CN211016558U - 一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统，包括信号采集单元、数据处理单元、人机交互单元和结果显示单元；信号采集单元用来实时采集人体摇动时足底压力中心的轨迹位置，并通过连接电路将数据传递给数据处理单元；数据处理单元将接收的数据处理为坐标值，并通过蓝牙通信方式传递给人机交互单元；人机交互单元为虚拟现实游戏，利用数据处理单元传送的坐标值驱使游戏中的物体进行运动，完成游戏中的任务，实现人体平衡能力训练，开始游戏后，人机交互单元将接收到的数据保存在本地；本实用新型具有制造成本低廉，操作便捷，移动方便，易于大规模推广，可对患者提供个性化康复训练避免产生抵触心理的优点。

Description

一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统

技术领域

本实用新型涉及一种平衡力康复训练设备，尤其是涉及一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统。

背景技术

平衡能力是指抵抗破坏平衡的外力，以保持全身处于稳定状态的能力，人的任何运动几乎都是在维持身体平衡的状态下进行的。发展平衡能力有利于提高运动器官的功能和前庭器官的机能，改善中枢神经系统对肌肉组织与内脏器官的调节功能，保证身体活动的顺利进行，提高适应复杂环境的能力和自我保护的能力。因此，平衡能力是一种非常重要的身体素质。

在我国，平衡能力欠缺的人口占比很大，其中一部分为先天或后天形成的运动障碍，另外脑卒中、小儿麻痹症等各种疾病都会对人体平衡能力产生影响，目前我国已步入老龄化社会，老年人的身体机能衰退，也有可能产生平衡能力的下降。因此，平衡能力的训练很有必要。

传统的训练方法如患者睁闭眼站立由医师根据其晃动程度定性判断其平衡能力太过依赖经验且具有过强主观性。而近年来出现的康复训练仪器如Txtrax平衡训练系统、Biodex sys平衡系统操作复杂、成本较高，价格高昂，很难在医院大规模普及，且训练模式单一，久而久之容易让患者因枯燥乏味产生抵触心理。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统，具有制造成本低廉，操作便捷，移动方便，易于大规模推广，可对患者提供个性化康复训练避免产生抵触心理的优点。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统，包括信号采集单元、数据处理单元、人机交互单元和结果显示单元；

所述信号采集单元用来实时采集人体摇动时足底压力中心的轨迹位置，并通过连接电路将数据传递给数据处理单元；

所述数据处理单元将接收的数据处理为坐标值，并通过蓝牙通信方式传递给人机交互单元；

所述人机交互单元为虚拟现实游戏，利用数据处理单元传送的坐标值驱使游戏中的物体进行运动，完成游戏中的任务，实现人体平衡能力训练，开始游戏后，人机交互单元将接收到的数据保存在本地；游戏结束后，所述结果显示单元读取本地数据，基于时频域分析给出训练结果，由医师根据该结果为患者制定下一阶段的康复计划。

进一步地，所述信号采集单元采用一套测力台，所述测力台包括底座、四个压力传感器、一个直流供电电源及一个钢化玻璃板，四个压力传感器分别安装在底座的四角，钢化玻璃板安装在四个压力传感器上部，直流供电电源安装在底座上并为测力台提供电能。

进一步地，所述数据处理单元包括单片机和主从一体蓝牙模块，用于将信号采集单元发送的数据处理成坐标值。

进一步地，所述人机交互单元包括第一智能手机和VR眼镜，第一智能手机中装有利用Unity3D引擎编写的游戏，使用时将第一智能手机装入VR眼镜，为患者提供高度沉浸感的游戏体验，实现平衡能力训练。

进一步地，所述结果显示单元包括第二智能手机，第二智能手机经过时频域分析，自动给出人体平衡能力的评测结果。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型针对近年来出现的康复训练仪器如Txtrax平衡训练系统、Biodex sys平衡系统操作复杂、成本较高，价格高昂，很难在医院大规模普及，且训练模式单一，久而久之容易让患者因枯燥乏味产生抵触心理的问题。提供一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统，包括信号采集单元、数据处理单元、人机交互单元和结果显示单元；所述信号采集单元用来实时采集人体摇动时足底压力中心的轨迹位置，并通过连接电路将数据传递给数据处理单元；所述数据处理单元将接收的数据处理为坐标值，并通过蓝牙通信方式传递给人机交互单元；所述人机交互单元为虚拟现实游戏，利用数据处理单元传送的坐标值驱使游戏中的物体进行运动，完成游戏中的任务，实现人体平衡能力训练，开始游戏后，人机交互单元将接收到的数据保存在本地；游戏结束后，所述结果显示单元读取本地数据，基于时频域分析给出训练结果，由医师根据该结果为患者制定下一阶段的康复计划。

本实用新型利用当下较为流行的虚拟现实技术辅助治疗，丰富多样的游戏场景及形式可以最大程度调动患者的积极性。本实用新型主要用于医院的康复科室，但由于克服了传统平衡康复器械造价高、结构复杂的问题，具有较大的推广潜力，也可放置在患者家中，辅助其随时进行康复训练。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中信号采集单元的结构示意图；

图3为本实用新型中数据处理单元的结构框图；

图4为本实用新型中人机交互单元的结构框图；

图5为本实用新型中结果显示单元的结构框图；

图6为本实用新型的的使用流程图；

附图标记：

信号采集单元100；

底座101；

压力传感器102；

直流供电电源103；

钢化玻璃板104；

数据处理单元200；

单片机201；

主从一体蓝牙模块202；

人机交互单元300；

第一智能手机301；

VR眼镜302；

结果显示单元400；

第二智能手机401。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图1至6，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参阅附图1至附图6，针对近年来出现的康复训练仪器如Txtrax平衡训练系统、Biodex sys平衡系统操作复杂、成本较高，价格高昂，很难在医院大规模普及，且训练模式单一，久而久之容易让患者因枯燥乏味产生抵触心理，本实用新型提供一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统，包括信号采集单元100、数据处理单元200、人机交互单元300和结果显示单元400。

具体地，如图1所示，一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统，包括信号采集单元100、数据处理单元200、人机交互单元300和结果显示单元400；

所述信号采集单元100用来实时采集人体摇动时足底压力中心的轨迹位置，并通过连接电路将数据传递给数据处理单元200；

所述数据处理单元200将接收的数据处理为坐标值，并通过蓝牙通信方式传递给人机交互单元300；

所述人机交互单元300为虚拟现实游戏，利用数据处理单元200传送的坐标值驱使游戏中的物体进行运动，完成游戏中的任务，实现人体平衡能力训练，开始游戏后，人机交互单元300将接收到的数据保存在本地；游戏结束后，所述结果显示单元400读取本地数据，基于时频域分析给出训练结果，由医师根据该结果为患者制定下一阶段的康复计划。

如图2所示，所述信号采集单元100采用一套测力台，所述测力台包括底座101、四个压力传感器102、一个直流供电电源103及一个钢化玻璃板104，四个压力传感器102分别安装在底座101的四角，钢化玻璃板104安装在四个压力传感器102上部，直流供电电源103安装在底座101上并为测力台提供电能。

如图3所示，所述数据处理单元200包括单片机201和主从一体蓝牙模块202，用于将信号采集单元100发送的数据处理成坐标值。单片机201采用现有的产品，比如SMT32F103或者GD32F103等。

如图4所示，所述人机交互单元300包括第一智能手机301和VR眼镜302，第一智能手机301中装有利用Unity3D引擎编写的游戏，使用时将第一智能手机301装入VR眼镜302，为患者提供高度沉浸感的游戏体验，实现平衡能力训练。VR眼镜302采用现有的产品，比如HTC VIVE Pro Eye专业版、小怪兽2VR一体机、奇遇2SVR一体机、HTC VIVE Focus Plus VR、三星（SAMSUNG)玄龙、小米VR一体机等。

如图5所示，所述结果显示单元400包括第二智能手机401，第二智能手机401经过时频域分析，自动给出人体平衡能力的评测结果。

如图6所示，使用时，患者站在信号采集单元100的钢化玻璃板上晃动产生不同的足底压力，信号采集单元100中的压力传感器102将足底压力中心数据通过连接线路实时发送至数据处理单元200；

数据处理单元200的单片机201对传送来的数据进行处理，数据采集单元200的人体重心计算方法为：

以承重踏板的中心为原点，使用者站立的正前方为x轴，左侧为y轴；

其中为各个压力传感器的压力值，为相邻两压力传感器之间的距离，为人体重心坐标点。单片机201将处理完的坐标值由蓝牙传输至人机交互单元300；

人机交互单元300中的游戏是由Unity3D引擎编写的虚拟现实游戏，可为患者提供高沉浸感的游戏体验。将游戏导入第一智能手机301中，点开游戏，将第一智能手机手机301放入VR眼镜302中，患者佩戴好眼镜后站到信号采集单元100的钢化玻璃板上。人机交互单元300接收到数据处理单元200传来的坐标值后，利用该坐标值驱使Unity游戏中的物体进行运动。患者通过自身重心协调控制，实现平衡能力训练。

游戏结束后，结果显示单元400对游戏过程中保存的数据进行时频域分析：

已知人体重心到坐标原点的距离为，功率谱密度是信号在时间区间的平均功率，用F表示，功率谱密度函数为：

将频率范围划分为0.02-0.2Hz、0.2-2Hz、2-10Hz，以低频段（0.02-0.2Hz）的功率谱密度百分比作为评价指标,则低频段功率谱密度百分比，记为P，可表示为：

由人体COP轨迹特征的频域分析方法可知正常群体的P值均值约为126.8，据此标准划分优、良、中、差四个平衡能力等级，P值在80以下和170以上记为差，P值在80-90和160-170之间记为中，P值在90-110和140-160之间记为良,P值在110-140之间记为优。

人体平衡能力训练方案如下：患者佩戴VR眼镜302，选择相应的训练场景及训练时长，训练场景多样，如使用人体重心控制的吃菠萝等，使用者每天训练1-2个小时，达到训练时长后完成平衡能力评测，直到使用者平衡能力测试结果为优或良，停止最终康复训练；使用者可根据自身需求，选择不同难度的训练模式。

本实用新型利用当下较为流行的虚拟现实技术辅助治疗，丰富多样的游戏场景及形式可以最大程度调动患者的积极性。本实用新型主要用于医院的康复科室，但由于克服了传统平衡康复器械造价高、结构复杂的问题，具有较大的推广潜力，也可放置在患者家中，辅助其随时进行康复训练。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统，其特征在于：包括信号采集单元、数据处理单元、人机交互单元和结果显示单元；

所述信号采集单元用来实时采集人体摇动时足底压力中心的轨迹位置，并通过连接电路将数据传递给数据处理单元；

所述数据处理单元将接收的数据处理为坐标值，并通过蓝牙通信方式传递给人机交互单元；

所述人机交互单元为虚拟现实游戏，利用数据处理单元传送的坐标值驱使游戏中的物体进行运动，完成游戏中的任务，实现人体平衡能力训练，开始游戏后，人机交互单元将接收到的数据保存在本地；游戏结束后，所述结果显示单元读取本地数据，基于时频域分析给出训练结果，由医师根据该结果为患者制定下一阶段的康复计划。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统，其特征在于：所述信号采集单元采用一套测力台，所述测力台包括底座、四个压力传感器、一个直流供电电源及一个钢化玻璃板，四个压力传感器分别安装在底座的四角，钢化玻璃板安装在四个压力传感器上部，直流供电电源安装在底座上并为测力台提供电能。

3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统，其特征在于：所述数据处理单元包括单片机和主从一体蓝牙模块，用于将信号采集单元发送的数据处理成坐标值。

4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统，其特征在于：所述人机交互单元包括第一智能手机和VR眼镜，第一智能手机中装有利用Unity3D引擎编写的游戏，使用时将第一智能手机装入VR眼镜，为患者提供高度沉浸感的游戏体验，实现平衡能力训练。

5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟现实技术的人体平衡能力训练系统，其特征在于：所述结果显示单元包括第二智能手机，第二智能手机经过时频域分析，自动给出人体平衡能力的评测结果。

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