一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法，该包括头部动作检测传感器、USB?UART信号转换器、单片机和上位机，所述头部动作检测传感器设置于人体头部额头处，所述头部动作检测传感器的输出端连接单片机的输入端，所述单片机的串口连接USB?UART信号转换器的串口信号端，所述USB?UART信号转换器的USB端连接上位机的USB输入端；该系统可以采集人体头部动作，并将采集到的动作转换为对计算机按键的响应事件，可以实现通过颈部运动来控制颈椎锻炼应用程序的目的，具有成本低、结构比较简单、使用方便的优势。系统使用的传感器原理、结构简单容易实现，且所用电子器件数量较少。
【专利说明】
一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及人体颈椎运动锻炼技术领域，具体涉及一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着计算机的大量普及，长时间静坐在计算机前工作与学习成了颈椎病发作的主要原因。颈椎病虽然比较常见，但却是一种疑难杂症，轻者会导致患者头、颈及肩等部位的酸痛，重者会使患者卧床不起，由此可见，颈椎病给患者带来的危害是非常严重的。
[0003]对于颈椎病的防治，关键在于日常的预防锻炼，只有平时多注意预防并加强自身防护和颈部功能锻炼，增强全身肌群的协调性，才能达到预防颈椎病的发生。目前颈椎的锻炼手段主要是一些颈椎运动操(多为头部仰/俯运动)，然而，由于做这些运动操过于单调等原因，使得人们往往忘记或者不喜欢做，极容易使运动操做的不连续，预防效果不好。因此，亟需一种能够提起人们兴趣的方法来增加颈部运动操的趣味性，达到帮助使用者持续进行颈部锻炼的目的。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明提出一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法。
[0005]本发明的技术方案是:
[0006]一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统，包括头部动作检测传感器、USB-UART信号转换器、单片机和上位机；
[0007]所述头部动作检测传感器设置于人体头部额头处，所述头部动作检测传感器的输出端连接单片机的输入端，所述单片机的串口连接USB-UART信号转换器的串口信号端，所述USB-UART信号转换器的USB端连接上位机的USB输入端；
[0008]所述头部动作检测传感器，用于实时检测人体头部的动作，得到输出电信号；
[0009]所述单片机，用于接收头部动作检测传感器的输出电信号，根据该输出电信号的有无判断头部动作是否发生，当头部动作发生时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口；
[0010]所述USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源；
[0011]所述上位机，用于根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
[0012]所述上位机安装有颈椎运动锻炼单元，包括键盘虚拟码设定模块、接口模块和颈椎运动锻炼模块；
[0013]所述键盘虚拟码设定模块，用于设定头部不同动作的数据对应的键盘虚拟码；
[0014]所述接口模块，用于识别接收的数字信号对应的头部动作，并将该动作对应的键盘识别码传送至颈椎运动锻炼模块；
[0015]所述颈椎运动锻炼模块，用于设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
[0016]所述头部动作检测传感器采用槽型光电传感器内部放入遮光球实现。
[0017]采用基于人机接口的颈椎运动锻炼系统进行控制的方法，包括以下步骤:
[0018]步骤1:在人体头部进行动作时，头部动作检测传感器实时检测人体头部的动作，得到输出电信号；
[0019]步骤2:当单片机接收到头部动作检测传感器的输出电信号时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口 ；
[0020]步骤3= USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源；
[0021]步骤4:上位机根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
[0022]本发明的有益效果:
[0023]本发明提出一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统及方法，该系统可以采集人体头部动作，并将采集到的动作转换为对计算机按键的响应事件，可以实现通过颈部运动来控制颈椎锻炼应用程序的目的。本系统具有成本低、结构比较简单、使用方便的优势。系统使用的传感器原理、结构简单容易实现，且所用电子器件数量较少。系统由计算机USB端口供电无需外接电源，能够将颈椎运动操作与计算机游戏控制结合在一起，增加了颈部运动操的趣味性，有利于颈椎病的预防。
【附图说明】
[0024]图1为本发明【具体实施方式】中基于人机接口的颈椎运动锻炼系统的结构示意图；
[0025]图2本发明【具体实施方式】中头部动作检测传感器的结构原理图；
[0026](a)为遮光球未遮挡投光器的原理图；
[0027](b)为遮光球跳起并遮挡投光器的原理图
[0028]图3本发明【具体实施方式】中使用头部动作检测传感器进行检测时采集到的信号波形图；
[0029]图4为本发明【具体实施方式】中单片机与头部动作检测传感器的电路图；
[0030]图5为本发明【具体实施方式】中USB-UART信号转换器的电路图；
[0031 ]图6为本发明【具体实施方式】中基于人机接口的颈椎运动锻炼方法的流程图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明【具体实施方式】加以详细的说明。
[0033]—种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统，如图1所示，包括头部动作检测传感器1、USB-UART信号转换器、单片机和上位机。
[0034]头部动作检测传感器I设置于人体头部额头处，头部动作检测传感器I的输出端连接单片机的输入端，单片机的串口连接USB-UART信号转换器的串口信号端，USB-UART信号转换器的USB端连接上位机的USB 口的输入端。
[0035]头部动作检测传感器I，用于实时检测人体头部的动作，得到输出电信号。
[0036]本实施方式中，头部动作检测传感器I采用槽型光电传感器内部放入遮光球实现，如图2所示，对槽型光电传感器进行封闭，内部放入一个遮光球，可使用直径为3mm的金属球。当头部动作检测传感器I随着头部进行晃动时，遮光球会由于惯性作用跳起并遮挡投光器发出的红外光，头部动作检测传感器I的输出信号由此会发生改变，当头部每进行一次动作时，头部动作检测传感器I的输出端都会出现一次脉冲信号，从而实现对颈椎动作的检测。使用头部动作检测传感器I进行检测时采集到的信号波形图如图3所示，遮光球一次遮光产生的脉冲信号幅值为5V左右，脉冲宽度大概为20ms。
[0037]单片机，用于接收头部动作检测传感器的输出电信号，根据该输出电信号的有无判断头部动作是否发生，当头部动作发生时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口。
[0038]本实施方式中，单片机将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号，如头部向左转:0x01、头部向右转:0x02、头部向上:0x03、头部向下:0x04。
[0039]本实施方式中，头部动作检测传感器P2与单片机Ul连接的电路，如图4所示。第一电阻Rl与第一电容Cl相连构成单片机Ul的自动复位电路，第二电阻R2连接头部动作检测传感器P2的输出端与电源端起到上拉电阻的作用，第三电阻R3连接电源端与信号输入端，使头部动作检测传感器P2内部的发光管发光，第二电容C2和第三电容C3分别连接晶体振荡器Yl的两端以及GND端，头部动作检测传感器P2的信号输出端连接单片机Ul的外部中断引脚12号脚上，单片机Ul的20号和40号引脚分别连接GND端和供电端，本实施方式中，单片机Ul型号为STC89c51。
[0040]USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源。
[0041 ] 本实施方式中，USB-UART信号转换器的电路图如图5所示，USB-UART信号转换器为PL-2303HX转换芯片，第四电容C4和第五电容C5分别连接PL-2303HX转换芯片的28号引脚和27号引脚与GND端，晶振Y2的两端直接连接PL-2303HX转换芯片的28号引脚和27号引脚，PL-2303HX转换芯片的26号引脚、25号引脚、21号引脚以及8号引脚分别与GND相连，第六电容C6连接在PL-2303HX转换芯片的25号脚和17号脚之间，PL-2303HX转换芯片的20号引脚连接上位机USB端口的4号引脚作为供电端，第七电容C7连接PL-2303HX转换芯片的20号引脚与USB端的I号引脚，USB端的I号引脚作为GND端，第4电阻R4连接PL-2303HX的17号引脚与USB端的I号引脚，第五电阻R5和第六电阻R6分别连接PL-2303HX转换芯片的16号引脚与USB端的3号引脚以及PL-2303HX转换芯片的15号引脚与USB端的2号引脚。
[0042]上位机，用于根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
[0043]上位机安装有颈椎运动锻炼单元，包括键盘虚拟码设定模块、接口模块和颈椎运动锻炼模块。
[0044]键盘虚拟码设定模块，用于设定头部不同动作的数据对应的键盘虚拟码。
[0045]本实施方式中，头部向左转0x01对应的键盘按键为向左方向键、头部向右转0x02对应的键盘按键为向右方向键、头部向上0x03对应的键盘按键为向上方向键、头部向下0x04对应的键盘按键为向下方向键。
[0046]接口模块，基于VisualBasic设计，可实现对上位机虚拟串口的设置和数据的读取，通过USB端口读取USB-UART信号转换器的UART信号数据，设置的波特率为4800，数据位为8位，停止位为I位，无奇偶校验位。用于识别接收的数字信号对应的头部动作，并将该动作对应的键盘识别码传送至颈椎运动锻炼模块。此部分功能可通过Visual Basic中相应的API函数来实现。
[0047]颈椎运动锻炼模块，设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
[0048]本实施方式中，颈椎运动锻炼模块可以基于趣味游戏开发，要求使用者通过头部动作来控制游戏人物完成特定场景任务，例如控制人物通过跳跃来躲避障碍物等。该程序在响应使用者动作的同时还可将使用者每次的锻炼时间，锻炼次数以及完成任务的成绩等数据进行记录，并可根据这些数据为使用者每天的锻炼目标进行分析及设定，为使用者量身订制锻炼方案。
[0049]采用基于人机接口的颈椎运动锻炼系统进行控制的方法，如图6所示，包括以下步骤:
[0050]步骤1:在人体头部进行动作时，头部动作检测传感器实时检测人体头部的动作，得到输出电信号；
[0051]步骤2:当单片机接收到头部动作检测传感器的输出电信号时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口 ；
[0052]步骤3= USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源；
[0053]步骤4:上位机根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
【主权项】
1.一种基于人机接口的颈椎运动锻炼系统，其特征在于，包括头部动作检测传感器、USB-UART信号转换器、单片机和上位机； 所述头部动作检测传感器设置于人体头部额头处，所述头部动作检测传感器的输出端连接单片机的输入端，所述单片机的串口连接USB-UART信号转换器的串口信号端，所述USB-UART信号转换器的USB端连接上位机的USB输入端； 所述头部动作检测传感器，用于实时检测人体头部的动作，得到输出电信号； 所述单片机，用于接收头部动作检测传感器的输出电信号，根据该输出电信号的有无判断头部动作是否发生，当头部动作发生时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口； 所述USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源； 所述上位机，用于根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。2.根据权利要求1所述的基于人机接口的颈椎运动锻炼系统，其特征在于，所述上位机安装有颈椎运动锻炼单元，包括键盘虚拟码设定模块、接口模块和颈椎运动锻炼模块； 所述键盘虚拟码设定模块，用于设定头部不同动作的数据对应的键盘虚拟码； 所述接口模块，用于识别接收的数字信号对应的头部动作，并将该动作对应的键盘识别码传送至颈椎运动锻炼模块； 所述颈椎运动锻炼模块，用于设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。3.根据权利要求1所述的基于人机接口的颈椎运动锻炼系统，其特征在于，所述头部动作检测传感器采用槽型光电传感器内部放入遮光球实现。4.采用权利要求1所述的基于人机接口的颈椎运动锻炼系统进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:在人体头部进行动作时，头部动作检测传感器实时检测人体头部的动作，得到输出电信号； 步骤2:当单片机接收到头部动作检测传感器的输出电信号时，则将头部不同动作的电信号转换为设定的数字信号发送至串口 ； 步骤3 = USB-UART信号转换器，用于将单片机串口的数字信号转换为USB端口的数字信号传送至上位机，并为单片机和传感器提供电源； 步骤4:上位机根据接收的数字信号转换为键盘识别码，并设定指定动作以及指定动作的次数阈值，通过键盘识别码识别出该动作是否达到指定动作的次数阈值，若达到该指定动作的次数阈值，显示该指定动作并保存。
【文档编号】G05B19/042GK105911910SQ201610311780
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】刘冲, 王宏, 陆志国, 赵海滨, 颜世玉, 于清文
【申请人】东北大学