用於體育訓練的防水型動作捕捉系統的製作方法
2023-05-14 03:49:26
本發明涉及動作捕捉技術領域，特別涉及一種用於體育訓練的防水型動作捕捉系統。
背景技術：
長期以來，國內競技體育訓練的科技水平相對較低，一直採用以主觀和經驗為主的教學方法，教練員憑藉肉眼和經驗對運動員的技術動作進行指導，運動員也只能通過多次的重複性練習來掌握技術要領，這些都嚴重影響了我國競技體育運動水平的進一步快速地提高。國內外的體育專家經過長期實踐與研究取得一致公認：在運動訓練中引入數位技術(圖形圖像技術)，可以幫助運動員在訓練過程中儘快掌握動作的技術要領，減少盲目的重複，極大地提高訓練效率、降低運動員受到傷害的可能性，從而達到最佳的訓練效果。
目前已有的運動分析系統主要有以下幾類：
(1)圖像解析類：通過攝像機對運動員(或器械)進行拍攝，獲取運動圖像，再根據人工或自動標記解析，計算出被測對象的運動速度，或者高度，或者位置信息。
(2)測量分析類：通過各種傳感器，比如雷射、紅外線和力等傳感器將所要採集的信號傳輸到計算機進行相關計算和分析。
(3)技術分析和統計：主要是3D空間數據採集系統，用光學系統跟蹤標示點，通過圖像算法獲得運動物體的三維空間坐標信息。
總的來說，目前動作捕捉系統有光學式和慣性式兩大主流技術路線，其中光學式動作捕捉是通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成動作捕捉的任務。這種系統在捕捉對象動作時，肢體會遮擋標記點，尤其在捕捉多目標時，目標間若產生遮擋，將影響捕捉系統的精度甚至會丟失捕捉目標，無法精確還原動作軌跡。另外對光學裝置的標定工作程序複雜，且只能捕捉相機重疊區域的物體運動，使用者的運動空間被限制在攝像機的視覺範圍內，降低了實用性。另外，這種系統價格也相對昂貴。
慣性式動作捕捉系統需要在身體的重要節點佩戴集成加速度計，陀螺儀和磁力計等慣性傳感器設備，然後通過算法實現動作的捕捉。相比於光學式動作捕捉系統，基於慣性傳感器的動作捕捉系統不受環境幹擾影響，又克服了攝像機監測區域受限的缺點，並可以實現多目標捕捉，捕捉精確度高。由於採用高集成晶片、模塊，體積小、尺寸小，重量輕，性價比高。但是由於測量噪聲和遊走誤差等因素的影響，慣性傳感器無法長時間地對人體姿態進行精確的跟蹤，所以對系統的設計要求比較高。
也就是說，目前國內並沒有很完善的運動分析系統，這樣就使運動動作錯誤糾正顯得困難，所以在體育運動訓練中一套完整的動作捕捉系統有著重要的應用價值。
技術實現要素：
本發明旨在至少解決上述技術問題之一。
為此，本發明的目的在於提出一種用於體育訓練的防水型動作捕捉系統，該系統能夠對人體的實際運動進行仿真、分析，實現了動作捕捉及動作完善，且具有精確度高、成本低、便捷性高及適用性強的優點。
為了實現上述目的，本發明的實施例提出了一種用於體育訓練的防水型動作捕捉系統，包括：一個或多個動作捕捉裝置，所述一個或多個動作捕捉裝置設置在動作捕捉對象的一個或多個部位，用於監測所述一個或多個部位的動作信息；通信中繼裝置，所述通信中繼裝置與所述一個或多個動作捕捉裝置相連，用於接收所述一個或多個部位的動作信息，並實時監測所述動作捕捉對象的身體狀況信息和所處環境信息，並傳輸所述一個或多個部位的動作信息、所述身體狀況信息和所述環境信息；處理器，所述處理器與所述通信中繼裝置相連，用於接收所述一個或多個部位的動作信息、所述身體狀況信息和所述環境信息，並根據所述一個或多個部位的動作信息、所述身體狀況信息和所述環境信息，得到所述動作捕捉對象的完整運動姿態及完整運動信息；伺服器，所述伺服器與所述處理器相連，用於對所述動作捕捉對象的完整運動姿態及完整運動信息進行大數據處理、雲計算、深度學習及數據挖掘，以得到所述完整運動姿態及完整運動信息的優化信息，並將所述優化信息推送給所述處理器。
另外，根據本發明上述實施例的用於體育訓練的防水型動作捕捉系統還可以具有如下附加的技術特徵：
在一些示例中，所述處理器用於根據預定算法對所述一個或多個部位的動作信息、所述身體狀況信息和所述環境信息進行處理，得到所述動作捕捉對象的位置信息、加速度、角速度及地磁信息，並根據所述位置信息、加速度、角速度及地磁信息生成生物力學模型，並根據所述生物力學模型得到所述動作捕捉對象的完整運動姿態及完整運動信息。
在一些示例中，所述動作捕捉裝置和所述通信中繼裝置均被構造為防水結構，所述防水結構包括上蓋、電路板、密封圈、下蓋，所述電路板通過密封圈固定在上蓋和下蓋之間，所述上蓋和下蓋之間通過超聲焊接、雷射焊接、密封圈結構、膠粘或卡扣的方式密封結合，並通過螺栓外部固定。
在一些示例中，所述動作捕捉裝置包括：MEMS傳感器單元，所述MEMS傳感器單元由MEMS加速度計、MEMS陀螺儀及MEMS磁力計構成，用於分別對所述一個或多個部位的加速度、角速度以及磁力信號進行測量；第一微控制單元，所述第一微控制單元與所述MEMS傳感器單元相連，用於對所述一個或多個部位的加速度、角速度以及磁力信號進行處理；第一通信模塊，所述第一通信模塊與所述第一微控制單元相連，用於將處理後的加速度、角速度以及磁力信號發送給所述通信中繼裝置或所述處理器；第一電源模塊，所述第一電源模塊用於為所述一個或多個動作捕捉裝置供電；第一存儲模塊，所述第一存儲模塊用於存儲所述一個或多個部位的動作信息、所述身體狀況信息和所述環境信息；同步模塊，所述同步模塊用於對所述一個或多個動作捕捉裝置與通信中繼裝置進行同步，以使所述一個或多個動作捕捉裝置與通信中繼裝置之間的時鐘同步。
在一些示例中，所述通信中繼裝置包括：第二微控制單元、第二通信模塊、第三通信模塊、傳感器模塊、第二存儲模塊及第二電源模塊，其中，所述第二微控制單元分別與所述第二通信模塊和第三通信模塊相連，以控制所述第二通信模塊接收所述一個或多個動作捕捉裝置發送的動作信息，以及控制所述第三通信模塊將所述一個或多個部位的動作信息、所述身體狀況信息和所述環境信息發送給所述處理器；所述傳感器模塊包括溫度傳感器、壓力傳感器及模數轉換器，所述溫度傳感器用於測量環境溫度、所述動作捕捉對象的溫度，所述壓力傳感器用於測量大氣壓或水壓，所述模數轉換器分別與所述第二微控制單元、溫度傳感器和壓力傳感器相連，以對所述溫度傳感器和壓力傳感器的測量數據進行處理，並將處理後的數據發送給所述第二微控制單元，以便所述第二微控制單元控制所述第三通信模塊將所述處理後的數據發送給所述處理器；所述第二電源模塊用於為所述通信中繼裝置供電；所述第二存儲模塊用於存儲所述一個或多個部位的動作信息、所述身體狀況信息和所述環境信息。
在一些示例中，所述第一電源模塊包括：電池、無線充電電路及電源管理模塊，其中，所述電池用於為所述一個或多個動作捕捉裝置供電；所述無線充電電路與外部充電裝置連接，用於對所述電池進行充電；所述電源管理模塊用於對所述電池和所述無線充電電路進行管理。
在一些示例中，所述電池為可充電電池或超級電容。
在一些示例中，所述同步模塊用於通過同步電路或同步算法對所述一個或多個動作捕捉裝置與通信中繼裝置進行同步。
在一些示例中，所述一個或多個動作捕捉裝置與所述通信中繼裝置之間，以及所述通信中繼裝置與所述處理器之間通過有線或無線的方式進行通信。
在一些示例中，所述處理器為個人電腦、平板電腦或智慧型手機。
根據本發明實施例的用於體育訓練的防水型動作捕捉系統，實現了體育訓練中對人體動作的捕捉，並可對運動軌跡、運動姿態、人體溫度、壓力、脈搏等信息採集並實時傳輸、存儲，然後通過處理器的數據分析，可以對人體的實際運動進行仿真、分析，改進運動員的技術要領，並可以發現問題、找出差距，減少盲目的重複，提高訓練效率、降低運動員受到傷害的可能性，從而達到最佳的訓練效果。另外，該系統使用防水結構實現了動作捕捉系統的多環境適用，即適用性強，使用MEMS傳感器、節點設計、無線連接使穿戴節點設備具備體積小、重量輕、功耗低等優點，使性價比明顯提高；另外，各節點之間的無線連接，改善了穿戴的便捷性；使用無線充電技術實現系統內各模塊的充電便捷性；同步模塊實現了系統的數據同步，提高了採集設備的實時性、一致性；系統內設備集成多種傳感器，不僅實現對捕捉對象的動作捕捉，也實現了對溫度、氣壓、生物體脈搏等重要信息的採集，極大地提高了系統的智能型和精確性。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1是根據本發明實施例的用於體育訓練的防水型動作捕捉系統的結構示意圖；
圖2是根據本發明一個實施例的防水結構的示意圖；
圖3是根據本發明一個實施例的動作捕捉裝置的結構示意圖；
圖4是根據本發明一個實施例的通信中繼裝置的結構示意圖；
圖5是根據本發明一個實施例的處理器的結構示意圖；以及
圖6是根據本發明一個具體實施例的用於體育訓練的防水型動作捕捉系統的應用場景示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
以下結合附圖描述根據本發明實施例的用於體育訓練的防水型動作捕捉系統。
圖1是根據本發明一個實施例的用於體育訓練的防水型動作捕捉系統的結構示意圖。如圖1所示，該系統100包括：一個或多個動作捕捉裝置110、通信中繼裝置120、處理器130和伺服器140。
其中，一個或多個動作捕捉裝置110設置在動作捕捉對象的一個或多個部位，用於監測一個或多個部位的動作信息。具體地，一個或多個動作捕捉裝置110例如通過有線或無線的方式傳輸監測到的一個或多個部位的動作信息。
在本發明的一個實施例中，如圖3所示，動作捕捉裝置110例如包括：MEMS傳感器單元111、第一微控制單元112、第一通信模塊113、第一電源模塊115、第一存儲模塊114和同步模塊116。其中，MEMS傳感器單元111由MEMS加速度計1111、MEMS陀螺儀1112及MEMS磁力計1113構成，用於分別對一個或多個部位(即被測部位)的加速度、角速度以及磁力信號進行測量；第一微控制單元112與MEMS傳感器單元111相連，用於對一個或多個部位的加速度、角速度以及磁力信號進行處理；第一通信模塊113與第一微控制單元112相連，用於將處理後的加速度、角速度以及磁力信號發送給通信中繼裝置120或處理器130；第一電源模塊115用於為一個或多個動作捕捉裝置110供電；第一存儲模塊114用於存儲一個或多個部位的動作信息、身體狀況信息和環境信息；同步模塊116用於對一個或多個動作捕捉裝置110與通信中繼裝置120進行同步，以使一個或多個動作捕捉裝置110與通信中繼裝置120之間的時鐘同步。
其中，第一電源模塊115例如包括電池、無線充電電路及電源管理模塊，其中，電池用於為一個或多個動作捕捉裝置110供電；無線充電電路與外部充電裝置連接，用於對電池進行充電；電源管理模塊用於對電池和無線充電電路進行管理。更為具體地，電池為可充電電池或超級電容。
在一些示例中，上述的第一存儲模塊114例如為SD卡、Flash或存儲晶片。
其中，同步模塊116例如通過同步電路或同步算法對一個或多個動作捕捉裝置110與通信中繼裝置120進行同步，以保證一個或多個動作捕捉裝置110與通信中繼裝置120的時鐘同步。
通信中繼裝置120與一個或多個動作捕捉裝置110相連，用於接收一個或多個部位的動作信息，並實時監測動作捕捉對象的身體狀況信息和所處環境信息，並傳輸一個或多個部位的動作信息、身體狀況信息和環境信息。其中，動作捕捉對象的身體狀況信息例如包括動作捕捉對象的心率/脈搏等信息，所述環境信息例如包括環境的溫度、壓力/氣壓等。更為具體地，通信中繼裝置120例如通過有線或無線的方式傳輸一個或多個部位的動作信息、身體狀況信息和環境信息。
在本發明的一個實施例中，如圖4所示，通信中繼裝置120例如包括：第二微控制單元121、第二通信模塊122、第三通信模塊123、傳感器模塊124、第二電源模塊125和第二存儲模塊126。其中，第二微控制單元121分別與第二通信模塊122和第三通信模塊123相連，以控制第二通信模塊122接收一個或多個動作捕捉裝置110發送的動作信息，以及控制第三通信模塊123將一個或多個部位的動作信息、身體狀況信息和環境信息發送給處理器130；傳感器模塊124包括溫度傳感器1241、壓力傳感器1242及模數轉換器1243，溫度傳感器1241用於測量環境溫度、動作捕捉對象的溫度，壓力傳感器1242用於測量大氣壓或水壓，模數轉換器1243分別與第二微控制單元121、溫度傳感器1241和壓力傳感器1242相連，以對溫度傳感器1241和壓力傳感器1242的測量數據進行處理，並將處理後的數據發送給第二微控制單元121，以便第二微控制單元121控制第三通信模塊123將處理後的數據發送給處理器130；第二電源模塊125用於為通信中繼裝置120供電，也即為通信中繼裝置120的各單元模塊供電；第二存儲模塊126用於存儲一個或多個部位的動作信息、身體狀況信息和環境信息。
在本發明的一個實施例中，上述的動作捕捉裝置110和通信中繼裝置120例如被構造為防水結構。如圖2所示，該防水結構包括上蓋151、電路板152、密封圈153、下蓋154，電路板152通過密封圈153固定在上蓋151和下蓋154之間，上蓋151和下蓋154之間採用密封結構157設計，可有效防水，滿足水下正常工作。更為具體地，密封結構157例如通過超聲焊接、雷射焊接、密封圈結構、膠粘或卡扣的方式密封結合上蓋151和下蓋154，並通過螺栓156外部固定。
處理器130與通信中繼裝置120相連，用於接收通信中繼裝置120發送的一個或多個部位的動作信息、身體狀況信息和環境信息，並根據一個或多個部位的動作信息、身體狀況信息和環境信息，得到動作捕捉對象的完整運動姿態及完整運動信息。具體地，處理器130通過對一個或多個部位的動作信息進行處理和分析，以得到動作捕捉對象的完整運動姿態及完整運動信息。
更為具體地，在本發明的一個實施例中，如圖5所示，處理器130用於根據預定算法對一個或多個部位的動作信息、身體狀況信息和環境信息進行處理，得到動作捕捉對象的位置信息、加速度、角速度及地磁信息，並根據位置信息、加速度、角速度及地磁信息生成生物力學模型，並根據生物力學模型得到動作捕捉對象的完整運動姿態及完整運動信息。
需要說明的是，在本發明的實施例中，處理器130可實時接收數據並實時同步動作捕捉對象的動作、參數，也可以使用二次導入的方式從一個或多個動作捕捉裝置110和通信中繼裝置120的存儲介質內導入數據。
在本發明的一個實施例中，處理器130例如為個人電腦、平板電腦或智慧型手機等具有智能運算能力的終端設備。
在本發明的一個實施例中，上述的一個或多個動作捕捉裝置110與通信中繼裝置120之間，以及通信中繼裝置120與處理器130之間通過有線或無線的方式進行通信。
伺服器140與處理器130相連，用於對處理器130發送的動作捕捉對象的完整運動姿態及完整運動信息進行大數據處理、雲計算、深度學習及數據挖掘，以得到完整運動姿態及完整運動信息的優化信息，並將優化信息推送給處理器130，用戶可通過處理器查看優化信息，並根據優化信息對動作捕捉對象的動作進行修正和完善，從而幫助和指導動作捕捉對象改善體育訓練中的不足，例如圖6所示。
綜上，根據本發明實施例的用於體育訓練的防水型動作捕捉系統，實現了體育訓練中對人體動作的捕捉，並可對運動軌跡、運動姿態、人體溫度、壓力、脈搏等信息採集並實時傳輸、存儲，然後通過處理器的數據分析，可以對人體的實際運動進行仿真、分析，改進運動員的技術要領，並可以發現問題、找出差距，減少盲目的重複，提高訓練效率、降低運動員受到傷害的可能性，從而達到最佳的訓練效果。另外，該系統使用防水結構實現了動作捕捉系統的多環境適用，即適用性強，使用MEMS傳感器、節點設計、無線連接使穿戴節點設備具備體積小、重量輕、功耗低等優點，使性價比明顯提高；另外，各節點之間的無線連接，改善了穿戴的便捷性；使用無線充電技術實現系統內各模塊的充電便捷性；同步模塊實現了系統的數據同步，提高了採集設備的實時性、一致性；系統內設備集成多種傳感器，不僅實現對捕捉對象的動作捕捉，也實現了對溫度、氣壓、生物體脈搏等重要信息的採集，極大地提高了系統的智能型和精確性。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同限定。