CN111739393A - 一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统 - Google Patents

一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统 Download PDF

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师彬
王丹丹
任鹏程
孙树旺
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Abstract

本发明公开了一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，包括动作捕捉系统、外骨骼设备、数据处理系统及教学假人，所述动作捕捉系统包括传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器，所述外骨骼设备穿戴在人体的双臂及腰背上，所述动作捕捉系统实时采集穿戴者在三维空间内各方向上对教学假人上的运动信息并传输至数据处理系统，所述外骨骼设备能够接收以及输出所述动作捕捉系统所捕捉到的动作信息，所述数据处理系统包括互相连接的I/O模块和处理器芯片，所述处理器芯片连接远程控制电脑，教学假人包括传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器，与数据处理系统连接。

Description

一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统
技术领域
本发明涉及医疗器械领域,尤其涉及一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统。
背景技术
如今中医推拿及正骨行业从业人员需求很大,技术水平良莠不齐，治疗手法需要从业人员自主进行观摩体会，模仿试练,这是一个缓慢的过程，且模仿程度无法保证外在架势和内在发力与被模仿者的高度统一,初学者难以理解手法应有的作用效果及手法外在架势与内在发力间的联系，错误的手法作用效果往往疗效不佳，而错误的外在架势与内在发力，有时会甚至损伤自身身体。本发明可以很好的帮助中医推拿及正骨从业人员更加迅速、标准、主观的学习体会治疗手法，提高效率、疗效和安全性。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，包括动作捕捉系统、外骨骼设备、数据处理系统及教学假人，所述动作捕捉系统包括传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器，所述外骨骼设备穿戴在人体的双臂及腰背上，所述动作捕捉系统实时采集穿戴者在三维空间内各方向上对教学假人上的运动信息并传输至数据处理系统，所述外骨骼设备能够接收以及输出所述动作捕捉系统所捕捉到的动作信息，所述数据处理系统包括互相连接的I/O模块和处理器芯片，所述处理器芯片连接远程控制电脑，教学假人包括传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器，与数据处理系统连接。
所述外骨骼装置为双臂及腰背部提供三自由度辅助运动，其包括马达及编码器。
所述教学假人上的传感器模块设置在教学假人本体的各穴位以及脊柱所在部位。
所述传感器模块能够收集人体对其的按摩推拿产生的压力数值，并将数值传输至外骨骼设备，教学假人上的传感器模块所收集到的压力数值与动作捕捉系统所收集的三维空间运动信息相结合，指导学习者进行模拟训练。
所述数据处理系统还包括施教者信息模块和学习者模块。
当外骨骼设备穿戴在施教者身体上时，所述动作捕捉系统所捕捉到的信息以及教学假人所采集的数据均整合在施教者信息模块中进行处理，并将处理过后的信息数据传输至学习者模块。
当外骨骼设备穿戴在学习者身体上时，所述动作捕捉系统所捕捉到的信息以及教学假人所采集的数据均整合在学习者模块中处理，并与施教者信息模块中传输来的信息进行对比，给予学习者施力以及动作的实时指导。
所述外骨骼设备上还设置摄像头，对采集的图像进行收集传输，所述外骨骼设备上设置警示模块，所述警示模块为语音提示，用来提醒学习者调整姿势以及发力。
所述外骨骼设备上还设置IMU传感器，IMU传感器是惯性测量单元的简称，是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，为了提高可靠性，还可以为外骨骼设备配备多个IMU传感器，测量外骨骼设备在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出外骨骼设备的姿态。
所述外骨骼设备上还设置有限状态机。有限状态机是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。有限状态机是指输出取决于过去输入部分和当前输入部分的时序逻辑电路。一般来说，除了输入部分和输出部分外，有限状态机还含有一组具有"记忆"功能的寄存器，这些寄存器的功能是记忆有限状态机的内部状态，它们常被称为状态寄存器。在有限状态机中，状态寄存器的的下一个状态不仅与输入信号有关，而且还与该寄存器的当前状态有关，因此有限状态机又可以认为是组合逻辑和寄存器逻辑的一种组合。其中，寄存器逻辑的功能是存储有限状态机的内部状态；而组合逻辑又可以分为次态逻辑和输出逻辑两部分，次态逻辑的功能是确定有限状态机的下一个状态，输出逻辑的功能是确定有限状态机的输出。
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)在推拿按摩的学习过程中，施教者做出手法，学习者随后模仿，在这一过程中，施教者难以使学习者直观理解手法应有的作用效果，本发明可以量化教学假人承受的力学特点曲线并实时显示，解决了这一问题。
(2)本发明可以量化穿戴者施行手法时身体各部位在三维空间内各方向上的运动行程及速度，形成穿戴者三维空间内发力的运动特点曲线并实时显示，学习者可以看到自己的运动特点曲线，解决了学习者难以正确进行手法外在架势与内在发力的问题，提高了效率和安全性。
(3)本发明可以将不同穿戴者三维空间内发力的运动特点曲线及教学假人承受的不同力学特点曲线进行对比，因此可以将学习者和施教者的手法特点进行对比，将两者间的区别量化并显示，解决了模仿程度无法保证外在架势和内在发力与被模仿者的高度统一的问题。
(4)通过量化学习者与施教者的手法特点并进行实时对比，本发明可以在学习者与施教者的手法出现差异时进行实时提醒，以此大大提高学习效率，避免学习者出现错误的发力姿势损伤自己和病人的身体，提高了学习过程的安全性。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明，需要说明的是，当部件被称为“固定于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者也可以存在居中的部件。当一个部件被认为是“连接”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。本文所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，包括动作捕捉系统、外骨骼设备、数据处理系统及教学假人，所述动作捕捉系统包括传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器，所述外骨骼设备穿戴在人体的双臂及腰背上，所述动作捕捉系统实时采集穿戴者在三维空间内各方向上对教学假人上的运动信息并传输至数据处理系统，所述外骨骼设备能够接收以及输出所述动作捕捉系统所捕捉到的动作信息，所述数据处理系统包括互相连接的I/O模块和处理器芯片，所述处理器芯片连接远程控制电脑，教学假人包括传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器，与数据处理系统连接。
所述外骨骼装置为双臂及腰背部提供三自由度辅助运动，其包括马达及编码器。
所述教学假人上的传感器模块设置在教学假人本体的各穴位以及脊柱所在部位，所述传感器模块能够收集人体对其的按摩推拿产生的压力数值，并将数值传输至外骨骼设备，教学假人上的传感器模块所收集到的压力数值与动作捕捉系统所收集的三维空间运动信息相结合，指导学习者进行模拟训练。
所述数据处理系统还包括施教者信息模块和学习者模块。
当外骨骼设备穿戴在施教者身体上时，所述动作捕捉系统所捕捉到的信息以及教学假人所采集的数据均整合在施教者信息模块中进行处理，并将处理过后的信息数据传输至学习者模块。
当外骨骼设备穿戴在学习者身体上时，所述动作捕捉系统所捕捉到的信息以及教学假人所采集的数据均整合在学习者模块中处理，并与施教者信息模块中传输来的信息进行对比，给予学习者施力以及动作的实时指导。
所述外骨骼设备上还设置摄像头，对采集的图像进行收集传输，所述外骨骼设备上设置警示模块，所述警示模块为语音提示，用来提醒学习者调整姿势以及发力。
所述外骨骼设备上还设置IMU传感器，IMU传感器是惯性测量单元的简称，是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，为了提高可靠性，还可以为外骨骼设备配备多个IMU传感器，测量外骨骼设备在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出外骨骼设备的姿态。
所述外骨骼设备上还设置有限状态机。有限状态机是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。有限状态机是指输出取决于过去输入部分和当前输入部分的时序逻辑电路。一般来说，除了输入部分和输出部分外，有限状态机还含有一组具有"记忆"功能的寄存器，这些寄存器的功能是记忆有限状态机的内部状态，它们常被称为状态寄存器。在有限状态机中，状态寄存器的的下一个状态不仅与输入信号有关，而且还与该寄存器的当前状态有关，因此有限状态机又可以认为是组合逻辑和寄存器逻辑的一种组合。其中，寄存器逻辑的功能是存储有限状态机的内部状态；而组合逻辑又可以分为次态逻辑和输出逻辑两部分，次态逻辑的功能是确定有限状态机的下一个状态，输出逻辑的功能是确定有限状态机的输出。
本实施例中，在使用该教学辅助系统时，施教者穿戴外骨骼设备，面对教学假人进行推拿或正骨的手法，由动作捕捉系统采集穿戴者在三维空间内各方向上的运动行程及速度，由教学假人采集穿戴者施行手法过程中的力学特点数据，以上数据均传输至数据处理系统，处理形成穿戴者三维空间内发力的运动特点曲线及教学假人承受的力学特点曲线并实时显示。
此时令学习者穿戴外骨骼设备，通过动作捕捉系统捕捉学习者的动作，令学习者自行进行推拿、正骨手法，此时采集学习者的相应数据形成特点曲线并与数据处理系统刚才采集到的运动数据进行实时对比，与施教者在同一动作过程中的特点曲线实时对照，如在某一动作过程中与施教者差异过大，则语音提醒学习者调整姿势及发力。如此既保护了学习者被动学习时的腰椎关节，又增加了学习者对手法瞬间发力时上肢及腰部发力时间的协同性的体悟。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，包括：动作捕捉系统、外骨骼设备、数据处理系统及教学假人，其特征在于，所述动作捕捉系统包括传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器，所述外骨骼设备穿戴在人体的双臂及腰背上，所述动作捕捉系统实时采集穿戴者在三维空间内各方向上对教学假人上的运动信息并传输至数据处理系统，所述外骨骼设备能够接收以及输出所述动作捕捉系统所捕捉到的动作信息，所述数据处理系统包括互相连接的I/O模块和处理器芯片，所述处理器芯片连接远程控制电脑，教学假人包括传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器，与数据处理系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，其特征在于：所述外骨骼装置为双臂及腰背部提供三自由度辅助运动，其包括马达及编码器。
3.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，其特征在于：所述教学假人上的传感器模块设置在教学假人本体的各穴位以及脊柱所在部位。
4.根据权利要求3所述的一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，其特征在于：所述传感器模块能够收集人体对其的按摩推拿产生的压力数值，并将数值传输至外骨骼设备。
5.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，其特征在于：所述数据处理系统还包括施教者信息模块和学习者模块。
6.根据权利要求5所述的一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，其特征在于：当外骨骼设备穿戴在施教者身体上时，所述动作捕捉系统所捕捉到的信息以及教学假人所采集的数据均整合在施教者信息模块中进行处理，并将处理过后的信息数据传输至学习者模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，其特征在于：当外骨骼设备穿戴在学习者身体上时，所述动作捕捉系统所捕捉到的信息以及教学假人所采集的数据均整合在学习者模块中处理，并与施教者信息模块中传输来的信息进行对比，给予学习者施力以及动作的实时指导。
8.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，其特征在于：所述外骨骼设备上还设置摄像头，对采集的图像进行收集传输。
9.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，其特征在于：所述外骨骼设备上还设置IMU传感器。
10.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的穿戴式推拿教学辅助系统，其特征在于：所述外骨骼设备上还设置有限状态机。
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