DE102019120655A1 - Method and system for generating individual training sequences in a simulation environment, in particular for sports and rehabilitation purposes - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Erzeugen individueller Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung, insbesondere für Sport- und Rehabilitationszwecke, weist folgende Schritte auf: Erfassen von Nutzerdaten über Nutzereingabe und Sensoren; Analyse der Nutzerdaten und Ermitteln von errechneten Körper- und Bewegungsdaten; Auswahl von mit den errechneten Körper- und Bewegungsdaten korrespondierenden Trainings-Daten aus einem ersten Datenspeicher, wobei die physiologische Wirkung auf den Nutzer ein Auswahlkriterium ist; und Erzeugen einer Trainings-Spezifikation; Bereitstellen von Übungsmodulen (Übungsmoduls) in einem zweiten Datenspeicher; Kombination und Anordnung der ausgewählten Übungsmodule nach den Vorgaben der Trainings-Spezifikation; Erzeugen einer virtuellen Umgebung aus einer vom Nutzer gewählten Simulationslogik und Umgebungs-Visualisierung und 3D Modellierung; Starten des Trainings; a) Erfassen von Nutzerinformationen, wie Körperdaten und Bewegungsparameter, während des Trainings; b) IST/SOLL Vergleich der erfassten Nutzerinformationen mit den errechneten Daten; c) Anpassen der Trainings-Spezifikation an die SOLL Daten; d) Anpassen der Kombination und Anordnung der ausgewählten Übungsmodule nach den Vorgaben der angepassten Trainings-Spezifikation; e) Anpassen der virtuellen Umgebung an die geänderten Übungsmodule; f) Ausführen der angepassten Kombination und Anordnung der ausgewählten Übungsmodule und Sprung zu Schritt i). Ferner wird ein System zum Erzeugen individueller Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung angegeben. Hierdurch werden Trainingsabläufe anhand der gewünschten Wirkung erzeugt und die Simulation individuell anhand der Nutzerinformation während des Trainings angepasst.A method for generating individual training sequences in a simulation environment, in particular for sports and rehabilitation purposes, has the following steps: Acquisition of user data via user input and sensors; Analysis of user data and determination of calculated body and movement data; Selection of training data corresponding to the calculated body and movement data from a first data memory, the physiological effect on the user being a selection criterion; and generating a training specification; Provision of exercise modules (exercise module) in a second data memory; Combination and arrangement of the selected exercise modules according to the requirements of the training specification; Generation of a virtual environment from a simulation logic selected by the user and environment visualization and 3D modeling; Start training; a) Acquisition of user information, such as body data and movement parameters, during training; b) ACTUAL / TARGET comparison of the recorded user information with the calculated data; c) Adapting the training specification to the TARGET data; d) Adapting the combination and arrangement of the selected exercise modules according to the specifications of the adapted training specification; e) adapting the virtual environment to the changed training modules; f) Executing the adapted combination and arrangement of the selected exercise modules and jumping to step i). A system for generating individual training sequences in a simulation environment is also specified. In this way, training processes are generated based on the desired effect and the simulation is individually adapted based on the user information during the training.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Erzeugen individueller Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung, insbesondere für Sport- und Rehabilitationszwecke. Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und ein System, das in der Lage ist, maßgeschneiderte, virtuelle Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung zu generieren, die für Trainings- und Rehabilitationszwecke genutzt werden können. Diese Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung werden auf der Grundlage von Eigenschaften sowie Trainings- und Rehabilitationszielen eines Nutzers generiert. Das vorgeschlagene System ist in der Lage, das Training während der Laufzeit noch weiter anzupassen, basierend auf dem analysierten Nutzerverhalten und/oder Nutzerbewegungen.The present invention relates to a method and a system for generating individual training sequences in a simulation environment, in particular for sports and rehabilitation purposes. The present invention discloses a method and a system which is able to generate tailor-made, virtual training sequences in a simulation environment which can be used for training and rehabilitation purposes. These training processes in a simulation environment are generated on the basis of properties as well as training and rehabilitation goals of a user. The proposed system is able to further adapt the training during the runtime, based on the analyzed user behavior and / or user movements.
Die Virtual Reality-Technologie existiert bereits seit mehreren Jahrzehnten. Ivan Sutherland baute 1968 das erste Virtual Reality Headmounted- Display (HMD), genannt The Sword of Democles. Seitdem wurde ständig versucht, diese Technologie in Produkte für den Verbraucher umzusetzen. Der Oculus Rift startete 2010 einen neuen Virtual Reality (VR)-Hype. Seitdem haben große Technologieunternehmen wie Facebook mehrere Milliarden Dollar in die Technologie und das Marketing investiert, um den Markt zu vergrößern. Im Vergleich zu früheren Versuchen, diese Systeme zu vermarkten, wurden bereits einige Millionen Geräte wie der Oculus Rift, Oculus Go und Samsung GearVR ausgeliefert. Kunden sind in der Regel Tech-Enthusiasten und Early Adopters. Der aktuelle Markt gliedert sich in drei Segmente: Mobile VR, Standalone VR und High End VR. Mobile VR-Systeme wie das Samsung GearVR erfordern, dass der Nutzer ein Smartphone in das Headset steckt. Das Smartphone dient als Bildschirm zur Darstellung des stereoskopischen Bildes und als Recheneinheit zur Ausführung der VR-Anwendungen. Eigenständige VR-Systeme hingegen können völlig unabhängig arbeiten, da sie über ein integriertes Display und eine Recheneinheit verfügen. High End VR-Systeme haben eine viel bessere Qualität als jedes andere VR-System. Sie sind die einzigen VR-Systeme, die in der Lage sind, 6DOF eines Nutzers zu erfassen. Das bedeutet, dass sie nicht nur die Ausrichtung des Kopfes des Nutzers erfassen, sondern auch die dreidimensionale Position jedes Trackers wie Headset und Handsteuerung. High End VR-Systeme können 2 Dinge ziemlich gut: 1. sie können den Körper des Nutzers erfassen 2. sie können den Nutzer in eine virtuelle Welt eintauchen, die von einer Computereinheit erzeugt wird und den Nutzer dazu animieren, bestimmte Aktionen mit seinem Körper auszuführen. Diese beiden Möglichkeiten sind der Grund, warum sich diese VR-Systeme sehr gut für Trainings- und Rehabilitationszwecke (z.B. Training oder Rehabilitation) eignen.Virtual reality technology has been around for several decades. In 1968 Ivan Sutherland built the first Virtual Reality Headmounted Display (HMD), called The Sword of Democles. Since then, attempts have been made to translate this technology into consumer products. The Oculus Rift started a new Virtual Reality (VR) hype in 2010. Since then, big tech companies like Facebook have invested billions of dollars in technology and marketing to grow the market. Compared to previous attempts to market these systems, several million devices such as the Oculus Rift, Oculus Go and Samsung GearVR have already been shipped. Customers are typically tech enthusiasts and early adopters. The current market is divided into three segments: Mobile VR, Standalone VR and High End VR. Mobile VR systems like the Samsung GearVR require the user to insert a smartphone into the headset. The smartphone serves as a screen for displaying the stereoscopic image and as a computing unit for executing VR applications. Stand-alone VR systems, on the other hand, can work completely independently, as they have an integrated display and a processing unit. High end VR systems are much better quality than any other VR system. They are the only VR systems that are able to capture 6DOF of a user. This means that they not only detect the orientation of the user's head, but also the three-dimensional position of each tracker such as the headset and hand control. High end VR systems can do two things pretty well: 1. They can capture the body of the
Eine Reihe von Unternehmen haben bereits Virtual Reality (VR) Trainings Erlebnisse in Form von VR-Simulationen geschaffen, die den Nutzer bewegen. Diese Simulationen haben sich bereits als effektives Training in Bezug auf verbrannte Kalorien erwiesen. Diese Simulationen haben jedoch keinerlei Kontrolle darüber, was mit dem Nutzer vor sich geht. Bei einigen der Simulationen bewegt sich der Nutzer nach dem Zufallsprinzip. Andere erwarten, dass der Nutzer einer vordefinierten Choreographie folgt, die manuell generiert wird. Beide Arten von Simulationen erlauben es nicht, dass das Simulation für den Nutzer in Bezug auf die Intensität der Muskelauslastung, das Drehmoment, das für bestimmte Gelenke gilt und Schäden verursachen kann, die gewünschte Menge an verbranntem kcal, Reaktions- und Geschwindigkeitsverbesserungen usw. angepasst wird. Da die choreografischen Simulationen auch manuell generiert werden, steigt der Aufwand für den Aufbau dieser Simulationen mit einer höheren Anzahl von verschiedenen Bewegungen und zunehmender Komplexität der Simulation massiv an.A number of companies have already created virtual reality (VR) training experiences in the form of VR simulations that move the user. These simulations have already proven to be an effective workout on calories burned. However, these simulations have no control whatsoever over what is going on with the user. In some of the simulations, the user moves at random. Others expect the user to follow a predefined choreography that is generated manually. Both types of simulations do not allow the simulation to be adjusted for the user in terms of the intensity of muscle utilization, the torque that applies to certain joints and can cause damage, the desired amount of calories burned, improvements in reaction and speed, etc. . Since the choreographic simulations are also generated manually, the effort for setting up these simulations increases massively with a higher number of different movements and increasing complexity of the simulation.
Diese Simulationen erfordern auch, dass der Nutzer Wissen über Trainings- und Rehabilitationsaspekte vermittelt, um das Training zu planen und zu beobachten und Verletzungen während des Trainings zu vermeiden. Im Falle einer Rehabilitation muss der Nutzer wissen, was genau seinen Fortschritt unterstützt, das Simulation weiß nichts über seinen Zustand.These simulations also require that the user impart knowledge about training and rehabilitation aspects in order to plan and observe the training and avoid injuries during the training. In the case of rehabilitation, the user has to know what exactly supports his progress, the simulation knows nothing about his condition.
Um diese Nachteile zu überwinden, wurden bereits weitere Anstrengungen unternommen.Further efforts have been made to overcome these disadvantages.
So offenbart die
Die
Die
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes System zum Erzeugen individueller Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung für Trainings- und Rehabilitationszwecke zur Verfügung zu stellen. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen in Bezug auf Anpassung, Steuerung, Skalierung, Komplexität und Nutzerfreundlichkeit eines solchen Verfahrens und Systems bereitzustellen. Ferner sollen Trainingsabläufe anhand der gewünschten Wirkung erzeugt und die Simulation individuell anhand der Nutzerinformation während des Trainings angepasst werden.It is therefore the object of the present invention to provide an improved method and an improved system for generating individual training sequences in a simulation environment for training and rehabilitation purposes. The aim of the present invention is to provide improvements in terms of customization, control, scaling, complexity and user-friendliness of such a method and system. Furthermore, training processes should be generated based on the desired effect and the simulation should be individually adapted based on the user information during the training.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine System mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Hierdurch werden Trainingsabläufe anhand der gewünschten Wirkung erzeugt und die Simulation individuell anhand der Nutzerinformation während des Trainings angepasst. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn aufgrund von körperlichen Einschränkungen oder Behinderungen die Ausführung der Übungen nicht den den berechneten Erwartungen entspricht und damit die gewünschte Wirkung möglicherweise nicht oder nicht in vollem Umfang eintritt.This object is achieved by a method with the features of
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und ein System, das in der Lage ist, individuelle Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung für Trainings- und Rehabilitationszwecke zu generieren. Dabei werden die Trainingseinheiten auf der Grundlage von Eigenschaften und Trainings- und Rehabilitationszielen eines Nutzers vom System automatisch angepasst und können die Bewegungen und damit die Art und Weise, wie die Trainingsabläufe in der Simulationsumgebung den Körper des Nutzers beeinflusst, aktiv steuern. Die Erfindung ermöglicht eine Skalierung der Komplexität dieser Trainingsabläufe in der Simulationsumgebung und übernimmt alle Planungs- und Steuerungsaktivitäten, die domänenspezifisches Wissen erfordern, wie z.B. Trainings- und Rehabilitationswissen, und die Erzeugung der Simulationsumgebung.The present invention discloses a method and a system which is able to generate individual training sequences in a simulation environment for training and rehabilitation purposes. The training units are automatically adapted by the system on the basis of properties and training and rehabilitation goals of a user and can actively control the movements and thus the way in which the training processes in the simulation environment influence the body of the user. The invention enables the complexity of these training processes to be scaled in the simulation environment and takes over all planning and control activities that require domain-specific knowledge, such as training and rehabilitation knowledge, and the generation of the simulation environment.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen individueller Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung, insbesondere für Sport- und Rehabilitationszwecke, weist dabei folgende Schritte auf: Erfassen von Nutzerdaten über Nutzereingabe und/oder Sensoren; Hierbei kommen könnten beispielsweise alle Nutzerdaten Daten, wie beispielsweise Größe, Gewicht, Körperabmessungen, Puls, Blutdruck, Blutsauerstoff, Lactatwert, etc. automatisch erfasst werden. Es ist aber auch eine Kombination aus Nutzereingabe in eine entsprechende Eingabemaske und Sensorerfassung möglich; Analyse der Nutzerdaten und Ermitteln von errechneten Körper- und Bewegungsdaten; Dabei kann bei der Berechnung der der Bewegungsdaten auf gespeicherte Datensätze zurückgegriffen werden, die bereits Bewegungsdaten in Korrelation zu Körpermaßen enthalten; Auswahl von mit den errechneten Körper- und Bewegungsdaten korrespondierenden Trainings-Daten aus einem ersten Datenspeicher, wobei die physiologische Wirkung auf den Nutzer ein Auswahlkriterium ist; und Erzeugen einer Trainings-Spezifikation; Die Auswahl der Trainingsdaten erfolgt automatisch, wobei beispielsweise die zu beanspruchenden Muskel und eine entsprechende Beanspruchungsdauer anhand von gespeicherten Beanspruchungs-/Wirkung Daten erfolgt; Bereitstellen von Übungsmodulen in einem zweiten Datenspeicher; Hier können beispielsweise konkrete Übungen für eine definierte Muskelgruppe als Modul abgelegt sein; Kombination und Anordnung der ausgewählten Übungsmodule nach den Vorgaben der Trainings-Spezifikation; Erzeugen einer virtuellen Umgebung, Umgebungs-Visualisierung und 3D Modellierung aus einer vom Nutzer gewählten Simulationslogik; Dabei kann die Simulation beispielsweise ein Rollenspiel oder beispielsweise ein virtueller Trainer/Avatar sein; die Simulation kann dabei beispielsweise zur Motivationssteigerung, intuitiven Erläuterung von Übungen und Erzeugen einer besseren Körperspannung dienen; Starten des Trainings; a) Erfassen von Nutzerinformationen, wie Körperdaten und Bewegungsparameter, während des Trainings; Hier kann die Erfassung beispielsweise über am Körper angebrachte Sensoren, über optische Bewegungsrenderer oder ähnliches erfolgen; b) IST/SOLL Vergleich der erfassten Nutzerinformationen mit den errechneten Daten; c) Anpassen der Trainings-Spezifikation an die SOLL Daten; d) Anpassen der Kombination und Anordnung der ausgewählten Übungsmodule nach den Vorgaben der angepassten Trainings-Spezifikation; e) Anpassen der virtuellen Umgebung an die geänderten Übungsmodule; f) Ausführen der angepassten Kombination und Anordnung der ausgewählten Übungsmodule und Sprung zu Schritt a). Hierdurch wird ein geschlossener Regelkreis erzeugt, der zur Optimierung des Verfahrens, zur Vermeidung von Verletzungen des Nutzers und zur Anpassung an spezielle Bedürfnisse bei Nutzern mit körperlichen Einschränkungen oder Behinderungen beiträgt.The method according to the invention for generating individual training sequences in a simulation environment, in particular for sports and rehabilitation purposes, has the following steps: acquisition of user data via user input and / or sensors; Here, for example, all user data, such as height, weight, body dimensions, pulse, blood pressure, blood oxygen, lactate value, etc. could be recorded automatically. However, a combination of user input in a corresponding input mask and sensor detection is also possible; Analysis of user data and determination of calculated body and movement data; When calculating the movement data, it is possible to use stored data records which already contain movement data in relation to body measurements; Selection of training data corresponding to the calculated body and movement data from a first data memory, the physiological effect on the user being a selection criterion; and generating a training specification; The selection of the training data takes place automatically, for example the muscles to be used and a corresponding duration of use being made on the basis of stored stress / effect data; Providing exercise modules in a second data memory; Here, for example, specific exercises for a defined muscle group can be stored as a module; Combination and arrangement of the selected exercise modules according to the requirements of the training specification; Generation of a virtual environment, environment visualization and 3D modeling from a simulation logic selected by the user; The simulation can be, for example, a role play or, for example, a virtual trainer / avatar; The simulation can be used, for example, to increase motivation, intuitively explain exercises and create better body tension; Start training; a) Acquisition of user information, such as body data and movement parameters, during training; Here, the detection can take place, for example, via sensors attached to the body, via optical motion renders or the like; b) ACTUAL / TARGET comparison of the recorded user information with the calculated data; c) Adapting the training specification to the TARGET data; d) Adapting the combination and arrangement of the selected exercise modules according to the specifications of the adapted training specification; e) adapting the virtual environment to the changed training modules; f) Executing the adapted combination and arrangement of the selected exercise modules and jumping to step a). This creates a closed control loop that contributes to the optimization of the method, to avoiding injuries to the user and to adapting to special needs of users with physical limitations or disabilities.
Das erfindungsgemäße System zum Erzeugen individueller Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung weist zumindest einen Prozessor, Einrichtungen zum Erfassen von Nutzerdaten, einen ersten Datenspeicher mit Trainingsdaten, die mit Nutzerdaten korrespondieren, einen zweiten Datenspeicher mit Übungsmodulen, Virtuel Reality- bzw. Augmented Reality-Hardware zur Ausgabe der dynamischen Simulationsumgebung, Sensoren und/oder eine Bewegungserfassungseinrichtung zum Erfassen von Nutzerinformationen, wie Körperdaten und Bewegungsdaten während des Trainings, auf.The system according to the invention for generating individual training sequences in a simulation environment has at least one processor, devices for capturing user data, a first data memory with training data that corresponds to user data, a second data memory with exercise modules, virtual reality or augmented reality hardware for outputting the dynamic simulation environment, sensors and / or a movement detection device for recording user information, such as body data and movement data during training.
Erfindungsgemäß kann ein Managementsystem in ein Softwaresystem implementiert sein. Das Managementsystem holt Daten über den Nutzer, anhand dieser Daten kann es ein individuelles Training generieren. Das Training besteht aus wiederverwendbaren Komponenten, die wir Übungsmodule oder Assets nennen. Ein Übungsmodul beschreibt eine Übung und liefert trainings- und rehabilitationsspezifisches Wissen, das sich auf die Übung bezieht (z.B. wie wird sich die Ausführung dieser Übung auf den Körper des Nutzers auswirken?). Basierend auf diesen Werten ist das Managementsystem in der Lage, ein individuelles Training zu generieren. Da dies mit einem Softwaresystem abgewickelt wird, können diese Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung bzw. die Erlebnisse ohne großen Aufwand skaliert werden (logarithmische Wachstumsrate des Entwicklungsaufwands, abhängig von der Komplexität der Erlebnisse). Das domänenspezifische Wissen wird innerhalb der Übungsmodule dargestellt. Somit muss sich der Nutzer um keinen Aspekt des Trainings kümmern. Das Managementsystem ist auch in der Lage, die Bewegungen der Nutzer während der Laufzeit zu berücksichtigen, um die Erlebnisse weiter anzupassen. Dadurch ist das System in der Lage, die Bewegungen des Nutzers ständig zu kontrollieren, um Verletzungen zu vermeiden und ein qualitativ hochwertiges Training zu gewährleisten.According to the invention, a management system can be implemented in a software system. The management system collects data about the user, based on this data it can generate individual training. The training consists of reusable components, which we call exercise modules or assets. An exercise module describes an exercise and provides training and rehabilitation-specific knowledge that relates to the exercise (e.g. how will the execution of this exercise affect the user's body?). Based on these values, the management system is able to generate individual training. Since this is handled with a software system, these training processes can be scaled in a simulation environment or the experiences can be scaled without great effort (logarithmic growth rate of the development effort, depending on the complexity of the experiences). The domain-specific knowledge is presented within the exercise modules. Thus, the user does not have to worry about any aspect of the training. The management system is also able to take into account the movements of the users during the runtime in order to further adapt the experiences. This enables the system to constantly monitor the user's movements in order to avoid injuries and ensure high quality training.
Das System kann im Rahmen von Virtual Reality-Systemen, aber auch von Augmented Reality-Systemen und allen anderen Systemen eingesetzt werden, die in der Lage sind, einem Nutzer virtuelle Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung zu ermöglichen.The system can be used in the context of virtual reality systems, but also augmented reality systems and all other systems that are able to enable a user to perform virtual training processes in a simulation environment.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 : eine Schnittstelle zur Definition des gewünschten Muskelaufwands und des resultierenden Teils der Nutzerdatendatei, einschließlich der Freiheitsgrade für bestimmte Gelenke, die in einer .json-Datei gespeichert sind; -
2 : Trainingsdaten, die aus Bewegungserfassungsergebnissen extrahiert und von externen Systemen wie Apple Watch und Fitbit gestreamt werden; -
3 : Schlüssel der Nutzerdaten und Trainingsdaten werden hinzugefügt, um die Trainingsspezifikation zu generieren; -
4 : Rückkopplungsschleife -
5 : Datenformat A beeinflusst die virtuellen Erlebnisse B, welche die Bewegungen C des Nutzers beeinflusst -
6 : Übungsmoduldatenformat; -
7 : Bewegungsdaten im .json Datenformat, die eine Bewegungmit Zeitstempeln und 3D-Positionen für eine bestimmte Verbindung beschreiben; -
8 : Wirkungsdaten in einer .json-Datei mit muskulärer Nutzung und Gelenkbereichen; -
9 : Übungsmodul-Skript, das es dem Übungsmodul ermöglicht, die Erlebnisse aktiv zu manipulieren; -
10 : Generierung von Übungsmodulen aus bestehenden Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung, (a) ausgeführter Code innerhalb der Erlebnisse. (b) aufgezeichnete Bewegungen während des Codes werden ausgeführt; -
11 : Der Nutzer folgt dem gerenderten dreidimensionalen Pfad; -
12 : Der Nutzer imitiert die virtuelle Person (Spiegel). -
13 : (A) Nutzer im Stehen, die Kugel nähert sich ihm. (B) Der Nutzer geht in die Hocke, um zu verhindern, dass die Kugel ihn trifft; -
14 : (A) Das zu boxende Objekt wird dem Nutzer angezeigt. (B) Der Nutzer schlägt das Objekt; -
15 : Nutzer erreicht Objekt. Das erzeugte Hindernis schränkt die Bewegungsfreiheit ein (d.h. er würde gegen das Hindernis stoßen, wenn er zum Objekt geht); -
16 : Spezifizierter Pfad und Nutzerpfad im dreidimensionalen Raum; -
17 : Funktion f, die den Abstand zwischen Zeitstempeln der angegebenen und der Nutzerbewegung darstellt. Integral der Funktion ist Metrik, wie gut der angegebene Motor ausgeführt wurde; -
18 : Verwendung der summierten Differenz der Abstände als Metrik; -
19 : Systemdiagramm; -
20 : Das Erlebnis besteht aus 3D-Modellen, Umgebungs- und Simulationslogik und Skripten. Das Übungsmodul-Skript kann auf alle davon zugreifen und so das Erlebnis generieren und manipulieren. -
22 : Beispiel für die Nutzung der Trainingsfunktion -
24 : Flussdiagramm, das die Ausführung des Übungsmodulplans beschreibt, speziell für drei Anlagenzustände (Start, Betrieb, Ende). -
26 : Flussdiagramm, das beschreibt, wie man Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung mit Hilfe einer Liste zur Handhabung von Übungsmodulen anpasst. -
27 : Zustandsmaschine, die eine Erlebnis beschreibt und Übungsmodule beinhaltet. -
28 : Flussdiagramm, das beschreibt, wie man Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung mit einem Zustandsautomaten für den Umgang mit Übungsmodulen anpasst. -
29 : (a) Speichern der Bewegung unter Verwendung von Winkeln und Längen der Glieder anstelle von dreidimensionalen Positionen, (b) Translation, (c) Rotation, (d) Skalierung, entsprechend den Spezifikationen des Nutzers, um die gesamte Bewegung anzupassen -
30 : Automatische Erstellung von Formeln -
31 : Detaillierungsgrad für den Übungsmodul-Effekt -
32 : Erstellen eines 3D-Körperscan / Körpermodells unter Verwendung der VR- und Motion Capture-Technologie. -
33 : Speichern der Bewegungen so, dass sie individuell angepasst werden können, basierend auf den Körpereigenschaften des Nutzers. -
34 : Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung können vordefiniert werden, indem ein oder mehrere Übungsmodule verwendet werden. -
35 : Verschiedene Bewegungsarten. -
36 : Meta Daten für Übungsmodule. -
37 : Metadaten für Übungsmodule. -
38 : Übungsarten -
39 : Personalisierung durch Parameter -
40 : Simulationsabstraktion -
41 : Hardware-Abstraktion -
42 : Hardware-Abstraktion -
43 : Vergleich von Bewegungen und Extraktion von Metadaten -
44 : Kommentierte Bewegung. -
45 : Code zur Abfrage von Bewegungsdaten. -
46 : Abfrage von Nutzer und Bewegungsdaten, um einen Würfel zu erzeugen. -
47 : Übungsmodul-Repository mit zwei Abstraktionsebenen. -
48 : Korrektheitsscore für verschiedene Übungsmodulimplementierungen -
49 : Übungsmodul Editor -
50 : Simulationstestumgebung. -
51 : Workout Customization Engine, -
52 : Workout Customization Management System (System zur Verwaltung der Trainingsanpassung)
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1 : an interface for defining the desired muscle effort and the resulting part of the user data file, including the degrees of freedom for certain joints, which are stored in a .json file; -
2 : Exercise data extracted from motion detection results and streamed from external systems such as Apple Watch and Fitbit; -
3 : Keys of the user data and training data are added to generate the training specification; -
4th : Feedback loop -
5 : Data format A influences the virtual experiences B, which influences the movements C of the user -
6 : Exercise module data format; -
7th : Movement data in .json data format, which describe a movement with time stamps and 3D positions for a specific connection; -
8th : Impact data in a .json file with muscular use and joint areas; -
9 : Exercise module script that enables the exercise module to actively manipulate the experience; -
10 : Generation of exercise modules from existing training processes in a simulation environment, (a) executed code within the experiences. (b) recorded movements during the code are performed; -
11 : The user follows the rendered three-dimensional path; -
12 : The user imitates the virtual person (mirror). -
13 : (A) User standing, the ball approaches him. (B) The user crouches to prevent the bullet from hitting them; -
14th : (A) The object to be boxed is displayed to the user. (B) the user suggests the object; -
15th : User reaches object. The obstacle created restricts freedom of movement (ie he would hit the obstacle if he went to the object); -
16 : Specified path and user path in three-dimensional space; -
17th : Function f, which represents the distance between timestamps of the specified and the user movement. The integral of the function is the metric of how well the specified engine performed; -
18th : Use the summed difference of the distances as a metric; -
19th : System diagram; -
20th : The experience consists of 3D models, environment and simulation logic and scripts. The practice module script can access all of them and thus generate and manipulate the experience. -
22nd : Example of using the training function -
24 : Flow chart that describes the execution of the exercise module plan, especially for three system states (start, operation, end). -
26th : Flowchart that describes how to adapt training processes in a simulation environment with the help of a list for handling training modules. -
27 : State machine that describes an experience and contains training modules. -
28 : Flowchart that describes how to adapt training processes in a simulation environment with a state machine for handling training modules. -
29 : (a) Store the movement using angles and lengths of the limbs instead of three-dimensional positions, (b) translation, (c) rotation, (d) scaling, according to the user's specifications to accommodate the overall movement -
30th : Automatic creation of formulas -
31 : Level of detail for the practice module effect -
32 : Creating a 3D body scan / body model using VR and motion capture technology. -
33 : Saving the movements so that they can be customized based on the body characteristics of the user. -
34 : Training processes in a simulation environment can be predefined by using one or more training modules. -
35 : Different types of movement. -
36 : Meta data for exercise modules. -
37 : Metadata for practice modules. -
38 : Exercise types -
39 : Personalization through parameters -
40 : Simulation abstraction -
41 : Hardware abstraction -
42 : Hardware abstraction -
43 : Comparison of movements and extraction of metadata -
44 : Annotated movement. -
45 : Code for querying movement data. -
46 : Query of user and movement data to create a cube. -
47 : Exercise module repository with two levels of abstraction. -
48 : Correctness score for different practice module implementations -
49 : Editor exercise module -
50 : Simulation test environment. -
51 : Workout Customization Engine, -
52 : Workout Customization Management System (system for managing training customization)
Das vorgeschlagene System ist in der Lage, virtuelle Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung anzupassen, so dass es die Notwendigkeit für relevante Daten gibt, die dem System sagen, wie die Erlebnisse angepasst werden sollen. Zu diesen Daten gehören Nutzerdaten und Trainingsdaten, die zu einer Trainingsspezifikation zusammengefasst werden.The proposed system is able to adapt virtual training processes in a simulation environment so that there is a need for relevant data telling the system how to adapt the experiences. This data includes user data and training data, which are combined to form a training specification.
Nutzerdaten beinhalten alle trainings- und rehabilitationsrelevanten Daten wie Körpergröße, Gewicht, gewünschte Trainings-Ergebnisse oder Rehabilitationsfortschritt etc. Diese Daten könnten beispielsweise von Nutzern, Experten, Ärzten usw. über spezielle Nutzeroberflächen eingegeben und spezifiziert werden. Alternativ oder kumulativ kann das System diese Daten zumindest teilweise automatisch erfassen. Auch Daten von Trainings- und Rehabilitationsplattformen wie Google Fit und Apple Health können importiert und verwendet werden. Um den Nutzer bei der Kommunikation der relevanten Daten an das System zu unterstützen, kann auch eine Umfrage verwendet werden, die die Antworten, beispielsweise in Form von ausgewählten Antworten aus einem Multiple-Choice-Format, in Trainingsziele übersetzt. Auch eine Aktivitätsdatenbank kann vordefinierte Trainingsziele für bestimmte Aktivitäten wie Schwimmen speichern. Ein Nutzer kann eingeben, dass er für die Aktivität Schwimmen trainieren möchte, die vordefinierten Daten werden in die Oberfläche geladen und können beispielsweise vom Nutzer weiter angepasst werden.User data contain all training and rehabilitation-relevant data such as body size, weight, desired training results or rehabilitation progress, etc. This data could for example be entered and specified by users, experts, doctors, etc. via special user interfaces. Alternatively or cumulatively, the system can at least partially record this data automatically. Data from training and rehabilitation platforms such as Google Fit and Apple Health can also be imported and used. In order to support the user in communicating the relevant data to the system, a survey can also be used that translates the answers, for example in the form of selected answers from a multiple-choice format, into training goals. An activity database can also store predefined training goals for specific activities such as swimming. A user can enter that he would like to train for the activity swimming, the predefined data is loaded into the interface and can be further adapted by the user, for example.
Diese Daten können, wie in
Die Trainingsspezifikation beschreibt das Training, das generiert werden muss, um die Bedürfnisse der Nutzer zu erfüllen. Die Trainingsspezifikation wird in einer .json-Datei gespeichert, kann aber auch auf andere Weise wie .xml, Datenbank etc. gespeichert werden. Die Trainingsspezifikation entsteht durch die Kombination der Nutzerdaten und der Trainingsdaten. Daher senkt die Menge der bereits verbrannten Kalorien beispielsweise die Menge der Kalorien, die noch verbrannt werden müssen. Dies ermöglicht es dem vorgeschlagenen System, die Qualität und Anpassung während des Trainings zu verbessern. Wie in
Dabei handelt es sich, wie in
Um die Erlebnis, basierend auf der Trainingsspezifikation, anzupassen, muss das vorgeschlagene System wissen, wie man die Erlebnis erzeugt oder manipuliert, und in der Lage sein, abzuschätzen, wie sich der Einfluss auf das Training auswirkt, d.h. das System muss herausfinden, was zu tun ist, basierend auf der Art und Weise, wie die Erlebnis, also das Training und damit der Nutzer von jeder Aktion unbeeinflusst bleibt. Um dies zu ermöglichen, wird das Konzept der „Übungsmoduls“ eingeführt. Ein Übungsmoduls beschreibt eine Übung und vermittelt trainings- und rehabilitationsspezifisches Wissen, das sich auf die Übung bezieht. Übungsmoduls können verwendet werden, um nutzerdefinierte Trainingsprogramme zu erstellen.In order to adapt the experience based on the training specification, the proposed system must know how to create or manipulate the experience and be able to estimate how the influence will affect the training, i.e. the system must figure out what to do do is based on the way in which the experience, i.e. the training, and thus the user, remains unaffected by any action. To make this possible, the concept of the "exercise module" is introduced. An exercise module describes an exercise and conveys training and rehabilitation-specific knowledge that relates to the exercise. Exercise modules can be used to create custom training programs.
Übungsmodule können auf verschiedene Weise gespeichert werden, wie z.B..xml, Ordnerstrukturen, Datenbank etc. Die Hauptziele bei der Erstellung des in
Die Spezifikationsdatei beschreibt die Übung, z.B. die Bewegung, die der Nutzer ausführen soll. Dies kann mit Standard-Dateiformaten wie .fbx geschehen, aber auch mit z.B. einer .json-Datei, die den Pfad in Form einer dreidimensionalen Position bestimmter Gelenke im Laufe der Zeit beschreibt. So können auch 3D-Bezierkurven etc. verwendet werden, um diese Bewegungen zu definieren.
Die Effekt- bzw. Wirkungsdatei beschreibt das trainings- und rehabilitationsspezifische Wissen, das sich auf die Übung bezieht (z.B. wie sich die Ausführung dieser Bewegung auf den Körper des Nutzers auswirken wird). Basierend auf diesen Daten ist das vorgeschlagene System in der Lage zu schätzen, wie gut jedes einzelne Übungsmodul für das Training und für den Nutzer geeignet ist.
Das Übungsmodul-Skript kann verwendet werden, um das Übungsmodul in Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung zu integrieren. Es ist dafür verantwortlich, den Nutzer zu animieren, die angegebene Übung durchzuführen. Dies kann in Form eines Pfad-Renderers für die angegebenen Gelenke geschehen oder viel komplexer sein, wie z.B. ein Feind, der eine bestimmte Aktion/Angriff ausführt, der den Nutzer dazu bringt, sich zu bewegen, um zu verhindern, dass sein Charakter bzw. die Rolle, die der Nutzer in der virtuellen Umgebung verkörpert, getroffen wird. Es kann integriert werden, indem vordefinierte Funktionen überschrieben, globale Parameter geändert, Änderungen am Managementsystem usw. vorgeschlagen werden. Programmiersprachen wie C#, C++, C, Python, Java können verwendet werden, aber auch jede andere Art und jedes andere Format der Manipulation von Variablen in einer Computerumgebung. Bei der Simulation kann eine bestimmte Übungsmodul-Skriptklasse mit der Programmiersprache C# definiert werden, die eine Start-, Lauf- und Endfunktion beinhaltet. Diese Funktion kann auf globale Variablen zugreifen und somit das Erlebnis aktiv verändern und z.B. neue Objekte hinzufügen, bestehende ändern etc. Übungsmodule, die in einen Übungsmodul Store hochgeladen werden, können vordefinierten Code enthalten, um die Entwicklungsgeschwindigkeit für andere Entwickler zu erhöhen.
Bewegungen können mit Bewegungserfassungsgeräten aufgezeichnet werden, z.B. in einem Bewegungserfassungslabor. Zusätzliche Hardware wie EMG-Sensoren und Bewegungsanalysesoftware können verwendet werden, um zu bestimmen, wie sich die aufgezeichnete Bewegung auf den menschlichen Körper auswirkt. Bewegungsanalysesoftware kann verwendet werden, um dreidimensionale Bewegungen zu erzeugen. Eine Bewegungsanalysesoftware kann dann verwendet werden, um die Auswirkungen der Bewegung auf die Erstellung des Übungsmoduls zu bestimmen. Alternativ zu Bewegungsanalysesoftware können auch Bewegungsbibliotheken verwendet werden. Dies ermöglicht es, bereits erfasste und erstellte Bewegungen in Übungsmodule zu transformieren. Übungsmodule können auch aus vorhandenen Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung gewonnen werden. Daher werden parallel dazu der ausgeführte Code und die Nutzerbewegungen verfolgt. Basierend auf der Art und Weise, wie sich der Nutzer bewegt und welcher Code ausgeführt wird, kann das System extrahieren, welcher Teil des Codes dafür verantwortlich ist, dass der Nutzer auf eine bestimmte Weise bewegt wird. Mit diesem Wissen kann das vorgeschlagene System automatisch Übungsmodule erstellen, indem es die aufgezeichnete Bewegung als Spezifikationsdatei verwendet, eine Bewegungsanalysesoftware, um die Wirkungsdatei und den entsprechenden Code innerhalb des Übungsmodul-Skripts zu generieren.
Da der Nutzer nicht notwendigerweise an eine Maschine gebunden ist, die ihn zwingen kann, sich auf eine bestimmte Weise zu bewegen, stellt sich die Frage, wie er sich auf eine bestimmte Weise bewegen kann. Zu den Methoden, um dies zu erreichen, gehören die folgenden. Der Weg für jedes spezifische Gelenk wie die Hand kann gerendert und dem Nutzer in Form eines dreidimensionalen Weges innerhalb des Trainingsablaufs in einer Simulationsumgebung gezeigt werden, wie in
Ein anderer Aspekt ist, dass der Nutzer etwas innerhalb des Trainingsablaufs in einer Simulationsumgebung durch passive Bewegung verhindern muss. Z.B. verhindert er, dass die Kugel seinen Charakter bzw. Rolle in der Simulation trifft, indem er in die Hocke geht, wie dies in
Alternativ könnte der Nutzer aber auch an eine Vorrichtung, wie ein Laufband, ein Fahrrad oder ähnliches gebunden sein.Alternatively, the user could also be tied to a device such as a treadmill, a bicycle or the like.
Eine Möglichkeit, den Nutzer daran zu hindern, die Aufgabe auf unerwartete Weise zu erfüllen, besteht darin, die Freiheit seiner Bewegungen zu eliminieren. Z.B. kann ein erzeugtes Hindernis die Freiheit seiner Bewegungen einschränken und somit sicherstellen, dass sich der Nutzer wie erwartet bewegt.
Es ist notwendig, menschliche Bewegungen unter Erlebnissaspekten zu vergleichen, wie z.B. zu erkennen, ob der Nutzer die vorgegebene Bewegungsbahn erfüllt hat oder nicht, aber auch zu Bewertungszwecken, z.B. zur Messung der Genauigkeit von Nutzerbewegungen.
Bei dieser Methode sind jedoch Bewegungen über z.B. 1000 Zeitfenster in der Regel besser als Bewegungen über 10000 Zeitfenster, da sich die Fehler jedes Zeitfenster summieren. Um dies zu verhindern, kann der resultierende Wert durch die Anzahl der Zeitfenster dividiert werden. Die Verwendung der summierten Differenz der Abstände als Metrik wird in
Ein Übungsmodul kann z.B. auf die globale Prefab-Funktionalität zugreifen, um einen Zeilen-Renderer zu erstellen und damit die in der Spezifikationsdatei angegebene Bewegung zu rendern. Mit einem globalen generateCubeAtPos(3D Position)-Skript kann ein Würfel an einer bestimmten Position erstellt werden. Durch das Anhängen des globalen moveCubeWithConstVelocity(Velocity)-Skripts an den Würfel bewegt sich der Würfel mit einer bestimmten Geschwindigkeit zum Nutzer. Durch das Anhängen eines detectUserPunchAnDestroy()-Skripts an den Würfel könnte die Simulation auch erkennen, ob der Nutzer den Würfel geboxt und zerstört hat und somit das Übungsmodul beendet hat. Dieses Format ermöglicht es dem Übungsmodul, ein virtuelles Erlebnis zu generieren. Mit einem System, das in der Lage ist zu bestimmen, welches Übungsmodul in welcher Reihenfolge ausgeführt werden soll, können so individuelle Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung für Trainings- und Rehabilitationszwecke oder ähnliche Zwecke, wie beispielsweise Trainingssituation für Luft- und Raumfahrt, Polizei oder Militär, etc. generiert werden. Die vorgeschlagene Erfindung unterstützt mehrere Möglichkeiten, virtuelle Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung mit diesem Konzept zu generieren und aufzubauen. Dazu gehört beispielsweise die Verwendung einer Listenstruktur und einer Zustandsmaschine. Diese Konzepte könnten z.B. von Simulationsentwicklern genutzt werden.A training module can, for example, access the global prefab functionality to create a line renderer and thus render the movement specified in the specification file. A global generateCubeAtPos (3D Position) script can be used to create a cube at a specific position. By appending the global moveCubeWithConstVelocity (Velocity) script to the cube, the cube moves towards the user at a certain speed. By attaching a detectUserPunchAnDestroy () script to the cube, the simulation could also recognize whether the user boxed and destroyed the cube and thus ended the exercise module. This format enables the practice module to generate a virtual experience. With a system that is able to determine which exercise module should be carried out in which order, individual training processes can be carried out in a simulation environment for training and rehabilitation purposes or similar purposes, such as training situations for aerospace, police or military, etc. are generated. The proposed invention supports several options for generating and setting up virtual training processes in a simulation environment with this concept. This includes, for example, the use of a list structure and a state machine. These concepts could e.g. be used by simulation developers.
Dieses Konzept kann eine Liste von Übungsmodulen verwenden, um das virtuelle Erlebnis zu generieren. Die Nutzerdaten und die Trainingsdaten werden kombiniert, so dass eine Trainingsspezifikation entsteht. Die Trainingsspezifikation ist im gleichen Datenformat wie Angabe der Übungsmodul-Wirkung.This concept can use a list of practice modules to generate the virtual experience. The user data and the training data are combined so that a training specification is created. The training specification is in the same data format as the specification of the exercise module effect.
Ein Optimierungsalgorithmus erzeugt nun eine Kombination von Übungsmodulen, d.h. eine Zahl für jedes Übungsmodul, die bestimmt, wie oft das Übungsmodul ausgeführt wird, basierend auf den Übungsmodulen, die in der Erlebnis- und der Trainingsspezifikation verfügbar sind. Die verfügbaren Übungsmodule können direkt in einem Ordner gespeichert werden, innerhalb der Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung oder Referenzen können gespeichert werden und die Simulation wird die Übungsmodule entsprechend herunterladen. Auch können einige Übungsmodule direkt gespeichert werden und bei anderen kann ein Link gespeichert werden. Die Aufgabe besteht darin, eine Übungsmodulkombination zu bestimmen, die die Trainingsspezifikation so gut wie möglich erfüllt, d.h. welche Übungsmodule wie oft ausgeführt werden müssen, damit die Übungsmoduleffekte zusammengenommen so nah wie möglich an der Trainingsspezifikation liegen. Um dieses Problem zu lösen, projiziert das System dieses Problem auf ein mehrdimensionales Verpackungsproblem. Dieses Problem wird dann mit einem evolutionären Algorithmus gelöst. Formel 1 beschreibt eine Trainingsfunktion, die für den evolutionären Algorithmus verwendet wird.
Aber auch andere Optimierungsstrategien könnten zur Lösung dieses Problems eingesetzt werden. Auch die Algorithmen, wie der evolutionäre Algorithmus, können durch Änderung der Schwellenwerte usw. optimiert werden.But other optimization strategies could also be used to solve this problem. The algorithms, such as the evolutionary algorithm, can also be optimized by changing the threshold values, etc.
Nachdem das System eine Übungsmodulkombination ermittelt hat, muss die Reihenfolge der Übungsmodule geplant werden. Es ist möglich, die Übungsmodule in zufälliger Reihenfolge auszuführen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die zeitliche Reihenfolge entsprechend den relevanten Daten wie einer Zahl zu optimieren, die beschreibt, wie schlecht es ist, bestimmte Übungsmodule nacheinander auszuführen (Strafpunktzahl). Tabelle 1 zeigt die die Strafpunkte für den Wechsel von Übungsmodul n zu Übungsmodul m.
Tabelle 1
Diese Zahlen können in einer globalen Tabelle, .json,.xml usw. oder innerhalb der Erlebnisse gespeichert werden. Diese Zahlen können ein globales Maß sein, aber auch für spezifische Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung optimiert werden. Bei einem Zeitplan, einschließlich des ermittelten Übungsmoduls, ist es möglich, die Qualität des Plans zu bestimmen, indem man die Strafpunkte für jedes Übungsmodul und die folgenden Übungsmodule addiert. Die Aufgabe besteht darin, eine zeitliche Reihenfolge von Übungsmodulen mit einem möglichst niedrigen Wert, d.h. mit möglichst wenigen Strafpunkten, zu erstellen.These numbers can be stored in a global table, .json, .xml etc. or within the experiences. These numbers can be a global measure, but they can also be optimized for specific training processes in a simulation environment. In the case of a schedule, including the established exercise module, it is possible to determine the quality of the plan by adding up the penalty points for each exercise module and the following exercise modules. The task is to create a chronological sequence of exercise modules with the lowest possible value, ie with as few penalty points as possible.
Neben der allgemeinen Simulationslogik, die z.B. die Verwaltung von Punkten, Simulationseffekten etc. implementiert, muss der generierte Übungsmodul-Plan ausgeführt werden. Daher führte das System ein Übungsmodul nach dem anderen aus, wobei jedes alle 3 Schritte (Start, Lauf, Ende) durchläuft. Der angegebene Code wird entsprechend ausgeführt und generiert so den Trainingsablauf in einer Simulationsumgebung, d.h. das Erlebnis.
Die gesamte Simulationslogik kann bestimmte globale Variablen, wie runAsset, pauseAsset und endAsset ändern, um die Ausführung des Anlagenplans zu steuern. Dies ist z.B. dann erforderlich, wenn die Simulation vordefinierte Simulationsteile implementiert, die nicht durch Übungsmodule manipuliert werden sollten. Auch externe Personen wie Ärzte oder Trainingsexperten könnten gemäß einer Ausführungsform die Ausführung von Übungsmodulen on-the-fly mit Hilfe bestimmter Teile innerhalb der Simulationslogik manipulieren. Variablen wie endAsset können jedoch von dem Übungsmodul selbst, aber auch von anderen Instanzen auf true oder false gesetzt werden. Ein Bewegungsvergleich, der innerhalb der Simulationslogik läuft, kann z.B. das Übungsmodul beenden, sobald der Nutzer die angegebene Bewegung erfüllt hat. Auch ein Mechanismus zum Erkennen, ob der Nutzer das Ziel getroffen hat, könnte ein Übungsmodul beenden, das eine Boxbewegung kodiert. Die Übungsmodul-Ausführung kann in einem einzigen Thread ausgeführt werden und somit parallel zur Spielsimulationslogik laufen, kann aber auch als Instanz innerhalb der Simulationslogik ausgeführt werden. Tabelle 2 zeigt eine Liste eines Übungsmodulplans, der ausgeführt wird. The entire simulation logic can change certain global variables such as runAsset, pauseAsset and endAsset in order to control the execution of the system plan. This is necessary, for example, if the simulation implements predefined simulation parts that should not be manipulated by exercise modules. According to one embodiment, external persons such as doctors or training experts could also manipulate the execution of exercise modules on-the-fly with the aid of certain parts within the simulation logic. Variables such as endAsset can, however, be set to true or false by the training module itself, but also by other entities. A movement comparison that runs within the simulation logic can, for example, end the exercise module as soon as the user has performed the specified movement. A mechanism for recognizing whether the user has hit the target could also end an exercise module that encodes a box movement. The exercise module execution can be executed in a single thread and thus run parallel to the game simulation logic, but can also be executed as an instance within the simulation logic. Table 2 shows a list of an exercise module schedule that will be executed.
Der Prozess erzeugte einen Übungsmodulplan (Assetplan), der die Trainingsvorgaben so gut wie möglich abbildet. Die Übungsmodule werden dann ausgeführt und generieren so die das virtuelle Umfeld für das Trainingserlebnis. Da die Trainingsspezifikation ständig aktualisiert wird, wenn Trainingsdaten generiert werden, wird auch die ÜbungsmodulReihenfolge ständig aktualisiert. Dies führt zu maßgeschneiderten Trainingseinheiten, die auch während des Trainings (während der Laufzeit) angepasst und optimiert werden.
Das Konzept einer Zustandsmaschine erlaubt es, Zustände und Interaktionen zu nutzen, um Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung zu generieren. Im Gegensatz zur Liste kann die Simulation nun auf verschiedene Zustände abgebildet werden und somit eine viel komplexere Simulation bilden.
Im Gegensatz zur Verwendung einer Liste erlaubt die Zustandsmaschine jedoch keine globale Optimierung, da die Nutzerinteraktion den Zustand des Erlebnisses und damit den Optimierungsprozess beeinflusst. Das heißt, die Qualität der Anpassung ist gering, wenn sich der Zustand des Erlebnisses häufig ändert, da die Anpassung nur im Rahmen von Zuständen erfolgt.In contrast to the use of a list, however, the state machine does not allow global optimization, since the user interaction influences the state of the experience and thus the optimization process. That is, the quality of the adjustment is low if the state of the experience changes frequently, since the adjustment only takes place within the framework of states.
Bei allen Ausführungsformen ist die dynamische Anpassung und Veränderung des Trainingsablaufs in der Simulationsumgebung gegeben, d.h. im Gegensatz zu bekannten Videospielübungen, werden nicht vordefinierte Spielszenen aufgerufen und wiedergegeben, sondern es werden individuelle neue Szenen und Sequenzen basierend auf den Nutzerdaten on the fly erstellt und verändert.In all embodiments, the dynamic adaptation and change of the training process is given in the simulation environment, i.e. in contrast to known video game exercises, predefined game scenes are not called up and played, but individual new scenes and sequences are created and changed on the fly based on the user data.
Dabei können Methoden wie die Zustandsvorhersage verwendet werden. Das bedeutet, dass das System schätzt, wie lange der Nutzer im aktuellen Zustand bleibt und eine Wahrscheinlichkeit für die nächsten n Zustände berechnet. Dies kann auf der Grundlage gespeicherter Daten des Nutzers selbst und/oder anderer Nutzer erfolgen und hilft dem vorgeschlagenen System, die Erlebnisse auf globaler Ebene anzupassen, indem es mehrere Übungsmodulpläne berechnet, einschließlich möglicher zukünftiger Zustände, und sich für den Zeitplan mit der geringsten erwarteten Differenz zur Trainingsspezifikation entscheidet.
Im Zusammenhang mit der Erzeugung von Übungsmodulen wurde weiter oben eine Methode beschrieben, die es ermöglicht, aus bestehenden Trainingsabläufen in einer Simulationsumgebung Übungsmodule zu generieren, indem die Bewegungen der Nutzer und der ausgeführte Code parallel beobachtet werden. Zusätzlich zur Generierung neuer Übungsmodule ermöglicht diese Methode die Kontrolle bestehender Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung, die nicht speziell für das vorgeschlagene System konzipiert oder verwendet wurden. Dies kann durch Dekompilieren der Erlebnisse, Einfügen der generierten Übungsmodule anstelle des Codes, der zur Generierung der Übungsmodule und Kompilierung der Erlebnis verwendet wurde, erfolgen. Daher bleibt die gesamte Struktur und Logik der Erlebnisse gleich, aber feste Teile, die zur Generierung der Übungsmodule verwendet wurden, können durch das vorgeschlagene System manipuliert werden, um die Erlebnisse anzupassen.In connection with the generation of exercise modules, a method was described above that makes it possible to generate exercise modules from existing training processes in a simulation environment by observing the movements of the users and the executed code in parallel. In addition to generating new training modules, this method enables the control of existing training processes in a simulation environment that were not specifically designed or used for the proposed system. This can be done by decompiling the experiences, inserting the generated exercise modules in place of the code that was used to generate the exercise modules, and compiling the experience. Therefore, the entire structure and logic of the experiences remain the same, but fixed parts that were used to generate the exercise modules can be manipulated by the proposed system in order to adapt the experiences.
Da jeder Trainingsablauf in der Simulationsumgebung bzw. jedes Erlebnis durch die Übungsmodule definiert ist, welche in die Trainingsabläufe in der Simulationsumgebung einfließen und jedes Übungsmodul durch einen spezifischen Effekt bzw. eine spezifische Wirkung für den Nutzer definiert ist, können Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung anhand ihrer durchschnittlichen Wirkung klassifiziert werden, d.h. einige Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung können besonders gut für Beintrainings oder den Aufbau von Ausdauer usw. sein. Durch den Vergleich der Trainingsspezifikation und der durchschnittlichen Auswirkungen bestimmter Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung kann ein Score berechnet werden, der beschreibt, wie die Erlebnis in die Trainings- und Rehabilitationsziele der Nutzer passt. Daher können dem Nutzer spezifische Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung empfohlen werden, die für die Trainings- und Rehabilitationsanforderungen und -ziele des Nutzers gut geeignet sind.Since each training process in the simulation environment or each experience is defined by the exercise modules, which flow into the training processes in the simulation environment and each exercise module is defined by a specific effect or a specific effect for the user, training processes in a simulation environment can be based on their average Effect can be classified, ie some training processes in a simulation environment can be particularly good for leg training or building endurance, etc. By comparing the training specification and the average effects of certain training processes in a simulation environment, a score can be calculated that describes how the experience fits into the training and rehabilitation goals of the user. Therefore, specific training sequences can be recommended to the user in a simulation environment that are well suited to the training and rehabilitation requirements and goals of the user.
Dieser Weg kann bereits eine gute Referenz für die Bewegung sein, die der Nutzer ausführen soll, aber jeder Nutzer wird unterschiedliche Körpereigenschaften wie Körpergröße und Armlänge haben. Daher kann die reine Bewegung auf eine Bewegung von Gelenken und Verbindungen abstrahiert werden, die in Form von Winkeln und Beziehungen zwischen Gelenken und Verbindungen anstelle von 3D-Positionen gespeichert werden kann. Dann können diese Bewegungen übersetzt und skaliert werden, basierend auf der Körpergröße und Armlänge des Nutzers, um seine Körperparameter anzupassen. Diese Methode kann mit einem kompletten 3D-Körperscan des Nutzers präzisiert werden. Dieser Ansatz erlaubt es, die Bewegungen sehr genau zu definieren. Aber für die meisten Anwender werden die ursprünglichen Bewegungen bereits ausreichend sein. Daher ist ein Body Scan, etc. nicht für alle Anwender notwendig, auch wenn es eine gute Methode zur Steigerung der Präzision ist.
Die Spezifikationsdatei kann auch Körpergewichtsübungen, Übungen mit externen Objekten oder auch Übungen mit mehreren Personen definieren.The specification file can also define body weight exercises, exercises with external objects or even exercises with several people.
Für einige Trainings wie diejenigen, die externe Objekte beinhalten, müssen einige Anforderungen erfüllt werden, wie z.B. die Anwesenheit des benötigten Objekts. Bei Übungen mit Gewichten müssen beispielsweise die Gewichte vorhanden sein. Um festzustellen, welche Objekte verfügbar sind, kann z.B. die SLAM-Methode verwendet werden. Die Anforderung kann z.B. in einer .json-Datei angegeben werden und einen Wert von Bedeutung für bestimmte IDs zuweisen. Diese IDs beziehen sich auf die Objekte, die benötigt werden. Der Wert 10 könnte bedeuten, dass das Objekt für die Übung absolut notwendig ist, wenn das Objekt nicht verfügbar ist, kann die Übung nicht ausgeführt werden, daher kann das Übungsmodul nicht genutzt und in das Erlebnis integriert werden. Die ID kann sich auch auf eine bestimmte Klasse von Objekten wie ein Gewicht beziehen, unabhängig davon, ob ein 5kg-Gewicht oder ein 10kg-Gewicht verfügbar ist.For some trainings, such as those involving external objects, some requirements must be met, such as the presence of the required object. For example, when doing exercises with weights, the weights must be present. The SLAM method, for example, can be used to determine which objects are available. The requirement can, for example, be specified in a .json file and assign a value that is significant for certain IDs. These IDs relate to the objects that are required. The
Da die Ausführung einer Übung immer von externen Parametern wie Körpergröße, Gewicht, Armlänge des Nutzers für Bewegungen und Körpergewichtstraining und dem Gewicht externer Objekte für Übungen mit z.B. Gewichten abhängt, besteht Bedarf an internen Parametern. Die Parameterdatei kann z.B. eine .json-Datei sein und beschreibt die Parameter, die für die Anlagen wichtig sind. Basierend auf diesen Parametern können genaue Spezifikationen für die Anlage berechnet werden. Bei der Verwaltung der Anlagenstruktur können diese internen Parameter mit den Istwerten, dargestellt durch den Nutzer und die Umgebung, überschrieben werden. So kann der Gewichtsparameter eines Übungsmoduls durch das tatsächliche Gewicht des externen Objekts, das in der Nutzerumgebung vorhanden ist, überschrieben werden.Since the execution of an exercise always depends on external parameters such as body height, weight, arm length of the user for movements and body weight training and the weight of external objects for exercises with e.g. weights, there is a need for internal parameters. The parameter file can e.g. be a .json file and describes the parameters that are important for the systems. Based on these parameters, exact specifications for the system can be calculated. When managing the system structure, these internal parameters can be overwritten with the actual values presented by the user and the environment. The weight parameter of an exercise module can be overwritten by the actual weight of the external object that is present in the user environment.
Der Effekt kann feste Zahlen, aber auch Formeln beinhalten, die sich auf die Parameterdatei beziehen. So kann z.B. die Verwendung des linken Bizeps durch eine Formel dargestellt werden, die auf den Gewichtsparameter verweist, der durch das tatsächliche Gewicht des aktuellen externen Objekts überschrieben wird.The effect can contain fixed numbers, but also formulas that refer to the parameter file. For example, the use of the left bicep can be represented by a formula that references the weight parameter that is overwritten by the actual weight of the current external object.
Die Wirkung von Übungsmodulen kann für mehrere Nutzer gemessen werden. Zusammen mit ihren Parametern können die Formeln, die das Verhältnis zwischen Parametern und Wirkung beschreiben, berechnet und im Übungsmodul gespeichert werden.
Ein dreidimensionaler Körperscan kann beispielsweise durch die Verwendung spezifischer Haltungen und Simulationselemente erstellt werden, um Parameter wie die Armlänge zu filtern.
Übungsmodule können auch Metadaten, wie z.B. ein Label, enthalten, wofür sie gut sind, wie in
Eine Alternative zur Trainingsspezifikation ist ein Effektsystem. Das heißt, ein Managementsystem hat eine Effektanforderung erstellt und leitet diese an das Workout Customization Engine (WCE) weiter. Die Anfrage hängt von der Bewegungsanalyse, den Nutzerdaten, den Trainingsdaten usw. ab, wie in
Wie in
Neben der Verwendung von Übungsmodulen zur Anpassung der Erlebnis können auch Parameter verwendet werden. Basierend auf den Kalorien, die ein Nutzer verbrennen möchte, können z.B. Simulationsparameter, wie die Stärke seiner Angriffe innerhalb der Simulation, angepasst werden. Eine große Menge an Kalorien zu verbrennen würde die Kraft verringern, was den Nutzer zwingen würde, aktiver zu sein, um innerhalb der Simulation zu gewinnen. Diese Methode erlaubt es jedoch nicht, aktiv nutzerspezifische Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung zu generieren. Die Kontrolle über die Erlebnis und das Training ist viel geringer, als bei der Nutzung von Übungsmodulen. Eine derartige Anpassung auf Basis von Parametern, ohne die Notwendigkeit von Übungsmoduln, wird in
Da es sich bei den Trainingsabläufe in einer Simulationsumgebung um Trainingsabläufe in einer virtuellen Umgebung handelt, besteht die Möglichkeit, das, was die Nutzer sehen, aktiv zu manipulieren. Daher ist ein Konzept namens Simulationsabstraktion möglich. Simulationsabstraktion bedeutet, wie in
Ähnlich wie bei der Simulationabstraktion gibt es auch die Möglichkeit, verschiedene Arten von Hardware zu abstrahieren, wie in
Wie in
Da die Bewegung der Nutzer ausgewertet und gespeichert wird und das System über die Trainings- und Rehabilitationsbedingungen des Nutzers informiert ist, können diese Daten in einer Datenbank gespeichert werden.
Die Hardwareabstraktion kann auch von mehreren Übungsmodul-Skripten unterstützt werden, was bedeutet, dass es für jede Art von Hardware, wie beispielsweise Assetscript_HighEnd, Assetscript_Virzoom etc., ein Asset-Skript gibt. Jedes Übungsmodul enthält eine Spezifikationsdatei, die auch eine Standard-Bewegungsdatei wie .fbx sein kann. Da diese Bewegung ein Stück eines Trainings beschreibt, kann es, wie in
Auf bewegungsrelevante Daten kann mittels Code zugegriffen werden. So kann z.B. der Pfad der linken Hand abgefragt und dann gerendert werden. Die abgefragten Daten können Daten wie Bewegungspfade, aber auch Daten wie Gesamtabstände bestimmter Verbindungen etc. beinhalten.
Das Übungsmodul-Repository ist in zwei Abstraktionsebenen unterteilt, wie in
Jede Implementierung kann spezifische zusätzliche Dateien wie 3D-Modelle usw. beinhalten, die für die Ausführung der spezifischen Übungsmodul-Implementierung relevant sind. Um die Korrektheit der verschiedenen Anlagenimplementierungen zu gewährleisten, könnte ein Korrektheits- oder Präzisionswert anzeigen, wie genau der Effekt das Objekt beschreibt. Dies ist beispielhaft in
Ein Übungsmodul-Editor, wie in
Eine Testumgebung, die es Entwicklern ermöglicht, ihre Simulatione zu testen, ist in
Im Gegensatz zu dem Konzept, dass die Workout Customization Engine (WCE) Übungsmodul auswählt und diese Übungsmodule die Simulation oder das Erlebnis direkt manipulieren, können Übungsmodule auch in einem Workout Customization Management System (WCMS) bereitgestellt werden. In diesem Szenario schlagen die Übungsmodule dem Managementsystem Operationen und Ereignisse vor, die die Simulation oder das Erlebnis direkt manipulieren.In contrast to the concept that the Workout Customization Engine (WCE) selects exercise modules and these exercise modules directly manipulate the simulation or the experience, exercise modules can also be provided in a Workout Customization Management System (WCMS). In this scenario, the practice modules propose operations and events to the management system that directly manipulate the simulation or experience.
- • Trainingsspezifikation
- • verfügbare Übungsmodule
- • weitere Daten wie Tabelle, die Strafpunktzahl für aufeinanderfolgende Übungsmodule m und n speichert (Tabelle 1)
- • Training specification
- • available exercise modules
- • Further data such as a table that stores the penalty points for successive exercise modules m and n (Table 1)
Aus diesen Daten wird die Übungsmodulreihenfolge bestimmt. Die Virtuelle Umgebung ergibt sich durch die Ausführung der Simulationslogik und den Übungsmodulen entsprechend der Übungsmodulreihenfolge. Dabei manipulieren die Übungsmodule direkt die virtuelle Umgebung, z.B. durch Erzeugen eines 3D Objektes. Soll die Ausführung eines Übungsmoduls gestoppt werden, z.B. weil dem Nutzer im Rahmen der Simulation ein Sachverhalt erklärt werden soll, muss die Simulationslogik entweder direkt in das Übungsmodul oder die Übungsmodulausführung eingreifen. Die Simulationslogik und die Übungsmodulausführung sind also zwei unterschiedliche parallel ablaufende Prozesse, die sich gegenseitig beeinflussen können. Man könnte auch von einer „dezentralen“ Lösung sprechen, weil es kein übergeordnetes System gibt und beide Prozesse die Virtuelle Umgebung direkt manipulieren und anpassen können.The order of the training modules is determined from this data. The virtual environment results from the execution of the simulation logic and the exercise modules according to the sequence of the exercise modules. The exercise modules manipulate the virtual environment directly, e.g. by creating a 3D object. If the execution of an exercise module is to be stopped, e.g. because an issue is to be explained to the user during the simulation, the simulation logic must either intervene directly in the exercise module or in the execution of the exercise module. The simulation logic and the execution of the exercise module are therefore two different processes running in parallel that can influence each other. One could also speak of a “decentralized” solution because there is no higher-level system and both processes can manipulate and adapt the virtual environment directly.
Eine weitere Lösung stellt das Workout Customization Management System (WCMS) dar, das ein übergeordnetes Managementystem ist. Das Arbeitsprinzip der WCE mit WCMS ist in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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---|---|---|---|---|
US20220358309A1 (en) * | 2021-05-04 | 2022-11-10 | Tencent America LLC | Vision-based motion capture system for rehabilitation training |
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-
2019
- 2019-07-31 DE DE102019120655.3A patent/DE102019120655A1/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20220358309A1 (en) * | 2021-05-04 | 2022-11-10 | Tencent America LLC | Vision-based motion capture system for rehabilitation training |
CN116612859A (en) * | 2023-07-17 | 2023-08-18 | 山东第一医科大学第二附属医院 | Postoperative limb coordination nerve recovery training management system |
CN116612859B (en) * | 2023-07-17 | 2023-10-10 | 山东第一医科大学第二附属医院 | Postoperative limb coordination nerve recovery training management system |
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