组成的多维点序列。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质中包括VR跑步机的安全防护方法程序，所述VR跑步机的安全防护方法程序被处理器执行时，实现如权利要求1至4任一项所述的VR跑步机的安全防护方法的步骤。
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