一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统
本发明涉及一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，属于体育健身设备。
背景技术：
1、互联网、大数据等技术的快速发展，智能装备、物联网的加速应用，智慧体育将使我们获得更加个性化、科学化、智慧化的运动体验，真正实现全民健身与全民健康的深度融合。在这个强烈呼吁体育强国、科技兴国的时代，科技与体育的结合是必然的结果，它符合当下国际形势发展的需要。在科技和体育设备的结合中，既充分发挥了科技给生活带来的便利，又可以帮助骑行者进行骑行方面的专业指导，安全高效地骑行。
2、在体育盛行的时代，大多数人因为体育动作的不规范而受伤或者未能达到预期的目标，例如骑自行车还没别意识到骑行姿势对人体的影响，即人体姿势与腰椎形状的关系，动作不规范，骑行会更加费力，肩部、股部、脊椎的损伤。但目前系统训练技术、方法主要还是依靠教练的视觉、经验指导，运动员根据自身的感受尝试改进。如何指导科学化训练和减少运动伤害成为了教练和运动员面临的难题。
技术实现思路
1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，从而实现安全有效骑行。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，姿势矫正系统包括设置在车把上的压力传感模块、握力传感模块、显示屏以及穿戴在骑行者上的光学捕捉设备；所述压力传感模块和握力传感模块用于实时监测人体握力及刹车按压的压力数据；所述人机交互模块用于将得到的人体铰链通过细节3dmesh建立模型，实时反馈人体骑行姿势数据在显示屏上；所述光学捕捉设备与数据显示屏连接，其为带有光学式捕捉技术捕捉点的训练衣，其用于在采集到运动员姿态动作的数据后返回到微型电脑中，通过人体关节点的离散程度表示大致姿势，再将离散点通过人体铰链结构表示，根据训练得出健康的训练姿势并实时反馈；
3、所述显示屏包括显示屏幕、主控模块、数据存储模块、蓝牙模块、发声装置模块、三维动作捕捉模块以及供电模块；所述主控模块用于将各种数据进行对比，并将运动员全程运动的相关数据储存到数据存储模块；所述蓝牙模块用于将运动员骑行时的全程运动由储存模块导入到运动员的手机等具有蓝牙功能的设备当中；所述发声装置模块位于显示屏两侧，连接到主控模块，发声装置模块是由主控模块根据所有数据进行分析，而出结论下达指令到发声器装置发出相应的语音，从而对运动员的运动状态进行时刻的调整并下达一定的指令；所述供电模块用于提供整个系统的运行基础，其位于显示屏内置的电池槽以及其装有的超级电容来实现供电。
4、进一步的，所述握力传感模块为握力传感器；所述握力传感器与人机交互模块的显示屏连接，其实时监测人体握力数据，即测量大小臂的弯曲程度、相对于车把的角度、水平夹角大小程度，并对比正确姿势骑行时的握力数据，输出到显示屏上。
5、进一步的，所述压力传感模块为压力传感器，所述压力传感器位于握把前端刹车的根部，以刹车的按压程度判别运动员的按压力度，并将数据反馈到主控模块；压力传感器与显示屏连接，实时检测人手部对刹车装置的压力数据，并对比正确姿势骑行时的压力数据，划定区间范围，输出到显示屏上；压力传感器的输出(output)＝工作电压(v)*灵敏度(mv/v)，设满量程为100kg，压满100kg，输出即为10mv，再结合其非线性误差＝量程*非线性(％fs)，综合求出压力输出，结合姿态对压力进行分析，利用公式：
6、
7、el(t)＝outputl(t)-targ (2)
8、er(t)＝outputr(t)-targ (3)
9、
10、
11、
12、其中式(1)求出姿态的运动状态，式(2)、(3)得出输出瞬时差值，式(4)、(5)将数值优化，结合式(6)得出与目标值的偏差，其绝对值偏差在0-3区间为正常，超出则在显示屏中发出相应警告。
13、进一步的，所述显示屏与路由器连接，将3dmesh运算的结果通过蓝牙模块连接电脑、手机、云服务器，将数据反馈在显示屏上。
14、进一步的，所述光学捕捉设备为装有光学式动作捕捉技术系统设备的训练衣，将动作捕捉数据反馈在显示屏上，该训练衣为紧身训练衣，训练衣上人体关节处粘贴多个光学标记点作为目标探测点；室内竞赛训练自行车的车座两侧坐垫前部各贴有光学标记点(marker)，后部两侧正后方也分别贴有光学标记点，用于在骑行前对车座进行位置矫正；所述光学捕捉设备采用被动式光学动作捕捉系统，其中由光学标记点通常是一种高亮反射式反光球，粘贴于物体结构主要部位，由动作捕捉相机上发出的led红外光经反光球反射至动捕相机，进行光学标记点的的检测和空间定位。
15、进一步的，所述三维动作捕捉模块包括多个三维动作捕捉相机，室内设置有多个三维动作捕捉相机从不同角度实时探测目标探测点，数据实时传输至微型电脑中进行数据分析，定义来指定人体形状指标，结合立体角dω得出参数矩阵η，通过人体关节点的离散程度表示大致姿势：
16、
17、式(7)得出姿态数组，中
18、再将离散点通过人体铰链结构表示，根据训练得出健康的训练姿势并实时反馈至显示屏上，由显示屏左半部分显示人体实时的运动姿势，并且在显示屏的右半部分显示正确的骑行姿势；通过主控模块的数据库对比，实时反映骑行者姿势是否出现错误，并通过蓝牙模块提醒骑行者调整正确的骑行姿势。
19、进一步的，设备通过电源软导线相互连接导线均在设备内部与自行车车身中空的内芯部分，三维动作捕捉相机由导线应道自行车与地面的固定段，聚集成一束连接到显示屏内的主控系统；所述显示屏显示的内容分为两块,即左部分显示与右部分显示；所述左部分显示为运动员骑行的运动状态的3d视图，右部分显示为标准的运动状态的3d视图，运动员可以通过观察显示屏的左右部分来矫正自己的骑行姿势，再根据发声器的提示进一步加强训练效果。
20、进一步的，所述握力传感器位于两侧的下弯式握把握把处，左右握把上分别安装有均匀分布的六个，为三行两纵列，分布在圆柱形握把上端的左右两侧表面的压力感受器，握把内部装有握力压力分析器，与显示屏中的主控模块相连。
21、进一步的，所述三维动作捕捉相机设置有4个，其分别置于室内骑行自行车前端、左端、右端、后端的保护围栏挡板的支架上，前置三维动作捕捉相机用于捕捉运动员身体上肢，即大臂、小臂、肩膀、头部的大致位置，后置三维动作捕捉相机用于捕捉运动员背部，股部的三维位置状况，左右放置的三维动作捕捉相机用于校准数据，以达到对人体大范围的大数据捕捉。
22、本发明的有益效果是：本发明基于传感技术，可以实时反应骑行者的骑行状况，以便于对其骑行姿势进行规范与调整，也可以减少因为动作不规范，而造成的骑行费力，肩部、股部、脊椎的损伤情况。
技术特征：
1.一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，其特征在于，姿势矫正系统包括设置在车把上的压力传感模块、握力传感模块、显示屏以及穿戴在骑行者上的光学捕捉设备；所述压力传感模块和握力传感模块用于实时监测人体握力及刹车按压的压力数据；所述人机交互模块用于将得到的人体铰链通过细节3dmesh建立模型，实时反馈人体骑行姿势数据在显示屏上；所述光学捕捉设备与数据显示屏连接，其为带有光学式捕捉技术捕捉点的训练衣，其用于在采集到运动员姿态动作的数据后返回到微型电脑中，通过人体关节点的离散程度表示大致姿势，再将离散点通过人体铰链结构表示，根据训练得出健康的训练姿势并实时反馈；
2.根据权利要求1所述的一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，其特征在于，所述握力传感模块为握力传感器；所述握力传感器与人机交互模块的显示屏连接，其实时监测人体握力数据，即测量大小臂的弯曲程度、相对于车把的角度、水平夹角大小程度，并对比正确姿势骑行时的握力数据，输出到显示屏上。
3.根据权利要求1所述的一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，其特征在于，所述压力传感模块为压力传感器，所述压力传感器位于握把前端刹车的根部，以刹车的按压程度判别运动员的按压力度，并将数据反馈到主控模块；压力传感器与显示屏连接，实时检测人手部对刹车装置的压力数据，并对比正确姿势骑行时的压力数据，划定区间范围，输出到显示屏上；压力传感器的输出(output)＝工作电压(v)*灵敏度(mv/v)，设满量程为100kg，压满100kg，输出即为10mv，再结合其非线性误差＝量程*非线性(％fs)，综合求出压力输出，结合姿态对压力进行分析，利用公式:
4.根据权利要求1所述的一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，其特征在于，所述显示屏与路由器连接，将3dmesh运算的结果通过蓝牙模块连接电脑、手机、云服务器，将数据反馈在显示屏上。
5.根据权利要求1所述的一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，其特征在于，所述光学捕捉设备为装有光学式动作捕捉技术系统设备的训练衣，将动作捕捉数据反馈在显示屏上，该训练衣为紧身训练衣，训练衣上人体关节处粘贴多个光学标记点作为目标探测点；室内竞赛训练自行车的车座两侧坐垫前部各贴有光学标记点(marker)，后部两侧正后方也分别贴有光学标记点，用于在骑行前对车座进行位置矫正；所述光学捕捉设备采用被动式光学动作捕捉系统，其中由光学标记点通常是一种高亮反射式反光球，粘贴于物体结构主要部位，由动作捕捉相机上发出的led红外光经反光球反射至动捕相机，进行光学标记点的的检测和空间定位。
6.根据权利要求1所述的一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，其特征在于，所述三维动作捕捉模块包括多个三维动作捕捉相机，室内设置有多个三维动作捕捉相机从不同角度实时探测目标探测点，数据实时传输至微型电脑中进行数据分析，定义来指定人体形状指标，结合立体角dω得出参数矩阵η，通过人体关节点的离散程度表示大致姿势：
7.根据权利要求1所述的一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，其特征在于，设备通过电源软导线相互连接导线均在设备内部与自行车车身中空的内芯部分，三维动作捕捉相机由导线应道自行车与地面的固定段，聚集成一束连接到显示屏内的主控系统；所述显示屏显示的内容分为两块,即左部分显示与右部分显示；所述左部分显示为运动员骑行的运动状态的3d视图，右部分显示为标准的运动状态的3d视图，运动员可以通过观察显示屏的左右部分来矫正自己的骑行姿势，再根据发声器的提示进一步加强训练效果。
8.根据权利要求2所述的一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，其特征在于，所述握力传感器位于两侧的下弯式握把握把处，左右握把上分别安装有均匀分布的六个，为三行两纵列，分布在圆柱形握把上端的左右两侧表面的压力感受器，握把内部装有握力压力分析器，与显示屏中的主控模块相连。
9.根据权利要求6所述的一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，其特征在于，所述三维动作捕捉相机设置有4个，其分别置于室内骑行自行车前端、左端、右端、后端的保护围栏挡板的支架上，前置三维动作捕捉相机用于捕捉运动员身体上肢，即大臂、小臂、肩膀、头部的大致位置，后置三维动作捕捉相机用于捕捉运动员背部，股部的三维位置状况，左右放置的三维动作捕捉相机用于校准数据。
技术总结
本发明提供一种用于室内自行车安全骑行训练的姿势矫正系统，包括握力传感器、装有光学式动作捕捉技术系统设备的训练衣、动作捕捉相机、压力传感器、小型显示屏、基于3Dmesh的微型电脑主控模块以及供电装置。本发明既可以试试监测骑行者的骑行状况，以便于对其骑行姿势进行规范与调整，也可以减少因为动作不规范，而造成的骑行费力，肩部、股部、脊椎的损伤。它可以实时反映骑行者的骑行姿势，手握力度，提高了骑行者训练的效率，促进自行车运动更好地融入人们的运动生活之中，同时也体现了“智慧体育”的概念。
技术研发人员：王广旭,周瑞,于玮
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12
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