一种VR跑步机的安全防护方法、系统及可读存储介质转让专利
申请号 : CN202010211080.0
文献号 : CN111330214B
文献日 : 2021-06-22
发明人 : 杜守杰 , 田中达也 , 王静 , 王芳
申请人 : 赣州市江元电子有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种VR跑步机的安全防护方法,其特征在于,包括:利用标志点标定人体四肢关节,通过三维重心轨迹法测量人体四肢关节在运动空间内的轨迹,并建立轨迹模型;
通过穿戴式设备进行人体重力加速度分析计算人体四肢关节的位置信息,然后将位置数据上传至云端服务器;
云端服务器对位置数据进行预处理,并进行滤波处理,获取人体平衡信息;
通过传感节点监测人体实际位姿,比对实际位姿与期望位姿,获取位姿误差及位姿变化率;
当位姿变化率大于预定阈值时,通过滑模控制器调整增益,控制位姿变化率在预定阈值内;
在运动过程中,通过最小二乘法优化技术抑制非线性因素及外界干扰的影响,输出防护信号,进行人体防护处理;
通过三维重心轨迹法获取步态空间信息,具体包括:建立离散分布节点,获取分布数据;
分布数据迭代预处理、步态空间信息提取及算法识别节点信息,提取步态周期与步态空间参数;
通过步态空间参数,利用数值积分与去除趋势化算法提取实时位移轨迹;
合并轨迹波动信息,生成位移轨迹信息,记入数据库;
所述步态空间信息包括根据VR场景模拟的运动路线或根据VR场景实现的肢体步态变化信息中或根据VR场景预处理运动信息的一种或两种组合或三种组合;
获取位移轨迹,分析重心信息,建立轨迹数据模型;采用轨迹分割进行位移轨迹信息分割提取,建立单步步态数据库;通过数据索引进行单步步态分析,将步态分析结果进行聚合模拟,得到完整的步态空间信息;通过步态空间信息分析重力信息及重心与平台夹角信息,获取安全参数信息;根据安全参数信息,校正跑步机运行速度或加速度。
2.根据权利要求1所述的一种VR跑步机的安全防护方法,其特征在于:云端服务器对位置数据进行预处理,并进行滤波处理,获取人体平衡信息;具体包括:通过卡尔曼滤波器进行四元数姿态解算,获取姿态信息;
根据递归观法进行位置数据的更新与校正,直至将数据误差降至预定阈值内;
通过雅克比偏导数,进行线性化操作,然后进行位置数据融合。
3.根据权利要求1所述的一种VR跑步机的安全防护方法,其特征在于:通过传感节点监测人体实际位姿,比对实际位姿与期望位姿,获取位姿误差及位姿变化率;还包括:采用惯性测量单元接收人体四肢关节的位置信息;
通过多传感器信息融合解算人体运动关节的实际位姿信息;
利用实际位姿信息提取步态时域参数;
结合航位推算算法、惯性参数分析法分析人体实际位姿信息。
4.根据权利要求1所述的一种VR跑步机的安全防护方法,其特征在于:找出位移轨迹的特征点,在各个特征点将位移轨迹分割成若干个直线段;
每个线段均是沿直线匀速运动直到改变方向或速度;
改变方向或速度的节点记为下一段线性运动,记为下一个直线段,得到多维点数列M集合,分别计入数据库,轨迹在时空数据库中表示为一个多维点序列,记为M={Xi,vi,ti|1≤i≤n};
其中n表示该轨迹中点的个数,Xi表示在ti时刻的空间物理位置,vi表示在ti和ti+1时间间隔中的速度,即从原轨迹中按顺序抽出的若干个点组成的多维点序列。
5.一种VR跑步机的安全防护系统,其特征在于,该系统包括:存储器、处理器,所述存储器中包括VR跑步机的安全防护方法程序,所述VR跑步机的安全防护方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤:
利用标志点标定人体四肢关节,通过三维重心轨迹法测量人体四肢关节在运动空间内的轨迹,并建立轨迹模型;
通过穿戴式设备进行人体重力加速度分析计算人体四肢关节的位置信息,然后将位置数据上传至云端服务器;
云端服务器对位置数据进行预处理,并进行滤波处理,获取人体平衡信息;
通过传感节点监测人体实际位姿,比对实际位姿与期望位姿,获取位姿误差及位姿变化率;
当位姿变化率大于预定阈值时,通过滑模控制器调整增益,控制位姿变化率在预定阈值内;
在运动过程中,通过最小二乘法优化技术抑制非线性因素及外界干扰的影响,输出防护信号,进行人体防护处理;
通过三维重心轨迹法获取步态空间信息,具体包括:建立离散分布节点,获取分布数据;
分布数据迭代预处理、步态空间信息提取及算法识别节点信息,提取步态周期与步态空间参数;
通过步态空间参数,利用数值积分与去除趋势化算法提取实时位移轨迹;
合并轨迹波动信息,生成位移轨迹信息,记入数据库;
所述步态空间信息包括根据VR场景模拟的运动路线或根据VR场景实现的肢体步态变化信息中或根据VR场景预处理运动信息的一种或两种组合或三种组合;
获取位移轨迹,分析重心信息,建立轨迹数据模型;采用轨迹分割进行位移轨迹信息分割提取,建立单步步态数据库;通过数据索引进行单步步态分析,将步态分析结果进行聚合模拟,得到完整的步态空间信息;通过步态空间信息分析重力信息及重心与平台夹角信息,获取安全参数信息;根据安全参数信息,校正跑步机运行速度或加速度。
6.根据权利要求5述的一种VR跑步机的安全防护系统,其特征在于:通过传感节点监测人体实际位姿,比对实际位姿与期望位姿,获取位姿误差及位姿变化率;还包括:采用惯性测量单元接收人体四肢关节的位置信息;
通过多传感器信息融合解算人体运动关节的实际位姿信息;
利用实际位姿信息提取步态时域参数;
结合航位推算算法、惯性参数分析法分析人体实际位姿信息。
7.根据权利要求6述的一种VR跑步机的安全防护系统,其特征在于:找出位移轨迹的特征点,在各个特征点将位移轨迹分割成若干个直线段;
每个线段均是沿直线匀速运动直到改变方向或速度;
改变方向或速度的节点记为下一段线性运动,记为下一个直线段,得到多维点数列M集合,分别计入数据库,轨迹在时空数据库中表示为一个多维点序列,记为M={Xi,vi,ti|1≤i≤n};
其中n表示该轨迹中点的个数,Xi表示在ti时刻的空间物理位置,vi表示在ti和ti+1时间间隔中的速度,即从原轨迹中按顺序抽出的若干个点组成的多维点序列。
8.一种计算机可读存储介质,其特征在于:所述计算机可读存储介质中包括VR跑步机的安全防护方法程序,所述VR跑步机的安全防护方法程序被处理器执行时,实现如权利要求1至4任一项所述的VR跑步机的安全防护方法的步骤。
说明书 :
一种VR跑步机的安全防护方法、系统及可读存储介质
技术领域
背景技术
验,随着虚拟现实技术的兴起,新的设备和解决方案层出不穷,步态参数的检测最主要的目
的是评估人体运动能力,而人体重心轨迹是评价步态稳定性、平衡性,最基本、最有效的形
式之一,通过传感器与计算机对肢体运动特征进行定量描述,建立运动空间,使运动对象与
运动空间保持相对静止,从而实现在有限的空间内实现全向运动。
到全向运动,运动对象体验较差,且在进行跑步的过程中无法对用户进行步态空间信息的
预判修正,误差较大。
纠正处理,使得运动对象始终位于运动空间的中心位置,当用户在跑步过程中,出现即将摔
倒的时候,通过该系统提前预判,提前干涉将跑步机停止运行,防止用户摔倒,对用户进行
安全防护,但是在进行控制过程中,如何如何实现精准控制的同时,实现对步态空间信息的
预判及修正都是亟不可待要解决的问题。
发明内容
|1≤i≤n};
序被所述处理器执行时实现如下步骤:
|1≤i≤n};
现上述任一项所述的VR跑步机的安全防护方法的步骤。
空间的反向修正,使得运动对象在运动空间内相对位移为零,从而实现运动对象全向运动,
在修正过程中,跑步机根据重力信息及重心与平台夹角进行调整运行状态,使用户能够在
跑步机上平稳的移动。
被迫停止跑步机运行时,通过腿部信号偏差较大进行判断,此时进行跑步机急停,急停过程
中,跑步机上的防护气囊充气,对用户进行安全防护,当只需要进行跑步机运行参数调整
时,逐渐调整跑步机运行速度或加速度,缓慢使用户身体趋于平稳,待用户身体平稳后,再
调整跑步机运行速度为预设匀速状态,此时跑步机恢复正常状态。
取单步信息,对单步信息进行分析,将分析的结果再次进行聚合,即可得到完成的步态信
息,通过单步修正,然后进行聚合整体修正,修正的过程中,能够根据用户的左腿动作信号
与右腿动作信号,使得跑步机的运动状态与用户移动状态相匹配,能够防止用户摔倒,此种
分析方式,分析速度较快,聚合模拟后的步态信息更加贴近实际,使得预判修正信息更加迅
速准确。
得位置数据减少非线性因素及外界的干扰,增加位置数据的准确性。
跑步机配合人体运动信息,使用户在跑步机上运动时更加安全。
附图说明
具体实施方式
例及实施例中的特征可以相互组合。
的具体实施例的限制。
感器;右腿护膝内侧对应于用户右小腿处设置有第三传感器,右腿护膝对应于大腿处设置
有第四传感器,VR场景主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是
由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具
有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外,还有听觉、触觉、力觉、运动等感知,甚
至还包括嗅觉和味觉等,也称为多感知,运动空间可以是虚拟的运动空间或真实的运动空
间,具体而言,真实的运动空间能够是根据VR场景选择对应的房间或平台,房间的面积以及
平台的大小可以根据VR场景进行改变,例如VR场景需要单人模拟操作时,则仅需要选择较
小的房间面积或平台面积,如5‑20平米,优选10平米,当需要多人配合模拟时,则需要建立
较大的运动空间,如选择20‑100平米的房间面积及平台大小,优选50平米的运动空间。
部动作时,重心也会产生相应的变化,在重心产生变化的过程中,检测重力信号,分析运动
对象的重心变化信息,并分析获取位移轨迹信息及运动参数,位移轨迹能够是脚掌运动轨
迹或人体重心的位移轨迹,步态特征的差异主要体现在体型的差异,如身体比例、身高和步
长等,还有上身、手臂的摆动幅度和摆动频率均会影响步态空间信息,步态发生变化时,运
动对象相对于运动空间内的位置相应产生变化,为了保持运动对象与运动空间的相对静
止,需要对步态空间信息进行纠正处理。
方向,则需要控制运动空间向第二方向进行移动,其中的第一方向与第二方向为反向,即可
以理解为运动空间向位移方向的反向移动,移动的位移量相同,在有限的运动空间内,实现
万向运动,同时保证运动对象与运动空间相对静止,或始终位于运动空间的中心位置,
修正信息,获取偏差信息及偏差率,若偏差率大于预定阈值,则对预判修正信息进行校正;
将校正后的预判修正信息反馈至VR场景,同时进行运动空间的反向修正,建立新的运动空
间。
进行偏差校正,在进行校正过程中,都会预先设定一个预定偏差,只要修正后的运动参数保
持在此预定偏差内,即可完成,当修正后的偏差大于预定偏差时,则需要二次修正,二次修
正过程中,根据偏差进行再次确定二次预判修正信息,二次修正后,再次比较二次修正后的
步态空间信息与二次预判修正信息,直至预判修正信息与步态空间信息之间的偏差率位于
预定偏差率的设定范围,校正后预判修正信息能够对运动空间进行反向修正,建立新的运
动空间,此处新的运动空间即虚拟或模拟的运动空间,即可以理解的是,纠正处理时,为了
使运动对象具有沉浸式体验,步态空间信息发生变化时,通过纠正处理信息进行步态空间
信息的实时修正,并反馈至VR场景,使VR场景与纠正处理信息相适配,实现VR跑步机的精
度,使VR场景内的虚拟运动空间根据纠正信息进行实时改变,在感官上依旧实时保证位于
运动空间的中心位置。
时,需要被迫停止跑步机运行时,通过腿部信号偏差较大进行判断,此时进行跑步机急停,
急停过程中,跑步机上的防护气囊充气,对用户进行安全防护,当只需要进行跑步机运行参
数调整时,逐渐调整跑步机运行速度或加速度,缓慢使用户身体趋于平稳,待用户身体平稳
后,再调整跑步机运行速度为预设匀速状态,此时跑步机恢复正常状态。
阻偏航角,三轴陀螺仪型号能够是ITG‑3025、加速度计型号能够是ADXL345、磁场强度传感
器型号能够是HMC5883L,三者型号不限于这几种,本领域技术人员可以根据实际使用情况
进行常规调整。
判,减少系统的滞后性,确定预判修正信息的过程中,通过将步态空间信息进行步态分割提
取单步信息,对单步信息进行分析,将分析的结果再次进行聚合,即可得到完成的步态空间
信息,通过单步修正,然后进行聚合整体修正,此种分析方式,分析速度较快,聚合模拟后的
步态空间信息更加贴近实际,使得预判修正信息更加迅速准确。
采用轨迹分割进行位移轨迹信息分割提取,建立单步步态数据库;通过数据索引进行单步
步态分析,将步态分析结果进行聚合模拟,得到完整的步态空间信息;通过步态空间信息分
析重力信息及重心与平台夹角信息,获取安全参数信息;根据安全参数信息,校正跑步机运
行速度或加速度。
较大时,需要被迫停止跑步机运行时,通过腿部信号偏差较大进行判断,此时进行跑步机急
停,急停过程中,跑步机上的防护气囊充气,对用户进行安全防护,当只需要进行跑步机运
行参数调整时,逐渐调整跑步机运行速度或加速度,缓慢使用户身体趋于平稳,待用户身体
平稳后,再调整跑步机运行速度为预设匀速状态,此时跑步机恢复正常状态。
|1≤i≤n};
速运动直到改变方向或速度,从改变方向或速度的节点记为下一段线性运动,通过多段分
割提取,可以将变速变向运动变为无数段匀速直线运动的集合,分别计入数据库。
通电产生磁场,其中,线圈可以是一个、两个或多个线圈单独通电或多个配合通电,多个线
圈不在同一平面内,可以理解的是,多个线圈位于三维或多维空间内,当一个线圈通电时,
产生单一恒定磁场,当多个线圈通电时,多个线圈产生的多个磁场之间产生作用力与反作
用力,进行磁场的相互作用,磁力抵消,线圈的通电方式可以单独通电或多个线圈按照预定
的顺序或预定的轨迹通断电,或多个线圈同时配合通电多种方式配合,使用灵活。
点之间的轨迹进行聚合模拟,形成完整的位移轨迹。
点记为下一段线性运动,记为下一个直线段,得到多维点数列M集合。
态均随时间变化的各类空间对象,并针对对象的时空信息进行分析处理,由于移动对象的
位置随时间的变化而连续变化,所以对移动对象进行建模既要考虑连续模型,又要考虑离
散模型,连续模型是指把移动对象看作无穷移动点的集合而对其进行描述,并把移动点看
作是三维空间中的一条连续曲线进行分析。
组合。
游西湖道路的多种规划,在进行模拟过程中,可以选择任意道路行进,不同道路具有不同的
路况信息,则检测到的步态空间信息及位移信息均会有差异性,不同的道路及不同的路况
信息进行修正时均具有差异性,同时得到不同的预测修正信息。
序被处理器执行时实现如下步骤:
第一传感信号与第二传感信号及第三传感信号与第四传感信号,得到左腿与右腿各自的腿
部动作信号;根据左腿与右腿的腿部动作信号计算重力信息及重心与平台夹角信息,得到
安全参数信息;通过安全参数信息进行调整平台参数信息;根据安全参数信息与平台参数
信息,获取偏差信息,同时得到偏差率;当偏差率大于预定阈值时,则进行运动平台的停止,
并同时输出安全防护信号,进行防护处理;左腿护膝内侧对应于用户左腿小腿处设置有第
一传感器,左腿护膝对应于大腿处设置有第二传感器;右腿护膝内侧对应于用户右小腿处
设置有第三传感器,右腿护膝对应于大腿处设置有第四传感器。
的方向,腿部动作时,重心也会产生相应的变化,在重心产生变化的过程中,检测重力信号,
分析运动对象的重心变化信息,并分析获取位移轨迹信息及运动参数,位移轨迹能够是脚
掌运动轨迹或人体重心的位移轨迹,步态特征的差异主要体现在体型的差异,如身体比例、
身高和步长等,还有上身、手臂的摆动幅度和摆动频率均会影响步态空间信息,步态发生变
化时,运动对象相对于运动空间内的位置相应产生变化,为了保持运动对象与运动空间的
相对静止,需要对步态空间信息进行纠正处理。
校正,在进行校正过程中,都会预先设定一个预定偏差,只要修正后的运动参数保持在此预
定偏差内,即可完成,当修正后的偏差大于预定偏差时,则需要二次修正,二次修正过程中,
根据偏差进行再次确定二次预判修正信息,二次修正后,再次比较二次修正后的步态空间
信息与二次预判修正信息,直至预判修正信息与步态空间信息之间的偏差率位于预定偏差
率的设定范围,校正后预判修正信息能够对运动空间进行反向修正,建立新的运动空间,此
处新的运动空间即虚拟或模拟的运动空间,即可以理解的是,纠正处理时,为了使运动对象
具有沉浸式体验,步态空间信息发生变化时,通过纠正处理信息进行步态空间信息的实时
修正,并反馈至VR场景,使VR场景与纠正处理信息相适配,实现VR跑步机的精度,使VR场景
内的虚拟运动空间根据纠正信息进行实时改变,在感官上依旧实时保证位于运动空间的中
心位置。
有的感知,除计算机图形技术所生成的视觉感知外,还有听觉、触觉、力觉、运动等感知,甚
至还包括嗅觉和味觉等,也称为多感知,运动空间可以是虚拟的运动空间或真实的运动空
间,具体而言,真实的运动空间能够是根据VR场景选择对应的房间或平台,房间的面积以及
平台的大小可以根据VR场景进行改变,例如VR场景需要单人模拟操作时,则仅需要选择较
小的房间面积或平台面积,如5‑20平米,优选10平米,当需要多人配合模拟时,则需要建立
较大的运动空间,如选择20‑100平米的房间面积及平台大小,优选50平米的运动空间。
态均随时间变化的各类空间对象,并针对对象的时空信息进行分析处理,由于移动对象的
位置随时间的变化而连续变化,所以对移动对象进行建模既要考虑连续模型,又要考虑离
散模型,连续模型是指把移动对象看作无穷移动点的集合而对其进行描述,并把移动点看
作是三维空间中的一条连续曲线进行分析。
组合。
游西湖道路的多种规划,在进行模拟过程中,可以选择任意道路行进,不同道路具有不同的
路况信息,则检测到的步态空间信息及位移信息均会有差异性,不同的道路及不同的路况
信息进行修正时均具有差异性,同时得到不同的预测修正信息。
阻偏航角,三轴陀螺仪型号能够是ITG‑3025、加速度计型号能够是ADXL345、磁场强度传感
器型号能够是HMC5883L,三者型号不限于这几种,本领域技术人员可以根据实际使用情况
进行常规调整。
RS485接口通信,数据采集单元将数据暂时存储与内部RAM,各模块采集单元同时采集上传
数据,保证数据的无延时精准,其中单片机的型号本领域技术人员可以根据实际需要进行
选择,如选择ATMEGA48或AT89C52等等均可。
加速度应与运动对象的加速度数值相同,但保持方向相反,使运动对象的位移量为零,保持
相对静止。
数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路,同时,
AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止
CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM
中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位
|1≤i≤n};
速运动直到改变方向或速度,从改变方向或速度的节点记为下一段线性运动,通过多段分
割提取,可以将变速变向运动变为无数段匀速直线运动的集合,分别计入数据库,轨迹在时
空数据库中表示为一个多维点序列,记为M={Xi,vi,ti|1≤i≤n},其中n表示该轨迹中点的
个数,Xi表示在ti时刻的空间物理位置,vi表示在ti和ti+1时间间隔中的速度,即从原轨迹中
按顺序抽出的若干个点组成的多维点序列。
间变化的各类空间对象,并针对对象的时空信息进行分析处理,由于移动对象的位置随时
间的变化而连续变化,所以对移动对象进行建模既要考虑连续模型,又要考虑离散模型,连
续模型是指把移动对象看作无穷移动点的集合而对其进行描述,并把移动点看作是三维空
间中的一条连续曲线进行分析。
点记为下一段线性运动,记为下一个直线段,得到多维点数列M集合。
述任一项的VR跑步机的安全防护方法的步骤。
的反向修正,使得运动对象在运动空间内相对位移为零,从而实现运动对象全向运动,在修
正过程中,跑步机根据重力信息及重心与平台夹角进行调整运行状态,使用户能够在跑步
机上平稳的移动。
迫停止跑步机运行时,通过腿部信号偏差较大进行判断,此时进行跑步机急停,急停过程
中,跑步机上的防护气囊充气,对用户进行安全防护,当只需要进行跑步机运行参数调整
时,逐渐调整跑步机运行速度或加速度,缓慢使用户身体趋于平稳,待用户身体平稳后,再
调整跑步机运行速度为预设匀速状态,此时跑步机恢复正常状态。
单步信息,对单步信息进行分析,将分析的结果再次进行聚合,即可得到完成的步态信息,
通过单步修正,然后进行聚合整体修正,修正的过程中,能够根据用户的左腿动作信号与右
腿动作信号,使得跑步机的运动状态与用户移动状态相匹配,能够防止用户摔倒,此种分析
方式,分析速度较快,聚合模拟后的步态信息更加贴近实际,使得预判修正信息更加迅速准
确。
置数据减少非线性因素及外界的干扰,增加位置数据的准确性。
步机配合人体运动信息,使用户在跑步机上运动时更加安全。
逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,如:多个单元或组件可以结合,或可以
集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另外,所显示或讨论的各组成部分相
互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口,设备或单元的间接耦合或通
信连接,可以是电性的、机械的或其它形式的。
元上;可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
执行时,执行包括上述方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:移动存储设备、只读存
储器(ROM,Read‑Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者
光盘等各种可以存储程序代码的介质。
例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,
该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以
是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分。而前
述的存储介质包括:移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介
质。
本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。