CN114247123A - 一种运动功能数字评估与训练系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种运动功能数字评估与训练系统，包括运动和肌电信号同步采集、运动功能数字评估、运动功能缺失判定、沉浸式训练、精准训练，以及被测者数据库和标准运动指标库。系统使用同步的运动和肌电获取和分析技术，以及运动生物力学模型，达到定量、准确、可视、智能、高效地进行运动功能数字评估和训练。

Description

一种运动功能数字评估与训练系统
技术领域
本申请涉及运动捕获技术领域，具体而言，涉及运动功能数字评估与训练领域。
背景技术
在体育运动、舞蹈、军事等领域，对运动的准确性有很高的要求。传统的训练方式依靠录像回放，由教练凭借自身经验对运动的标准程度和运动功能缺失情况进行判断，并进一步对学员进行训练指导。训练效果与教练的经验水平、个人能力水平有直接关系。
在微电子技术迅猛发展的今天，运动捕获数据采集系统在很多领域中都发挥着十分重要的作用，也越来越广泛地应用于运动分析中。在2016年里约热内卢奥运会筹备期间，美国运动员采用LED穿戴式传感器技术采集运动轨迹数据，分析运动数据。这对运动员的动作标准化训练起到很大帮助。随着技术的进步，人体运动捕获技术采用肢体的运动信号与肌电信号这两种数据来进行结合分析，建立人体运动功能下的肌肉-骨骼模型，使运动的捕获更精准化。由于两种数据的采集方式与采样频率都有显著的差异，这就要求数据采集系统需要分路对两种数据进行采集，同时，只有使用同一瞬时的运动数据与肌电数据组合才能有效地还原出真实的人体运动状况，因此需要大量实时性较高的信号进行相应的分析。综上，人体肌肉-骨骼模型的建立对数据采集系统的准确度、可同时采样的数量、同步性能等方面都有很高的要求，所以需要更深入地对数据采集系统多通道、同步、高精度、抗干扰性能进行研究。这些问题也一直是数据采集系统研究的重点问题。
传统的多通道采集往往使用多通道分时复用的方法，这样虽然可以实现对多个通道的实时采样，但是无法同时获得不同通道在同一时刻的测量值，并且还存在采集速率低的缺点。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种运动功能数字评估与训练系统，用基于微型传感器智能感知技术和信息融合技术，精确地、定量地评估运动标准性和运动功能缺失，实现运动训练数字化、精准化、可视化，最大限度地提高运动训练的准确有效性。
本申请实施例提供了一种运动功能数字评估与训练系统，其特征在于，包括：
数据采集子系统，同步采集和分析运动和肌电数据；
评估和分析子系统，包括运动标准性评估模块和运动功能缺失判定模块，定量分析和计算被测的运动功能系列指标，定位运动功能缺失在肌肉层次和神经驱动层次的问题；
数据库子系统，包括被测者数据库模块和标准运动指标库，储存被测者数据和标准运动数据；
训练子系统，包括沉浸式训练模块根据运动功能系列指标，为接受训练者制定训练方案，选择合适的训练游戏，评估训练效果，优化训练方案；精准训练训练模块根据运动功能缺失判定模块的输出，选择一组训练动作以及相应的训练方案并执行之；
优选地，所述数据采集子系统，其特征在于，所述运动数据采集和分析模块，使用附着于肢体的微型运动传感器单元，实时测量肢体的三维方位角度、角速度，关节的位移、速度和加速度；运动传感器单元包括三维加速度计、三维陀螺仪和三维磁力计。
优选地，所述数据采集子系统，其特征在于，所述肌电数据采集和分析模块与运动数据采集和分析模块同步采集相关肌肉肌键单元的肌电信号，经过滤波等预处理之后，用在最大自主收缩力下所有待测肌肉的表面肌电信号的平均值对肌电数据归一化处理，在数十毫秒的积分窗口对滤波后的肌电数据提取肌电特征参数：积分肌电值（IEMG）、平均肌电值（AEMG）、均方根值（RMS），以及频域的平均功率频率（MPF）和中位频率（MF）。
优选地，所述评估和分析子系统，其特征在于，所述运动标志性判定模块根据运动数据采集和分析模块的肢体运动参数，计算运动功能系列指标：主动运动关节活动度、轨迹控制力、运动效率、非常态运动代偿。
优选地，所述评估和分析子系统，其特征在于，所述运动功能缺失判定模块针对一种运动功能缺失，选用一组基本动作和一组相关的肌肉肌键单元，测量和分析运动和肌电信号，计算其运动功能系列指标、肌肉激活顺序和肌肉协同模式，对照标准运动者同样部位、同一组基本动作和同一组肌肉肌键单元的正常运动功能系列指标、肌肉激活顺序和肌肉协同模式，分析和确定该运动缺失的肌肉层次和神经激励层次的问题所在。
优选地，所述数据库子系统，其特征在于，所述被测者数据库模块存储被测者的基础数据，历次测量的运动功能系列指标，肌电信号特征，肌肉激活顺序和肌肉协同模式，训练方案和执行计划以及运动训练训练报告。
优选地，所述数据库子系统，其特征在于，所述标准运动指标库存储标准运动者在一系列基本运动动作中的正常的运动功能系列指标和相应的肌肉激励顺序以及肌肉协同模式，作为分析被测者运动缺失深层次原因的参考和依据。
优选地，所述训练子系统，其特征在于，所述沉浸式训练模块中的训练管理单元根据运动标志性判定模块所得出的接受训练者的运动功能系列指标，为教练提供运动训练方案建议，最后由教练确定运动训练方案和训练计划，当接受训练者开始执行运动训练计划时，从训练游戏库中选择合适的训练游戏，进行训练，游戏训练所得分数直接与运动功能指标相对应，训练效果评估结果用于修正训练训练方案和计划。
优选地，所述训练子系统，其特征在于，所述精准训练训练模块根据运动功能缺失判定模块找出的运动功能缺失的肌肉动力学层次原因，制定和执行针对性的训练训练方案。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种运动功能数字评估与训练系统逻辑图。
图2为本申请实施例提供的一种运动功能数字评估与训练系统的沉浸式训练流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
图1是一种运动功能数字评估与训练系统的逻辑图。它包括数据采集子系统100、评估和分析子系统200、数据库子系统300和训练子系统400。数据采集子系统100中包括运动数据采集和分析模块110和肌电数据采集和分析模块120。评估和分析子系统200中又分为运动标准性评估模块210和运动功能缺失判定模块220，训练子系统400中有沉浸式训练模块410和精准训练模块420。根据运动标准性评估模块210获得的运动功能系列指标，沉浸式训练模块410为接受训练者制定训练方案，选择合适的训练游戏，评估训练效果，优化训练方案。精准训练和模块420根据运动功能缺失问题判定模块220的输出，选择一组训练动作以及相应的训练方案。数据库子系统300中包括被测者数据库模块310和标准运动指标库320。
一、运动标准性评估模块210测量下述运动功能系列指标：
主要判别被测者对运动轨迹的控制能力，及被测者动作的完成效率。本项目将给出以下几个运动质量评估参数对动作进行数字评估：
a.运动缺失度
以各关节弧度来度量，指作用与关节的肌肉随意收缩使关节运动时所通过的运动弧。通过关节角度，判别动作是否到位。实时记录关节角度，给出肢体运动轨迹，从而判断关节活动范围是否达到标准要求。
b.轨迹控制力
以轨迹精度、归一化路径和角度分散度量化轨迹控制力。轨迹控制力(AC)定义为在完成一规定动作过程中被测者肢体实际位置和标准运动者标准位置之间的夹角θi的求和。轨迹控制力能反映实际运动轨迹偏离标准轨迹的严重程度。该值越大说明动作规范性越差。
AD = ∑cosθi
c.运动效率
采用分解动作的运动平均速度来反映被测者完成动作的运动效率。每个分解动作有其标准运动效率范围，被测者运动效率应在标准范围内。
d.非常态动作代偿
被测者有时没有采用标准肢体动作，而采用其他动作达到目的。如手臂前伸同时错误地肩部前倾，而产生非常态动作。因此，除对关节运动考察外，通过躯干平衡度反映非常态动作代偿。该值越大，说明非常态动作越严重。
综合以上被测者数据的评估指标，最终给出生物力学评估报告，对被测者动作完成情况作出优、良、中、差的标准水平分级判断。
二、沉浸式训练模块410
图2是本发明一种运动功能数字评估与训练系统的沉浸式训练模块的流程图。训练管理单元411通过病人数据库300获得运动标准性评估模块210所得出的被测者的运动功能系列指标，根据运动功能系列指标，为教练提供运动训练方案建议，最后由教练确定运动训练方案和计划，存入训练方案单元413。当接受训练者开始执行运动计划时，训练管理单元411根据训练方案和计划，从训练游戏库412中选择合适的训练游戏，开始训练。训练游戏库412中的游戏是针对运动功能指标中所标定的运动功能缺失所设计的。通过游戏训练所得分数直接与运动功能指标相关。因此，训练效果评估单元414直接根据游戏得分序列分析而得出的。训练效果评估单元414的结果用于修正训练方案计划。
三、运动功能缺失判定和精准训练
在运动功能数字评估中发现有明显运动功能缺失的被测者，启动运动功能缺失判定220模块。整个流程如下：
根据运动标准性评估模块210所给出的运动功能指标系列，确定运动功能缺失的具体动作，分析其功能缺失，确定所涉及的肌肉肌键单元，以及最能表现此运动功能缺失的一组基本运动动作。
将肌电传感器（最好是阵列肌电传感器）紧贴到选定的肌肉肌键单元上。
对选定的一组基本动作中的每一个动作，
同步采集运动和肌电信号；
分析和评估其运动功能系列指标；
进行肌电信号的处理和分析，计算肌电特征参数。首先利用最大自主收缩力(maximumvolunteer contraction, MVC)下所有待测肌肉的表面肌电信号的平均值对肌电数据归一化处理，消除个体间的差异。然后提取肌电参数：积分肌电值（IEMG）、平均肌电值（AEMG）、均方根值（RMS），以及频域的平均功率频率（MPF）和中位频率（MF）。其中IEMG反映了参与工作的肌肉运动单元的数量多少和每个运动单元的放电大小，体现肌肉在单位时间内的收缩特性。
计算肌肉激活顺序。肌肉激活被定义为一个转折点，肌肉的肌电活动在这个点会超过其他肌电活动3倍标准差，并持续至少75毫秒。在完成一次基本动作过程中，恰当的激活顺序体现了中枢神经系统该动作的控制，只有各个肌块按照恰当的顺序激活才能体现出动作的协调性。
计算肌肉协同。对选定的一组基本动作中的每一个动作，进行肌肉协同分析。
对选定的一组基本运动动作以及所涉及的肌肉肌键单元，在数字运动指标库中，找出相应的运动功能系列指标、肌肉激活顺序、肌肉协同模式。对照分析当前被测者的测量数据，找出运动功能缺失的肌肉动力学层次原因，制定针对性的训练方案。
由精准训练模块420执行该针对性的训练方案。例如，如果在某一个或几个动作中，与标准运动者相比，某肌肉单元力量不足，可以在使用该动作训练中，增强该肌肉力量，直至动作达到标准。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种运动功能数字评估与训练系统，其特征在于，包括：
数据采集子系统，同步采集和分析运动和肌电数据；
评估和分析子系统，包括运动标准性评估模块和运动功能缺失判定模块，定量分析和计算接受训练者的运动功能系列指标，定位运动功能缺失在肌肉层次和神经驱动层次的问题；
数据库子系统，包括被测者数据库模块和标准运动指标库，储存被测者数据和标准运动数据；
训练子系统，包括沉浸式训练模块根据运动功能系列指标，为接受训练者制定训练方案，选择合适的训练游戏，评估训练效果，优化训练方案；精准训练训练模块根据运动功能缺失判定模块的输出，选择一组训练动作以及相应的训练方案并执行之；
根据权利要求1所述的一种运动功能数字评估与训练系统，其特征在于，所述的数据采集子系统包括：
运动数据采集和分析模块，使用附着于肢体的微型运动传感器单元，实时测量肢体的三维方位角度、角速度，关节的位移、速度和加速度；运动传感器单元包括三维加速度计、三维陀螺仪和三维磁力计。
2.根据权利要求1所述的一种运动功能数字评估与训练系统，其特征在于，所述的数据采集子系统还包括：
肌电数据采集和分析模块，与运动数据采集和分析模块同步采集相关肌肉肌键单元的肌电信号，经过滤波等预处理之后，用在最大自主收缩力下所有待测肌肉的表面肌电信号的平均值对肌电数据归一化处理，在数十毫秒的积分窗口对滤波后的肌电数据提取肌电特征参数：积分肌电值（IEMG）、平均肌电值（AEMG）、均方根值（RMS），以及频域的平均功率频率（MPF）和中位频率（MF）。
3.根据权利要求1所述的一种运动功能数字评估与训练系统，其特征在于，所述的评估和分析子系统包括：
运动标志性判定模块根据运动数据采集和分析模块的肢体运动参数计算运动功能系列指标：主动运动关节活动度、轨迹控制力、运动效率、非常态运动代偿。
4.根据权利要求1所述的一种运动功能数字评估与训练系统，其特征在于，所述的评估和分析子系统还包括：
运动功能缺失判定模块针对一种运动功能缺失，选用一组基本动作和一组相关的肌肉肌键单元，测量和分析运动和肌电信号，计算其运动功能系列指标、肌肉激活顺序和肌肉协同模式，对照标准运动者同样部位、同一组基本动作和同一组肌肉肌键单元的正常运动功能系列指标、肌肉激活顺序和肌肉协同模式，分析和确定该运动缺失的肌肉层次和神经激励层次的问题所在。
5.根据权利要求1所述的一种运动功能数字评估与训练系统，其特征在于，所述的数据库子系统包括：
被测者数据库模块存储被测者的基础数据，历次测量的运动功能系列指标，肌电信号特征，肌肉激活顺序和肌肉协同模式，训练方案和执行计划以及运动训练训练报告。
6.根据权利要求1所述的一种运动功能数字评估与训练系统，其特征在于，所述的数据库子系统还包括：
标准运动指标库存储标准运动者在一系列基本运动动作中的正常的运动功能系列指标和相应的肌肉激励顺序以及肌肉协同模式，作为分析被测者运动缺失深层次原因的参考和依据。
7.根据权利要求1所述的一种运动功能数字评估与训练系统，其特征在于，所述的训练子系统包括：
沉浸式训练模块中的训练管理单元根据运动标志性判定模块所得出的接受训练者的运动功能系列指标，为教练提供运动训练方案建议，最后由教练确定运动训练方案和训练计划，当接受训练者开始执行运动训练计划时，从训练游戏库中选择合适的训练游戏，进行训练，游戏训练所得分数直接与运动功能指标相对应，训练效果评估结果用于修正训练训练方案和计划。
8.根据权利要求1所述的一种运动功能数字评估与训练系统，其特征在于，所述的训练子系统还包括：
训练模块根据运动功能缺失判定模块找出的运动功能缺失的肌肉动力学层次原因，制定和执行针对性的训练训练方案。
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