CN115253243B - 一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备，包括：主架体、剑靶系统、控制系统和语音播放系统；主架体分别与剑靶系统和控制系统连接，用于容纳并固定所述训练设备；剑靶系统还与控制系统连接，用于运动员训练；控制系统还与语音播放装置连接，用于控制剑靶系统移动；语音播放系统用于播报动作标准程度语音。本申请结构简单，实际运用成本较低，能够明显提高训练效率且实用性强；设备能够准确的根据训练员的位置自动移动剑靶，保证击剑步伐的高效训练，能够连续识别训练员的位置，实时调整人形剑靶位置。

Description

一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备

技术领域

本申请涉及击剑的训练装备领域，具体涉及一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备。

背景技术

众所周知，模特业余时间都会进行击剑运动来保持身材，并且在国外，击剑运动广受成年人的喜爱，而国内恰恰相反，青少年的击剑运动发展却要远远好于成年人的击剑运动发展，所以对于国内成年人的击剑训练发展是一片蓝海。在目前疫情还是有很多不确定的情况下，击剑训练器不论对于击剑的爱好者、初学者、击剑教练员等都是有一定的帮助的。

近几年，新冠疫情肆虐着全球，在疫情期间，各地政府和社区提倡“居家运动”，各个高校也在开展线上的各类居家运动指导，对于击剑的爱好者想要简单的击剑步伐训练，就只能等待解封进入室内场馆里，在击剑教练的指导下进行学习，为了解决这一问题，让更多的击剑爱好者能够减少与他人接触的同时能够高效且具有真实击剑比赛体验感的完成击剑步伐的训练。

发明内容

本申请通过视觉监控下对运动员与人形剑靶之间的距离与步伐进行监控，通过数据计算分析并显示遮挡目标物的多少也即距离和前腿的大腿与小腿之间的角度，解决了不同年龄段不同人群的步幅不一致的问题。

为实现上述目的，本申请提供了以下方案：

一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备，包括：主架体、剑靶系统、控制系统和语音播放系统；

所述主架体分别与所述剑靶系统和所述控制系统连接，所述主架体用于容纳并固定所述训练设备；

所述剑靶系统还与所述控制系统连接，所述剑靶系统用于运动员训练；

所述控制系统还与所述语音播放装置连接，所述控制系统用于控制所述剑靶系统移动；

所述语音播放系统用于播报动作标准程度语音。

优选的，所述主架体为钢性结构。

优选的，所述剑靶系统包括：移动剑靶和驱动模块。

优选的，所述移动剑靶安装在所述驱动模块上。

优选的，所述驱动模块包括：传动部、驱动部和保护装置；

所述传动部包括：传送带、滑块、滑轨、连接杆；所述传送带上安装有所述滑块，所述滑块与所述移动剑靶顶端连接，所述连接杆分别与所述滑轨和所述移动剑靶连接，所述传动部用于带动所述移动剑靶移动；

所述驱动部包括步进电机，所述步进电机固接在所述主架体的侧部顶端，所述步进电机的输出端通过固定架内部的连接轴与所述传送带连接，所述驱动部用于为所述移动剑靶的移动提供动力；

所述保护装置包括：激光传感器和压力传感器，所述激光传感器和所述压力传感器均安装于所述连接杆上，所述保护装置用于保证运动员的安全和剑具的完整。

优选的，所述剑靶系统还包括磁吸式固定结构；所述磁吸式固定结构用于固定所述移动剑靶。

优选的，所述控制系统包括：第一识别模块、第二识别模块和控制模块；

所述第一识别模块包括第一摄像头，所述第一摄像头与所述控制模块连接，所述第一识别模块用于模拟击剑场地，根据双脚不同的位置，将提前设置好的训练位置进行图像提取；

所述第二识别模块包括第二摄像头，所述第二摄像头与所述语音播放系统连接，所述第二识别模块用于实时拍摄运动员的训练图像，对运动员的步伐根据相关的步伐要求来判别运动员的步伐动作是否标准；

所述控制模块包括：PLC控制器和继电器，所述PLC控制器分别与所述剑靶系统和所述继电器连接，所述控制模块用于控制训练设备动作。

优选的，所述语音播放系统包括扬声器；

所述扬声器与所述控制系统连接，当训练的步伐动作与手部动作是标准时，所述语音播放系统会自动发出“动作标准”的语音，若动作没有达到标准时，所述语音播放系统会自动发出“动作不标准”的语音。

本申请的有益效果为：

(1)本申请结构简单，实际运用成本较低，能够明显提高训练效率且实用性强；

(2)设备能够准确的根据电脑视频监控的画面对训练员的位置确定并自动移动剑靶，保证击剑步伐的高效训练，能够连续识别训练员的位置，实时调整人形剑靶位置，当人形剑靶移动完毕后，电磁铁吸附在导轨上，保证训练的稳定性；

(3)此设备利用机器视觉对训练步伐是否标准进行监控并对前腿的大腿与小腿之间的角度是否为90°(±10°)以及后腿是否伸直作为标准对动作进行视频监控；

(4)当刺向人形剑靶的力度过大时，剑靶会自动后退至安全距离，保证训练员的安全和剑具的完整。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例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是本申请的一些实施例，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为本申请实施例的主架体钢性结构示意图；

图2为本申请实施例整体设备示意图；

图3为本申请实施例磁吸式固定结构示意图；

图4为本申请一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备的工作流程示意图。

附图标记：

1、主架体；2、步进电机；3、传送带；4、移动剑靶；5、压力传感器；6、激光传感器；7、滑轨；9、第二摄像头；10、第一摄像头； 11、击剑场地；12、扬声器；15、滑块；16、电磁铁。

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

在本实施例一中，一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备，包括：主架体(1)、剑靶系统、控制系统和语音播放系统。

主架体(1)分别与剑靶系统和控制系统连接，主架体(1)为钢性结构，用于容纳并固定所述训练设备。

剑靶系统还与控制系统连接，剑靶系统用于运动员训练；剑靶系统包括：移动剑靶(4)和驱动模块；移动剑靶(4)安装在驱动模块上。

驱动模块包括：传动部、驱动部和保护装置。其中，传动部包括：传送带(3)、滑块(15)、滑轨(7)、连接杆，其中，连接杆可以包括：连接杆滑块和木杆，传送带(3)上安装有滑块(15)，滑块(15) 与移动剑靶(4)顶端连接，连接杆滑块安装在滑轨(7)上并和移动剑靶(4)通过木杆连接；驱动部包括步进电机(2)，步进电机(2) 固接在主架体(1)的侧部顶端，步进电机(2)的输出端通过固定架内部的连接轴与传送带连接。保护装置包括：激光传感器(6)和压力传感器(5)，激光传感器(6)和压力传感器(5)均安装于连接杆上。

剑靶系统还包括磁吸式固定结构；磁吸式固定结构用于固定移动剑靶，连接移动剑靶(4)的目标固定在滑块(15)上，当步进电机 (2)驱动移动剑靶(4)移动时，滑块(15)在滑轨(7)上随剑靶移动，当移动至固定位置时，电磁铁(16)吸合，则会将滑块(15)牢牢地固定在此位置处，以此来达到剑靶固定的目的。

控制系统还与语音播放装置连接，控制系统用于控制剑靶系统移动；控制系统包括：第一识别模块、第二识别模块和控制模块；

第一识别模块包括第一摄像头(10)，第一摄像头(10)与控制模块连接；第一识别模块用于模拟击剑场地(11)，根据双脚不同的位置，将提前设置好的训练位置进行图像提取；

第二识别模块包括第二摄像头(9)，第二摄像头(9)通过PC连接语音播放系统；第二识别模块用于实时拍摄运动员的训练图像，对运动员的步伐根据相关的步伐要求来判别运动员的步伐动作是否标准；

控制模块包括：PLC控制器和继电器，PLC控制器与继电器连接，继电器还与PC连接，PLC控制器还与剑靶系统连接；控制模块用于控制训练设备动作。

语音播放系统包括扬声器(12)；扬声器(12)与控制系统连接，用于播报动作标准程度语音，当训练的步伐动作与手部动作是标准的时候，则语音系统会自动发出“动作标准”的语音，若动作没有达到要求的时候，语音系统会自动发出“动作不标准”的语音。

实施例二

在本实施例二中，如图3所示，一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备工作流程，包括以下步骤：

(1)图像预处理

图像预处理包括了对图像中目标物的区域提取以及对图像的灰度化、二值化、形态学操作等，首先要排除拍摄画面中训练场地以外的特征对图像处理造成的的干扰，所以对第一摄像头位置下拍摄到的模拟击剑训练场地的区域进行了提取；提取场地后分别采用超颜色法进行图形处理，之后进行腐蚀与膨胀对图像进一部处理，处理结果能够清晰且完整的将目标展现出来。

(2)检测双脚的位置信息

首先将模拟训练场地中完整的目标物进行提取，当有运动员进入模拟场地后，会遮挡住部分目标物，此时在处理过后像素点会有明显的变化，以此来量化“运动员的位置”信息。

(3)计算运动员与移动剑靶之间的距离

因为复位的剑靶与目标物之间的距离是已知的，所以根据检测到的位置信息，即遮挡住部分目标物的信息与完整的目标物之间的像素点差即为移动剑靶与运动员之间的距离的量化值，在得到距离量化值后经过数量转换得到每增加或减少一个像素点移动剑靶对应的移动距离，根据增加或减少的像素点个数控制PLC控制器发出相对应的脉冲值驱动步进电机，以此来实现移动剑靶根据距离自动移动的功能。

控制模块采用PLC控制器作为主控，PC作为上位机建立机器视觉与PLC控制器的桥梁，通过串口通讯将量化的距离信息传送给PLC 后，PLC在发出脉冲值驱动步进电机，从而使移动剑靶自动移动；将训练器的复位部分放在距离最远端，当按下复位按钮后，PLC控制步进电机将移动剑靶移动至最远端；加入压力传感器和激光传感器部分，当刺向剑靶的力过大时，也即压力传感器检测到一定的压力范围时或激光传感器检测不到规定范围内的信号时，PLC控制发出脉冲将移动剑靶自动后移一定的距离，以此来保证运动员的安全以及防止剑具的损坏。根据目前设备的行程以及使用的八通道继电器模块，所以将行程分为八段，每一段对应的输出脉冲数与像素点数如表1所示的根据行程分段表。

表1

(4)检验运动员训练步伐与手部动作是否达标

在模拟的击剑训练赛道旁侧放置第二摄像头来达到检测步伐是否标准的功能，摄像头高度控制在距离地面50cm-80cm处，能够将运动员的全身及模拟击剑场地全部采集在图像内，以第二摄像头为中点建立坐标系，摄像头拍摄的方向为正方向，摄像头拍摄角度范围在30° -160°之间，在运动员的双腿处贴上标签(在实际中改用运动护具，对运动员有一定的保护作用)，对标签进行提取，标签之间的角度就代表着大腿与小腿之间的夹角，若前腿标签之间的角度为90°(± 10°)，且后腿标签之间的角度为170°-180°则为标准动作，反之则为不标准的动作，以此方式来判别运动员的步伐动作是否为标准动作。同时对于拍摄的全身图像进一步检测手部动作，也即刺靶所用手臂是否为直线，若为直线则为标准手部动作，“直线”在视觉监控中所指的是手臂的小臂与大臂之间的角度是否为170°-180°之间值。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备，其特征在于，包括：主架体、剑靶系统、控制系统和语音播放系统；

所述主架体分别与所述剑靶系统和所述控制系统连接，所述主架体用于容纳并固定所述训练设备；

所述剑靶系统还与所述控制系统连接，所述剑靶系统用于运动员训练；

所述控制系统还与所述语音播放系统连接，所述控制系统用于控制所述剑靶系统移动；

所述语音播放系统用于播报动作标准程度语音；

所述控制系统包括：第一识别模块、第二识别模块和控制模块；

所述第一识别模块包括第一摄像头，所述第一摄像头与所述控制模块连接，所述第一识别模块用于模拟击剑场地，根据双脚不同的位置，将提前设置好的训练位置进行图像提取；

所述第二识别模块包括第二摄像头，所述第二摄像头与所述语音播放系统连接，所述第二识别模块用于实时拍摄运动员的训练图像，对运动员的步伐根据相关的步伐要求来判别运动员的步伐动作是否标准；

所述控制模块包括：PLC控制器和继电器，所述PLC控制器分别与所述剑靶系统和所述继电器连接，所述控制模块用于控制训练设备动作；

所述语音播放系统包括扬声器；

所述扬声器与所述控制系统连接，当训练的步伐动作与手部动作是标准时，所述语音播放系统会自动发出“动作标准”的语音，若动作没有达到标准时，所述语音播放系统会自动发出“动作不标准”的语音；

所述剑靶系统包括：移动剑靶和驱动模块；

所述驱动模块包括：传动部、驱动部和保护装置；

所述传动部包括：传送带、滑块、滑轨、连接杆；所述传送带上安装有所述滑块，所述滑块与所述移动剑靶顶端连接，所述连接杆分别与所述滑轨和所述移动剑靶连接，所述传动部用于带动所述移动剑靶移动；

所述驱动部包括步进电机，所述步进电机固接在所述主架体的侧部顶端，所述步进电机的输出端通过固定架内部的连接轴与所述传送带连接，所述驱动部用于为所述移动剑靶的移动提供动力；

所述保护装置包括：激光传感器和压力传感器，所述激光传感器和所述压力传感器均安装于所述连接杆上，所述保护装置用于保证运动员的安全和剑具的完整，当刺向所述移动剑靶的力度过大时，所述移动剑靶会自动后退至安全距离，保证训练员的安全和剑具的完整。

2.根据权利要求1所述一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备，其特征在于，所述主架体为钢性结构。

3.根据权利要求1所述一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备，其特征在于，所述移动剑靶安装在所述驱动模块上。

4.根据权利要求1所述一种用于击剑训练的带视觉监控的训练设备，其特征在于，所述剑靶系统还包括磁吸式固定结构；所述磁吸式固定结构用于固定所述移动剑靶。

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