CN113730893B - 一种骑马机健身姿态模拟系统及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种骑马机健身姿态模拟系统，包括骑马机本体，上位机以及三维模型，所述骑马机本体包括主体支撑架，前支撑杆，摇臂结构以及一活动支架；所述活动支架上靠近底端处设置有脚踏健身部；还包括骑马机动作模拟系统，及脚踏健身部动作模拟系统；所述骑马机动作模拟系统用于给上位机提供骑马机动作数据并将相应动作信息在三维模型中显示；所述脚踏健身部动作模拟系统用于给上位机提供脚踏健身部动作数据并将相应动作信息在三维模型中显示；还包括人体姿态监测系统；可以模拟人体的动作姿态以及设备的姿态，可以得出自身姿态的不准确位，并加以纠正；较现有的姿态模拟系统，更适用于家庭使用。

Description

一种骑马机健身姿态模拟系统及模拟方法

技术领域

本发明属于健身技术领域，特别是指一种骑马机健身姿态模拟系统及模拟方法。

背景技术

骑马机健身法是根据科学研究而诞生，骑马机能强化肌肉力量、提高平衡感觉、增强柔软性及提升糖份消耗量，当人坐在骑马机坐垫上，可以体验到野外跨骑骏马奔驰的意境。通过改变握把姿势和脚部位置，模拟骑马姿势，可使身体中80％的肌肉群得到训练，全身关节都会得到充分的转动和伸展，且骑马机轻便体小，适合各种年龄层次的人使用；现有的骑马机存在的缺陷在于：功能较单一，只能进行骑马健身动作，而无法进行其他健身动作，其次，健身设备在使用时，需要有正确的健身姿势，否则很难达到健身效果，而现有的健身器材没有健身姿态纠正功能，因此，特别是在家里练习时，由于没有健身教练的指导，若无法看到自身的运动姿态，则很难达到有效健身的目的；然而现有技术中，虽然有采用摄像技术进行人体姿态建模后与标准动作进行对比的技术，但是这类技术大多使用于较大型的运动健身器材，小型家用健身器材由于成本等问题还未得到有效利用，尤其针对骑马机，如何对骑马机机体有效部件工作姿态的进行模拟，以及使用者本身的姿态进行模拟是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明提出一种骑马机健身姿态模拟系统及模拟方法，解决了现有技术中上述背景技术中存在的缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种骑马机健身姿态模拟系统，包括骑马机本体，上位机以及三维模型，所述骑马机本体包括主体支撑架，前支撑杆，摇臂结构以及一活动支架；所述活动支架上靠近底端处设置有脚踏健身部；还包括骑马机动作模拟系统，及脚踏健身部动作模拟系统；所述骑马机动作模拟系统用于给上位机提供骑马机动作数据并将相应动作信息在三维模型中显示；所述脚踏健身部动作模拟系统用于给上位机提供脚踏健身部动作数据并将相应动作信息在三维模型中显示；

还包括人体姿态监测系统，用于给上位机提供人体姿态动作数据并将相应动作信息在三维模型中显示；

所述主体支撑架的前端铰接连接有所述前支撑杆，前支撑杆与主体支撑架形成人字结构；人字结构的底端上分别固定有前支撑腿以及后支撑腿；所述前支撑腿上设置有第一压力传感器，所述活动支架与主体支撑架形成交叉结构且其底端通过第一铰接轴与前支撑杆端部铰接连接，骑马机动作模拟系统包括设置在第一铰接轴上的第一编码器；所述活动支架的前侧方向上通过连接管铰接连接所述摇臂结构，连接管的一端一体成型第二铰接轴与主体支撑架铰接；另一端与所述摇臂结构铰接，所述第二铰接轴上连接有第二编码器；所述活动支架的后侧方向上铰接连接有液压缸，液压缸活塞杆端部与活动支架铰接，液压缸的前端上设置有位置开关，其缸底端部一体成型有第三铰接轴与主体支撑架铰接，第三铰接轴上连接有第三编码器；所述摇臂结构包括摇臂本体，所述摇臂本体上一体成型第四铰接轴与主体支撑架铰接，第四铰接轴上连接有第四编码器；所述摇臂本体的顶部固定安装有上位机，且摇臂本体顶端两侧上固定安装有手柄；所述脚踏健身部包括主传动轴，主传动轴的两端上分别设置有脚踏件，所述脚踏件上设置有第二压力传感器，脚踏健身部动作模拟系统包括设置在所述主传动轴上的第五编码器；第一编码器、第二编码器、第三编码器、第四编码器及第五编码器连接数据采集板卡，数据采集板卡将采集到的数据通过串口传递到所述上位机，所述上位机将数据剖析确定三维模型中对应主体支撑架，前支撑杆，摇臂结构、活动支架以及脚踏健身部的动作；

人体姿态监测系统包括对应于人体躯干的第一惯性传感器、对应于人体下肢大腿部的第二惯性传感器以及下肢小腿部的第三惯性传感器；第一惯性传感器用于感知人体躯干部的姿态，第二惯性传感器用于感知下肢大腿部的姿态，第三惯性传感器用于感知人体小腿部的姿态，还包括激光测距单元，用于感知人体臀部的姿态。

优选的，所述主传动轴还设置有多级传动机构。

一种骑马机健身姿态模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：创建与实际健身设备对应的虚拟健身组件三维模型；以及人体模型；

步骤2：分别将第一惯性传感器、第二惯性传感器以及第三惯性传感器佩戴于人体的相应部位开始做相应的健身动作；

步骤3：判断健身设备当前启用骑马机动作模拟系统或脚踏健身部动作模拟系统，若判断为启用骑马机动作模拟系统则进入步骤4，或判定为启动脚踏健身部动作模拟系统；则进入步骤5；

步骤4：通过骑马机动作模拟系统模拟骑马机实时动作并在三维模型中显示，同时，通过人体姿态监测系统模拟人体动作并在三维模型中显示；

其中，通过骑马机动作模拟系统模拟骑马机实时动作在三维模型中显示包括如下子步骤：

a1：通过位置开关确定三维模型中液压缸活塞杆伸缩进程；

a2：计算三维模型中活动支架旋转角度，具体方法为：读取第一编码器的当前数值D_n，设当前在三维模型里面活动支架的角度在xyz方向上分别为(α₀，β₀，γ₀)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₀＝-D_n；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_n，β₀，γ₀)；

a3：计算三维模型中连接管的旋转角度，具体方法为：读取第二编码器的当前数值D_a，设当前在三维模型里面活动支架的角度在xyz方向上分别为(α₁，β₁，γ₁)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₁＝-D_a；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_a，β₁，γ₁)；

a4：计算三维模型中连接管的旋转角度，具体方法为：读取第三编码器的当前数值D_b，设当前在三维模型里面活动支架的角度在xyz方向上分别为(α₂，β₂，γ₂)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₂＝-D_b；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_b，β₂，γ₂)；

步骤5：通过脚踏健身部动作模拟系统模拟脚踏健身部实时动作并在三维模型中显示，同时，通过人体姿态监测系统模拟人体动作并在三维模型中显示；

其中，通过脚踏健身部动作模拟系统模拟脚踏健身部实时动作，包括如下子步骤：

c1:获取第五编码器的数值D_c；

c2:计算三维模型中两侧脚踏件的旋转角度，建立实际健身设备中脚踏件与虚拟三维模型中脚踏件的动作关系，具体为：设当前在三维模型里面其中一侧脚踏件的角度在xyz方向上分别为(α₃，β₃，γ₃)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₃＝-D_c；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_c，β₃，γ₃)；

其中，步骤4及步骤5中通过人体姿态监测系统模拟人体动作并在三维模型中显示包括如下子步骤：

b1:以人体下肢的膝盖所在平面作为第一基准面，以人体躯干与大腿根部所在平面作为第二基准面；

b2：确定三维模型中人体臀部与坐垫之间的方位，并在三维模型中显示；

b3：分别计算三维模型中人体小腿、大腿相对于第一基准面的角度，以及躯干相对于第二基准面的角度；

步骤6：与三维模型中预设的标准姿态进行对比，若出现动作不符合时，发出警报。

优选的，坐垫上设置有所述激光测距单元，用于检测人体臀部距离坐垫的方位，所述激光测距单元连接数据采集板，通过数据采集板采集并发送至上位机，所述激光测距单元包括设置在坐垫中心的压力传感器，所述压力传感器用于判断人体臀部是否贴合在坐垫上；及设置在坐垫后边缘中部的前后旋转激光头单元，前后旋转激光头单元用于确定人体臀部相对于坐垫在Y轴和Z轴方向上的位置，

还包括X轴定位模组，X轴定位模组包括旋转激光头单元，旋转激光头单元位于坐垫后边缘的一侧上并连接有伸缩件；两旋转激光头单元在Y轴方向上旋转。

优选的，步骤b2中确定三维模型中人体臀部与坐垫之间的方位的方法，包括如下子步骤：

d1:人体正坐于坐垫上，且将臀部后侧边缘于坐垫后侧边缘大致齐平；

d2:通过坐垫上的压力传感器判断人体臀部是否贴合在坐垫上；若压力传感器检测到有压力则判定人体臀部贴合在坐垫上，若压力传感器未检测到压力，则判定人体臀部脱离坐垫，则进入步骤d3；

d3:设置前后旋转激光头单元初始激光发射位置为水平位置，且朝向后方；开始测距时，朝向人体方向旋转至与人体臀部外边缘相切时，停止转动获得此时的距离数据值S₁以及旋转角度值θ₁；

d4:根据步骤d3中所得的数据计算人体臀部相对于坐垫后边缘在Y轴及Z轴上的坐标；

d5:判断人体臀部在X轴方向上是否存在摆动；若存在摆动则确定摆动的幅度；具体方法包括如下子步骤：

f1:调节X轴定位模组的旋转激光头单元，将激光发射光束对准人体臀部后边缘侧最外侧边缘点；

f2:检测到人体臀部脱离坐垫时，将旋转激光头单元旋转角度同时调节至θ₁；

f3:旋转激光头单元设置在人体的右侧，当旋转激光头单元的距离变大时，则人体臀部向左摆动，伸缩组件带动旋转激光头单元向左运动，直到再次将激光发射光束对准人体臀部后边缘两侧最外侧边缘点；记录旋转激光头单元移动的位移L以及时间T；

f4:多次重复步骤f3，根据旋转激光头单元移动的位移以及时间得出人体臀部摆动的幅度；具体计算方法为：以步骤f1中人体臀部后边缘侧最外侧边缘点，为基点，分别测得重复多次的旋转激光头单元移动的朝向左侧位移以及朝向右侧位移分别为L₁，L₂......L_N，L₁ ^丿，L₂ ^丿......L_N ^丿所需时间T₁，T₂.....T_N，T₁ ^丿，T₂ ^丿.....T_N ^丿；则人体臀部向左或向右的速率为V₁＝(L₁+L₂......L_N)/(T₁+T₂.....T_N)；V₁ ^丿＝(L₁ ^丿+L₂ ^丿......L_N ^丿)/(T₁ ^丿+T₂ ^丿.....T_N ^丿)。

优选的，步骤2中判断健身设备当前启用骑马机动作模拟系统或脚踏健身部动作模拟系统的方法为采集第一压力传感器和第二压力传感器的数据；若判定为第一压力传感器有压力数据则启动骑马机动作模拟系统；若判定第二压力传感器有压力数据则启动脚踏健身部动作模拟系统。

优选的，第一惯性传感器、第二惯性传感器及第三惯性传感器结构一致，均包括集成传感器模组，以及弹性固定带，所述集成传感器模组与数据采集板采用蓝牙通讯连接。

集成传感器模组包括MEMS3轴加速度传感器、MEMS陀螺仪传感器、带通滤波器、A/D转换器，其中：MEMS3轴加速度传感器用来测量待测部位运动的三维线加速度，陀螺仪用来测量待测部位转动的角速度或角度，利用3轴加速度传感器和陀螺仪组成的惯性测量单元，可以同时测得待测单元运动的三维加速度和角速度，经过数据处理后就可以得到物体运动的速度、位移、方向、姿态等信息。

综上所述，本发明的优点在于：

本发明的一种骑马机健身姿态模拟系统及模拟方法，本申请包括骑马机动作模拟系统，及脚踏健身部动作模拟系统，以及人体姿态监测系统；针对骑马机的健身模式，可以使得骑马机在使用时，可以模拟人体的动作姿态以及设备的姿态，可以得出自身姿态的不准确位，并加以纠正；较现有的姿态模拟系统，更适用于家庭使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为骑马机动作模拟系统的各部件编码器连接结构示意图；

图3为脚踏健身部结构示意图；

图4为人体臀部相对于坐垫位置计算原理图；

图5为X轴定位模组结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-5所示，一种骑马机健身姿态模拟系统，包括骑马机本体1，上位机2以及三维模型，所述骑马机本体包括主体支撑架3，前支撑杆4，摇臂结构5以及一活动支架6；所述活动支架上靠近底端处设置有脚踏健身部7；还包括骑马机动作模拟系统，及脚踏健身部动作模拟系统；所述骑马机动作模拟系统用于给上位机提供骑马机动作数据并将相应动作信息在三维模型中显示；所述脚踏健身部动作模拟系统用于给上位机提供脚踏健身部动作数据并将相应动作信息在三维模型中显示；还包括人体姿态监测系统，用于给上位机提供人体姿态动作数据并将相应动作信息在三维模型中显示；

所述主体支撑架的前端铰接连接有所述前支撑杆4，前支撑杆4与主体支撑架3形成人字结构；人字结构的底端上分别固定有前支撑腿9以及后支撑腿10；所述前支撑腿上设置有第一压力传感器，所述活动支架6与主体支撑架3形成交叉结构且其底端通过第一铰接轴与前支撑杆端部铰接连接，骑马机动作模拟系统包括设置在第一铰接轴上的第一编码器；

其中，第一铰接轴12与活动支架的末端一体成型，其两端通过轴承11连接在安装座上，安装座固定前支撑腿上；第一铰接轴的一端上一体成型有第一编码器连接轴13，第一编码器14连接于第一编码器连接轴上；

所述活动支架的前侧方向上通过连接管15铰接连接所述摇臂结构5，连接管的一端一体成型第二铰接轴与主体支撑架铰接；另一端与所述摇臂结构铰接，所述第二铰接轴上连接有第二编码器；第二铰接轴与第二编码器的连接结构与上述第一编码器与第一铰接轴连接结构一致。

所述活动支架的后侧方向上铰接连接有液压缸16，液压缸活塞杆端部与活动支架铰接，液压缸的前端上设置有位置开关17，其缸底端部一体成型有第三铰接轴与主体支撑架铰接，第三铰接轴上连接有第三编码器；其连接结构与上述第一编码器与第一铰接轴连接结构一致；

所述摇臂结构包括摇臂本体，所述摇臂本体上一体成型第四铰接轴与主体支撑架铰接，第四铰接轴上连接有第四编码器；其连接结构与上述第一编码器与第一铰接轴连接结构一致；

所述摇臂本体的顶部固定安装有上位机2，且摇臂本体顶端两侧上固定安装有手柄19；所述脚踏健身部包括主传动轴20，主传动轴的两端上分别设置有脚踏件21，所述脚踏件上设置有第二压力传感器22，脚踏健身部动作模拟系统包括设置在所述主传动轴上的第五编码器23；第一编码器、第二编码器、第三编码器、第四编码器及第五编码器连接数据采集板卡，数据采集板卡将采集到的数据通过串口传递到所述上位机，所述上位机将数据剖析确定三维模型中对应主体支撑架，前支撑杆，摇臂结构、活动支架以及脚踏健身部的动作；

所述主传动轴还设置有多级传动机构，多级传动机构为二级传动机构，包括与主传动轴连接的一级传动轮24，一级传动轮通过皮带传动连接二级传动轮25，与一级传动轮同轴连接有从动轮26，所述二级传动轮皮带传动连接从动轮。

人体姿态监测系统包括对应于人体躯干的第一惯性传感器、对应于人体下肢大腿部的第二惯性传感器以及下肢小腿部的第三惯性传感器；第一惯性传感器用于感知人体躯干部的姿态，第二惯性传感器用于感知下肢大腿部的姿态，第三惯性传感器用于感知人体小腿部的姿态，还包括激光测距单元，用于感知人体臀部的姿态。

一种骑马机健身姿态模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：创建与实际健身设备对应的虚拟健身组件三维模型；以及人体模型；

步骤2：分别将第一惯性传感器、第二惯性传感器以及第三惯性传感器佩戴于人体的相应部位开始做相应的健身动作；

步骤3：判断健身设备当前启用骑马机动作模拟系统或脚踏健身部动作模拟系统，若判断为启用骑马机动作模拟系统则进入步骤4，或判定为启动脚踏健身部动作模拟系统；则进入步骤5；

步骤4：通过骑马机动作模拟系统模拟骑马机实时动作并在三维模型中显示，同时，通过人体姿态监测系统模拟人体动作并在三维模型中显示；

其中，通过骑马机动作模拟系统模拟骑马机实时动作在三维模型中显示包括如下子步骤：

a1：通过位置开关确定三维模型中液压缸活塞杆伸缩进程；

a2：计算三维模型中活动支架旋转角度，具体方法为：读取第一编码器的当前数值D_n，设当前在三维模型里面活动支架的角度在xyz方向上分别为(α₀，β₀，γ₀)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₀＝-D_n；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_n，β₀，γ₀)；

a3：计算三维模型中连接管的旋转角度，具体方法为：读取第二编码器的当前数值D_a，设当前在三维模型里面活动支架的角度在xyz方向上分别为(α₁，β₁，γ₁)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₁＝-D_a；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_a，β₁，γ₁)；

a4：计算三维模型中连接管的旋转角度，具体方法为：读取第三编码器的当前数值D_b，设当前在三维模型里面活动支架的角度在xyz方向上分别为(α₂，β₂，γ₂)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₂＝-D_b；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_b，β₂，γ₂)；

步骤5：通过脚踏健身部动作模拟系统模拟脚踏健身部实时动作并在三维模型中显示，同时，通过人体姿态监测系统模拟人体动作并在三维模型中显示；

其中，通过脚踏健身部动作模拟系统模拟脚踏健身部实时动作，包括如下子步骤：

c1:获取第五编码器的数值D_c；

c2:计算三维模型中两侧脚踏件的旋转角度，建立实际健身设备中脚踏件与虚拟三维模型中脚踏件的动作关系，具体为：设当前在三维模型里面其中一侧脚踏件的角度在xyz方向上分别为(α₃，β₃，γ₃)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₃＝-D_c；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_c，β₃，γ₃)；

其中，步骤4及步骤5中通过人体姿态监测系统模拟人体动作并在三维模型中显示包括如下子步骤：

b1:以人体下肢的膝盖所在平面作为第一基准面，以人体躯干与大腿根部所在平面作为第二基准面；

b2：确定三维模型中人体臀部与坐垫之间的方位，并在三维模型中显示；

b3：分别计算三维模型中人体小腿、大腿相对于第一基准面的角度，以及躯干相对于第二基准面的角度；

步骤6：与三维模型中预设的标准姿态进行对比，若出现动作不符合时，发出警报。

坐垫上设置有所述激光测距单元，用于检测人体臀部距离坐垫的方位，所述激光测距单元连接数据采集板，通过数据采集板采集并发送至上位机，所述激光测距单元包括设置在坐垫中心的压力传感器，所述压力传感器用于判断人体臀部是否贴合在坐垫上；及设置在坐垫后边缘中部的前后旋转激光头单元，前后旋转激光头单元用于确定人体臀部相对于坐垫在Y轴和Z轴方向上的位置，

还包括X轴定位模组，X轴定位模组包括旋转激光头单元，旋转激光头单元位于坐垫后边缘的一侧上并连接有伸缩件；两旋转激光头单元在Y轴方向上旋转。

优选的，步骤b2中确定三维模型中人体臀部与坐垫之间的方位的方法，包括如下子步骤：

d1:人体正坐于坐垫上，且将臀部后侧边缘于坐垫后侧边缘大致齐平；

d2:通过坐垫上的压力传感器判断人体臀部是否贴合在坐垫上；若压力传感器检测到有压力则判定人体臀部贴合在坐垫上，若压力传感器未检测到压力，则判定人体臀部脱离坐垫，则进入步骤d3；

d3:设置前后旋转激光头单元初始激光发射位置为水平位置，且朝向后方；开始测距时，朝向人体方向旋转至与人体臀部外边缘相切时，停止转动获得此时的距离数据值S₁以及旋转角度值θ₁；

d4:根据步骤d3中所得的数据计算人体臀部相对于坐垫后边缘在Y轴及Z轴上的坐标；即Y轴坐标值为cos(180°-θ₁)*S₁；Z轴坐标值为sin(180°-θ₁)*S₁；

d5:判断人体臀部在X轴方向上是否存在摆动；若存在摆动则确定摆动的幅度；具体方法包括如下子步骤：

f1:调节X轴定位模组的旋转激光头单元，将激光发射光束对准人体臀部后边缘侧最外侧边缘点；

f2:检测到人体臀部脱离坐垫时，将旋转激光头单元旋转角度同时调节至θ₁；

f3:旋转激光头单元设置在人体的右侧，当旋转激光头单元的距离变大时，则人体臀部向左摆动，伸缩组件带动旋转激光头单元向左运动，直到再次将激光发射光束对准人体臀部后边缘两侧最外侧边缘点；记录旋转激光头单元移动的位移L以及时间T；

f4:多次重复步骤f3，根据旋转激光头单元移动的位移以及时间得出人体臀部摆动的幅度；具体计算方法为：以步骤f1中人体臀部后边缘侧最外侧边缘点，为基点，分别测得重复多次的旋转激光头单元移动的朝向左侧位移以及朝向右侧位移分别为L₁，L₂......L_N，L₁ ^丿，L₂ ^丿......L_N ^丿所需时间T₁，T₂.....T_N，T₁ ^丿，T₂ ^丿.....T_N ^丿；则人体臀部向左或向右的速率为V₁＝(L₁+L₂......L_N)/(T₁+T₂.....T_N)；V₁ ^丿＝(L₁ ^丿+L₂ ^丿......L_N ^丿)/(T₁ ^丿+T₂ ^丿.....T_N ^丿)。

其中，前后旋转激光头单元包括激光头本体27，激光头本体设置在安装座28上，安装座连接微型电机29，通过微型电机带动座体旋转，从而带动激光头本体转动，微型电机固定在固定座30上。

X轴定位模组中的旋转激光头单元与前后旋转激光头单元的区别在于增加了伸缩组件，伸缩组件带动激光头本体左右移动；伸缩组件包括设置在固定座上的螺母31，还包括第二微型驱动电机32，所述第二微型驱动电机的输出轴传动连接螺杆33，螺杆连接所述螺母；通过记录第二微型驱动电机的启动以及停止时间，得出时间T。

步骤2中判断健身设备当前启用骑马机动作模拟系统或脚踏健身部动作模拟系统的方法为采集第一压力传感器和第二压力传感器的数据；若判定为第一压力传感器有压力数据则启动骑马机动作模拟系统；若判定第二压力传感器有压力数据则启动脚踏健身部动作模拟系统。

第一惯性传感器、第二惯性传感器及第三惯性传感器结构一致，均包括集成传感器模组，以及弹性固定带，所述集成传感器模组与数据采集板采用蓝牙通讯连接。集成传感器模组包括MEMS3轴加速度传感器、MEMS陀螺仪传感器、带通滤波器、A/D转换器，其中：MEMS3轴加速度传感器用来测量待测部位运动的三维线加速度，陀螺仪用来测量待测部位转动的角速度或角度，利用3轴加速度传感器和陀螺仪组成的惯性测量单元，可以同时测得待测单元运动的三维加速度和角速度，经过数据处理后就可以得到物体运动的速度、位移、方向、姿态等信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种骑马机健身姿态模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：创建与实际健身设备对应的虚拟健身组件三维模型；以及人体模型；

步骤2：分别将第一惯性传感器、第二惯性传感器以及第三惯性传感器佩戴于人体的相应部位开始做相应的健身动作；

步骤3：判断健身设备当前启用骑马机动作模拟系统或脚踏健身部动作模拟系统，若判断为启用骑马机动作模拟系统则进入步骤4，或判定为启动脚踏健身部动作模拟系统；则进入步骤5；

步骤4：通过骑马机动作模拟系统模拟骑马机实时动作并在三维模型中显示，同时，通过人体姿态监测系统模拟人体动作并在三维模型中显示；

其中，通过骑马机动作模拟系统模拟骑马机实时动作在三维模型中显示包括如下子步骤：

a1：通过位置开关确定三维模型中液压缸活塞杆伸缩进程；

a2：计算三维模型中活动支架旋转角度，具体方法为：读取第一编码器的当前数值D_n，设当前在三维模型里面活动支架的角度在xyz方向上分别为(α₀，β₀，γ₀)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₀＝-D_n；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_n，β₀，γ₀)；

a3：计算三维模型中连接管的旋转角度，具体方法为：读取第二编码器的当前数值D_a，设当前在三维模型里面活动支架的角度在xyz方向上分别为(α₁，β₁，γ₁)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₁＝-D_a；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_a，β₁，γ₁)；

a4：计算三维模型中连接管的旋转角度，具体方法为：读取第三编码器的当前数值D_b，设当前在三维模型里面活动支架的角度在xyz方向上分别为(α₂，β₂，γ₂)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₂＝-D_b；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_b，β₂，γ₂)；

步骤5：通过脚踏健身部动作模拟系统模拟脚踏健身部实时动作并在三维模型中显示，同时，通过人体姿态监测系统模拟人体动作并在三维模型中显示；

其中，通过脚踏健身部动作模拟系统模拟脚踏健身部实时动作，包括如下子步骤：

c1：获取第五编码器的数值D_c；

c2：计算三维模型中两侧脚踏件的旋转角度，建立实际健身设备中脚踏件与虚拟三维模型中脚踏件的动作关系，具体为：设当前在三维模型里面其中一侧脚踏件的角度在xyz方向上分别为(α₃，β₃，γ₃)；活动支架只在x方向上存在变化，所以α₃＝-D_c；持续变化，最终活动支架的角度为(-D_c，β₃，γ₃)；

其中，步骤4及步骤5中通过人体姿态监测系统模拟人体动作并在三维模型中显示包括如下子步骤：

b1：以人体下肢的膝盖所在平面作为第一基准面，以人体躯干与大腿根部所在平面作为第二基准面；

b2：确定三维模型中人体臀部与坐垫之间的方位，并在三维模型中显示；

b3：分别计算三维模型中人体小腿、大腿相对于第一基准面的角度，以及躯干相对于第二基准面的角度；

其中，步骤b2中确定三维模型中人体臀部与坐垫之间的方位的方法，包括如下子步骤：

d1：人体正坐于坐垫上，且将臀部后侧边缘于坐垫后侧边缘大致齐平；

d2：通过坐垫上的压力传感器判断人体臀部是否贴合在坐垫上；若压力传感器检测到有压力则判定人体臀部贴合在坐垫上，若压力传感器未检测到压力，则判定人体臀部脱离坐垫，则进入步骤d3；

d3：设置前后旋转激光头单元初始激光发射位置为水平位置，且朝向后方；开始测距时，朝向人体方向旋转至与人体臀部外边缘相切时，停止转动获得此时的距离数据值S₁以及旋转角度值θ₁；

d4：根据步骤d3中所得的数据计算人体臀部相对于坐垫后边缘在Y轴及Z轴上的坐标；

d5：判断人体臀部在X轴方向上是否存在摆动；若存在摆动则确定摆动的幅度；具体方法包括如下子步骤：

f1：调节X轴定位模组的旋转激光头单元，将激光发射光束对准人体臀部后边缘侧最外侧边缘点；

f2：检测到人体臀部脱离坐垫时，将旋转激光头单元旋转角度同时调节至θ₁；

f3：旋转激光头单元设置在人体的右侧，当旋转激光头单元的距离变大时，则人体臀部向左摆动，伸缩组件带动旋转激光头单元向左运动，直到再次将激光发射光束对准人体臀部后边缘两侧最外侧边缘点；记录旋转激光头单元移动的位移L以及时间T；

f4：多次重复步骤f3，根据旋转激光头单元移动的位移以及时间得出人体臀部摆动的幅度；具体计算方法为：以步骤f1中人体臀部后边缘侧最外侧边缘点，为基点，分别测得重复多次的旋转激光头单元移动的朝向左侧位移以及朝向右侧位移分别为L₁，L₂......L_N，L₁ ^丿，L₂ ^丿......L_N ^丿所需时间T₁，T₂.....T_N，T₁ ^丿，T₂ ^丿.....T_N ^丿；则人体臀部向左或向右的速率为V₁＝(L₁+L₂......L_N)/(T₁+T₂.....T_N)；V₁ ^丿＝(L₁ ^丿+L₂ ^丿......L_N ^丿)/(T₁ ^丿+T₂ ^丿.....T_N ^丿)；

步骤6：与三维模型中预设的标准姿态进行对比，若出现动作不符合时，发出警报。

2.根据权利要求1所述的一种骑马机健身姿态模拟方法，其特征在于：步骤2中判断健身设备当前启用骑马机动作模拟系统或脚踏健身部动作模拟系统的方法为采集第一压力传感器和第二压力传感器的数据；若判定为第一压力传感器有压力数据则启动骑马机动作模拟系统；若判定第二压力传感器有压力数据则启动脚踏健身部动作模拟系统。

3.根据权利要求1所述的一种骑马机健身姿态模拟方法，其特征在于：还包括骑马机健身姿态模拟系统，所述骑马机健身姿态模拟系统包括骑马机本体，上位机以及三维模型，所述骑马机本体包括主体支撑架，前支撑杆，摇臂结构以及一活动支架；所述活动支架上靠近底端处设置有脚踏健身部；还包括骑马机动作模拟系统，及脚踏健身部动作模拟系统；所述骑马机动作模拟系统用于给上位机提供骑马机动作数据并将相应动作信息在三维模型中显示；所述脚踏健身部动作模拟系统用于给上位机提供脚踏健身部动作数据并将相应动作信息在三维模型中显示；

还包括人体姿态监测系统，用于给上位机提供人体姿态动作数据并将相应动作信息在三维模型中显示；

所述主体支撑架的前端铰接连接有所述前支撑杆，前支撑杆与主体支撑架形成人字结构；人字结构的底端上分别固定有前支撑腿以及后支撑腿；所述前支撑腿上设置有第一压力传感器，所述活动支架与主体支撑架形成交叉结构且其底端通过第一铰接轴与前支撑杆端部铰接连接，骑马机动作模拟系统包括设置在第一铰接轴上的第一编码器；所述活动支架的前侧方向上通过连接管铰接连接所述摇臂结构，连接管的一端一体成型第二铰接轴与主体支撑架铰接；另一端与所述摇臂结构铰接，所述第二铰接轴上连接有第二编码器；所述活动支架的后侧方向上铰接连接有液压缸，液压缸活塞杆端部与活动支架铰接，液压缸的前端上设置有位置开关，其缸底端部一体成型有第三铰接轴与主体支撑架铰接，第三铰接轴上连接有第三编码器；所述摇臂结构包括摇臂本体，所述摇臂本体上一体成型第四铰接轴与主体支撑架铰接，第四铰接轴上连接有第四编码器；所述摇臂本体的顶部固定安装有上位机，且摇臂本体顶端两侧上固定安装有手柄；所述脚踏健身部包括主传动轴，主传动轴的两端上分别设置有脚踏件，所述脚踏件上设置有第二压力传感器，脚踏健身部动作模拟系统包括设置在所述主传动轴上的第五编码器；第一编码器、第二编码器、第三编码器、第四编码器及第五编码器连接数据采集板卡，数据采集板卡将采集到的数据通过串口传递到所述上位机，所述上位机将数据剖析确定三维模型中对应主体支撑架，前支撑杆，摇臂结构、活动支架以及脚踏健身部的动作；

人体姿态监测系统包括对应于人体躯干的第一惯性传感器、对应于人体下肢大腿部的第二惯性传感器以及下肢小腿部的第三惯性传感器；第一惯性传感器用于感知人体躯干部的姿态，第二惯性传感器用于感知下肢大腿部的姿态，第三惯性传感器用于感知人体小腿部的姿态，还包括激光测距单元，用于感知人体臀部的姿态。

4.根据权利要求3所述的一种骑马机健身姿态模拟方法，其特征在于：坐垫上设置有所述激光测距单元，用于检测人体臀部距离坐垫的方位，所述激光测距单元连接数据采集板，通过数据采集板采集并发送至上位机，所述激光测距单元包括设置在坐垫中心的压力传感器，所述压力传感器用于判断人体臀部是否贴合在坐垫上；及设置在坐垫后边缘中部的前后旋转激光头单元，前后旋转激光头单元用于确定人体臀部相对于坐垫在Y轴和Z轴方向上的位置，还包括X轴定位模组，X轴定位模组包括旋转激光头单元，旋转激光头单元位于坐垫后边缘的一侧上并连接有伸缩件；两旋转激光头单元在Y轴方向上旋转。

5.根据权利要求3或4所述的一种骑马机健身姿态模拟方法，其特征在于：第一惯性传感器、第二惯性传感器及第三惯性传感器结构一致，均包括集成传感器模组，以及弹性固定带，所述集成传感器模组与数据采集板采用蓝牙通讯连接。

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