颈椎康复保健辅助训练系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种颈椎康复保健计算机辅助训练系统，包括头带和计算机，其中：头带上设有三轴加速度传感器、微控制器、信号传输模块，微控制器采集三个轴向的加速度信号通过信号传输模块发送至计算机；计算机接收加速度信号并传递给其内部的颈椎康复保健训练应用程序，该应用程序构建模拟头部动作的虚拟物体，利用信息技术搭建虚拟颈椎训练环境并预设高效有趣的训练任务，即预设虚拟物体在二维空间或三维空间的运动对应的鼠标或键盘动作，根据头部三轴加速度信号转化来的鼠标或键盘动作，驱动虚拟物体做相应的动作。同时应用程序根据加速度信息实时判定头部动作是否符合预设的训练任务要求，若结果不符合要求，则给出文字、声音和/或画面提示。
【专利说明】颈椎康复保健辅助训练系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及颈椎康复保健领域，具体而言，涉及颈椎康复保健计算机辅助训练系统。
【背景技术】
[0002]随着计算机的普及，颈椎疾病的比例逐年上升。现有的颈椎康复保健产品，有的功能单一，有的设计复杂，较常用的两种是:一种是用摄像头拍摄头部图像，通过图像处理进行识别头部动作，图像处理法进行运动目标检测目的是将背景中的运动部分提取出来，在此过程中会受到周围环境中光线亮度渐变和微小噪声干扰等因素的影响而造成检测失误，其核心图像处理算法的不同对结果也有较多影响，而且图像采集受距离、摄像头分辨率等影响，对细微动作、空间位移和角度的识别分辨率和精度不高，摄像机与识别目标之间不能有遮挡，识别目标必须在摄像机拍摄范围内才能被识别，目标活动范围受限，系统复杂且使用不便；另一种是通过传感器检测头部动作，如专利文件CN102178535A公开了一种颈椎趣味保健系统及其实现方法，采用二轴加速度采集两个方向的加速度和陀螺仪确定第三轴的角速度，此方法同时用了两种传感器:加速度传感器和陀螺仪，硬件结构较复杂。而且此方法定性判断颈部运动的6种实时运动姿态，在程序设定时仅能设定6种规定的颈部动作，训练方式较单一，仅用于颈部保健领域。以上表明现有方法有待完善。
[0003]有鉴于此，本发明提供一个颈椎康复保健计算机辅助训练系统，只使用一个传感器采集头部运动量化信号，并将此信号实时转化为计算机的鼠标和键盘动作，实时对头部姿态动作进行评定，系统较完善，更方便实用有效。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种颈椎康复保健计算机辅助训练系统，用以使用一个传感器采集头部运动信号，此信号经处理后实时转化为计算机的鼠标和键盘动作，去控制在计算机上开发的应用程序中的虚拟物体，此应用程序为颈椎康复保健计算机辅助训练软件，在软件中构建虚拟训练环境，在预设定不同的训练任务，引导虚拟物体执行所要求的动作。基于上述方法，采用头部动作控制虚拟物体的动作，完成规定任务以实现颈椎康复和保健训练的目的。在训练过程中，软件实时对头部姿态动作进行评定，当动作未达到任务要求时，及时给出声音、画面和文字提示。
[0005]为达到上述目的，本发明提供了一种颈椎康复保健计算机辅助训练系统，包括头带和计算机，其中:
[0006]所述头带上设有三轴加速度传感器、微控制器、信号传输模块和电源，所述电源为所述三轴加速度传感器、所述微控制器及所述信号传输模块供电；所述三轴加速度传感器的X轴正向对应头部正前方偏右45°、7轴正向对应头部的正前方偏左45°、z轴正向为头部正上方，所述三轴加速度传感器采集X轴、I轴及z轴的加速度信号，所述微控制器接收所采集的加速度信号并将其通过所述信号传输模块发送至所述计算机；[0007]所述计算机上安装一应用程序，所述计算机接收到所述信号传输模块发送来的加速度信号，并传递给所述应用程序，所述应用程序对接收的加速度信号进行处理，其中包括:
[0008]该应用程序是一颈椎康复和颈椎保健训练软件，该颈椎康复和颈椎保健训练软件构建虚拟物体并预设鼠标动作对应所述虚拟物体在二维空间的运动动作，其中该二维空间是所述计算机的显示屏幕形成的二维空间，所述颈椎康复和颈椎保健训练软件调用鼠标控制函数，将接收的所述三轴加速度传感器的X轴、y轴和Z轴的加速度信号转化为鼠标动作，所述颈椎康复和颈椎保健训练软件根据所述加速度信号转化的鼠标动作驱动所述虚拟物体做相应的动作；同时，所述颈椎康复和颈椎保健训练软件将所述加速度信号与预设的X轴、y轴及z轴加速度阈值作对比，若结果为不同，则给出声音、画面和/或文字提示；或者
[0009]该应用程序是一颈椎康复和颈椎保健训练软件，所述训练软件将接收的加速度信号转化为鼠标动作及键盘动作，该训练软件构建虚拟物体并预设鼠标动作及键盘动作对应所述虚拟物体在三维空间的运动动作，所述颈椎康复和颈椎保健训练软件调用鼠标控制函数及键盘控制函数，将接收的所述三轴加速度传感器的X轴、y轴和Z轴的加速度信号转化为鼠标及键盘动作，所述颈椎康复和颈椎保健训练软件根据所述加速度信号转化的鼠标及键盘动作并驱动所述虚拟物体做相应的动作；同时所述颈椎康复和颈椎保健训练软件将所述加速度信号与预设X轴、y轴及z轴加速度阈值进行对比，若结果为不同，则给出声音、画面和/或文字提示。
[0010]其中，所述应用程序将所述三轴加速度传感器的X轴、y轴和z轴的加速度信号转化为鼠标动作的实现方法是:
[0011]以初始时所述三轴加速度传感器所在位置为坐标原点；
[0012]所述应用程序每隔预定的时间段读取一次所述三轴加速度传感器的X轴、y轴和z轴的加速度信号，该预定的时间段为0.0Ols~0.2s ;
[0013]设所述三轴加速度传感器的X、y、z三个坐标轴方向的加速度值分别为ax，ay，az，在xy平面内，由X轴加速度矢量和?轴加速度矢量合成后的xy平面内的加速度矢量大小
为
【权利要求】
1.一种颈椎康复保健计算机辅助训练系统，其特征在于，包括头带和计算机，其中: 所述头带上设有三轴加速度传感器、微控制器、信号传输模块和电源，所述电源为所述三轴加速度传感器、所述微控制器及所述信号传输模块供电；所述三轴加速度传感器的X轴正向对应头部正前方偏右45°、7轴正向对应头部的正前方偏左45°、2轴正向为头部正上方，所述三轴加速度传感器采集X轴、I轴及z轴的加速度信号，所述微控制器接收所采集的加速度信号并将其通过所述信号传输模块发送至所述计算机； 所述计算机上安装一应用程序，所述计算机接收到所述信号传输模块发送来的加速度信号，并传递给所述应用程序，所述应用程序对接收的加速度信号进行处理，其中包括:该应用程序是一颈椎康复和颈椎保健训练软件，该颈椎康复和颈椎保健训练软件构建虚拟物体并预设鼠标动作对应所述虚拟物体在二维空间的运动动作，其中该二维空间是所述计算机的显示屏幕形成的二维空间，所述颈椎康复和颈椎保健训练软件调用鼠标控制函数，将接收的所述三轴加速度传感器的X轴、y轴和z轴的加速度信号转化为鼠标动作，所述颈椎康复和颈椎保健训练软件根据所述加速度信号转化的鼠标动作驱动所述虚拟物体做相应的动作；同时，所述颈椎康复和颈椎保健训练软件将所述加速度信号与预设的X轴、I轴及z轴加速度阈值作对比，若结果为不同，则给出声音、画面和/或文字提示；或者该应用程序是一颈椎康复和颈椎保健训练软件，所述训练软件将接收的加速度信号转化为鼠标动作及 键盘动作，该训练软件构建虚拟物体并预设鼠标动作及键盘动作对应所述虚拟物体在三维空间的运动动作，所述颈椎康复和颈椎保健训练软件调用鼠标控制函数及键盘控制函数，将接收的所述三轴加速度传感器的X轴、y轴和Z轴的加速度信号转化为鼠标及键盘动作，所述颈椎康复和颈椎保健训练软件根据所述加速度信号转化的鼠标及键盘动作并驱动所述虚拟物体做相应的动作；同时所述颈椎康复和颈椎保健训练软件将所述加速度信号与预设X轴、y轴及z轴加速度阈值进行对比，若结果为不同，则给出声音、画面和/或文字提示。
2.根据权利要求1所述的颈椎康复保健计算机辅助训练系统，其特征在于，所述应用程序将所述三轴加速度传感器的X轴、y轴和z轴的加速度信号转化为鼠标动作的实现方法是: 以初始时所述三轴加速度传感器所在位置为坐标原点； 所述应用程序每隔预定的时间段读取一次所述三轴加速度传感器的X轴、y轴和z轴的加速度信号，该预定的时间段为0.0Ols~0.2s ; 设所述三轴加速度传感器的X、1、Z三个坐标轴方向的加速度值分别为ax, ay, az,在xy平面内，由X轴加速度矢量和I轴加速度矢量合成后的Xy平面内的加速度矢量大小为axy= 士」(α'.)2 + (?/,)",该矢量与X轴正向的夹角为arctan(ay/ax)； 设所述三轴加速度传感器的X轴、y轴、z轴方向在tn时刻的加速度值分别为axn、ayn、azn，xy平面内的合成加速度矢量大小为axyn ； 设所述三轴加速度传感器的X轴、y轴、z轴方向在tm时刻的加速度值分别为axm、aym、azm,在xy平面内的合成加速度矢量大小为axym ； 其中，tm滞后于tn，且tm = tn+T，T为所述三轴加速度传感器输出信号的周期，T由所述三轴加速度传感器设定，T的取值范围0.001~0.2s ；设计算机操作系统控制鼠标的函数中鼠标移动的加速度为Am ；
所述计算机处理所述三轴加速度传感器的X轴和I轴方向的加速度信号，并做如下判断: 当axm>0且aym〈0且azm = -g时，如果0.05g< | axym_axyn |〈0.5g，则将此时头部动作转化为鼠标的右移动作；同时设定鼠标的加速度为Am = K.I axym-axyn| ; 当axm〈0且aym>0且azm = -g时，如果0.05g< | axym_axyn |〈0.5g，则将此时头部动作转化为鼠标的左移动作；同时设定鼠标的加速度为Am = K.I axym-axyn | ; 当axm>0且aym>0且azm幸-g时，如果0.05g< | azm_azn|〈0.5g，则将此时头部动作转化为鼠标的下移动作；同时设定鼠标的加速度为Am = K.(I azm-azn |)； 当axm〈0且aym〈0且azm幸-g时，如果0.05g< | azm_azn|〈0.5g，则将此时头部动作转化为鼠标的上移动作； 同时设定鼠标的加速度为Am = K.(I azm-azn |)； 每隔一个周期T，所述计算机将相隔一个周期T的两个时刻的加速度值进行一次上述判断，并根据结果执行鼠标的相应动作； 同时，所述计算机处理所述三轴加速度传感器的Z轴加速度信号，并做如下判断: 当axm>0且aym>0且azm幸-g时，如果| azm_azn| >0.6g，判断为头部向前有单次快速点头动作，则将此动作转化为鼠标的左键单击动作； 当axm>0且aym〈0且azm古-g时，如果| axym_axyn | >0.6g，判断为头部向右侧有单次快速摆头动作，则将此头部动作转化为鼠标的右键单击动作； 其中，g为重力加速度，g = 9.8m/s2 ； 其中，K为比例系数,且K的取值范围为I~6。
3.根据权利要求1所述的颈椎康复保健计算机辅助训练系统，其特征在于，所述应用程序将所述三轴加速度传感器的X轴、y轴和z轴的加速度信号转化为键盘动作的实现方法是: 以初始时所述三轴加速度传感器所在位置为坐标原点； 所述应用程序每隔预定的时间段读取一次所述三轴加速度传感器的X轴、y轴和z轴的加速度信号，该预定的时间段为0.0Ols~0.2s ; 设所述三轴加速度传感器的X、1、Z三个坐标轴方向的加速度值分别为ax, ay, az,在xy平面内，由X轴加速度矢量和I轴加速度矢量合成后的Xy平面内的加速度矢量大小为a、:= 士如'f +(“，):，该矢量与X轴正向的夹角为arctan(ay/ax)； 设所述三轴加速度传感器的X轴、y轴、z轴方向在tn时刻的加速度值分别为axn、ayn、azn，xy平面内的合成加速度矢量大小为axyn ； 设所述三轴加速度传感器的X轴、y轴、z轴方向在tm时刻的加速度值分别为axm、aym、azm,在xy平面内的合成加速度矢量大小为axym ； 其中，tm滞后于tn，且tm = tn+T，T为所述三轴加速度传感器输出信号的周期，T由所述三轴加速度传感器设定，T的取值范围0.0Ol~0.2s ；所述计算机处理所述三轴加速度传感器的X轴和I轴方向的加速度信号，并做如下判断: 当axm>0且aym>0且azm = -g时，如果0.05g< | axym_axyn |〈0.5g，则将此时头部动作转化为键盘方向键中向上按键的动作； 当axm〈0且aym〈0且azm = -g时，如果0.05g< | axym_axyn |〈0.5g，则将此时头部动作转化为键盘方向键中向下按键的动作； 当axm〈0且aym>0且azm古-g时，如果0.05g< | axym_axyn |〈0.5g，则将此时头部动作转化为键盘方向键中向左按键的动作； 当axm>0且aym〈0且azm古-g时，如果0.05g< | axym_axyn |〈0.5g，则将此时头部动作转化为键盘方向键中向右按键的动作； 其中，g为重力加速度，g = 9.8m/s2。每隔一个周期T时间，所述计算机将相隔一个周期T的两项加速度值进行一次上述判断，根据结果执行键盘方向键的相应动作。
4.根据权利要求1所述的颈椎康复保健计算机辅助训练系统，其特征在于，所述信号传输模块为信号线接口，或者无线传输模块。
5.根据权利要求1所述的颈椎康复保健计算机辅助训练系统，其特征在于，所述计算机还包括显不器、声音输出设备、键盘和鼠标。
6.根据权利要求1所述的颈椎康复保健计算机辅助训练系统，其特征在于，所述计算机是台式计算机、笔记本电脑、平板电脑或智能手机。
【文档编号】A63B23/025GK103977539SQ201410203177
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】刘庆凯, 张宽, 全海英, 马超逸, 汪之群 申请人:首都医科大学