一种太极拳基本动作训练与评估系统

1.本发明涉及太极拳训练领域，具体涉及利用单片机及红外传感器对太极拳动作的关节位置进行提示、感应、分析、对比的方法。
技术背景
2.太极拳无论是对于普通大众，还是对于老年人，亦或是其他特殊群体均有明显的健身与康复效果。当前人们练习太极拳主要是依靠自我感觉来确定动作是否到位，这不符合科学、有效健身的标准。对于初学者来说，很难通过自我感觉掌握正确的动作姿势与动作节奏，离开教练在旁对反复提醒，就无法正确地判断动作姿势是否到位、节奏是否准确。因此，有必要开发一套实用、便捷的训练设备对动作进行提示以及评估。
3.发明专利编号 cn 106422258 a 中公开了一种太极拳步法采集平台，其特征在于，利用数据分析模块分析步法采集平台发送过来的数据，抽取步法特征，并结合练习者的身高腿长数据，自动选择与之匹配的步法特征库，并根据步法特征库进行比对。
4.上述

技术实现要素：
通过压力传感器阵列对练习者的腿部动作数据进行分析，判断练习者的步形是否到位。缺点在于：仅仅通过压力特征的反馈，难以查明动作不合格的原因，也无法检测上肢动作是否到位。
5.本发明借助红外传感器与压力传感器，进行对人体姿态的判定，需要考虑到感应距离、固定方式、是否可调整等问题。并结合太极拳的特点，找到动作的特性与共性，才能确定合理的设备结构。
发明内容
6.本发明需要解决的技术问题是：针对上述存在问题，本发明提供了一种太极拳基本动作训练与评价系统进行解决。分为四个主要结构，包括传感器、标志桶杆、设备主机、移动端app。本发明共有7个红外传感器，分别通过7根数据线与设备主机进行连接；各个标志桶之间相互独立，各配有一根标志杆，可自由移动。标志杆上方安装一定数量的磁铁，通过磁铁，吸附红外传感器，将红外传感器固定在需要的位置上。如果需要调整红外传感器的位置，吸附在对应的磁铁上即可。带有刻度及柔性压力传感器阵列的瑜伽垫的刻度标定在正面，压力传感器阵列固定在反面，通过usb数据线与设备主机进行连接。设备主机通过蓝牙模块，与移动端app进行信息交互，移动端app根据接收到的信息，进行相应处理。本发明实现了对训练动作的实时反馈，通过评分模型，对太极拳基本动作进行自动判定和指导，使得动作更加规范；支持个人训练及课堂组织，减轻了教练的工作量；使用系统自带的图像及视频提示，全方位进行动作提示，掌握正确的动作节奏及匹配合适的运动量；自带数据库进行数据记录以及分析，从而使得训练者可以进行将成绩进行纵向以及横向比对，提高训练效率及趣味性。
7.本发明提供了一种太极拳基本动作训练与评估系统，包括：红外传感器（1）、标志桶杆（2）、设备主机（3）、移动端app（4）。红外传感器包括：红外识别模块、磁铁、micro usb母
座、传感器外壳。标志桶杆包括：标志桶、标志杆、支架、带有刻度及柔性压力传感器阵列的瑜伽垫。设备主机包括：stm32f103rct6 开发板、面包板、usb母座、电源模块、蓝牙模块、跳线、亚克力板、铜柱、螺母。
8.所述红外传感器（1）还设有：传感器外壳，分为传感器外壳下半部分（1-8）与传感器外壳上半部分（1-9），使用pla材质，通过3d打印完成。外壳前部留出方形小孔，将红外模块的探测灯从该小孔中露出。通过热熔胶，在传感器外壳内部固定红外模块、micro usb母座。红外模块与 micro usb母座之间通过跳线连接。在跳线两侧，还安装有磁铁，便于吸附在本设备的标志桶杆上。全套设备一共7个红外传感器，其中红外传感器（1）、红外传感器（3）、红外传感器（5）的micro usb开口向左，红外传感器红外传感器（2）、红外传感器（4）、红外传感器（6）的开口向右，红外传感器（7）的开口向后。上述7个红外传感器通过 micro-usb 数据线与设备主机的 usb 母口进行连接，进行数据传输。
9.所述标志桶杆（2）还设有：两个安装磁铁的标志桶（2-1）（2-2），可以快速吸附红外传感器，防止滑动。两个带有刻度、安装磁铁的标志杆（2-3）（2-4），分别插在两个标志桶（2-1）（2-2）中央，根据练习者的膝盖高度，可以利用磁吸设计快速调整红外传感器的位置。安装磁铁的有刻度可伸缩支架（2-6），可以根据练习者的身高以及将要训练的动作，调整高度，并安装手机支架（2-5）。所述可伸缩支架（2-6）可以在80cm～150cm之间自由伸缩与固定，顶端有6mm螺丝。金属标志杆（2-7），可吸附红外传感器（1-5）与红外传感器（1-6）。另外还包括带有刻度及柔性压力传感器阵列（2-9）的瑜伽垫（2-8），各个标志桶杆将根据瑜伽垫的刻度进行摆放。所述金属标志杆（2-7）中央有6mm圆孔，可将支架（2-6）的6mm螺丝插入并固定在支架上方。所述带有刻度及柔性压力传感器阵列（2-9）的瑜伽垫（2-8），其刻度标定在正面，压力传感器阵列（2-9）固定在反面，通过usb数据线与设备主机进行连接。当压力传感器阵列受到压力时，其电阻会发生改变，从改变电压的值。其刻度用于标定练习者训练开始之前的起始位置，其压力传感器用于判断练习者是否站指定的起势位置上。瑜伽垫通过usb数据线与设备主机连接。
10.所述设备主机还设有：stm32f103rct6开发板（3-10），用于控制设备的信号。开发板的引脚通过跳线连接到面包板（3-11），并分离至其他usb母座（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）（3-8）。电源模块（3-8）通过usb母座与开发板连接，给开发板供电。蓝牙模块用于与手机移动端app通信。亚克力板（3-13）包括在最外层，保护电路，通过铜柱（3-12）和螺母进行固定。其中电源模块（3-8）采用dc接口，将220v电压转换成12v电压，通过开关（3-9）控制。所述usb母座共有8个，通过数据线与各个对应的红外传感器（1-1）（1-2）（1-3）（1-4）（1-5）（1-6）（1-7）以及带有刻度及柔性压力传感器阵列（2-9）的瑜伽垫（2-8）连接。设备主机可在数据线范围内随意放置，受空间限制较小。
11.所述移动端app（4）还设有：用户登录界面、用户信息界面、训练界面等等。在训练时打开训练界面，提示练习者调整红外传感器的具体位置，然后根据训练界面的提示进行训练。所述移动端app通过调用手机蓝牙模块，与设备主机进行通信，接受信息并进行判断、记录。
12.与现有的技术相比，本发明的有益效果在于：设备的各个红外传感器采用磁吸式设计，可灵活调整与固定，并且支撑结构都带有刻度尺，可以对红外传感器进行定位。
13.带有刻度及柔性压力传感器阵列的瑜伽垫，可以用于判断练习者是否站立在指定位置上。
14.设备主机将收集到的信号进行判断，并通过蓝牙模块发送给手机移动端app，对于算法更改、动作增加、功能增加等需求，无需修改设备，只需修改app即可，丰富了扩展性。
15.在正式开始训练之前，需要预先设定准备练习的动作。此时，移动端app会提示练习者调整各个红外传感器的位置。练习者根据红外传感器的位置，做出的姿势即正确的太极拳动作。
16.练习者根据移动端app内的动画进行练习。动画节奏即正确的太极拳动作节奏。
17.移动端app可设定用户身份，选择个人训练或课堂模式，符合多种场景的训练需求。
附图说明
18.图1为本发明提供的一种太极拳基本动作训练与评估系统的主体结构示意图。
19.图2为本发明提供的一种太极拳基本动作训练与评估系统的红外传感器安装示意图。
20.图3为本发明提供的一种太极拳基本动作训练与评估系统的标志桶杆结构示意图。
21.图4为本发明提供的一种太极拳基本动作训练与评估系统的主机结构示意图。
22.图5为本发明提供的一种太极拳基本动作训练与评估系统的红外传感器设计图。
23.图6为本发明提供的一种功能太极拳基本动作训练与评估系统的带有刻度及柔性压力传感器阵列的瑜伽垫示意图附图标记说明：红外传感器，2-标志桶杆，3-设备主机，4-移动端app，1-1-右脚红外传感器，1-2-左脚红外传感器，1-3-右膝盖红外传感器，1-4-左膝盖红外传感器，1-5-右手红外传感器，1-6-左手红外传感器，1-1-右脚红外传感器。2-1-标志桶1，2-2-标志桶2，2-3-标志杆1，2-4-标志杆2，2-5-手机支架，2-6-带刻度的可伸缩标志杆，2-7-金属标志杆，2-8-带刻度及柔性压力传感器阵列的瑜伽垫，2-9-柔性压力传感器阵列。3-1-usb母口1，13-2
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usb母口2，3-3
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usb母口3，3-4
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usb母口4，3-5
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usb母口5，3-6
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usb母口6，3-7
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usb母口7，3-8-电源模块，3-9-开关，3-10-开发板，3-11-面包板，3-12-铜柱螺母，3-13-亚克力板，3-14-usb 母口。
具体实施方式
24.下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
25.如图1至图5所示，本发明实施例的一种太极拳基本动作训练与评估系统，包括：红外传感器（1）、标志桶杆（2）、设备主机（3）、移动端app（4）。红外传感器包括：红外识别模块、磁铁、micro usb母座、传感器外壳。标志桶杆包括：标志桶、标志杆、支架、带有刻度及柔性压力传感器阵列的瑜伽垫。设备主机包括：stm32f103rct6 开发板、面包板、usb母座、电源模块、蓝牙模块、跳线、亚克力板、铜柱、螺母。
26.所述红外传感器（1）还设有：传感器外壳，分为传感器外壳下半部分（1-8）与传感器外壳上半部分（1-9），使用pla材质，通过3d打印完成。通过热熔胶，在传感器外壳内部固定红外模块、micro usb母座。红外模块与 micro usb母座之间通过跳线连接。红外模块的vcc连接在micro usb母座的vcc引脚口上，gnd相互连接，out与d+引脚口连接。在跳线两侧，还安装有磁铁，便于吸附在本设备的标志桶杆上。全套设备一共7个红外传感器，其中红外传感器（1）、红外传感器（3）、红外传感器（5）的micro usb开口向左，红外传感器红外传感器（2）、红外传感器（4）、红外传感器（6）的开口向右，红外传感器（7）的开口向后。
27.移动端app会根据用户的实际情况，推送出各个红外传感器应放置的位置。
28.练习者在训练之前，先根据app提示，固定好所有的红外传感器。
29.所述标志桶杆（2）用于固定红外传感器。其中两个安装磁铁的标志桶（2-1）（2-2），可以快速吸附红外传感器，防止滑动。两个带有刻度、安装磁铁的标志杆（2-3）（2-4），分别插在两个标志桶（2-1）（2-2）中央，根据练习者的膝盖高度，可以利用磁吸设计快速调整红外传感器的位置。安装磁铁的有刻度可伸缩支架（2-6），可以根据练习者的身高以及将要训练的动作，调整高度。所述可伸缩支架（2-6）可以在80cm～150cm之间自由伸缩与固定，顶端有6mm螺丝，可安装手机支架（2-5）。金属标志杆（2-7），可吸附红外传感器（1-5）与红外传感器（1-6）。另外还包括带有刻度的地毯（2-8），各个标志桶杆将根据地毯的刻度进行摆放。所述金属标志杆（2-7）中央有6mm圆孔，可将支架（2-6）的6mm螺丝插入并固定在支架上方。所述带有刻度及柔性压力传感器阵列（2-9）的瑜伽垫（2-8），其刻度标定在正面，压力传感器阵列固定在反面，通过usb数据线与设备主机进行连接。当压力传感器阵列受到压力时，其电阻会发生改变，从改变电压的值。其刻度用于标定练习者训练开始之前的起始位置，其压力传感器用于判断练习者是否站指定的起势位置上。瑜伽垫（2-8）通过usb数据线与设备主机连接。所述带有刻度及柔性压力传感器阵列的瑜伽垫（2-8），其刻度标定在正面，压力传感器阵列（2-9）固定在反面，通过usb数据线与设备主机进行连接。当压力传感器阵列受到压力时，其电阻会发生改变，从改变电压的值。其刻度用于标定练习者训练开始之前的起始位置，其压力传感器用于判断练习者是否站指定的起势位置上。瑜伽垫通过usb数据线与设备主机连接。以“野马分鬃”动作为例，带有刻度及柔性压力传感器阵列的瑜伽垫（2-8）用于判断练习者是否站在指定的起势位置上，红外传感器（5）（6）分别对应的是左右手的动作，红外传感器（3）（4）分别对应的是膝盖的动作，判断是否垂直于地面。红外传感器（1）（2）分别对应的是脚的动作，判断脚的落点是否正确。
30.所述设备主机还设有：stm32f103rct6开发板（3-10），用于控制设备的信号。开发板的引脚通过跳线连接到面包板（3-11），并分离至其他usb母座（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）（3-14）。电源模块（3-8）通过usb母座与开发板连接，给开发板供电。蓝牙模块用于与手机移动端app通信。亚克力板（3-13）包括在最外层，保护电路，通过铜柱（3-12）和螺母进行固定。其中电源模块（3-8）采用dc接口，将220v电压转换成12v电压，通过开关（3-9）控制。所述usb母座共有8个，通过数据线与各个对应的红外传感器（1-1）（1-2）（1-3）（1-4）（1-5）（1-6）（1-7）以及带有刻度及柔性压力传感器阵列的瑜伽垫（2-8）连接。
31.通过所述设备主机的实现方式，只有一个dc电源输入口，并且只有一个按钮进行开关控制。
32.所述移动端app（4）还设有：用户登录界面、用户信息界面、训练界面等等。在训练
时打开训练界面，提示练习者调整红外传感器的具体位置，然后根据训练界面的提示进行训练。
33.打开移动端app，选择搜索设备，点击“taichi master”，即可连接。
34.训练动作、训练模式的更改，均在app中完成，使用方便。
35.以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明是实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。