一种基于虚拟现实技术的平衡训练系统及平衡训练方法

本发明涉及一种基于虚拟现实技术的平衡训练系统及平衡训练方法，属于虚拟现实。

背景技术：

1、平衡能力是维持姿势稳定的关键能力，老年人平衡能力下降是导致摔倒骨折的主要原因，而运动员则需要平衡能力以提高运动表现和减少运动损伤的风险。平衡能力是人体运动控制的重要指标，与日常生活中的活动、运动水平以及跌倒风险密切相关，进行平衡训练提高平衡能力尤为重要。目前缺乏利用虚拟现实技术在康复医疗和健身领域的应用，缺乏利用虚拟现实技术进行训练的系统、方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于虚拟现实技术的平衡训练系统及平衡训练方法备，能够利用虚拟现实技术进行平衡训练。为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

2、第一方面，本发明提供了一种基于虚拟现实技术的平衡训练系统，包括：微处理器、无线模块、传感器、上位机、vr显示器，所述微处理器通过无线模块与传感器、上位机、vr显示器通信连接；

3、所述传感器用于采集数据；

4、所述微处理器用于根据传感器采集的数据输出重心坐标；

5、所述上位机用于根据微处理器输出的重心坐标生成平衡检测结果；

6、所述vr显示器用于根据微处理器输出的重心坐标更新虚拟训练场景中人物的坐标。

7、结合第一方面，可选地，还包括电源，所述电源与所述微处理器、传感器、vr显示器电连接。

8、第二方面，本发明提供了基于第一方面所述的基于虚拟现实技术的平衡训练系统的一种基于虚拟现实技术的平衡训练方法，包括：

9、获取用户参与平衡训练时传感器采集的实时数据；

10、利用压力重心算法对采集的实时数据进行压力中心检测，得到用户参与平衡训练时的重心坐标c；

11、将用户参与平衡训练时的重心坐标c输入上位机，用于所述上位机利用动态凸包算法进行平衡检测，得到平衡检测结果；

12、将用户参与平衡训练时的重心坐标c输入vr显示器，用于所述vr显示器根据用户参与平衡训练时的重心坐标c更新虚拟训练场景中人物的坐标。

13、结合第二方面，可选地，还包括：利用卡尔曼滤波算法对传感器采集的实时数据进行实时滤波和平滑处理，处理后的数据作为所述压力重心算法的输入。

14、结合第二方面，可选地，所述利用压力重心算法对采集的实时数据进行压力中心检测，得到用户参与平衡训练时的重心坐标c，包括：

15、所述传感器对称安装在检测板的底部，用户站在检测板上的位置的中心为外部压力中心，检测板的中心为坐标原点，用坐标表示传感器的位置和外部压力中心的位置，传感器的位置分别为a(x1,y1)、b(x2,y2)、c(x3,y3)、d(x4,y4)，外部压力中心的位置为e(x,y)；

16、利用力学原理，对实时数据和传感器的坐标导入检测板的平衡式：

17、f＝fa+fb+fc+fd (1)

18、fy＝fay1+fby2+fcy3+fdy4 (2)

19、fx＝fax1+fbx2+fcx3+fdx4 (3)

20、式中，f为用户站在检测板上给予检测板的外部压力，fx为外部压力中心受到的x方向的压力，fy为外部压力中心受到的y方向的压力，fa为传感器a受到的压力，fb为传感器b受到的压力，fc为传感器c受到的压力，fd为传感器d受到的压力；

21、由于传感器对称分布，x2＝-x1、x3＝-x1、x4＝x1、y2＝y1、y3＝-y1、y4＝-y1，代入式(2)、(3)得到：

22、

23、

24、式(4)、(5)中，由于fa、fb、fc、fd随时间变化，x＝x(t)、y＝y(t)；

25、记录各个时刻的e(x,y)值的电信号为外部压力的中心位置在检测板上移动的信息；

26、在检测人体平衡状态时，外部压力中心的位置变化与检测板本身的实际尺寸有关，为了消去检测板实际尺寸的影响,式(4)、(5)中的x1＝1、y1＝1则：

27、

28、

29、式(6)、(7)为外部压力中心相对检测板位置的坐标表达式，随时间变化，即为用户参与平衡训练时的重心坐标c。

30、结合第二方面，可选地，所述上位机利用动态凸包算法进行平衡检测，得到平衡检测结果包括：

31、将用户参与平衡训练时的重心坐标c输入动态凸包算法，实时计算凸包信息；所述凸包信息包括凸包的面积s、凸包的周长l、凸包中所有数据的均值n；

32、实时计算凸包信息的变化率，当0＜变化率≤预设值a，则输出平衡检测结果为平衡，且变化率越接近0表示平衡能力越强；当变化率＞预设值a，则输出平衡检测结果为不平衡。

33、结合第二方面，可选地，所述实时计算凸包信息，包括

34、计算凸包的面积s：

35、

36、式(8)中，(xk，yk)为第k次输入动态凸包算法的重心坐标，(xk+1，yk+1)为第k+1次输入动态凸包算法的重心坐标；

37、计算凸包的周长l：

38、

39、式(9)中，pk为包含第k次输入动态凸包算法的重心坐标的数据结构，pk+1为包含第k次输入动态凸包算法的重心坐标的数据结构；

40、计算凸包的晃动参数，包括：动摇速度v、左右晃动量dlr、前后晃动量；

41、动摇速度v，通过式(10)计算：

42、

43、式(10)中，t为采样间隔时间，k为每个采样点，n为一段时间内采样点的个数，vk为每个采样点的速度，通过式(11)计算：

44、

45、左右晃动量dlr为采样时间段内重心坐标的横坐标的最大值与最小值的差值；

46、前后晃动量dfb为采样时间段内重心坐标的纵坐标的最大值与最小值的差值。

47、结合第二方面，可选地，所述vr显示器根据用户参与平衡训练时的重心坐标c更新虚拟训练场景中人物的坐标，包括：

48、将用户参与平衡训练时的重心坐标c输入vr显示器，重心坐标的x分量对应虚拟训练场景中人物横向偏移，重心坐标的y分量对应虚拟训练场景中人物加速或减速。

49、结合第二方面，可选地，还包括训练方案，包括：

50、在vr显示器提供的虚拟训练场景中随机刷新出碰撞体和躲避体，所述碰撞体和躲避体对应不同分值；

51、用户站在检测板上调整重心更新虚拟训练场景中人物的坐标，通过控制虚拟训练场景中人物碰撞碰撞体、躲避躲避体，得到对应分值；

52、输出预设时间段内得到的分值。

53、与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种基于虚拟现实技术的平衡训练系统及平衡训练方法所达到的有益效果包括：

54、本发明通过传感器采集数据，通过微处理器根据传感器采集的数据输出重心坐标，通过上位机根据微处理器输出的重心坐标生成平衡检测结果；本发明能够实时收集用户的移动、反应和平衡数据，使得平衡检测训练结果和训练结果更为客观和精确；

55、本发明通过vr显示器根据微处理器输出的重心坐标更新虚拟训练场景中人物的坐标；本发明通过vr显示器能够创建各种真实世界的环境和场景，使用户在近似真实的环境中进行平衡测试和平衡训练，得到更准确的平衡检测训练结果和训练结果；本发明通过vr显示器使用户能够在无真实风险的情况下进行各种平衡训练，并能够根据需要定制和调整环境和场景，提供不同训练内容；本发明通过vr显示器为用户提供了沉浸式的体验，能够提高用户的参与度和兴趣，使平衡训练变得更有趣和吸引人。