运动健康管理平台及运动智能装备的制作方法

本发明公开涉及智能穿戴式设备领域，特别涉及一种运动健康管理平台及运动智能装备。

背景技术：

“穿戴式智能设备”是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如眼镜、手套、手表、服饰及鞋等。目前，监测人体运动和健康普遍依靠运动手环或者智能手表，但是运动手环和智能手表大多只能监测运动步数、运动距离、燃烧的卡路里、睡眠时间、睡眠质量等有限的单一数据，无法获得多维的、丰富的数据；而且这些数据最终大多数仅做展示之用，并未做更多的数据功能的挖掘。

由此可见，目前的“穿戴式智能设备”功能过于单一，无法满足热爱运动用户的需求，无法指导用户科学锻炼。

技术实现要素：

为了解决相关技术中存在的功能过于单一的问题，本公开提供了一种运动健康管理平台及运动智能装备。

一种运动健康管理平台，包括：运动智能装备及移动终端；所述运动智能装备，包括主控制单元和第一传感器单元；所述第一传感器单元包括：微控制器，与所述微控制器连接的惯性传感器模块、存储模块、无线传输模块以及提供电能的电源模块，所述无线传输模块还与所述主控制单元连接；所述惯性传感器模块获取姿态数据并存储在所述存储模块，所述微控制器调取所述存储模块中的姿态数据并通过所述无线传输模块传输至所述主控制单元，再通过所述主控制单元传输至所述移动终端；所述移动终端，获取姿态数据，根据所述姿态数据计算得到人体姿态数据，并展示人体姿态。

在其中一个实施例中，所述运动智能装备还包括与所述主控制单元连接的第二传感器单元；所述第二传感器单元包括微控制器，与所述微控制器连接的惯性传感器模块、人体健康监测传感模块、存储模块、无线传输模块以及提供电能的电源模块；

所述人体健康监测传感模块获取健康数据并存储在所述存储模块，所述微控制器调取所述存储模块中的健康数据并通过所述无线传输模块传输至所述主控制单元，再通过所述主控制单元传输至所述移动终端；所述移动终端获取健康数据并展示。

在其中一个实施例中，所述惯性传感器模块包括：陀螺仪、加速度计以及磁强计；所述陀螺仪获取角运动数据，所述加速度计获取线性加速度，所述磁强计检测磁偏航。

在其中一个实施例中，所述惯性传感器模块还包括：第一级卡尔曼滤波器和第二级卡尔曼滤波器；

所述第一级卡尔曼滤波器使用所述加速度计对翻滚角和俯仰角做观测修正，所述第二级卡尔曼滤波器使用所述磁强计对偏航角做观测修正。

在其中一个实施例中，所述第一传感器单元和/或所述第二传感器单元还包括：环境监测传感器模块，并获取环境数据。

在其中一个实施例中，所述移动终端包括3D还原处理模块和3D姿态显示模块；所述3D还原处理模块对获取的姿态数据进行数据还原处理，并把得到的3D还原数据传输至3D姿态显示模块，所述3D姿态显示模块展示人体姿态。

在其中一个实施例中，所述移动终端预设人体运动轨迹，把获取到的姿态数据与预设的人体运动轨迹进行比较分析，并得到反馈信息。

在其中一个实施例中，所述移动终端预设人体安全数据，把获取到的健康数据与预设的人体安全数据进行比较分析，并得到人体健康预警数据。

在其中一个实施例中，所述移动终端预设环境安全数据，把获取到的环境数据与预设的环境安全数据进行比较分析，并得到运动环境预警数据。

一种运动智能装备，包括运动装备主体，以及嵌设在所述运动装备主体的主控制单元、第一传感器单元和第二传感器单元；所述第一传感器单元包括：微控制器，与所述微控制器连接的惯性传感器模块、存储模块、无线传输模块以及提供电能的电源模块，所述无线传输模块还与所述主控制单元连接；所述第二传感器单元包括微控制器，与所述微控制器连接的惯性传感器模块、人体健康监测传感模块、存储模块、无线传输模块以及提供电能的电源模块；

所述惯性传感器模块获取姿态数据和所述人体健康监测传感模块获取健康数据存储在所述存储模块，所述微控制器调取所述存储模块中的姿态数据和健康数据并通过所述无线传输模块传输至所述主控制单元，再通过所述主控制单元传输至所述移动终端。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

采用本方案的运动健康管理平台，包含运动智能装备、移动终端两个部分，可用于户外运动、健身房训练、体能训练和专项体育运动等场景，通过监测结果可获得人体姿态的展示，实现了多数据综合指导用户更好的健康锻炼，达到了功能丰富的目的。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是一示例性实施例示出的运动健康管理平台的示意图；

图2是一示例性实施例示出的第一传感器单元的逻辑框图；

图3是一示例性实施例示出的第二传感器单元的逻辑框图；

图4是一示例性实施例示出的包括环境监测传感器模块的传感器单元的逻辑框图；

图5是一示例性实施例示出的惯性传感器模块获取的姿态数据进行处理的过程的示意图；

图6是一示例性实施例示出的两级扩展卡尔曼滤波算法的示意图；

图7是一示例性实施例示出的移动终端监控、预警及调整的逻辑框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例执行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

图1是根据一示例性实施例示出的运动健康管理平台的示意图和逻辑框图。例如，运动健康管理平台包括：运动智能装备及移动终端，运动智能装备穿在用户身上，获取用户的运动数据，并通过无线通信方式把运动数据传输至移动终端。移动终端分析得出用户的人体姿态数据，并展示人体姿态；具体地，移动终端包括3D还原处理模块和3D姿态显示模块；3D还原处理模块对获取的姿态数据进行数据还原处理，并把得到的3D还原数据传输至3D姿态显示模块，3D姿态显示模块展示人体姿态。

在运动智能装备中嵌设了多个器件，与人体紧密贴合，这些器件包括：主控制单元和第一传感器单元。

第一传感器单元可以设置为多个，且分设在运动智能装备与人体运动机体对应的部位，主控制单元设置在运动智能装备的任意位置，便于存取主控制单元的位置，例如前胸或后背的位置等。在本实施例中，第一传感器设置在大腿、小腿、上臂、下臂四个位置，便于捕捉肢体的运动参数。

参考附图2，具体地，第一传感器单元包括：微控制器，与微控制器连接的惯性传感器模块、存储模块、无线传输模块以及提供电能的电源模块，无线传输模块还与主控制单元连接。惯性传感器模块获取姿态数据并存储在存储模块，微控制器调取存储模块中的姿态数据并通过无线传输模块传输至主控制单元，再通过主控制单元传输至移动终端。

在本实施例中，微控制器采用的是STM32F411芯片，对获得的数据进行计算处理。惯性传感器模块获得用户在运动是人体的姿态数据，然后把该姿态数据缓存在存储模块中。微控制器读取存储模块中的姿态数据，通过蓝牙传输模块传输至主控制单元，而传输模块还可以是红外模块、WiFi模块等。

另外，主控制单元设置为一个，且内设置有蓝牙、红外等无线传输器件。主控制单元获取了分设在不同位置的第一传感器单元的姿态数据，该姿态数据统一有主控制单元转发至移动终端，进而避免了多个传感器单元的蓝牙传输模块直接发送给移动终端，造成连接紊乱，不稳定。当然，在其它实施例中，主控制单元设置为多个，例如二、三个不等。设置多个主控制单元是基于传感器单元数量过多，可以分区域获取姿态数据和分序列转发至移动终端，例如主控制单元A获取手臂的传感器单元，主控制单元B获取腿部的传感器单元，主控制单元C获取躯干的传感器单元等，这样也可以起到有序的对获取数据进行传输管理。

进一步地，惯性传感器模块包括陀螺仪，加速度计和磁强计，可以是三轴、六轴或九轴，而陀螺仪获取角运动数据，加速度计获取线性加速度，磁强计检测磁偏航。在本实施例中，陀螺仪和加速度计采用MPU6500六轴MEMS传感芯片，磁强计采用AK8963三轴电子罗盘芯片。当然，可以根据监测精度的需要，选取不同的类型的芯片。

在一实施例中，运动智能装备还包括与主控制单元连接的第二传感器单元。第二传感器单元与第一传感器单元内的基础模块是一致的，即所采用的微控制器，惯性传感器模块、存储模块、无线传输模块以及电源模块是一致的。

参考附图3，具体地，第二传感器单元包括微控制器，与微控制器连接的惯性传感器模块、人体健康监测传感模块、存储模块、无线传输模块以及提供电能的电源模块；人体健康监测传感模块获取健康数据并存储在存储模块，微控制器调取存储模块中的健康数据并通过无线传输模块传输至主控制单元，再通过主控制单元传输至移动终端；移动终端获取健康数据并展示。相同的，惯性传感器模块获取姿态数据并存储在存储模块，微控制器调取存储模块中的姿态数据并通过无线传输模块传输至主控制单元，再通过主控制单元传输至移动终端。

在本实施例中，第二传感器单元设置在运动智能装备的靠近胸部处，该人体健康监测传感模块包括心率传感器、呼吸率传感器、血压传感器、脑电传感传感器和皮电传感器，可通过贴在胸部、额头、耳垂或者手指上监测用户的心率、呼吸率及血压。

参考附图4，在一实施例中，第一传感器单元和/或第二传感器单元还包括：环境监测传感器模块，并获取环境数据。环境监测传感器模块包括VOC (volatile organic compounds）传感器、温度传感器以及紫外线辐射传感器，分别获得用户所在运动场景的空气VOC (volatile organic compounds）浓度、温度、紫外线辐射量。

参考附图5~6，在一实施例中，第一传感器单元和第二传感器单元内的惯性传感器模块还包括：第一级卡尔曼滤波器和第二级卡尔曼滤波器。第一级卡尔曼滤波器使用加速度计对翻滚角和俯仰角做观测修正，第二级卡尔曼滤波器使用磁强计对偏航角做观测修正。

进一步的说明姿态数据的生成详细的过程，即第一传感器单元和第二传感器单元内的惯性传感器模块，其对获取的姿态数据进行处理的过程。

用户运动之前，会按照移动终端预先展示用于初始化的固定动作（例如“立正”动作），进行初始化，获取初始化四元数。用户开始运动，通过陀螺仪，加速度计，磁强计测得的数据分别进行卡尔曼滤波融合。在本实施例中，采用的是二级扩展卡尔曼滤波算法，使用加速度计对翻滚角和俯仰角做观测修正，使用磁强计对偏航角做观测修正，最后输出四元数做姿态更新运算，作为下一个动作的初始四元数，同时将此四元数传给移动终端。移动终端的3D还原处理模块对接收到的四元数据进行三维图像重建，在本实施例3D还原处理模块为Unity3D，然后通过3D姿态显示模块对重建的三维图像进行实时的人体姿态展示。

较之常用算法采用一级扩展卡尔曼滤波融合算法，计算量大，本方案采用的两级扩展卡尔曼滤波算法，在两级扩展卡尔曼滤波器中做一次姿态更新计算，可以减少运算次数，缩短计算时间，提高姿态解算效率。同时，本方案采用四元数来代替传统的欧拉角作为系统状态量和姿态更新，可以有效避免运动到奇点的时刻，避免“死锁”。

现结合具体的实施例对比进行说明。人体任何姿态都可以用欧拉角表示，如手臂水平伸直朝前，掌心朝上，初始定义朝前为航向角0度，水平伸直为俯仰角0度，掌心朝上为横滚角0度，那么（0，0，0）即可表示初始姿态。为了避免使用欧拉角出现奇点，本方案采用四元数表示，欧拉角（0，0，0）对应的四元数为（1，0，0，0），此时采用Unity3D搭建一个人体模型，把（1，0，0，0）传给模型中对应的手臂，此时手臂会表现为水平伸直朝前，掌心朝上，此过程即还原人体姿态。本方案人体姿态还原的关键点在于得出（1，0，0，0）这个四元数，即本方案中根据陀螺仪，加速度计，磁强计的测得的精确的四元数，三维成像通过Unity3D处理即可得到。

参考附图7，在一实施例中，移动终端预设人体运动轨迹，把获取到的姿态数据与预设的人体运动轨迹进行比较分析，并得到反馈信息。具体地，用户根据预设的人体运动姿态进行相应的动作，当用户所做的动作不够标准，即用户的动作被一传感器单元和第二传感器单元内的惯性传感器模块获取的姿态数据与预设在移动终端的参考的姿态数据，并设定一定的偏差值，若获取到的姿态数据超过该偏差值，则会发出运动姿态的反馈信息。而移动终端通过语音、文字或图像的模式反馈信息，进而指导用户调整运动的动作。当然，对于用户执行的是正确的动作，也会反馈动作正确的信息，鼓励和引导用户持续运动。

移动终端预设人体安全数据，把获取到的健康数据与预设的人体安全数据进行比较分析，并得到人体健康预警数据。具体地，移动终端会预先设置人体运动过程中的数据，例如心率、呼吸率及血压等数据值的设定，当人运动过程中第二传感器单元的人体健康监测传感模块所获得的健康数据与预设的健康数据进行比较，若超出预设的偏差范围，则发出人体健康预警，指导用户调整运动的节奏、强度等。该人体健康预警的展示方式可以是语音、文字或图像模式。进一步地，当获得的健康数据远超过偏差范围，例如达到了危害生命危险的健康数据值，则移动终端向医院、邻居或者其家属发出预警电话或短信，实现远程预警功能。

移动终端预设环境安全数据，把获取到的环境数据与预设的环境安全数据进行比较分析，并得到运动环境预警数据。具体地，移动终端会根据最适合用户运动的外部环境预设相应的环境安全数据，且设定偏差范围。当第一传感器单元和/或第二传感器单元的环境监测传感器模块所获取的环境数据与预设的环境安全数据进行比较，若超过环境安全数据的偏差范围，则发出运动环境预警数据，提示用户外部环境的VOC浓度、温度、紫外线辐射没有达到运动的环境标准，引导用户调整运动计划，甚至放弃此次运动。

基于上述的反馈信息、人体健康预警数据以及运动环境预警数据可以实时的反馈，移动终端可以实时的调整或者设定用户的运动计划，全面的指导用户健康、有效的进行锻炼。

由此可见，采用本方案的运动健康管理平台，包含运动智能装备、移动终端两个部分，可用于户外运动、健身房训练、体能训练和专项体育运动等场景，通过制定计划、监测效果、总结统计、评估分析的系统化方法，实现“计划-监测-分析-反馈”的闭环，从而帮助用户达到更好的健康锻炼效果。

另外，运动姿态的反馈信息、人体健康预警数据和运动环境预警数据的建立，实现了“预警+监测+训练”的综合性功能。同时本方案所采用的传感器和数据三维分析软件具有使用方便，价格实惠，不但解决了运动爱好者了解自身运动参数的需求，同时给予专业的运动指导，并将其可视化呈现，增强的运动的娱乐性，也调动了运动爱好者的积极性和娱乐性。

基于上述的运动健康管理平台，还进一步的提供一种运动智能装备方案，具体地，包括：运动装备主体以及嵌设在运动装备主体的主控制单元、第一传感器单元和第二传感器单元；第一传感器单元包括：微控制器，与微控制器连接的惯性传感器模块、存储模块、无线传输模块以及提供电能的电源模块，无线传输模块还与主控制单元连接；第二传感器单元包括微控制器，与微控制器连接的惯性传感器模块、人体健康监测传感模块、存储模块、无线传输模块以及提供电能的电源模块。

惯性传感器模块获取姿态数据和人体健康监测传感模块获取健康数据存储在存储模块，微控制器调取存储模块中的姿态数据和健康数据并通过无线传输模块传输至主控制单元，再通过主控制单元传输至移动终端。

在一实施例中，运动装备主体可以是运动衣、紧身衣、手套、帽子等为穿戴装备。

在本实施例中，运动装备主体可以是一体成型，这样镶嵌在运动装备主体内的第一传感器单元、第二传感器单元和主控制单元可更好的贴合在身体上。同时，对于设有环境监测传感器模块的传感器模块需要在该运动装备主体上开始一小孔，与外界联通，时刻对外界环境进行监控。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围执行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。