一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统技术方案

本发明专利技术公开了一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，其结构包括信号采集模块、数据处理与显示模块、安全模块；信号采集模块由平衡板、惯性传感器组成，可准确获取平衡板的姿态信息，基于蓝牙通信发送给数据处理与显示模块；数据处理与显示模块可根据平衡板的姿态信息，计算出人体的动态重心坐标，根据人体平衡能力分析方法，自动给出人体平衡能力评价结果，在上位机中显示，并记录与保存使用者的测试数据，建立其个人档案；基于VR头盔和Unity设计的高沉浸感虚拟现实游戏，实现人体动态平衡能力评测与训练，从而充分调动使用者主动参与训练的积极性，有效提高人体平衡能力训练效率；本发明专利技术结构简单易用，可靠性高，具有良好的市场推广价值。

An Active Evaluation and Training System for Human Dynamic Balance Ability

The invention discloses an active human dynamic balance ability evaluation and training system, which consists of signal acquisition module, data processing and display module and security module. The signal acquisition module is composed of balance plate and inertial sensor, which can accurately acquire the attitude information of balance plate and send it to data processing and display module based on Bluetooth communication. According to the posture information of the balance board, the dynamic barycenter coordinates of the human body can be calculated. According to the analysis method of the human body's balance ability, the evaluation results of the human body's balance ability can be automatically given, displayed in the host computer, recorded and saved the user's test data, and the personal files can be established. The high immersion virtual reality game based on VR helmet and Unity is designed to realize the evaluation of the human body's dynamic balance ability. The invention has simple structure, high reliability and good market popularization value.

【技术实现步骤摘要】
一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统
本专利技术涉及人体平衡能力评测与训练领域，具体涉及到一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统。
技术介绍
人体出现平衡能力障碍的原因有很多，如脑卒中、骨质疏松、脑外伤、下肢损伤等疾病，以及随着年龄的增长，相当一部分老年人出现的平衡能力障碍，我国每年都有大量患者需要进行人体平衡能力的评测与训练。人体的平衡能力可分为两类，一类是静态平衡，人体或人体的某一部分保持某种姿势的能力，一类是动态平衡，包括人体主动进行姿势转换的能力和受到外力干扰时，重新恢复平衡的能力，平衡能力是衡量人体健康程度的重要指标，与人们的日常生活息息相关，人体平衡能力越好，越能快速对突发的平衡干扰做出响应，表现出更好的平衡控制能力，因此，对人体的平衡能力进行评测和训练具有重要的现实意义。目前，国内外用于静态平衡能力评测与训练的系统已经相对成熟，而专门用于动态平衡能力评测和训练的设备多存在于医院的康复科室，并且，动态平衡能力评测和训练系统多为被动式的，如使用电机驱动，给使用者突发的平衡干扰，从而进行平衡能力评测和训练，所以结构复杂，价格昂贵，不便于移动、不适合推广，因此，急需一种结构简单、价格相对便宜、又适合推广的人体动态平衡能力评测与训练系统。针对现有的不足，本专利技术设计了一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，采用相对简单的结构设计，引入虚拟现实技术，改善了当前人体动态平衡能力评测与训练系统的结构复杂、价格昂贵、不便于移动、不适合推广等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对当前人体动态平衡能力评测与训练系统的不足，设计出一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，为患有平衡功能障碍的人群提供平衡能力评测与训练服务。本专利技术的技术解决方案如下：所述系统结构包括信号采集模块，安全模块，数据处理与显示模块；信号采集模块由平衡板、惯性传感器构成，使用者站立于平衡板上，完成基于Unity设计的虚拟现实任务，信号采集模块可实时采集平衡板的姿态信息，以蓝牙通信方式发送给数据处理与显示模块；数据处理与显示模块对平衡板的姿态信息进行解算，计算出人体的动态重心坐标，基于时域分析方法，分析人体的动态重心坐标信息，给出人体平衡能力的评测结果，在数据处理与显示模块中显示，并自动记录和保存使用者的评测和训练数据，为使用者建立个人档案；数据处理与显示模块还为使用者提供高沉浸感的虚拟现实训练游戏，使用者通过自身重心控制虚拟场景中物体的运动，实现平衡能力的训练。所述系统的信号采集模块由平衡板、惯性传感器构成，平衡板形状为标准球体的一部分，惯性传感器可测得各轴向的加速度值，人体站立于平衡板上保持平衡时，信号采集模块可实时采集平衡板的空间姿态信息，并以蓝牙通信的方式，将平衡板的姿态信息发送给数据处理与显示模块。所述系统的数据处理与显示模块由一体式计算机和一个支持无线通信的VR头盔构成，VR头盔为使用者提供高沉浸感的虚拟现实场景，一体式计算机显示屏供医师观察使用者的平衡评测和训练情况，采用Visualstudio软件编写上位机软件，采用蓝牙通信方式接收惯性传感器发送来的姿态信息，经过重心获取算法的计算，得到人体的动态重心坐标，并通过分析人体的动态重心坐标数据，自动给出人体平衡能力的评测结果；该上位机软件还能实时显示评测结果，记录、保存和查看使用者的评测与训练数据，为使用者建立个人档案。所述系统的人体动态重心获取算法是基于平衡板与人体重力的力矩平衡原理，并根据惯性传感器所得平衡板的姿态信息，计算得出人体重心位置在坐标轴中的投影坐标。所述系统的评测用虚拟场景由Unity软件制作，该虚拟场景为一座独木桥，使用者佩戴VR头盔，提高使用者的沉浸感，使用者在虚拟场景中主动控制自身重心变化，驱动虚拟人物的运动，完成相应的虚拟任务，数据处理与显示模块通过分析该过程中的人体动态重心坐标变化，根据已知算法，给出人体动态平衡能力的评价结果。所述系统的人体动态平衡能力训练方案是基于Unity软件制作的虚拟现实游戏，训练游戏有多种并具有多个难度，使用者站立于平衡板上，通过主动控制自身重心的变化，来控制虚拟场景中虚拟人物的运动，从而训练使用者的平衡能力，如虚拟场景中的滑雪游戏，使用者主动控制重心转移，驱动虚拟人物加减速、左右转弯，躲避障碍物，达到平衡训练的效果，能够充分调动使用者主动参与训练的积极性。所述系统的安全模块由固定支架、安全吊带和海绵垫组成，对于老年人和平衡能力很差的使用者，应保证使用前绑好安全吊带，对于平衡能力相对较好的使用者，可以不用绑安全吊带，减少安全吊带对平衡能力训练的影响，从而能够更好的训练平衡能力，安全模块保障使用者使用该系统时的安全性。本专利技术公开了一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，优势在于：结构简单、可靠性高，使用单个惯性传感器通过自主设计的人体动态重心算法，准确获取人体的动态重心位置，成本低，引入虚拟现实技术，克服了传统被动式动态平衡能力评测与训练系统训练方式单一、测试流程复杂、交互性低、容易使受试者对训练产生厌倦等缺点，为使用者提供多样的、娱乐性强又具有交互性的平衡能力训练场景，充分调动使用者主动参与训练的积极性，有效提高其训练效果；同时上位机软件可记录和保存使用者的评测和训练信息，建立使用者个人档案，方便对使用者进行病例跟踪与治疗。附图说明图1为所述一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统的结构图。图2为所述一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统的使用流程图。具体实施方法如图1所示的一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，其结构包括信号采集模块(1)，数据处理与显示模块(2)，安全模块(3)。如图1所示的信号采集模块由平衡板(1-1)、惯性传感器(1-2)组成，人体站立于平衡板上保持平衡时，信号采集模块可实时采集平衡板的空间姿态信息，并采用蓝牙通信方式将平衡板的姿态信息发送给数据处理与显示模块。如图1所示的平衡板是木质加工的，形状为标准球体截取的一部分，平衡板上平面为直径80cm的圆，截取部分高度为10cm，在平衡板上方标定好坐标轴，实验时要求人体直立于平衡板平面上，佩戴VR头盔，完成基于Unity设计的虚拟现实任务。如图1所示的惯性传感器为九轴姿态传感器,该传感器放置于平衡板平面的中心位置，放置方向使传感器自身坐标轴方向与平衡板标定坐标轴方向相同，该惯性传感器可实时获取平衡板的姿态信息，并以蓝牙通信的方式，将所得数据发送给数据处理与显示模块。如图1所示的数据处理与显示模块由一台一体式计算机(2-1)和一个支持无线通信的VR头盔(2-2)组成，头盔和一体式计算机通过无线通信连接，VR头盔用于显示高沉浸感的虚拟现实场景，一体式计算机上安装有采用Visualstudio编写的上位机软件，数据处理与显示模块以蓝牙通信方式接收惯性传感器发送来的平衡板姿态信息，通过平衡板姿态信息，推算出人体的动态重心坐标，并根据已知算法自动给出人体平衡能力的评价结果；该上位机软件还具有用户数据的记录和保存，评测结果的显示等功能，供医师查看与记录。如图1所示的数据处理与显示模块的人体动态重心计算方法为：以平衡板水平放置时与地面的接触点为坐标原点，建立坐标轴，坐标轴方向与此时惯性传感器自身坐标轴方向一致，人体动态重心在该坐标系下的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利公开了一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，其结构包括信号采集模块，数据处理与显示模块，安全模块，其特征在于：信号采集模块由自制平衡板、惯性传感器组成；数据处理与显示模块由一体式计算机和一个支持无线通信的VR头盔组成，计算机安装有基于Visual studio软件自制的上位机软件，基于Unity软件设计评测和训练用的虚拟场景及游戏，头盔由使用者佩戴，计算机由医师操作；安全模块由固定支架、安全吊带和海绵垫组成，保障使用者评测和训练时的安全性；佩戴VR头盔的使用者直立站在平衡板上，完成相应的虚拟现实任务，信号采集模块可实时采集平衡板的姿态信息，并以蓝牙通信方式发送给数据处理与显示模块，进行姿态解算，计算出人体的动态重心坐标；根据人体平衡能力评价算法，自动给出人体平衡能力的评价结果，在上位机软件中显示，供医师查看，并自动记录和保存使用者的评测和训练数据，为使用者建立个人档案。

【技术特征摘要】
1.本专利公开了一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，其结构包括信号采集模块，数据处理与显示模块，安全模块，其特征在于：信号采集模块由自制平衡板、惯性传感器组成；数据处理与显示模块由一体式计算机和一个支持无线通信的VR头盔组成，计算机安装有基于Visualstudio软件自制的上位机软件，基于Unity软件设计评测和训练用的虚拟场景及游戏，头盔由使用者佩戴，计算机由医师操作；安全模块由固定支架、安全吊带和海绵垫组成，保障使用者评测和训练时的安全性；佩戴VR头盔的使用者直立站在平衡板上，完成相应的虚拟现实任务，信号采集模块可实时采集平衡板的姿态信息，并以蓝牙通信方式发送给数据处理与显示模块，进行姿态解算，计算出人体的动态重心坐标；根据人体平衡能力评价算法，自动给出人体平衡能力的评价结果，在上位机软件中显示，供医师查看，并自动记录和保存使用者的评测和训练数据，为使用者建立个人档案。2.权利要求1所述的一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统的人体动态重心获取方法为，基于平衡板与人体的重力力矩平衡原理，通过惯性传感器采集的平衡板姿态信息，解算出人体的动态重心坐标；以平衡板水平放置时与地面的接触点为坐标原点，建立坐标轴，坐标轴方向与此时惯性传感器自身坐标轴方向一致，人体动态重心在该坐标系下的坐标计算公式为：其中X、Y是人体的动态重心在所建立坐标轴上的投影坐标；分别是平衡板和人体的质量，R为平衡...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳红，高鹏彬，任海川，岳宗晓，张家铭，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41