基于数字孪生的综合健康管理系统的制作方法

1.本发明涉及坐姿监测领域，具体涉及一种基于数字孪生的综合健康管理系统。


背景技术：

2.健康的坐姿可以帮助人们提高工作效率，减轻脊柱压力，有利于骨骼健康，而不良的坐姿却是导致人们腰酸背痛、脊柱侧弯、腰间盘突出等脊椎疾病的重要原因之一。传统的健康坐姿养成方式是，通过绷带的物理拉伸作用，限制人体的活动范围，来强行纠正人们的错误坐姿，但是这种矫正方式可能会对身体造成不可逆转的损伤，且矫正效果微弱。因此帮助引导人们养成良好的坐姿习惯，是预防脊椎疾病问题的最有效的方式。现有的引导方式为首先进行坐姿检测，当检测到坐姿不标准后，进行相关提示，从而使人们保持正确坐姿。但现有的多是基于座椅表面压力传感器数据的变化判断人体坐姿是否标准，检测结果存在较大误差。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的综合健康管理系统，所采用的技术方案具体如下：
4.本发明一个实施例提供了一种基于数字孪生的综合健康管理系统，该系统包括：
5.坐姿倾斜程度获取模块，用于获取人体当前坐姿的倾斜程度；
6.坐姿变化幅度获取模块，用于基于压力变化数据和人眼与显示器间的夹角，获取与标准坐姿相比，当前坐姿的变化幅度；所述压力为人体对座椅的压力；
7.相似度评价模块，用于基于当前坐姿的倾斜程度、变化幅度以及变化过程中眼肩关键点的位置变化，计算当前坐姿与标准坐姿的相似度；
8.相似度修正模块，用于根据当前坐姿对应人体姿态是否为偶发性姿态确定修正系数，利用修正系数对相似度进行修正；所述偶发性姿态为偶发性动作对应的姿态，偶发性动作包括弯腰、转身；
9.调整提示模块，用于根据修正后的相似度判断是否需要进行坐姿调整的提示；
10.数字孪生模块，用于基于数字孪生技术构建虚拟人体模型，并根据实时监测的数据更新虚拟人体模型的坐姿；所述实时监测的数据包括压力数据、夹角数据。
11.进一步地，获取人体当前坐姿的倾斜程度，具体为：
12.根据左右肩关键点的坐标，计算坐标比值，获取人体当前坐姿的倾斜程度。
13.进一步地，姿态变化结束后，数值发生变化的压力感应点为变化感应点，获取变化感应点的压力数据，与标准坐姿对应的各变化感应点的压力数据相比，计算各变化感应点的压力变化率；压力变化率为压力变化数据。
14.进一步地，当前坐姿的变化幅度的获取具体为：
15.计算压力变化率最大值与最小值的差值，根据所述差值和所述人眼与显示器间的夹角计算当前坐姿的变化幅度；所述差值越大，当前坐姿的变化幅度越大，所述人眼与显示
器间的夹角越大，当前坐姿的变化幅度越大。
16.进一步地，基于当前坐姿的倾斜程度、变化幅度以及变化过程中眼肩关键点的位置变化，计算当前坐姿与标准坐姿的相似度，具体为：
17.姿态变化过程中，获取双眼的坐标差序列和双肩的坐标差序列；结合标准坐姿下双眼的坐标差序列和双肩的坐标差序列，分别计算当前坐姿与标准坐姿的眼关键点位置相似度和肩关键点相似度；
18.根据当前坐姿的倾斜程度、变化幅度、眼关键点位置相似度和肩关键点相似度，计算当前坐姿与标准坐姿的相似度。
19.进一步地，当前坐姿对应人体姿态为偶发性姿态时对应的修正系数，小于当前坐姿对应人体姿态为非偶发性姿态时对应的修正系数。
20.进一步地，对人体进行图像采集，基于采集的图像提取眼肩关键点。
21.本发明实施例至少具有如下有益效果：基于本发明进行坐姿监测，监测结果精度高，当坐姿不标准时可及时进行提醒，帮助引导人们养成良好的坐姿习惯；此外，本发明可避免偶发性坐姿例如俯身、转身等偶发性动作对应坐姿的干扰，出现此类坐姿时不进行提示，从而达到只对不标准坐姿进行提醒的效果，减少了错误提醒的次数。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
23.图1为本发明系统实施例的模块构成图。
具体实施方式
24.为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于数字孪生的综合健康管理系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
25.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
26.本发明实施例以下面的应用场景为例对本发明进行说明：
27.该应用场景为：办公场景，具体地，人员坐在座椅上进行办公；在显示器(电脑屏幕)上布置相机/视觉传感器，相机用于对人员进行图像采集，对采集的图像进行处理获取人眼与显示器之间的夹角；实施例中的座椅表面布置有压力传感器，优选地，座椅扶手上也布置有压力传感器，实施例采用压阻式薄膜压力传感器，此种压力传感器有多个压力感应点；本实施例中，压力传感器组成矩阵模式均匀分布于椅子上，铺满整个坐垫区与左右两边的扶手区和靠背，目的是无论人体移动到椅子的任何地方都可基于压力传感器所带回的信息感知到人体坐姿发生了变化。
28.下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种基于数字孪生的综合健康管理系统的具体方案。
29.请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种基于数字孪生的综合健康管理系统的模块构成图，该系统包括：
30.坐姿倾斜程度获取模块，用于获取人体当前坐姿的倾斜程度；
31.坐姿变化幅度获取模块，用于基于压力变化数据和人眼与显示器间的夹角，获取与标准坐姿相比，当前坐姿的变化幅度；所述压力为人体对座椅的压力；
32.相似度评价模块，用于基于当前坐姿的倾斜程度、变化幅度以及变化过程中眼肩关键点的位置变化，计算当前坐姿与标准坐姿的相似度；
33.相似度修正模块，用于根据当前坐姿对应人体姿态是否为偶发性姿态确定修正系数，利用修正系数对相似度进行修正；所述偶发性姿态为偶发性动作对应的姿态，偶发性动作包括弯腰、转身；
34.调整提示模块，用于根据修正后的相似度判断是否需要进行坐姿调整的提示；
35.数字孪生模块，用于基于数字孪生技术构建虚拟人体模型，并根据实时监测的数据更新虚拟人体模型的坐姿；所述实时监测的数据包括压力数据、夹角数据。
36.下面以由前一坐姿变化到当前坐姿为例，对上面各个模块进行具体描述：
37.坐姿倾斜程度获取模块，用于获取人体当前坐姿的倾斜程度。
38.根据左右肩关键点的坐标，计算坐标比值，获取人体当前坐姿的倾斜程度；优选地，根据左右肩关键点的高度坐标(纵坐标)，计算坐标比值，获取人体当前坐姿的倾斜程度：从前一坐姿到当前坐姿是一个姿态变化的过程，因此，获取变化过程中人员的左右肩关键点坐标，坐标用(x，y)表示，x表示肩关键点的水平位置，y表示肩关键点的竖直位置，得到左肩关键点坐标序列和右肩关键点坐标序列，基于左肩关键点坐标序列和右肩关键点坐标序列得到左肩关键点坐标y均值和右肩关键点y坐标均值；计算坐标比值，具体地，计算左肩关键点坐标y均值和右肩关键点y坐标均值的比值φ；或计算右肩关键点坐标y均值和左肩关键点y坐标均值的比值φ；根据所述比值φ获取当前坐姿的倾斜程度，优选地，作为一个示例，所述比值与1的差值绝对值即|φ-1|为当前坐姿的倾斜程度，所述比值与1的差值绝对值越大，说明当前坐姿越倾斜。
39.坐姿变化幅度获取模块，用于基于压力变化数据和人眼与显示器间的夹角，获取与标准坐姿相比，当前坐姿的变化幅度；所述压力为人体对座椅的压力。
40.姿态变化结束后，数值发生变化的压力感应点为变化感应点，获取变化感应点的压力数据，与标准坐姿对应的各变化感应点的压力数据相比，计算各变化感应点的压力变化率；压力变化率为压力变化数据。作为一个示例，每个变化感应点的压力变化率的计算具体为：c为一个变化感应点的压力变化率，p为当前坐姿下该变化感应点的压力数据，p
标
为标准坐姿下该变化感应点的压力数据。
41.一个实施方式中，利用相机/视觉传感器和角度传感器获取人眼与显示器间的夹角，相机/视觉传感器对应感知人体眼睛的位置，角度传感器对该位置的人眼与屏幕之间的角度进行测量，获取夹角值α。
42.另一个实施方式中，利用相机/视觉传感器对人员进行图像采集，获取人员图像，
基于人员图像获取人眼关键点的二维图像坐标，根据人眼关键点的二维图像坐标获取人眼关键点在实际空间中的三维图像坐标，具体地基于二维坐标获取三维坐标的过程是现有的，本发明不再赘述；获取显示器在实际空间中的三维坐标，优选地，获取显示器中心点的三维坐标，基于显示器的三维坐标和人眼关键点的三维坐标计算人眼与屏幕之间的角度α。需要说明，可以基于左眼/右眼关键点的三维坐标计算人眼与屏幕之间的角度，也可基于左右眼关键点连线中心点的三维坐标计算人眼与屏幕之间的角度。
43.基于压力变化数据和人眼与显示器间的夹角，获取与标准坐姿相比，当前坐姿的变化幅度，具体地：计算压力变化率最大值与最小值的差值，根据所述差值和所述人眼与显示器间的夹角计算当前坐姿的变化幅度；所述差值越大，当前坐姿的变化幅度越大，所述人眼与显示器间的夹角越大，当前坐姿的变化幅度越大。作为一个示例，当前坐姿的变化幅度的计算为：
[0044][0045]
u表示当前坐姿的变化幅度，u值越小，当前坐姿与标准坐姿相比变化幅度越大；c
max
和c
min
分别为各变化感应点的压力变化率的最大值和最小值，c
max-c
min
值越大，表示受力越不均匀，认为变化幅度越大，利用将其进行归一化，归一化值越小，认为与标准坐姿相比，当前坐姿的变化幅度越大；α为人眼与显示器间的夹角，利用e-α
对其进行归一化，e-α
值越小，认为与标准坐姿相比，当前坐姿的变化幅度越大。
[0046]
相似度评价模块，用于基于当前坐姿的倾斜程度、变化幅度以及变化过程中眼肩关键点的位置变化，计算当前坐姿与标准坐姿的相似度。
[0047]
具体地，姿态变化过程中，获取双眼的坐标差序列和双肩的坐标差序列；结合标准坐姿下双眼的坐标差序列和双肩的坐标差序列，分别计算当前坐姿与标准坐姿的眼关键点位置相似度和肩关键点相似度；根据当前坐姿的倾斜程度、变化幅度、眼关键点位置相似度和肩关键点相似度，计算当前坐姿与标准坐姿的相似度。作为一个示例，当前坐姿与标准坐姿的相似度的计算方法为：
[0048][0049]
r表示当前坐姿与标准坐姿的相似度，r值越大，当前坐姿与标准坐姿越相似；e为当前坐姿下双眼的坐标差序列，e
标
为标准坐姿下双眼的坐标差序列，同肩关键点相同，眼关键点的图像坐标表示为(x，y)，双眼关键点的坐标差序列可以基于x坐标得到，也可以是基于y坐标得到；s为当前坐姿下双肩的坐标差序列，s
标
为标准坐姿下双肩的坐标差序列，同理，双肩关键点的坐标差序列可以基于x坐标得到，也可以是基于y坐标得到；dtw为基于动态时间归整算法得到的两个序列间的距离，可表征两个序列之间的相似度，dtw值越小，两个序列越相似。
[0050]
需要注意，实施例对人体进行图像采集，基于采集的图像提取眼肩关键点。
[0051]
相似度修正模块，用于根据当前坐姿对应人体姿态是否为偶发性姿态确定修正系数，利用修正系数对相似度进行修正；所述偶发性姿态为偶发性动作对应的姿态，偶发性动作包括弯腰、转身。需要说明，所述偶发性姿态为偶发性动作的结束姿态。
[0052]
一个实施方式中，可利用相机持续对人员进行图像采集，基于得到的图像序列判
断当前坐姿对应人体姿态是否为偶发性姿态，即基于图像序列进行动作识别，具体地，可基于神经网络进行动作识别，识别出相应的动作后，判断动作是否为偶发性动作，进而可判断当前坐姿对应人体姿态是否为偶发性动作对应的偶发性姿态；基于预设的姿态-修正系数的对应关系获取动作对应的修正系数，进而得到当前坐姿对应的修正系数；姿态-修正系数的对应关系为人为设置得到。其中，当前坐姿对应人体姿态为偶发性姿态时对应的修正系数，小于当前坐姿对应人体姿态为非偶发性姿态时对应的修正系数。实施例中，当前坐姿对应人体姿态为偶发性姿态时，修正系数为0.1，当前坐姿对应人体姿态为非偶发性姿态时，修正系数为0.9。
[0053]
另一个实施方式中，需要结合当前坐姿和历史坐姿对应的变化感应点的压力数据，获取当前坐姿和历史坐姿对应的变化感应点的压力数据均值，横轴为一个坐姿变化至另一个坐姿的变化时长，纵轴为所述压力数据均值，按照坐姿时序对压力数据均值进行线性拟合，优选地，基于最小二乘法进行线性拟合，获取由前一坐姿变化至当前坐姿的变化时长t以及该变化时段内对应的直线的斜率k，根据变化时长t和斜率k获取当前坐姿对应的修正系数，偶发性动作的发生时间较快，且发生偶发性动作时所述压力数据均值多会发生突变，因此，变化时长t越短，斜率k的绝对值越大，当前坐姿对应人体姿态越可能是偶发性姿态，修正系数要越小；作为一个示例，修正系数的计算方法为：m＝e-|k|
*t
′
，m为修正系数，t
′
为变化时长t归一化后的值。
[0054]
利用修正系数对相似度进行修正，具体为：r
′
＝r*m，r
′
为修正后的相似度。
[0055]
调整提示模块，用于根据修正后的相似度判断是否需要进行坐姿调整的提示。
[0056]
当r
′
＜0.3时，认为当前坐姿对应人体姿态是偶发性姿态，不进行坐姿提醒；当0.3≤r
′
＜0.8时，认为当前坐姿为错误坐姿即不标准的坐姿，进行坐姿提醒；当r
′
≥0.8时，认为当前坐姿为标准坐姿，不进行坐姿提醒。
[0057]
数字孪生模块，用于基于数字孪生技术构建虚拟人体模型，并根据实时监测的数据更新虚拟人体模型的坐姿；所述实时监测的数据包括压力数据、夹角数据。
[0058]
利用通过压力传感器、视觉传感器等对人体坐姿进行实时监测；基于实时监测的数据，输入孪生系统，在虚拟空间对人体坐姿从几何、物理、行为、规则等多个维度进行描述，实现多维数据的处理及融合，集成人体的高逼真虚拟模型；人体及其虚拟模型同步运行，可使人员清晰的看到其当前坐姿，在孪生数据及虚拟模型的驱动下，实现对人体坐姿的智能健康管理，以保证其保持良好的坐姿。
[0059]
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0060]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0061]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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。