[發明專利]一種基于Kinect傳感器的老年II型糖尿病患者運動訓練系統

有效

• 申請號: 201610841119.0
• 申請日: 2016-09-22
• 公開（公告）號: CN106485055B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 劉鵬;姜盛乾;陳晗;陳豐;于新;陳立;彩虹;李閨臣;付丹妮
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G06F3/01;A63B69/00;A63B71/06
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司22201
• 代理人: 王壽珍

1.一種基于Kinect傳感器的老年II型糖尿病患者運動訓練系統，其特征在于，主要包括篩選模塊、學習模塊、評測模塊、交互模塊，

1)所述篩選模塊需要啟動Kinect傳感器，與計算機連接，針對BBS的14個分項，將選擇評分體統、計時器、骨骼圖像、彩色流圖像和指示標結合在一起，建立一套連續評分系統，檢測人員根據評分系統可以在電腦上對糖尿病患者進行評估并篩選可以進行運動訓練的患者；

2)所述學習模塊提供軌跡訓練、跟蹤訓練和熟練度評測，其中，

軌跡訓練將開脈太極拳套路姿勢設計成固定路線，患者根據數字顯示，依次進行路線軌跡追尋，以熟悉開脈太極拳的基本動作；

跟蹤訓練提供視頻指導和動作提示，患者需要根據指示完成指定動作；

熟練度評測根據患者的完成速度進行打分；

3)所述評測模塊通過建立新的坐標系，引入標準向量的概念，對標準姿勢的空間向量進行記錄，通過患者相應動作與標準向量的比較，確定動作角度是否達標，減少動作誤差，達到評級效果；標準向量的引入，解決不同人群因為身高臂長不同而無法制定標準距離的難點，針對不同患者，計算出不同的標準距離，通過空間距離和角度的雙重評測，提高評測精度，降低角度因空間旋轉出現的誤差；

4)所述交互模塊通過Kinect和Unity 3D技術的有效結合，提供一種遠程互動訓練平臺，糖尿病患者可以在虛擬環境中進行太極拳的互動訓練，通過網絡連接可和其它老年人患者一起進行開脈太極拳訓練，

所述步驟3的角度評測中每一個肢體動作有兩次角度測評：

第一次角度測評中，針對四肢給出四個標準方向向量標準向量是采集已熟練開脈太極人員在不同姿勢下的骨骼向量，通過Kincet采集左手腕點a₁、左肘點b₁和左肩膀點c₁、右手腕點a₂、右肘點b₂和右肩膀點c₂、左踝骨點d₁、左膝蓋點e₁和左臀點f₁、右踝骨點d₂、右膝蓋點e₂和右臀點f₂，在角度組中建立四個向量分別是采用骨骼點的連接向量與標準向量進行向量比較，從而確認角度是否達標；

角度計算公式如下：

組1為：

組2為：

組3為：

組4為：

根據級別不同進行打分，設定五級標準，骨骼向量與標準方向向量角度范圍在5度之內，則給10分，在5度—10度就給8分，10度—15度為6分，15度—20度為4分，在20度之外均為2分；

第二次角度評測中，引入四個標準向量，與進行比較，從而確認角度是否達標，角度計算公式如下；

組1為：

組2為：

組3為：

組4為：

根據不同的級別進行打分，設定五級標準，如果骨骼向量與標準方向向量角度范圍在5度之內，則給10分，在5度—10度就給8分，10度—15度為6分，15度—20度為4分，在20度之外均為2分，

所述步驟3中的距離評測為：

在進行相關評測之前，需要計算出不同人的標準距離向量，通過動態向量和標準距離向量的計算，確認距離差，從而衡量動作達標程度，引入前文中的標準向量

標準距離向量計算如下：

(1)左手標準距離向量

左手標準距離向量需要引入左手腕靜態數值a₁(x₉,y₉,z₉)、左肘靜態數值b₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)、左肩膀靜態數值c₁(x₁₃,y₁₃,z₁₃)、脊柱靜態值k(x₂₁,y₂₁,z₂₁)、左手靜態數值g₁(x₂₂,y₂₂,z₂₂)；

左手Y值(在kinect中Y為豎直軸，Y值是左手在標準狀態下坐標點數值)，通過左肩膀靜態y₁₃與脊柱靜態值y₂₁做差，加上c₁到b₁的長度在方向上的Y值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)，再加上b₁到a₁的長度在方向上Y值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)，最后加上靜態左手腕y₉減去靜態左手y₂₂；

橫軸X的標準距離，左肩膀靜態x₁₃與脊柱靜態值x₂₁做差，加上c₁到b₁的長度在 方向上的X值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)，再加上b₁到a₁的長度在方向上X值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)；

縱深軸Z的標準距離，計算c₁到b₁的長度在方向上的Z值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)，再加上b₁到a₁的長度在方向上Z值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)；

從上文可以得到左手的標準坐標位置G₁(X₁,Y₁,Z₁)，通過計算可得標準距離向量為

(2)右手標準距離向量

右手標準距離向量，需要引入右手腕靜態數值a₂(x₁₀,y₁₀,z₁₀)、右肘靜態數值b₂(x₁₂,y₁₂,z₁₂)、右肩膀靜態數值c₂(x₁₄,y₁₄,z₁₄)、脊柱靜態值k(x₂₁,y₂₁,z₂₁)、右手靜態數值g₂(x₂₃,y₂₃,z₂₃)；

按照左手計算方法可以得到右手的標準坐標位置G₂(X₂,Y₂,Z₂)，通過計算可得標準距離向量為

(3)左腳標準距離向量

左腳標準距離向量，需要引入左踝骨靜態數值d₁(x₁₅,y₁₅,z₁₅)、左膝蓋靜態數值e₁(x₁₇,y₁₇,z₁₇)、左臀靜態數值f₁(x₁₉,y₁₉,z₁₉)、脊柱靜態值k(x₂₁,y₂₁,z₂₁)、左手靜態數值g₁(x₂₂,y₂₂,z₂₂)；

左腳的坐標Y值(在kinect中Y為豎直軸，Y值是左腳在標準狀態下坐標點數值)， 靜態坐標對比點為k(x₂₁,y₂₁,z₂₁)，通過左臀靜態y₁₉與脊柱靜態值y₂₁做差，加上f₁到e₁的長度在方向上的Y值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)，再加上e₁到d₁的長度在方向上Y值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)；

橫軸X的標準距離，左臀靜態x₁₉與脊柱靜態值x₂₁做差，加上f₁到e₁的長度在 方向上的X值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)，再加上e₁到d₁的長度在方向上X值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)；

縱深軸Z的標準距離，計算f₁到e₁的長度在方向上的Z值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)，再加上e₁到d₁的長度在方向上Z值大小(其中坐標軸正向為正，反向為負)，左腳和左腳踝在深度上距離差，計算左腳靜態x₂₄與左踝骨靜態值x₁₅做差；

從上文可以得到左腳的標準坐標位置H₁(X₃,Y₃,Z₃)，通過計算可得標準距離向量為

(4)右腳標準距離向量

右腳標準距離向量，需要引入右踝骨靜態數值d₂(x₁₆,y₁₆,z₁₆)右膝蓋靜態數值e₂(x₁₈,y₁₈,z₁₈)、右臀靜態數值f₂(x₂₀,y₂₀,z₂₀)、脊柱靜態值k(x₂₁,y₂₁,z₂₁)；

按左腳計算方法可得右腳的標準坐標位置H₂(X₄,Y₄,Z₄)，通過計算可得標準距離向量 為

計算完標準距離向量后，需要得到動態距離向量，通過空間向量的計算可以進行距離評測；

引入左手動態數值g₁₁(x₂₆,y₂₆,z₂₆)、右手動態數值g₂₁(x₂₇,y₂₇,z₂₇)、左腳動態數值h₁₁(x₂₈,y₂₈,z₂₈)、右腳動態數值h₂₁(x₂₉,y₂₉,z₂₉)、脊柱動態數值k₁(x₃₀,y₃₀,z₃₀)；

求出動態向量值

而距離的計算公式如下，通過空間平移可以使得動態向量和靜態向量有共同基點

左手距離向量

右手距離向量

左腳距離向量

右腳距離向量

之后計算

距離評測方法是通過計算左右手和左右腳相對標準坐標點的距離來評估距離達標程度，設定標準數據點與動態數據點的距離在20cm內為優秀距離，5分；設定標準數據點與動態數據點的距離在20cm—30cm為良好距離，4分；設定標準數據點與動態數據點的距離在30cm—40cm為及格距離，3分；其它距離為1分。