CN112604244A - 一种用于人体机能训练的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种用于人体机能训练的系统，包括:通过数据连接的训练平台、动作捕捉系统、显示装置和中心服务器；动作捕捉系统实时捕捉所述训练平台上的使用者的动作，并实时获取动作中躯体的动作数据，分别生成对应部位的数据信息，并将数据信息传输到中心服务器；中心服务器接收数据信息，并实时将数据信息处理转换成实时虚拟场景信息，随后中心服务器将实时虚拟场景信息实时传输到显示装置和训练平台；显示装置显示实时虚拟场景；训练平台基于收到的虚拟场景信息采取动作，并向中心服务器实时反馈动作后的实时姿态和位置。本发明还提供了对应的方法。本发明的系统和方法能够实现保持使用者训练热情并保证训练进程的持续性。

Description

一种用于人体机能训练的系统和方法

技术领域

本发明涉及运动医学技术领域，具体涉及一种用于康复训练的辅助系统和方法，尤其涉及一种用于人体机能训练的系统和方法。

背景技术

虚拟现实技术(VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，在现有技术中通常通过将使用者佩戴专门的设备，将其视觉、听觉等感官封闭起来，同时通过计算机利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是平常所看不到的物质，通过三维模型表现出来，从而生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。

虚拟现实技术在各个领域都有长足的发展和应用，在运动训练和康复训练领域中也有诸多相关的设备和技术以辅助增强训练的效果。常见的沉浸式系统有：基于投影式虚拟现实系统、头盔式显示器的系统。现有技术中对于训练过程通常是由简单到复杂的梯度性设计，而复杂性的梯度均是人为划定，并不能完全适应使用者的实际情况，经常会因难度提升幅度不当导致使用者无法完成相应训练目标；另一方面，由于当前训练系统中每个梯度的训练复杂性是固定的，不能顾及到训练者的实时状态，无法实时调整训练的难度，进而影响使用者的继续进行训练的热情和进度。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术缺陷和问题，本发明的目的是提供一种被动式人体机能训练系统和方法，以适应使用者的实时状态的变化，使使用者能够持续的进行训练，不至于因无法完成提升后的训练难度而导致的训练中断，尤其是在康复训练中，对于使用者的康复信心和持续参与训练有巨大的推动作用。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于人体机能训练的系统，包括:

通过数据连接的训练平台、动作捕捉系统、显示装置和中心服务器；

动作捕捉系统实时捕捉所述训练平台上的使用者的动作，并实时获取动作中躯体的每个相关部位的角速度、加速度、位移距离和动作方向，分别生成对应部位的数据信息，并将所述数据信息传输到中心服务器；所述相关部位包括左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、胸部、腰部、左大腿、左小腿、左脚、右大腿、右小腿和右脚中的一个或多个；

所述中心服务器接收所述数据信息，并实时将数据信息处理转换成实时虚拟场景信息，随后中心服务器将实时虚拟场景信息实时传输到显示装置和训练平台；

所述显示装置显示实时虚拟场景；

所述训练平台基于收到的虚拟场景信息采取动作，并向所述中心服务器实时反馈动作后的实时姿态和位置。

在根据本发明的一个实施方案中，所述动作捕捉系统选自微传感器组、红外动作捕捉系统或图像动作捕捉系统中的一种，且所述动作捕捉系统中设置有实时处理获取的实时动作数据的微处理器。

在根据本发明的一个实施方案中，所述动作捕捉系统为微传感器组，所述微传感器组由若干通过无线模块与所述中心服务器数据连接的微传感器组成；所述微传感器分别用于固定在使用者的躯体的不同部位；每一个微传感器包括壳体、固定带、陀螺仪、电源模块、微处理器和无线数据收发模块；所述陀螺仪、微处理器、电源模块和无线数据收发模块均包覆且固定于所述壳体内，固定带与所述壳体的外表面固接，所述陀螺仪、微处理器和无线数据收发模块各自与微电源模块电连接。

在根据本发明的一个实施方案中，所述显示装置选自虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

在根据本发明的一个实施方案中，所述训练平台选自三自由度运动平台、四自由度运动平台、五自由度运动平台或六自由度运动平台中的一种。

本发明还提供了一种基于上述系统的人体机能训练的方法，包括：

1)中心服务器生成虚拟场景，同时基于虚拟场景生成预设虚拟动作阈值，并将实时虚拟场景信息传输到训练平台；

2)所述训练平台从所述虚拟场景信息中提取实时动作指令并执行，并向训练平台反馈执行动作指令后的当前姿态和当前位置；

3)动作捕捉系统实时捕捉训练平台上使用者的动作，并实时提取动作中躯体的每个相关部位的角速度、加速度、位移距离和动作方向，并分别生成对应部位的数据信息，并将所述数据信息传输到中心服务器；

4)所述中心服务器接收所述数据信息，并实时将数据信息处理转换成实时虚拟动作数据，中心处理器将实时虚拟动作数据与预设虚拟动作阈值对比，基于对比结果判断使用者的实时状态，并生成适应该实时状态的实时虚拟场景，然后，中心服务器将所述实时虚拟场景信息实时传输到显示装置和训练平台；

5)所述显示装置实时显示实时虚拟场景，同时，所述训练平台基于虚拟场景信息提取动作指令并采取相应动作，并向所述中心服务器实时反馈动作后的实时姿态和实时位置。

在根据本发明的一个实施方案中，步骤4)中，

当实时虚拟动作数据低于所述预设虚拟动作阈值时，中心服务器将实时虚拟场景中对应的动作复杂度下调至低于预设虚拟动作阈值；

当实时虚拟动作数据高于所述预设虚拟动作阈值时，中心服务器将实时虚拟场景中的对应的动作复杂度提升至高于预设虚拟动作阈值。

在根据本发明的一个实施方案中，所述中心服务器在所述数据信息中提取使用者躯体和四肢的实时动作数据，并分别转换成躯体实时虚拟动作数据和四肢实时虚拟动作数据。

在根据本发明的一个实施方案中，所述预设虚拟动作阈值包括预设躯体虚拟动作阈值和预设四肢动作阈值；所述躯体实时虚拟动作数据和四肢实时虚拟动作数据分别与各自对应的预设躯体虚拟动作阈值和预设四肢动作阈值对比；并基于躯体和四肢各部分动作的实时对比结果生成对应的实时虚拟场景。

在根据本发明的一个实施方案中，所述虚拟场景中还包括实时模仿使用者动作的虚拟人物。

在根据本发明的一个实施方案中，所述动作复杂度包括躯体和/或四肢的动作幅度和反应速度，以及对训练平台动作的适应能力；所述训练平台动作包括斜面、振动、摆动和波动中的一种或多种。

本发明还提供了上述的系统或权方法在用于人体机能训练中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的用于人体机能训练的系统和方法解决了当前的动作复杂度梯度调整无法有效适应训练者的实时状态的情况；同时，也适应使用者训练中的实时状态的变化，避免因训练者实时状态的变化而导致训练动作失败。尤其有助于康复训练中的使用者的提升康复信心和坚持持续训练。

附图说明

图1是根据本发明的人体机能训练系统的组成示例示意图；

图2是根据本发明的人体机能训练系统的方法示例性流程图；

图3是基于本发明提供的人体机能训练系统和方法进行训练评估的示例性流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

本发明提供了一种用于人体机能训练的系统和方法，这种方法是针对现有技术中基于人为主观设计思路对训练中的动作复杂度进行梯度调整，由于无法顾及使用者的实时训练状态，使使用者在面对一些动作复杂度超出其实时状态的应对能力时导致的训练中断，进而挫伤使用者的训练信心和热情的场景。本发明旨在解决上述问题，并基于对使用者实时状态的监测，动态调整训练场景的动作复杂度，从而让使用者在训练过程中更能够保持良好的心态和持续的训练热情，从而达到最终的训练效果。尤其是针对一些康复性训练时，更有助于使用者建立康复信心，加快其康复进程。

本发明的系统包括通过数据通信连接的训练平台、动作捕捉系统、显示装置和中心服务器。可以是通过有线电缆相互连接，也可以通过无线数据通信模块，例如wifi、蓝牙等。一般而言，在传输速率上有线电缆优于无线数据通信模块，但灵活性上无线数据优于有线电缆，因此，如图1所示的，本发明倾向于选择将动作捕捉系统通过无线通信模块与中心服务器连接，而训练平台、显示装置分别通过电缆与中心服务器连接。

训练平台最好的选择有互动功能的三自由度运动平台、四自由度运动平台、五自由度运动平台或六自由度运动平台中的一种，当然，基于训练的具体的部位也可以使用跳舞毯等简单的互动平台，甚至平整的地面，例如在只进行上肢、头颈或躯干部分的训练时，对于平台的互动要求并无太大影响。但若是针对下肢，或者躯体整体的训练时，互动平台就具有更优越的体验性，也更利于体现本发明的效果。

动作捕捉系统，本发明是基于沉浸式体验的技术，因此，对于动作捕捉系统的灵敏度和精确性要求较高，在当前技术中以kinect等系统为代表的图像动作捕捉系统、以任天堂switch为代表的辅助道具动作互动系统均可以加以利用并兼容于本系统，但相对而言，当前的图像动作捕捉算法上对于动作识别、计算的准确性和精确度还不够成熟，在实时反馈中存在一定延时，进而导致画面延迟，影响训练的体验。因此，本发明中，更倾向于选择使用传感器组的方式形成动作捕捉。该传感器组中若干个微传感器组成，微传感器固定于使用者躯体的动作捕捉部位，动作捕捉部位选自左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、胸部、腰部、左大腿、左小腿、左脚、右大腿、右小腿和右脚中的一个或多个，例如，只训练上肢时，可以只将微传感器固定于左大臂、左小臂、右大臂、右小臂；训练躯体时，也可以只将微传感器固定于胸部、腰部等躯体动作的产生区域。由于本发明需要对动作进行实时捕捉，并且要实现尽可能快的反馈到显示装置，因此，若将所有的动作数据直接发送到中心服务器，由中心服务器执行全部的数据处理工作，对于中心服务器的负载过重、运算能力的要求将会特别高，本发明的系统搭建成本过于主昂，基于上述考虑，本发明选择在动作捕捉系统中对具体部位的动作先行进行数据处理，各自只向中心服务器传输最终需要的关键数据信息，该数据信息中包括动作的速度、角速度、方向、位移以及指向具体部位的标签。基于上述功能的实现，在使用传感器组捕捉动作时，每一个传感器均包括壳体、固定带、陀螺仪、电源模块、微处理器和无线数据收发模块；所述陀螺仪、微处理器、电源模块和无线数据收发模块均包覆且固定于所述壳体内，固定带与所述壳体的外表面固接，所述陀螺仪、微处理器和无线数据收发模块各自与微电源模块电连接。

如上所述，本发明旨在提供一种沉浸式体验技术，因此，在显示装置的选择上以沉浸体验更佳的增强现实显示装置或虚拟现实显示装置为佳，当然，也可以选择使用外设的显示屏幕的方式，但外设显示屏幕无法有效屏蔽外界干扰，无法完全实现沉浸式体验训练的过程。增强现实显示装置和虚拟现实显示装置通常是穿戴式设备，常见的有眼镜式外形、头盔式外形等，无论外形如何改变，其效果均是将使用者与外界隔离，以实现使用者沉浸于训练过程的效果。

中心服务器用于实现核心实时数据的接收和处理，以及数据信息的对比和赋值，基于实时性的需要中心服务器的负载能力是体验效果的保障。

图2示出了根据本发明的一个实施方案的流程示意图。

S101、中心服务器生成虚拟场景，同时基于虚拟场景生成预设虚拟动作阈值，并将实时虚拟场景信息传输到训练平台。在此步骤中，虚拟场景包括生成虚拟训练环境，也可以还包括用于模拟使用者动作的虚拟人物。在虚拟训练环境可以是形成台阶、斜坡、水流、海浪等。

S102训练平台反馈执行动作指令后的当前姿态和当前位置。例如，在虚拟训练环境生成斜坡时，使使用者可以进行登山训练，此时，根据虚拟训练环境中的山坡斜面信息，训练平台也形成相同角度的斜面，从而使使用者能够将现实环境的躯体感觉与虚拟环境中的视觉感觉形成统一，避免使用者因虚拟环境与现实环境的不一致导致动作失衡，甚至导致受伤的情形发生。因此，能够与虚拟训练环境产生相应互动的训练平台是最佳的选择方案。

S103、动作捕捉系统实时捕捉训练平台上使用者的动作，并实时提取动作中躯体的每个相关部位的角速度、加速度、位移距离和动作方向，并分别生成对应部位的数据信息，并将所述数据信息传输到中心服务器。如上文所述，本发明基于减轻中心服务器负载和运算压力，以及降低系统搭建成本的考虑，在动作捕捉系统中对捕捉到的动作数据进行处理，只将具体部位的动作关键数据信息，如角速度、加速度、位移距离和动作方向等形成数据信息传输到中心服务器。例如，在登山训练中，使用者抬腿的高度、大腿与小腿的夹角、对应动作脚的落点、支撑腿的状态和位置等都是直接影响到使用者登山的速度和训练效果，甚至需要结合登山时使用者的躯体倾斜角度、手臂的动作状态来做更精细化的运算，因此，动作捕捉系统对于使用者的动作捕捉的精细程度是虚拟与现实配合的关键。

S104、所述中心服务器接收所述数据信息，并实时将数据信息处理转换成实时虚拟动作数据。

S105中心处理器将实时虚拟动作数据与预设虚拟动作阈值对比，基于对比结果判断使用者的实时状态，并生成适应该实时状态的实时虚拟场景，然后，中心服务器将所述实时虚拟场景信息实时传输到显示装置和训练平台。应当注意，预设动作阈值是一个区间值，只要目标部位落在该部位的预设动作阈值的区间值范围内即可认为其与预设动作阈值相当。S1051、当实时虚拟动作与预设虚拟动作阈值相当时，即生成与预设动作阈值相当的实时虚拟场景。S1052、当实时虚拟动作数据低于所述预设虚拟动作阈值时，中心服务器将实时虚拟场景中对应的动作复杂度下调至低于预设虚拟动作阈值，并生成动作复杂度低于预设动作阈值的实时虚拟场景。S1053、当实时虚拟动作数据高于所述预设虚拟动作阈值时，中心服务器将实时虚拟场景中的对应的动作复杂度提升至高于预设虚拟动作阈值,并生成动作复杂度高于预设动作阈值的实时虚拟场景。进一步地，所述预设虚拟动作阈值包括预设躯体虚拟动作阈值和预设四肢动作阈值；所述躯体实时虚拟动作数据和四肢实时虚拟动作数据分别与各自对应的预设躯体虚拟动作阈值和预设四肢动作阈值对比；并基于躯体和四肢各部分动作的实时对比结果生成对应的实时虚拟场景。

S106、所述显示装置实时显示实时虚拟场景，同时，所述训练平台基于虚拟场景信息提取动作指令并采取相应动作，并向所述中心服务器实时反馈动作后的当前姿态和当前位置。

继续以登山训练为例，在登山训练时，若大腿的高度、小腿与大腿的夹角均小于预设动作阈值，则基于预设虚拟动作阈值降低斜面倾角生成虚拟场景，同样使使用者感觉到脚踏在训练平台的呈斜面的动作台上，只是训练中斜坡的角度降低了，使训练的动作复杂度降低；若大腿的高度、小腿与大腿的夹角等大于预设动作阈值，则基于预设虚拟动作阈值升高斜面倾角生成虚拟场景，仍然例使用者感觉到脚踏在训练平台的呈斜面的动作平台上，只是训练中斜坡的角度升高了，训练的动作复杂度提升，但训练者并无直接的感受，并不会对训练者造成心理压力，从而使训练的持续性得以实现。

在根据本发明的一个实施方案中，所述虚拟场景中还包括实时模仿使用者动作的虚拟人物。基于虚拟人物可以产生代入感，同时还具有一定的操控感，有助于训练者以旁观者的角度直观了解训练的进程和动作完成情况。

在根据本发明的一个实施方案中，所述动作复杂度包括躯体和/或四肢的动作幅度和反应速度，以及对训练平台动作的适应能力；所述训练平台动作包括斜面、振动、摆动和波动中的一种或多种。

图3为人体机能训练评估的示例性流程示意图。

S201使用者穿戴好相应设备后，在训练平台上通过手势动作设定训练项目，训练项目包括训练部位、时长、具体训练方式、以及选定虚拟环境等

S202中心服务器生成初始虚拟训练场景，并将初始虚拟训练场景发送至显示装置和训练平台；

S203显示装置显示该初始训练场景，同时训练平台同时基于初始虚拟训练场景的设定产生对应于该初始虚拟训练场景的动作，并反馈当前训练平台的当前姿态和位置；

S204训练开始后，动作捕捉系统实时捕捉使用者的动作并对训练对应部位或者使用者整体动作数据进行处理，生成数据信息，然后将所述数据信息传输到中心服务器；

S205中心服务器接收到数据信息，进行实时处理和计算，并实时将数据信息处理转换成实时虚拟动作数据，中心处理器将实时虚拟动作数据与预设虚拟动作阈值对比，基于对比结果判断使用者的实时状态，并生成适应该实时状态的实时虚拟场景，然后，中心服务器将所述实时虚拟场景信息实时传输到显示装置和训练平台。应当注意，预设动作阈值是一个区间值，只要目标部位落在该部位的预设动作阈值的区间值范围内即可认为其与预设动作阈值相当。S2051当实时虚拟动作与预设虚拟动作阈值相当时，即生成与预设动作阈值相当的实时虚拟场景。S2052当实时虚拟动作数据低于所述预设虚拟动作阈值时，中心服务器将实时虚拟场景中对应的动作复杂度下调至低于预设虚拟动作阈值。S2053当实时虚拟动作数据高于所述预设虚拟动作阈值时，中心服务器将实时虚拟场景中的对应的动作复杂度提升至高于预设虚拟动作阈值。

S206所述显示装置实时显示实时虚拟场景，同时，所述训练平台基于虚拟场景信息提取动作指令并采取相应动作，并向所述中心服务器实时反馈动作后的当前姿态和当前位置。

S207中心服务器实时基于当前的训练进程判断是否完成训练目标，若完成训练目标则执行终止程度；若未完成训练目标则返回步骤S204，重复S204-206的训练过程在直到中心服务器判断完成训练目标，结束训练。

S208中心服务器基于使用者在训练过程中实际完成的动作复杂度分别进行统计和评估，然后在显示装置上输出最终的评估结论。

本发明的人体机能训练系统在康复训练中有显著的辅助效果，使用者的训练持续性和积极性均得到了大幅提升。

上述实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。

Claims (10)

1.一种用于人体机能训练的系统，其特征在于，包括:

通过数据连接的训练平台、动作捕捉系统、显示装置和中心服务器；

动作捕捉系统实时捕捉所述训练平台上的使用者的动作，并实时获取动作中躯体的每个相关部位的角速度、加速度、位移距离和动作方向，分别生成对应部位的数据信息，并将所述数据信息传输到中心服务器；所述相关部位包括左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、胸部、腰部、左大腿、左小腿、左脚、右大腿、右小腿和右脚中的一个或多个；

所述中心服务器接收所述数据信息，并实时将数据信息处理转换成实时虚拟场景信息，随后中心服务器将实时虚拟场景信息实时传输到显示装置和训练平台；

所述显示装置显示实时虚拟场景；

所述训练平台基于收到的虚拟场景信息采取动作，并向所述中心服务器实时反馈动作后的实时姿态和位置。

2.如权利要求1所述的用于人体机能训练的系统，其特征在于，所述动作捕捉系统选自微传感器组、红外动作捕捉系统或图像动作捕捉系统中的一种，且所述动作捕捉系统中设置有实时处理获取的实时动作数据的微处理器。

3.如权利要求1所述的用于人体机能训练的系统，其特征在于，所述动作捕捉系统为微传感器组，所述微传感器组由若干通过无线模块与所述中心服务器数据连接的微传感器组成；所述微传感器分别用于固定在使用者的躯体的不同部位；每一个微传感器包括壳体、固定带、陀螺仪、电源模块、微处理器和无线数据收发模块；所述陀螺仪、微处理器、电源模块和无线数据收发模块均包覆且固定于所述壳体内，固定带与所述壳体的外表面固接，所述陀螺仪、微处理器和无线数据收发模块各自与微电源模块电连接。

4.如权利要求1所述的用于人体机能训练的系统，其特征在于，所述显示装置选自虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

5.如权利要求1所述的用于人体机能训练的系统，其特征在于，所述训练平台选自三自由度运动平台、四自由度运动平台、五自由度运动平台或六自由度运动平台中的一种。

6.一种基于如权利要求1-5中任一项的系统的人体机能训练的方法，其特征在于，包括：

1)中心服务器生成虚拟场景，同时基于虚拟场景生成预设虚拟动作阈值，并将实时虚拟场景信息传输到训练平台；

2)所述训练平台从所述虚拟场景信息中提取实时动作指令并执行，并向训练平台反馈执行动作指令后的当前姿态和当前位置；

3)动作捕捉系统实时捕捉训练平台上使用者的动作，并实时提取动作中躯体的每个相关部位的角速度、加速度、位移距离和动作方向，并分别生成对应部位的数据信息，并将所述数据信息传输到中心服务器；

4)所述中心服务器接收所述数据信息，并实时将数据信息处理转换成实时虚拟动作数据，中心处理器将实时虚拟动作数据与预设虚拟动作阈值对比，基于对比结果判断使用者的实时状态，并生成适应该实时状态的实时虚拟场景，然后，中心服务器将所述实时虚拟场景信息实时传输到显示装置和训练平台；

5)所述显示装置实时显示实时虚拟场景，同时，所述训练平台基于虚拟场景信息提取动作指令并采取相应动作，并向所述中心服务器实时反馈动作后的实时姿态和实时位置。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4)中，

当实时虚拟动作数据低于所述预设虚拟动作阈值时，中心服务器将实时虚拟场景中对应的动作复杂度下调至低于预设虚拟动作阈值；

当实时虚拟动作数据高于所述预设虚拟动作阈值时，中心服务器将实时虚拟场景中的对应的动作复杂度提升至高于预设虚拟动作阈值。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述虚拟场景中还包括实时模仿使用者动作的虚拟人物。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述动作复杂度包括躯体和/或四肢的动作幅度和反应速度，以及对训练平台动作的适应能力；所述训练平台动作包括斜面、振动、摆动和波动中的一种或多种。

10.如权利要求1-5中任一项所述的系统或权利要求6-9中任一项所述的方法在用于人体机能训练中的应用。

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