CN216629577U - 一种基于imu惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，包括IMU惯导传感器、PC端数据接收模块、虚拟现实数据处理模块、虚拟现实显示设备、IMU传感器固定绑带和IMU惯导传感器防护外壳；所述IMU惯导传感器通过IMU传感器固定绑带固定在用户关节部位，所述IMU惯导传感器防护外壳内部集成有IMU惯导传感器数据测量模块、IMU惯导传感器蓝牙通信模块和电源模块，IMU惯导传感器防护外壳外壁安装有LED指示灯和传感器开关。本实用新型可有效的为脑卒病人提供肢体康复训练，由于传统的康复训练枯燥乏味，利用基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练，可以有效的为病人带来更好的康复训练体验。
Description
技术领域
本实用新型涉及虚拟现实技术领域，具体是一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统。
背景技术
传统的人体康复训练技术是利用沉重的机械设备来达到肢体训练的目的，即用户通过佩戴沉重的机械设备，进行肢体训练，这种训练方法一是枯燥乏味，控制模式过于单一，用户只能使用沉重的机械设备；二是，对于大部分用户来说，绝大多数都是身负疾病的病人，并不能很好的适应的沉重的机械设备，这样就大大降低病人恢复的几率。
惯导传感器是通过陀螺仪、加速度计以及磁力计来进行旋转角度和加速度的测量的，目前在多个领域均有应用。但传统的IMU传感器，其数据漂移较大，并且不支持蓝牙通信功能，这就导致惯导传感器不能很好的应用在对数据实时性及精度高的情形下。
虚拟现实技术基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。
虚拟现实技术目前在游戏领域以及教育领域应用的很广泛，通过虚拟现实技术，我们能够在一个虚拟的环境中来设计用户所需要的场景，针对不同的用户需求来改善用户体验，但单纯的虚拟现实技术控制模式比较单一，在医疗康复中的应用较少。
因此，为了实现更加有效的人体康复训练系统，需要提出一种将多种方法融合的系统来解决以上问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，包括IMU惯导传感器、PC端数据接收模块、虚拟现实数据处理模块、虚拟现实显示设备、传感器固定绑带和IMU惯导传感器防护外壳；
所述IMU惯导传感器通过传感器固定绑带固定在用户关节部位，用于获取用户对应部位的旋转矩阵和自由加速度；所述IMU惯导传感器防护外壳内部集成有IMU惯导传感器数据测量模块、IMU惯导传感器蓝牙通信模块和电源模块，IMU惯导传感器防护外壳外壁安装有LED指示灯和传感器开关；
所述虚拟现实数据处理模块与虚拟现实显示设备连接，虚拟现实数据处理模块内置有基于旋转矩阵和自由加速度的人体姿态求解算法以及AI战略算法，用于对IMU惯导传感器蓝牙通信模块的输入数据进行处理求解，得到人体姿态并通过AI战略算法以便激励用户体验，同时将得到的人体姿态在虚拟现实显示设备上进行显示；
所述PC端数据接收模块用于与IMU惯导传感器进行蓝牙通信，实时获取传感器测得的用户关节部位旋转矩阵和自由加速度，并将数据送入虚拟现实数据处理模块；
所述虚拟现实显示设备用于将求解到的人体姿态模型进行可视化。
所述IMU惯导传感器数据测量模块用于实时测量用户关节部位的旋转矩阵和自由加速度；所述IMU惯导传感器蓝牙通信模块用于将IMU惯导传感器数据测量模块测量到的用户关节部位旋转矩阵和自由加速度数据通过蓝牙通信传输到PC端数据接收模块。
所述虚拟现实数据处理模块内存储有人体姿态求解算法以及AI战略算法，所述AI战略算法包括AI机器人的自动避障、自动寻迹和自动调节速度功能。
所述虚拟现实显示设备为具有可视化效果的显示器，优选AR设备。
所述电源模块用于对整个系统进行供电，优选可充电的锂电池，所述电源模块上设置有usb充电接口。
所述LED指示灯安装于IMU惯导传感器防护外壳外壁，用于提醒用户IMU惯导传感器当前工作状态，所述LED指示灯处于闪烁状态时，表示传感器处于正常工作状态；所述LED指示灯处于熄灭状态时，表示传感器处于关机状态。
所述传感器开关与电源模块相连，用于控制IMU惯导传感器的开机和关机。
所述传感器固定绑带为尼龙材质的可粘贴式捆绑带。
所述IMU惯导传感器防护外壳内填充有减震材料，用于保护IMU惯导传感器数据测量模块、IMU惯导传感器蓝牙通信模块和电源模块。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型可有效提高人体康复训练的效果，让用户实时观测到自己的姿态模型，并且让用户根据自己的需求选择多种控制模式，大大提升了康复训练的趣味性；
2、本实用新型提出了使用带有蓝牙通信协议的IMU惯导传感器，使得用户可以不在使用沉重的机械设备，即可达到适合于自身的肢体康复训练；利用该IMU惯导传感器的集成设计使得用户在使用的时候不再有负重感，通过IMU惯导传感器的蓝牙通信低时延、高灵敏度的特点，大大提升用户体验的实时性和灵活性；
3、本实用新型提出将惯导传感器的数据利用蓝牙通信实时传输到虚拟现实后端的一种方法，通过PC端的虚拟现实编译环境，对传入的传感器数据进行人体姿态的求解，并加入AI战略算法以激励用户的体验；并在PC端针对不同的传感器控制模式设置不同的应用场景，使得用户的所选择的虚拟现实场景大大增多，再配合不同的控制模式，从多方面进行用户的康复训练。
附图说明
图1为本实用新型一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统总体架构图；
图2为本实用新型IMU惯导传感器的结构示意图；
图3为本实用新型IMU惯导传感器的平面展开图；
图4为本实用新型IMU惯导传感器的俯视及内部模块分布图；
图5为本实用新型一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统的人机交互图；
图中：1、IMU惯导传感器数据测量模块，2、IMU惯导传感器蓝牙通信模块，3、usb充电接口，4、电源模块，5、PC端数据接收模块，6、虚拟现实数据处理模块，7、虚拟现实显示设备，8、传感器固定绑带，9、LED指示灯，10、IMU惯导传感器外壳，11、传感器开关。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本申请的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系乃基于附图所示的方位和位置关系，且仅是为了便于叙述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构成或操做，所以也不能理解为限制本申请的具体保护范围。
本申请的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“包括”、“选用”、“具有”、“以....为例”、“比如”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。
实施例：参见图1-5。
如图1所示，一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，包括IMU惯导传感器、PC端数据接收模块5、虚拟现实数据处理模块6、虚拟现实显示设备7、传感器固定绑带8和IMU惯导传感器防护外壳10；
所述IMU惯导传感器通过传感器固定绑带8固定在用户关节部位，用于获取用户对应部位的旋转矩阵和自由加速度；如图2-图4所示，所述IMU惯导传感器防护外壳10内部集成有IMU惯导传感器数据测量模块1、IMU惯导传感器蓝牙通信模块2和电源模块4，IMU惯导传感器防护外壳10外壁安装有LED指示灯9和传感器开关11；
如图5所示，所述虚拟现实数据处理模块6与虚拟现实显示设备7连接，虚拟现实数据处理模块6内置有基于旋转矩阵和自由加速度的人体姿态求解算法以及AI战略算法，用于对IMU惯导传感器蓝牙通信模块2的输入数据进行处理求解，得到人体姿态并通过AI战略算法以便激励用户体验，同时将得到的人体姿态在虚拟现实显示设备7上进行显示；
所述PC端数据接收模块5用于与IMU惯导传感器进行蓝牙通信，实时获取传感器测得的用户关节部位旋转矩阵和自由加速度，并将数据送入虚拟现实数据处理模块6；
所述虚拟现实显示设备7用于将求解到的人体姿态模型进行可视化；
所述IMU惯导传感器数据测量模块1用于实时测量用户关节部位的旋转矩阵和自由加速度；所述IMU惯导传感器蓝牙通信模块2用于将IMU惯导传感器数据测量模块1测量到的用户关节部位旋转矩阵和自由加速度数据通过蓝牙通信传输到PC端数据接收模块5。
所述虚拟现实数据处理模块6内存储有人体姿态求解算法以及AI战略算法，其中，所述虚拟现实数据处理模块6是基于PC端的unity编译环境进行运算的，利用c#进行编程，基于AI战略算法实时输出数据，并将用户的体验反馈到虚拟现实显示设备7以达到激励用户康复训练的效果；所述AI战略算法包括AI机器人的自动避障、自动寻迹和自动调节速度功能。
所述虚拟现实显示设备7为具有可视化效果的显示器，优选AR设备。
所述电源模块4用于对整个系统进行供电，优选可充电的锂电池，所述电源模块上设置有usb充电接口3。
所述LED指示灯9安装于IMU惯导传感器防护外壳10外壁，用于提醒用户IMU惯导传感器当前工作状态，所述LED指示灯9处于闪烁状态时，表示传感器处于正常工作状态；所述LED指示灯9处于熄灭状态时，表示传感器处于关机状态。
所述传感器开关11与电源模块4相连，用于控制IMU惯导传感器的开机和关机。
所述传感器固定绑带8为尼龙材质的可粘贴式捆绑带。
所述IMU惯导传感器防护外壳10内填充有减震材料，用于保护IMU惯导传感器数据测量模块1、IMU惯导传感器蓝牙通信模块2和电源模块4。
请参阅图1-图5，本实用新型一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统的工作原理为：
（1）当传感器处于正常工作状态时，通过传感器固定绑带8用户可将IMU惯导传感器固定在身体的关节部位，以获取实时的关节姿态数据；
（2）IMU惯导传感器蓝牙通信模块2将用户关节部位的实时旋转矩阵和自由加速度传入PC端数据接收模块5；
（3）PC端数据接收模块5利用unity插件将用户关节部位的姿态数据实时传入到unity编译环境，再根据虚拟现实数据处理模块6进行人体姿运动学分析，求解人体姿态，并在虚拟现实显示设备7显示实时的用户姿态信息；
（4）用户在虚拟现实显示设备7中可以在相应的虚拟现实场景中的观测到自己的姿态数据，并根据自己姿态数据在虚拟现实场景中的应用来更改自己的姿态，而虚拟现实数据处理模块6中的AI战略算法则根据用户姿态的改变做出相应的数据输出，反馈到虚拟现实显示设备7以激励用户进行高效的人体康复训练。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，包括IMU惯导传感器、PC端数据接收模块（5）、虚拟现实数据处理模块（6）、虚拟现实显示设备（7）、传感器固定绑带（8）和IMU惯导传感器防护外壳（10），其特征在于：
所述IMU惯导传感器通过传感器固定绑带（8）固定在用户关节部位，用于获取用户对应部位的旋转矩阵和自由加速度；所述IMU惯导传感器防护外壳（10）内部集成有IMU惯导传感器数据测量模块（1）、IMU惯导传感器蓝牙通信模块（2）和电源模块（4），IMU惯导传感器防护外壳（10）外壁安装有LED指示灯（9）和传感器开关（11）；
所述虚拟现实数据处理模块（6）与虚拟现实显示设备（7）连接，虚拟现实数据处理模块（6）内置有基于旋转矩阵和自由加速度的人体姿态求解算法以及AI战略算法，用于对IMU惯导传感器蓝牙通信模块（2）的输入数据进行处理求解，得到人体姿态并通过AI战略算法以便激励用户体验，同时将得到的人体姿态在虚拟现实显示设备（7）上进行显示；
所述PC端数据接收模块（5）用于与IMU惯导传感器进行蓝牙通信，实时获取传感器测得的用户关节部位旋转矩阵和自由加速度，并将数据送入虚拟现实数据处理模块（6）；
所述虚拟现实显示设备（7）用于将求解到的人体姿态模型进行可视化。
2.根据权利要求1所述的一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，其特征在于，所述IMU惯导传感器数据测量模块（1）用于实时测量用户关节部位的旋转矩阵和自由加速度；所述IMU惯导传感器蓝牙通信模块（2）用于将IMU惯导传感器数据测量模块（1）测量到的用户关节部位旋转矩阵和自由加速度数据通过蓝牙通信传输到PC端数据接收模块（5）。
3.根据权利要求1所述的一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，其特征在于，所述虚拟现实数据处理模块（6）内存储有人体姿态求解算法以及AI战略算法，所述AI战略算法包括AI机器人的自动避障、自动寻迹和自动调节速度功能。
4.根据权利要求1所述的一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，其特征在于，所述虚拟现实显示设备（7）为具有可视化效果的AR显示设备。
5.根据权利要求1所述的一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，其特征在于，所述电源模块（4）用于对整个系统进行供电，所述电源模块上设置有usb充电接口（3）。
6.根据权利要求1所述的一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，其特征在于，所述LED指示灯（9）安装于IMU惯导传感器防护外壳（10）外壁，用于提醒用户IMU惯导传感器当前工作状态，所述LED指示灯（9）处于闪烁状态时，表示传感器处于正常工作状态；所述LED指示灯（9）处于熄灭状态时，表示传感器处于关机状态。
7.根据权利要求1所述的一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，其特征在于，所述传感器开关（11）与电源模块（4）相连，用于控制IMU惯导传感器的开机和关机。
8.根据权利要求1所述的一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，其特征在于，所述传感器固定绑带（8）为尼龙材质的可粘贴式捆绑带。
9.根据权利要求1所述的一种基于IMU惯导传感器的虚拟现实人体康复训练系统，其特征在于，所述IMU惯导传感器防护外壳（10）内填充有减震材料，用于保护IMU惯导传感器数据测量模块（1）、IMU惯导传感器蓝牙通信模块（2）和电源模块（4）。
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