一种训练辅助系统和方法与流程

本发明属于智能运动设备技术领域，特别是指一种训练辅助系统和方法。

背景技术：

目前训练辅助系统，主要是由多个子节点采集肢体姿态惯导数据，通过rf数据通讯单元汇总至主节点，再经由wifi上传至分析系统。训练结束后还原训练者训练过程的动作模型，或者训练结束后将训练者的训练过程三维还原显示，并通过动作识别算法对比与标准动作模型的差异，以上两种辅助训练方法，均是需要本次训练结束后再给予指导建议，而这种方法在实际中，训练者在观看动作回放的时候，经常会忘记当时自己的动作姿态是什么样的，是否与经由惯性传感器采集的结果一致。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于姿态数据的训练辅助系统和方法，时时提醒训练者纠正动作，以解决训练结束后训练者忘记自己的训练动作的问题。

一种训练辅助系统，包括：依次无线连接的系统控制模块、主节点和复数个子节点以及与所述系统控制模块电连与所述主节点无线连接的系统分析模块；不同的子节点用于佩戴在训练者不同的肢体部位或/和所持器械某部位，并用所述子节点id号与所述子节点佩戴处的所述部位相关联；

佩戴在训练者关节上的复数个子节点，用于采集训练者的动作数据，与标准动作数据匹配，并根据匹配度提醒训练者注意动作；

所述系统分析模块用于储存各标准训练动作的动作特征和训练者做所述各训练动作时的动作特征，并将训练者的动作特征与标准动作特征匹配；

所述系统控制模块用于训练者选定训练场景、提示训练者做出各训练动作、绑定设备、控制训练过程的开始与结束、训练结束后查看训练分析报告，并将所述系统分析模块保存的各训练动作的标准动作特征通过所述主节点下发给各个所述子节点；

所述子节点包括依次电连接的rf数据通讯单元、指示提醒单元、动作识别单元和九轴惯性传感器，其中所述rf数据通讯单元还与所述动作识别单元电连；

所述动作识别单元用于通过所述rf数据通讯单元接收所述主节点传输的所述标准动作特征，并将所述九轴惯性传感器采集的训练者作出训练动作时的该子节点处所在部位的动作特征与所述标准动作特征数据比对，确定出该部位运动匹配度，并通过所述指示提醒单元进行相应提醒。

由上，通过动作识别单元对训练者的动作特征与标准动作特征进行匹配，并向指示提醒单元输出匹配度，指示提醒单元根据匹配度时时提醒训练者纠正训练动作。

较佳的，所述系统控制模块还用于提示训练者做出一用于绑定的特定动作，并将所述系统分析模块保存的标准特定动作的动作特征通过所述主节点下发给各个所述子节点；

所述子节点的所述动作识别单元还用于通过所述rf数据通讯单元接收所述主节点传输的所述标准特定动作的动作特征，并将所述九轴惯性传感器采集的训练者作出所述特定动作时的该子节点处所在部位的动作特征与所述标准特定动作的动作特征比对，确定所述子节点id号与所述子节点佩戴处的所述部位相关联。

由上，根据训练者做出的特定动作，动作识别单元将训练者做出的特定动作的动作特征与标准特定动作的动作特征比对，比对成功，各子节点的id号就与各子节点佩戴的部位相关联，从而快速的将各子节点绑定在各关节部位。

较佳的，所述子节点的指示提醒单元包括：led和/或震动马达。

由上，指示提醒单元通过led和/或震动马达来提醒训练者纠正自己的训练动作。

较佳的，所述子节点还用于通过其rf数据通讯单元将所述九轴惯性传感器采集的训练者作出的所述训练动作数据上传至所述主节点缓存；

所述系统分析模块还保存用于通过主节点接收并存储各子节点的所述训练动作数据，以构成训练者动作数据库，并分析计算出所述训练动作数据的动作特征，与其保存的标准动作数据库中的动作特征进行比较分析。

较佳的，所述主节点包括与所述子节点通讯的rf数据通讯单元和与所述系统控制模块及系统分析模块通讯的wifi传输单元。

一种包括以上所述系统的辅助训练方法，包括步骤：

a、将不同的子节点佩戴在训练者不同的肢体部位或/和所持器械某部位；

b、将各个子节点id号与对应的各个部位关联；

c、通过系统控制模块展示训练者所选运动场景包含的各训练动作，并将各标准训练动作的动作特征通过主节点下发给各个子节点；

d、每个子节点接收主节点传输的所述标准训练动作的动作特征，并将采集的训练者作出该训练动作时的该子节点处所在部位的动作特征与该子节点所绑定的对应部位处的所述标准训练动作的动作特征比对，确定出该部位运动匹配度并进行相应提醒。

较佳的，所述步骤b包括：

通过所述系统控制模块提示训练者做出一用于绑定的特定动作，并将标准特定动作的动作特征通过主节点下发给各个子节点；

每个子节点接收主节点传输的所述标准特定动作的动作特征，并将采集的训练者作出该特定动作时的该子节点处所在部位的动作特征与所述标准特定动作的动作特征比对，确定出所述子节点id号与所述子节点绑定部位相关联。

较佳的，步骤d后还包括：

系统分析模块通过所述主节点接收各个所述子节点的训练动作数据，据此记录各个部位的训练动作数据构成训练者动作数据库，与其标准动作数据库中的动作特征进行比较分析。

较佳的，所述系统分析模块通过所述主节点接收各个子节点的训练动作数据的步骤包括：

所述主节点接收各个子节点的所述训练动作数据并缓存，然后将数据打包后传输给所述系统分析模块。

附图说明

图1为一种基于姿态数据的辅助分析系统的框架图；

图2为一种基于姿态数据的辅助分析方法的辅助训练的流程图之一；

图3为一种基于姿态数据的辅助分析方法的辅助训练的流程图之二；

图4为在辅助训练开始前系统自检查的流程图；

图5为手动绑定的流程图：

图6为辅助训练的流程图：

图7为结束训练的流程图：

图8为动态绑定的流程图之一；

图9为动态绑定的流程图之二。

具体实施方式

一种基于姿态数据的实时训练辅助系统，如图1所示，其包括佩戴在人体各个关节上采集各关节运动数据并实时提醒训练者动作是否标准的多个子节点1、与多个子节点通讯并向其传输命令的主节点2、保存训练者的动作数据和标准动作数据且在训练结束后对训练者的训练动作与标准动作进行比较分析，并把分析结果传送给到系统控制模块的系统分析模块3、与主节点和系统分析模块通讯并通过主节点向多个子节点下发命令的系统控制模块4。

子节点

与主节点通讯的子节点在每套系统中可以有若干个，训练者可以根据实际需求，将子节点的两端绑定在器械和肢体上，每个子节点1都包括：九轴惯性传感器11、动作识别单元12、指示提醒单元13、rf数据通讯单元14；

九轴惯性传感器11，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，分别用来采集训练者训练时的加速度、角速度和移动方向以及利用以上三者算出来的四元数等姿态数据；九轴惯性传感器11与动作识别单元12和rf数据通讯单元14分别相连，并把采集的训练者运动数据分别传给动作识别单元12和rf数据通讯单元14。

动作识别单元12，接收九轴惯性传感器11采集的训练者运动数据，将实时接收的训练者运动数据中的动作特征与保存在标准动作模型库里的动作特征做匹配，并向指示提醒单元13输出各项动作特征的匹配度；另外还与rf数据通讯单元14通讯，接收系统控制模块下发到rf数据通讯单元14的命令。

指示提醒单元13，与动作识别单元12通讯，接收并根据动作识别单元12输出的动作特征匹配度，通过震动马达做出震动指示或通过led灯做出闪灯指示，来提醒训练者动作是否达到标准。

rf数据通讯单元14，与九轴惯性传感器11和主节点的rf数据通讯单元21相连，将九轴惯性传感器11采集的训练者运动数据发送至主节点的rf数据通讯单元21。

主节点2

主节点，用于缓存训练者的动作数据，并在训练结束后将该动作数据发送到后述的系统分析模块3里的训练者动作数据库31里进行保存；另外其还转送后述的系统控制模块下发给子节点的命令，其包括rf数据通讯单元21和wifi传输单元22。

rf数据通讯单元21，与wifi传输单元22和子节点的rf数据通讯单元14相连，接收子节点的rf数据通讯单元14发送的训练者运动数据，通过wifi传输单元22的wifi接口将训练者运动数据发送至系统分析模块的训练者动作数据库，且通过wifi接口转送系统控制模块下发给子节点的命令；

wifi传输单元22，为通讯接口，与rf数据通讯单元21、训练者动作数据库和系统控制模块相连，系统控制模块下发的命令和子节点处采集的训练者运动数据通过该通讯端口传递下去。

系统分析模块3

系统分析模块，其对训练者的动作与标准动作数据库里的动作进行比较分析，判断训练者动作的标准度，并输出判断分析报告，为系统控制模块提供训练者选定的训练场景和该场景下的动作特征集；

其包括标准动作数据库31、训练者动作数据库32和与二者均相连的动作分析单元33，标准动作数据库31、训练者动作数据库32分别储存标准动作和训练者的动作数据，动作分析单元33是一种包括动作识别分析算法的控制程序，其可以置于移动设备、台式电脑或服务器上，其从训练者同时进行的多个不同动作里分类存放相同类型的动作，并提取同类动作的动作特征，和标准动作库里的动作特征相比较来判断训练者动作是否达标，主要通过动作幅度是否过大、标准或过小来判断，并将最终的训练者动作分析报告输出给系统控制模块4。

系统控制模块4

系统控制模块4可以是一个可操作的系统，可以是ipad、台式或手提电脑，与动作分析单元和wifi传输单元相连，用于训练者选定训练场景、提示训练者做出各训练动作、绑定设备、控制训练过程的开始与结束、训练结束后查看训练分析报告，并将所述系统分析模块保存的各训练动作的标准动作特征通过所述主节点下发给各个所述子节点。

一种基于姿态数据的辅助训练的方法，其通过基于姿态数据的训练辅助系统实现辅助训练，训练者将各个子节点的一端与该系统相连，另一端绑在训练者的各个关节上，实现辅助训练的步骤如图2和图3所示，其包括：

步骤s1：系统自检查，通过判断各子节点处于空闲工作状态来确认各子节点可用，其操作步骤如图4所示，具体包括：

步骤s11：主节点的wifi传输单元22按每秒一次向系统控制模块4上报所有子节点的工作状态，包括自身设备信息、已绑定子节点id、动作特征、电量、rf信号质量等，直至训练者训练结束；

将各个子节点的一端与该系统相连，刚开机时，主节点的wifi传输单元22汇报工作状态是没有上面的信息的，在后述的子节点绑定关节后，主节点时时获取已绑定子节点的绑定信息、电量、rf信号质量，主节点就可以上报系统控制模块各已绑定子节点工作状态。

步骤s12：系统控制模块4收到主节点的wifi传输单元22上报的工作状态后，向主节点wifi传输单元22回复空闲指令；

步骤s13：主节点的rf数据通讯单元21转发空闲指令，给所有子节点的rf数据通讯单元14，子节点的rf数据通讯单元再转发给指示提醒单元，指示提醒单元通过亮灯的方式告诉训练者该子节点空闲可用。

步骤s2：训练者选择运动场景和绑定位置；

系统控制模块通过系统分析单元转发的从标准动作数据库里调取的可支持的全部运动场景，训练者从中选取自己要训练的运动场景，并选择绑定位置；

步骤s3：系统控制模块根据选定的运动场景从系统分析模块的标准动作数据库里获取本次训练可绑定的所有位置和每个位置的标准动作特征；

因为不同运动场景分析的位置不同，所以每种运动场景可绑定的位置也可能不同；标准动作特征指的是基于目标动作姿态数据提取出的所有特征的集合；此处特征包含动作幅度a、动作周期t、动作三轴姿态角变化范围等。

步骤s4：子节点绑定各关节并确认绑定成功；

将各子节点另一端绑定在各关节部位后，主节点与子节点实时交互，主节点实时获得了子节点的绑定信息(包括训练者选定的运动场景，绑定的子节点id)、电量以及rf信号质量，但是系统控制模块需要对各个子节点的绑定情况进行确认，其确认过程如图5所示，具体如下：

步骤s41：系统控制模块收到步骤s11的信息后向主节点下达各子节点绑定命令；

训练者通过系统控制模块选定某一或按顺序选择几个可绑定位置，对子节点进行绑定；系统控制模块通过wifi接口将绑定命令转给主节点的wifi传输单元。

步骤s42：主节点接收绑定命令，并将绑定命令转给各个子节点；

主节点的rf数据通讯单元将绑定命令转给各个子节点的rf数据通讯单元，各个子节点的rf数据通讯单元给与之通讯的指示提醒单元一个信号，指示提醒单元以led灯闪烁的方式提醒训练者进行确认；

步骤s43：训练者确认收到绑定命令，子节点将绑定信息传送给主节点；

训练者通过敲击步骤s41选定位置的子节点的方式来确认收到系统控制模块发送的绑定子节点命令，选定位置的子节点的九轴传感器收到敲击信号后，动作识别单元接收系统控制模块发送的包括运动场景、绑定位置等信息后，通过所述子节点的rf数据通讯单元将系统控制模块发送来的绑定数据增加该子节点id号后回传给主节点的rf数据通讯单元；

如果是按顺序将各个子节点绑定在各个关节上，训练者通过敲击方式进行确认时，也要按照先前绑定子节点的顺序进行敲击确认。

步骤s44：主节点将子节点传送的绑定信息打包传给系统控制模块；

主节点通过wifi接口将传送到主节点的rf数据通讯单元的子节点绑定信息转发给系统控制模块；

步骤s45：系统控制模块收到主节点传送的子节点的绑定信息后，向主节点下发二次确认绑定命令(包括运动场景、绑定位置、子节点id号等信息)，主节点转发该确认绑定命令给各子节点，与确认绑定命令中子节点id号相同的子节点的rf数据通讯单元收到该命令后，给指示提醒单元一个信号，指示提醒单元通过led灯闪亮的方式指示使用者此子节点已经完成绑定。

进行二次确认绑定信息，以确保选定绑定的子节点都能绑定成功并指示使用者此次绑定过程已完成，可以对下一个子节点进行绑定。

步骤s5：训练者进行训练；

系统控制模块收到步骤s11的信息后，训练者在系统控制模块确认进行训练，其流程如图6所示，具体训练过程如下：

步骤s51：系统控制模块开始通过主节点向子节点下发步骤s3中的标准动作特征；

系统控制模块通过wifi接口将训练者选定的运动场景下的标准动作特征通过主节点的wifi传输单元发送给主节点的rf数据通讯单元，主节点的rf数据通讯单元再发送给子节点的rf数据通讯单元，子节点将rf数据通讯单元接收到的标准动作特征存储在动作识别单元；

步骤52：各子节点的动作识别单元实时获取九轴惯性传感器采集的训练者姿态数据后，计算出一个训练周期内的动作幅度和三轴姿态角变化范围，提出动作周期和运动类型，用动作识别单元的算法与标准动作特征做匹配，并向指示提醒单元输出两特征集进行逐一匹配后的动作匹配度；

步骤53：各个子节点的指示提醒单元收到匹配度后，通过灯光、声音或震动的方式对训练者做出动作幅度不足、动作达标、动作错误等提示。

训练者进行训练的同时，需要将训练者时时训练的姿态数据保存到主节点，主节点缓存满后，发送到系统分析模块的训练者数据库中保存，且在训练结束后，由主节点打包将训练者的所有数据发送到系统分析模块的训练者动作数据库中保存，其保存步骤包括：

步骤1：系统控制模块处在训练状态下，每收到一次步骤s11的信息，就会通过主节点向子节点下发训练指令，获取包括所有已绑定子节点位置的动作类型、幅度、周期、三轴姿态角变化范围等信息；

系统控制模块通过wifi接口向主节点的rf数据通讯单元发送训练命令，主节点的rf数据通讯单元将训练命令发送给所有子节点的rf数据通讯单元，所有子节点的rf数据通讯单元再将该训练命令转给与之通讯的动作识别单元。

步骤2：各子节点将训练者的姿态数据传给主节点；

各个子节点的动作识别单元收到该训练命令后，将九轴惯性传感器采集的训练者的姿态数据包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计测得的数据以及四元数通过子节点的rf数据通讯单元传给主节点的rf数据通讯单元。

步骤3：在训练结束后，主节点接收所有子节点传送的姿态数据，并打包发送至系统分析模块中的训练者数据库中。

步骤s6：结束训练，其具体步骤如图7所示，具体包括：

步骤s61：训练者在系统控制模块确认结束训练，当系统控制模块再次收到步骤s11的信息时，通过wifi接口下发训练结束命令至主节点的rf数据通讯单元；

步骤s62：主节点的rf数据通讯单元将结束训练命令传给所有子节点的rf数据通讯单元，所有子节点停止上传姿态数据到主节点；

步骤s63：主节点的rf数据通讯单元将缓存的所有子节点的rf数据通讯单元传送的姿态数据，通过主节点wifi传输单元传送至系统分析模块的训练者动作数据库中，并在最后追加结束训练标识。

步骤s7：系统分析模块对训练者的动作和标准动作进行对比分析，并向系统控制模块推送分析报告；

系统分析模块从训练者动作数据库调取训练者所有子节点的姿态数据，并分类存放，比如腿部的动作放在一起，计算或提取动作特征，和从标准动作数据库中提取的目标特征集做对比，分析每个动作的匹配度，并形成分析报告发送至系统控制模块。

动态绑定

在步骤s1和s5之间，实现子节点动态绑定并确认绑定成功，所谓子节点动态绑定就是将子节点随机绑定在训练者关节，通过训练者做一个特定动作，使训练者在每个子节点上的动作特征与特定动作的标准动作特征匹配，匹配成功说明动态绑定成功，这样通过一个特定动作实现子节点随机快速的绑定在各个关节上，其绑定过程如图8和图9所示，具体步骤包括：

步骤a1：训练者在系统控制模块选定特定动作；

步骤a2：系统控制模块从系统分析模块获取特定动作的所有动作特征；

系统控制模块根据选定的特定动作从系统分析模块的标准动作数据库里获取该特定动作需要绑定的所有位置和每个位置的标准动作特征，包括17个关键身体部位的姿态变化范围，周期等信息。

步骤a3：系统控制模块提示训练者做出特定动作，例如开合跳；

步骤a4：系统控制模块确认子节点绑定是否成功；

步骤a41：系统控制模块通过主节点向子节点下发特定动作的动作特征；

系统控制模块通过wifi接口将特定动作的动作特征下发到主节点的rf数据通讯单元，主节点的rf数据通讯单元转发到子节点的rf数据通讯单元，子节点的rf数据通讯单元将该信息转至动作识别单元；

步骤a42：子节点将训练者的特定动作的动作特征与目标动作特征匹配，并向主节点返回绑定成功的子节点绑定信息；

各子节点的动作识别单元计算实时获得的九轴惯性传感器采集的每个绑定位置处的姿态数据的动作特征，即每个子节点id处的动作特征与其接收的系统控制端下发的全部绑定位置的动作特征进行对比，从接收的系统控制端下发的全部绑定位置的动作特征中找到与该子节点id处的动作特征匹配的标准动作特征，说明该子节点绑定成功，经过随机延时后(防止rf空中碰撞)，将包括该子节点唯一设备id、运动场景、绑定位置的信息通过该子节点的rf数据通讯单元持续回复给主节点的rf数据通讯单元。

步骤a43：主节点转发各绑定成功的子节点绑定信息给系统控制模块；

主节点使用wifi接口逐一转发步骤5的绑定成功的子节点绑定信息给系统控制模块。

步骤a5：系统控制模块二次确认各子节点绑定情况；

步骤a51：系统控制模块通过主节点向子节点下发各子节点的绑定信息；

系统控制模块收到主节点转发的绑定信息，位置确认无误后通过主节点下发确认包括该子节点唯一设备id、运动场景、绑定位置的绑定信息给子节点。

步骤a52：子节点的rf数据通讯单元将该子节点绑定信息发送给指示提醒单元，指示提醒单元向训练者做出提醒。

通过动态绑定，可以实现一次绑定多个子节点，而且绑定速度非常快。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。