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一种基于三维空间动作捕捉的人体平衡测量方法和系统

热词 起立 平衡 站立 行走 动作 摇晃 躯体 坐下 测试 分数
专利类型 发明授权 法律事件 公开; 实质审查; 授权;
专利有效性 有效专利 当前状态 授权
申请号 CN202210121895.9 申请日 2022-02-09
公开(公告)号 CN114532986B 公开(公告)日 2022-11-04
申请人 北京中科睿医信息科技有限公司; 申请人类型 企业
发明人 冯振; 朱文成; 佟良远; 彭斌; 刘岸风; 张昊; 武睿; 第一发明人 冯振
权利人 北京中科睿医信息科技有限公司 权利人类型 企业
当前权利人 北京中科睿医信息科技有限公司 当前权利人类型 企业
省份 当前专利权人所在省份:北京市 城市 当前专利权人所在城市:北京市海淀区
具体地址 当前专利权人所在详细地址:北京市海淀区知春路23号6层616A室 邮编 当前专利权人邮编:100088
主IPC国际分类 A61B5/00 所有IPC国际分类 A61B5/00A61B5/11G06F17/18
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 5 专利文献类型 B
专利代理机构 北京君尚知识产权代理有限公司 专利代理人 邱晓锋;
摘要 本 发明 涉及一种基于三维空间 动作捕捉 的人体平衡测量方法和系统。该方法的步骤包括:对测试者的动作进行采集,获得人体骨骼点的三维坐标数据;根据人体骨骼点的三维坐标数据,计算各个动作的平衡参数;根据平衡参数,通过平衡能 力 计算公式得出平衡分数;根据平衡分数确定测试者的平衡能力。其中测试者的动作为标准化动作,包括:重复坐下起立、 串联 站立、半串联站立、起立行走试验。本发明提出了一套标准化的平衡测试动作和定量化的平衡参数,提出了科学的、客观的、标准的平衡能力计算公式,将平衡能力定量化,并对应到平衡能力等级,无需穿戴任何传感设备,让测试者在尽量完全自然状态下执行测试动作,能够快速便捷的进行平衡能力参数测评。
权利要求

1.一种基于三维空间动作捕捉的人体平衡测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
对测试者的动作进行采集,获得人体骨骼点的三维坐标数据;
根据人体骨骼点的三维坐标数据,计算各个动作的平衡参数;
根据平衡参数,通过平衡能计算公式得出平衡分数;
根据平衡分数确定测试者的平衡能力;
所述测试者的动作为标准化动作,包括:重复坐下起立、串联站立、半串联站立、起立行走试验;
所述重复坐下起立、串联站立、半串联站立、起立行走试验的动作标准如下:
重复坐下起立:测试者保持双手胸前交叉,在椅子上连续坐下、起立5次;过程中不要停顿,以最快速度从座位起立、坐下,重复5次;要求座椅高度为0.5米,座椅距离采集设备2.5米;
串联站立:测试者距离采集设备2.5米,足跟对足尖站立,前一只脚要放在后一只脚的正前方,双手向前平伸直与肩同宽,保持10秒;
半串联站立:测试者距离采集设备2.5米,足跟对足尖站立,后一只脚的大足趾侧面贴近前一只脚的脚后跟旁边,双手向前水平伸直与肩同宽,保持10秒;
起立行走试验:测试者先坐在椅子上,椅子位于一标识处,然后测试者从椅子站起并正常行走到另一标识处,然后转身回到椅子处,转身站定后再坐到椅子上;
所述平衡参数包括:重复坐下起立过程中站起时的躯体前后摇晃最大度 P1;重复坐下起立过程中站起时的躯体左右摇晃最大角度 P2;串联站立时躯体前后摇晃最大角度 P3;串联站立时躯体左右摇晃最大角度 P4;串联站立时稳定站立时间T1;半串联站立时躯体前后摇晃最大角度 P5;半串联站立时躯体左右摇晃最大角度 P6;半串联站立时稳定站立时间T2;起立行走试验过程行走时的左脚平均步长 S1;起立行走试验过程行走时的右脚平均步长 S2;起立行走试验过程行走时的左脚平均步高 H1;起立行走试验过程行走时的右脚平均步高 H2;起立行走试验过程转身时的躯体前后摇晃最大角度 P7;起立行走试验过程转身时的躯体左右摇晃最大角度 P8;
所述平衡能力计算公式为:
F = (W1*(1‑P1/90)*(1‑P2/90)+ W2*(1‑P3/90)*(1‑P4/90)+ W3*(1‑P5/90)*(1‑P6/
90)+
W4*(1‑P7/90)*(1‑P8/90)+W5*T1*T2/100 + W6*(1‑E1) + W7*(1‑E2)) *100其中,W1 W7表示权重值;E1是行走过程左脚和右脚步长差异度,E1 =|S1‑S2|/(S1+~
S2);E2是行走过程左脚和右脚步高差异度,E2 = |H1‑H2|/(H1+H2);
其中,W1 W7的值为:W1=0.05,W2=0.1,W3=0.1,W4=0.05,W5=0.1,W6=0.3,W7=0.3。
~
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述对测试者的动作进行采集,是通过三维空间动作捕捉技术对测试者的动作进行采集。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述稳定站立是指前后和左右摇晃角度均小于2度。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据平衡分数判定测试者的平衡能力,包括:若平衡分数小于10,则测试者平衡能力很差;若平衡分数大于等于10且小于20,则测试者平衡能力稍差;若平衡分数大于等于20且小于80,则测试者平衡能力正常;若平衡分数大于等于80,则测试者平衡能力非常好。
5.一种采用权利要求1 4中任一权利要求所述方法的基于三维空间动作捕捉的人体平~
衡测量系统,其特征在于,包括:
动作采集模,用于对测试者的动作进行采集,获得人体骨骼点的三维坐标数据;
平衡参数计算模块,用于根据人体骨骼点的三维坐标数据,计算各个动作的平衡参数;
平衡分数计算模块,用于根据平衡参数,通过平衡能力计算公式得出平衡分数;
平衡能力确定模块,用于根据平衡分数确定测试者的平衡能力。

说明书全文

一种基于三维空间动作捕捉的人体平衡测量方法和系统

技术领域

[0001] 本发明属于信息技术、平衡性测量技术领域,涉及人体的平衡能测量,具体涉及一种基于三维空间动作捕捉的人体平衡测量方法和系统。

背景技术

[0002] 目前现有的平衡性测量方法主要有两类,一类是通过平衡量表(Tinetti平衡与步态量表),这类方法主要依赖主观判断,测试过程中需要用肉眼观察并判断测试者在做动作过程中是否稳定或者走路过程左右脚是否对称,存在测量过程不标准,判断结果主观性强的问题会影响最终测量的结论;另一类是借助穿戴传感器(压力传感器等),这类方法测量前准备比较繁琐,需要穿戴传感器、校准,或者测量环境限制多、要求高,这些都会影响测试者的正常动作表现,导致测量出的结果并不能反应测试者的真实平。
[0003] 而目前没有一种方法可以通过三维空间动作捕捉技术,在测试者无需穿戴任何传感器情况下,几乎接近完全自然状态下对测试者进行快速、便捷、客观、标准的测量出人体的平衡能力。

发明内容

[0004] 现有的平衡测量方法存在测量过程不标准、判断结果主观性强,以及测量前准备繁琐,需要穿戴传感器、校准,或者测量环境限制多、要求高等影响测试者正常动作表现的问题,导致测量出的结果不能反应测试者的真实水平。本发明提供一种通过一套标准化的动作规范(包括重复坐下起立、串联站立、半串联站立、起立行走试验),利用3D深度传感器(类似高速路上的测速摄像头),测试者无需穿戴和接触任何传感器,便可对人体动作进行采集捕捉,然后计算出各个标准化动作的平衡参数(摇晃度等),再通过平衡能力计算公式计算出平衡分数来测量人体的平衡能力。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006] 一种基于三维空间动作捕捉的人体平衡测量方法,包括以下步骤:
[0007] 对测试者的动作进行采集,获得人体骨骼点的三维坐标数据;
[0008] 根据人体骨骼点的三维坐标数据,计算各个动作的平衡参数;
[0009] 根据平衡参数,通过平衡能力计算公式得出平衡分数;
[0010] 根据平衡分数确定测试者的平衡能力。
[0011] 进一步地,所述对测试者的动作进行采集,是通过三维空间动作捕捉技术对测试者的动作进行采集。
[0012] 进一步地,所述测试者的动作为标准化动作,包括:重复坐下起立、串联站立、半串联站立、起立行走试验。
[0013] 进一步地,所述重复坐下起立、串联站立、半串联站立、起立行走试验的动作标准如下:
[0014] 重复坐下起立:测试者保持双手胸前交叉,在椅子上连续坐下、起立5次;过程中不要停顿,以最快速度从座位起立、坐下,重复5次;要求座椅高度为0.5米,座椅距离采集设备2.5米;
[0015] 串联站立:测试者距离采集设备2.5米,足跟对足尖站立,前一只脚要放在后一只脚的正前方,双手向前水平伸直与肩同宽,保持10秒;
[0016] 半串联站立:测试者距离采集设备2.5米,足跟对足尖站立,后一只脚的大足趾侧面贴近前一只脚的脚后跟旁边,双手向前水平伸直与肩同宽,保持10秒;
[0017] 起立行走试验:测试者先坐在椅子上,椅子位于一标识处,然后测试者从椅子站起并正常行走到另一标识处,然后转身回到椅子处,转身站定后再坐到椅子上。
[0018] 进一步地,所述平衡参数包括:重复坐下起立过程中站起时的躯体前后摇晃最大角度P1;重复坐下起立过程中站起时的躯体左右摇晃最大角度P2;串联站立时躯体前后摇晃最大角度P3;串联站立时躯体左右摇晃最大角度P4;串联站立时稳定站立时间T1;半串联站立时躯体前后摇晃最大角度P5;半串联站立时躯体左右摇晃最大角度P6;半串联站立时稳定站立时间T2;起立行走试验过程行走时的左脚平均步长S1;起立行走试验过程行走时的右脚平均步长S2;起立行走试验过程行走时的左脚平均步高H1;起立行走试验过程行走时的右脚平均步高H2;起立行走试验过程转身时的躯体前后摇晃最大角度P7;起立行走试验过程转身时的躯体左右摇晃最大角度P8。
[0019] 进一步地,所述稳定站立是指前后和左右摇晃角度均小于2度。
[0020] 进一步地,所述平衡能力计算公式为:
[0021] F=(W1*(1‑P1/90)*(1‑P2/90)+W2*(1‑P3/90)*(1‑P4/90)+W3*(1‑P5/90)*(1‑P6/90)+
[0022] W4*(1‑P7/90)*(1‑P8/90)+W5*T1*T2/100+W6*(1‑E1)+W7*(1‑E2))*100[0023] 其中,W1~W7表示权重值;E1是行走过程左脚和右脚步长差异度,E1=|S1‑S2|/(S1+S2);E2是行走过程左脚和右脚步高差异度,E2=|H1‑H2|/(H1+H2)。
[0024] 进一步地,W1~W7的值为:W1=0.05,W2=0.1,W3=0.1,W4=0.05,W5=0.1,W6=0.3,W7=0.3。
[0025] 进一步地,所述根据平衡分数判定测试者的平衡能力,包括:若平衡分数小于10,则测试者平衡能力很差;若平衡分数大于等于10且小于20,则测试者平衡能力稍差;若平衡分数大于等于20且小于80,则测试者平衡能力正常;若平衡分数大于等于80,则测试者平衡能力非常好。
[0026] 一种采用上述方法的基于三维空间动作捕捉的人体平衡测量系统,其包括:
[0027] 动作采集模,用于对测试者的动作进行采集,获得人体骨骼点的三维坐标数据;
[0028] 平衡参数计算模块,用于根据人体骨骼点的三维坐标数据,计算各个动作的平衡参数;
[0029] 平衡分数计算模块,用于根据平衡参数,通过平衡能力计算公式得出平衡分数;
[0030] 平衡能力确定模块,用于根据平衡分数确定测试者的平衡能力。
[0031] 本发明的有益效果如下:
[0032] 1.无需穿戴任何传感设备,让测试者在尽量完全自然状态下执行测试动作,通过三维空间动作捕捉技术快速便捷的进行平衡能力参数测评。
[0033] 2.提出了一套标准化的平衡测试动作和定量化的平衡参数。
[0034] 3.提出了一个科学的、客观的、标准的平衡能力计算公式,将平衡能力定量化,并对应到平衡能力等级。附图说明
[0035] 图1是本发明方法的主要过程示意图。
[0036] 图2是三维空间动作捕捉的示意图。

具体实施方式

[0037] 下面通过具体实施例和附图,对本发明做进一步详细说明。
[0038] 一、三维空间动作捕捉(采集数据)
[0039] 101.让测试者按照指定的动作标准依次在指定的区域做如下动作:
[0040] 动作1:重复坐下起立
[0041] 动作1标准:测试者保持双手胸前交叉,在椅子上连续坐下、起立5次。过程中不要停顿,以最快速度从座位起立、坐下,重复5次;要求座椅高度为0.5米,座椅(图2中的标准点C点)距离采集设备2.5米。
[0042] 动作2:串联站立
[0043] 动作2标准:测试者(图2中的标准点C点)距离采集设备2.5米,足跟对足尖站立,前一只脚要放在后一只脚的正前方,双手向前水平伸直与肩同宽,保持10秒。
[0044] 动作3:半串联站立
[0045] 动作3标准:测试者(图2中的标准点C点)距离采集设备2.5米,足跟对足尖站立,后一只脚的大足趾侧面贴近前一只脚的脚后跟旁边,双手向前水平伸直与肩同宽,保持10秒。
[0046] 动作4:起立行走试验
[0047] 动作4标准:测试者先坐在椅子上,椅子位于图2中的E标识处,然后测试者从椅子站起并正常行走到图2的D标识处,然后转身回到椅子处,转身站定后再坐到椅子上。
[0048] 102.位于图2中“设备摆放区域”位置的装有3D深度传感器的设备对上一步的测试者动作进行采集,处理得到人体的骨骼点三维坐标数据。
[0049] 二、计算各个动作的平衡参数
[0050] 201.根据第一步中得到的人体骨骼点三维坐标数据,分别计算各个动作的平衡参数,包括:
[0051] 重复坐下起立过程中站起时的躯体前后摇晃最大角度P1;
[0052] 重复坐下起立过程中站起时的躯体左右摇晃最大角度P2;
[0053] 串联站立时躯体前后摇晃最大角度P3;
[0054] 串联站立时躯体左右摇晃最大角度P4;
[0055] 串联站立时稳定站立时间(前后和左右摇晃角度均小于2度即视为稳定站立)T1;
[0056] 半串联站立时躯体前后摇晃最大角度P5;
[0057] 半串联站立时躯体左右摇晃最大角度P6;
[0058] 半串联站立时稳定站立时间(前后和左右摇晃角度均小于2度即视为稳定站立)T2;
[0059] 起立行走试验过程行走时的左脚平均步长S1;
[0060] 起立行走试验过程行走时的右脚平均步长S2;
[0061] 起立行走试验过程行走时的左脚平均步高H1;
[0062] 起立行走试验过程行走时的右脚平均步高H2;
[0063] 起立行走试验过程转身时的躯体前后摇晃最大角度P7;
[0064] 起立行走试验过程转身时的躯体左右摇晃最大角度P8。
[0065] 202.进一步的,计算行走过程左脚和右脚步长差异度E1=|S1‑S2|/(S1+S2),以及行走过程左脚和右脚步高差异度E2=|H1‑H2|/(H1+H2)。
[0066] 三、通过平衡能力公式得出平衡分数
[0067] 301.将各个平衡参数带入平衡能力计算公式:
[0068] F=(W1*(1‑P1/90)*(1‑P2/90)+W2*(1‑P3/90)*(1‑P4/90)+W3*(1‑P5/90)*(1‑P6/90)+
[0069] W4*(1‑P7/90)*(1‑P8/90)+W5*T1*T2/100+W6*(1‑E1)+W7*(1‑E2))*100[0070] 公式中的Wn表示权重值,取值见表1。
[0071] 表1权重值列表
[0072] 权重类型 权重值W1 0.05
W2 0.1
W3 0.1
W4 0.05
W5 0.1
W6 0.3
W7 0.3
[0073] 302.根据平衡能力得分F,通过平衡能力得分‑等级对照表,即表2,判断测试者的平衡能力。
[0074] 表2平衡能力得分‑等级对照表
[0075]平衡能力分数F 平衡能力等级
小于10 很差
10‑20 稍差
20‑80 正常
大于等于80 非常好
[0076] 综上,本实施例通过三维空间动作捕捉技术对指定的几个人体的简单动作(包括重复坐下起立、串联站立、半串联站立、起立行走试验)进行动作数据采集、定量计算出各个动作的平衡参数(包括躯体左右摇晃角度、躯体前后摇晃角度、稳定站立时间、行走过程左右脚步长、步高、转身过程躯体前后摇晃角度、转身过程躯体左右摇晃角度),然后将各个平衡参数带入平衡能力计算公式(F)得出平衡分数。若平衡分数小于10,则测试者平衡能力很差;若平衡分数大于等于10且小于20,则测试者平衡能力稍差;若平衡分数大于等于20且小于80,则测试者平衡能力正常;若平衡分数大于等于80,则测试者平衡能力非常好。
[0077] 基于同一发明构思,本发明的另一实施例提供一种采用上述方法的基于三维空间动作捕捉的人体平衡测量系统,其包括:
[0078] 动作采集模块,用于对测试者的动作进行采集,获得人体骨骼点的三维坐标数据;动作采集模块可以是3D深度传感器等;
[0079] 平衡参数计算模块,用于根据人体骨骼点的三维坐标数据,计算各个动作的平衡参数;具体动作及其平衡参数如前文所述;
[0080] 平衡分数计算模块,用于根据平衡参数,通过平衡能力计算公式得出平衡分数;平衡能力计算公式如前文所述;
[0081] 平衡能力确定模块,用于根据平衡分数确定测试者的平衡能力;平衡能力分数及对应的平衡能力等级如表2所示。
[0082] 本方法与现有的平衡测量方法的对比如表3所示。
[0083] 表3
[0084]
[0085] 本发明的其它实施方式:
[0086] 1.采用其他动作采集传感器对测试者的动作进行采集。
[0087] 2.对上文提到的几个动作(重复坐下起立、串联站立、半串联站立、起立行走试验)进行增删或者替换。
[0088] 3.对上文提到的平衡参数进行增删\替换。
[0089] 4.采用其他的平衡分数计算公式计算平衡分数。
[0090] 5.表1中的权重值采用其他值,表2中的平衡能力等级划分按照其他分数范围进行划分。
[0091] 6.四个标准动作采用其他的动作执行规范。
[0092] 以上公开的本发明的具体实施例,其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施,本领域的普通技术人员可以理解,在不脱离本发明的精神和范围内,各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例所公开的内容,本发明的保护范围以权利要求书界定的范围为准。
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