CN113546395A - 一种智能化运动训练***及训练方法 - Google Patents

一种智能化运动训练***及训练方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及智能头环技术领域，具体涉及是一种智能化运动训练***及训练方法，通过设置的终端设备能够实时采集用户脑电信号和动作信号并且传递至主机端实时生成用户动作数据和用户动作专注度数据，用于对运动训练效果进行评估，采用运动训练中的动作合格率和动作专注度两个维度进行评估，能够对运动训练效果进行指导、监管和正反馈，便于管理者对运动训练进行测评，同时在主机端设置有动作演示模块和动画生成模块，动作演示可进行指导，动作分析判断动作是否执行到位，对于动作执行不到位的单位可生成模拟动画，对该单位进行纠正，通过可视化评估报告可进行训练效果评估，从而整体上提升课间操的锻炼效果和目的。

Description

一种智能化运动训练***及训练方法
技术领域
本发明涉及智能头环技术领域，具体涉及是一种智能化运动训练***及训练方法。
背景技术
现有运动训练如学生课间操，往往是学生通过观看课间操视频进行运动训练，或者设置领操人员，学生通过观看领操人员的动作来完成运动训练，这样进行的运动训练效果并不理想，缺少指导和监管，对于自律性不高的学生存在专注度不集中的现象，对成长健康会产生不利影响。
发明内容
本发明针对以上问题，提供一种智能化运动训练***及训练方法。
采用的技术方案是，一种智能化运动训练***，包括主机端和终端设备，且主动端与终端设备信号连接，其中终端设备采集用户脑电信号和用户动作信号并反馈至主机端，主机端接收终端设备反馈的用户脑电信号和用户动作信号，生成用户动作数据和用户动作专注度数据，并根据用户动作数据和用户动作专注度数据生成可视化评估报告。
可选的，终端设备为智能头环，且智能头环内设置有采集电极和陀螺仪，采集电极正对用户额头位置采集脑电信号。
进一步的，主机端内设置有脑电信号处理模块、动作分析模块和数据存储分析模块。
可选的，脑电信号处理模块接收终端设备中采集电极采集的用户脑电信号并生成用户专注度数据。
可选的，动作分析模块接收终端设备中陀螺仪采集的用户动作信号，并通过与预定动作信号比对，生成用户动作数据。
可选的，数据存储分析模块接收脑电信号处理模块和动作分析模块传递的用户专注度数据和用户动作数据，并生成可视化的报告。
进一步的，主机端内还设置有脑电信号监控模块和设备预警模块，脑电信号监控模块实时监控终端设备与主机端间脑电信号的传输与连接，发生连接障碍则通过设备预警模块进行报警，提醒用户调试校正。
进一步的，主机端内还设置有动作演示模块，动作演示模块能通过视频输出端输出动作视频，并指导用户跟随演示训练。
进一步的，主机端内还设置有动画生成模块，动画生成模块接收动作分析模块反馈的用户动作数据，并生成用于回看进行纠正的动画。
本申请还提供了一种智能化运动训练方法，包含以下步骤：
S1.终端设备的安装，将终端设备固定在用户的头部，并且终端设备的采集电极正对用户额头位置采集脑电信号；
S2.主机端的动作演示，主机端中的动作演示模块视频输出动作演示，用户遵照动作演示进行训练；
S3.运动训练数据采集，在运动训练中，终端设备采集用户脑电信号和用户动作信号并传递至主机端；
S4.运动训练数据生成，主机端接收终端设备传递的用户脑电信号和用户动作信号，主机端中动作分析模块通过将用户动作信号与预定动作信号比对，生成用户动作数据；主机端中脑电信号处理模块对用户脑电信号处理并生成用户专注度数据；主机端中动画生成模块对用户动作数据中动作执行不到位的单位，生成模拟动作演示；
S5.可视化评估报告生成，主机端中数据存储分析模块根据用户专注度数据和用户动作数据生成可视化评估报告。
本发明的有益效果至少包括以下之一；
1、通过设置的终端设备能够实时采集用户脑电信号和动作信号并且传递至主机端实时生成用户动作数据和用户动作专注度数据，用于对运动训练效果进行评估。
2、采用运动训练中的动作合格率和动作专注度两个维度进行评估，能够对运动训练效果进行指导、监管和正反馈，便于管理者对运动训练进行测评。
3、同时在主机端设置有动作演示模块和动画生成模块，动作演示可进行指导，动作分析判断动作是否执行到位，对于动作执行不到位的单位可生成模拟动画，对该单位进行纠正。
4、通过获取的用户动作数据和用户动作专注度数据结合现有的算法得到用户运动训练的专注度指数，如最大值、最小值、平均值、覆盖率等。
5、通过可视化评估报告可进行训练效果评估，从而整体上提升课间操的锻炼效果和目的。
附图说明
图1为智能化运动训练***原理框图；
图2为另一种智能化运动训练***原理框图；
图3为可视化评估报告页面；
图4为可视化评估报告结果页面；
图5为另一种智能化运动训练***原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点能够更加清晰明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明保护内容。
如图1所示，一种智能化运动训练***，包括主机端和终端设备，且主动端与终端设备信号连接，其中终端设备采集用户脑电信号和用户动作信号并反馈至主机端，主机端接收终端设备反馈的用户脑电信号和用户动作信号，生成用户动作数据和用户动作专注度数据，并根据用户动作数据和用户动作专注度数据生成可视化评估报告。
这样设计的目的在于，通过设置的终端设备能够实时采集用户脑电信号和动作信号并且传递至主机端实时生成用户动作数据和用户动作专注度数据，用于对运动训练效果进行评估，通过可视化评估报告可进行训练效果评估，从而整体上提升课间操的锻炼效果和目的。
本实施例中，终端设备为智能头环，且智能头环内设置有采集电极和陀螺仪，采集电极正对用户额头位置采集脑电信号，主机端内设置有脑电信号处理模块、动作分析模块和数据存储分析模块，脑电信号处理模块接收终端设备中采集电极采集的用户脑电信号并生成用户专注度数据，动作分析模块接收终端设备中陀螺仪采集的用户动作信号，并通过与预定动作信号比对，生成用户动作数据。
需要指出的是，本实施例所指的脑电测量为了获得高质量的脑电数据，脑电信号采集***通常由以下部分组成：电极、带滤波器的放大器、模数转换器和数据记录电脑。即头皮表面电极记录的电压信号通过放大器转换成适当电压范围内的信号，然后通过模数转换器将信号从模拟电压格式转换为数字格式，最后通过记录电脑进行数据存储。
同时，电极主要由银制成，具有良好的导电性能，可以准确记录微小的电位变化，可分为活动电极、参考电极和接地电极。每个单独的脑电电极的电压波形图可以看作活动电极和参考电极之间电势差随时间的变化。为了获得良好的导电性和较低的接触阻抗，通常需要使用一些导电介质来填充电极和头皮之间的空隙，如导电膏。
再则，电极位置主要采用国际10-20电极排布***目前被广泛用于规范电极摆放位置，该***规定了75个电极电极在头皮上的标准化位置。每个电极的名称包含两个部分，即一到两个英文字母加一个数字，如Fp=额极部；F=额叶；C=中央区；P=顶叶；O=枕叶；T=颞；数字代表到中线的距离，数字越大距离越远。
主机端对用户脑波信号主要使用伪迹、预处理和滤波降噪，其中伪迹则是从脑电信号采集***获得的数据是由脑电信号和各种噪声组成的，所有非脑电信号统称为伪迹。其通常具有更高的振幅和多种不同的形态。伪迹包括两类，一类是与测试者相关的无用的生理电噪声，如肌电、心电，以及由身体运动、眼球运动和出汗引起的伪迹。另一类是与技术相关的由周围环境引起的电噪声，如工频干扰、阻抗波动、电极移动、脑电膏溢出以及电量不足等引起的伪迹。有些伪迹是微小而稳定的如心电，有些伪迹是巨大而短暂的如眨眼。对于后者通常采用将其直接从数据中剔除，即伪迹拒绝；对于前者，使用校正程序去除，即伪迹校正。
预处理则是包括转化，如直接剔除被噪声污染的数据源；重组，如对连续的数据进行剖分，仅提取事件前后的数据。对于生理伪迹，可结合其他模态的生物学数据，帮助监测和区分，如结合眼电和眼动追踪数据，有助于识别脑电中眨眼和眼动相关伪迹；结合心电数据，有助于识别由心跳带来的伪迹；结合加速度计的数据，有助于检测和识别由头部运动带来的伪迹。眼电伪迹幅度大，噪声频率范围宽，线性叠加在真实的脑电信号上；肌电伪迹是一种呈尖峰状的高频电活动，主要来自额肌，如用力闭眼造成的；和颞肌，如牙齿咬合咀嚼或磨牙造成的。
滤波降噪则是根据保留和去除的频率的不同，有四种滤波器，低通、高通、带通、凹陷，低通滤波器保留低于某下限频率的低频信号，去除或减弱高于该值的信号；高通滤波器则相反，高频信号可以通过，低频信号则被去除；带通滤波器会保留上下限频率之间的信号，去除区间范围外的信号；凹陷滤波器则去除上下限频率之间的信号，而保留此范围外的信号。
在获得用户专注度数据和用户动作数据后，主机端的数据存储分析模块能够生成可视化的报告。
需要指出的是，本实施中针对如何将用户脑电信号生成用户专注度数据和如何通过将用户动作信号与预定动作信号比对生成用户动作数据，均为现有技术，本领域技术人员能够根据需要选择合适的方式进行实现，本实施例并未对具体算法的部分进行改进。
本实施例中，主机端内还设置有脑电信号监控模块和设备预警模块，脑电信号监控模块实时监控终端设备与主机端间脑电信号的传输与连接，发生连接障碍则通过设备预警模块进行报警，提醒用户调试校正。
本实施例中，主机端内还设置有动作演示模块，动作演示模块能通过视频输出端输出动作视频，并指导用户跟随演示训练。
如图3和图4所示，其中图3动作演示模块通过虚拟人物演示头肩操的动作，指导学生们跟随训练，动作幅度大小和时长均由发声器同步播放，用户根据演示的动作进行运动训练，终端设备实时采集用户的运动训练数据，最终生成的可视化评估报告结果页面中对整个头肩操动作中，“左摇头”、“右摇头”、“前点头”、“后仰头”、“顺时针摇头”和“逆时针摇头”的动作合格率和动作专注度进行显示，从而整体上提升课间操的锻炼效果和目的。
同时，需要指出的是，本实施例中主机端为内置有脑电信号监控与处理模块的智能设备，可以是电脑、平板或其他智能移动设备，如图2所示其就是使用的平板作为主机端，同时终端设备为集成脑电信号采集模块和陀螺仪的头环，还可以是其他具备相同功能的设备。主机端与终端设备之间为一对多通信连接，可以是无线、蓝牙或其他连接方式。
本实施例中，主机端内还设置有动画生成模块，动画生成模块接收动作分析模块反馈的用户动作数据，并生成用于回看进行纠正的动画。其中动作分析模块接收来自陀螺仪采集得到的动作信号，这里为一对多通信模式，可以接收来自连接同一主机端的多个终端设备的信号。采集得到的各个动作信号与预定动作信号比对，判断哪些信号指示动作做到位，哪些信号指示动作有偏差，形成大数据汇总传输至数据存储分析模块。同时，对于动作有偏差的单位，按照其偏差值，生成动画模拟指令至动画生成模块，动画生成模块接收上述指令后，模拟生成动作有偏差的动画演示，用于对相关单位进行回看以进行纠正。
本实施例中，还提供了一种智能化运动训练方法，其中包含以下步骤：
S1.终端设备的安装，将终端设备固定在用户的头部，并且终端设备的采集电极正对用户额头位置采集脑电信号；
S2.主机端的动作演示，主机端中的动作演示模块视频输出动作演示，用户遵照动作演示进行训练；
S3.运动训练数据采集，在运动训练中，终端设备采集用户脑电信号和用户动作信号并传递至主机端；
S4.运动训练数据生成，主机端接收终端设备传递的用户脑电信号和用户动作信号，主机端中动作分析模块通过将用户动作信号与预定动作信号比对，生成用户动作数据；主机端中脑电信号处理模块对用户脑电信号处理并生成用户专注度数据；主机端中动画生成模块对用户动作数据中动作执行不到位的单位，生成模拟动作演示；
S5.可视化评估报告生成，主机端中数据存储分析模块根据用户专注度数据和用户动作数据生成可视化评估报告。
以学生课间操为例，使用时，学生佩戴头环，启动主机端。主机端中的动作演示模块视频输出动作演示，用户遵照动作演示进行训练，头环实时采集脑电信号和动作信号并反馈至主机端，主机端内的脑电信号监控模块实时监控脑电信号的传输与连接等物理状态，如发生连接障碍则通过设备预警模块进行报警，提醒用户调试校正设备。脑电信号处理模块实时接收学生的脑电信号，并通过接收的脑电信号获取学生的专注度数据，主机端接收终端设备传递的用户脑电信号和用户动作信号，主机端中动作分析模块通过将用户动作信号与预定动作信号比对，生成用户动作数据，主机端中动画生成模块对用户动作数据中动作执行不到位的单位，生成模拟动作演示，最后主机端中数据存储分析模块根据用户专注度数据和用户动作数据生成可视化评估报告，采用运动训练中的动作合格率和动作专注度两个维度进行评估，用于对运动训练效果进行指导、监管和正反馈，便于管理者对运动训练进行测评，从而整体上提升课间操的锻炼效果和目的。
如图5所示，在一定的应用场景中，本领域技术人员能够对整个终端设备进行改造，即取消主机端，将每个终端设备扩展为主机端架构，使其具有脑电信号监控模块、脑电信号处理模块和数据存储分析模块等原本设置在主机端的功能模块，实现与终端设备搭配主机端相同或相近的功能。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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。

Claims (10)

1.一种智能化运动训练***，包括主机端和终端设备，且主动端与终端设备信号连接，其特征在于：所述终端设备采集用户脑电信号和用户动作信号并反馈至主机端，所述主机端接收终端设备反馈的用户脑电信号和用户动作信号，生成用户动作数据和用户动作专注度数据，并根据用户动作数据和用户动作专注度数据生成可视化评估报告。
2.根据权利要求1所述的一种智能化运动训练***，其特征在于：所述终端设备为智能头环，且智能头环内设置有采集电极和陀螺仪，所述采集电极正对用户额头位置采集脑电信号。
3.根据权利要求2所述的一种智能化运动训练***，其特征在于：所述主机端内设置有脑电信号处理模块、动作分析模块和数据存储分析模块。
4.根据权利要求3所述的一种智能化运动训练***，其特征在于：所述脑电信号处理模块接收终端设备中采集电极采集的用户脑电信号并生成用户专注度数据。
5.根据权利要求4所述的一种智能化运动训练***，其特征在于：所述动作分析模块接收终端设备中陀螺仪采集的用户动作信号，并通过与预定动作信号比对，生成用户动作数据。
6.根据权利要求5所述的一种智能化运动训练***，其特征在于：所述数据存储分析模块接收脑电信号处理模块和动作分析模块传递的用户专注度数据和用户动作数据，并生成可视化的报告。
7.根据权利要求3至6中任一权利要求所述的一种智能化运动训练***，其特征在于：所述主机端内还设置有脑电信号监控模块和设备预警模块，所述脑电信号监控模块实时监控终端设备与主机端间脑电信号的传输与连接，发生连接障碍则通过设备预警模块进行报警，提醒用户调试校正。
8.根据权利要求7所述的一种智能化运动训练***，其特征在于：所述主机端内还设置有动作演示模块，所述动作演示模块能通过视频输出端输出动作视频，并指导用户跟随演示训练。
9.根据权利要求8所述的一种智能化运动训练***，其特征在于：所述主机端内还设置有动画生成模块，所述动画生成模块接收动作分析模块反馈的用户动作数据，并生成用于回看进行纠正的动画。
10.一种智能化运动训练方法，其特征在于：包含以下步骤：
S1.终端设备的安装，将终端设备固定在用户的头部，并且终端设备的采集电极正对用户额头位置采集脑电信号；
S2.主机端的动作演示，主机端中的动作演示模块视频输出动作演示，用户遵照动作演示进行训练；
S3.运动训练数据采集，在运动训练中，终端设备采集用户脑电信号和用户动作信号并传递至主机端；
S4.运动训练数据生成，主机端接收终端设备传递的用户脑电信号和用户动作信号，主机端中动作分析模块通过将用户动作信号与预定动作信号比对，生成用户动作数据；主机端中脑电信号处理模块对用户脑电信号处理并生成用户专注度数据；主机端中动画生成模块对用户动作数据中动作执行不到位的单位，生成模拟动作演示；
S5.可视化评估报告生成，主机端中数据存储分析模块根据用户专注度数据和用户动作数据生成可视化评估报告。
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