[0001] 本发明涉及训练辅助的领域，即用于帮助人或动物更好地进行其某种活动的装置。更具体地，本发明涉及运动训练辅助，即用于提供与用户所进行的运动相关的某种反馈的系统或装置。甚至更具体地，本发明涉及体育运动训练辅助，例如高尔夫挥杆训练辅助或标枪训练辅助等。

[0002] 从WO2003024544中已知这种运动训练辅助的一个示例。该文献公开了一种设置有用于监视重复运动序列(诸如高尔夫挥杆等)的各方面的各种传感器和装置的重复运动反馈系统。所监视的方面可以包括用户所移动的物体的运动属性、用户的位置属性、以及用户的运动属性。用于接收所监视的方面的数据的数据处理系统提供了反馈数据，该反馈数据被提供给诸如图形显示装置或扬声器等的反馈输出装置，使得能够向用户提供与重复运动序列有关的反馈。在一个特定实施例中，将用户的表现与先前表现的模板进行比较，并提供与差异有关的反馈。

[0003] 另一现有技术文献是US6778866，其公开了一种用于教导人如何以一致的方式进行特定身体运动的方法和设备，其基于：以电子方式测量实际身体运动的一个或多个参数，将一个或多个测量参数与目标身体运动的相应参数进行比较，并基于一个或多个测量参数与相应目标参数之间的对应程度来向用户提供可感知的反馈。在特定实施例中，反馈是可听的。更具体地，反馈是具有特别适合于特定身体运动(诸如高尔夫挥杆等)的特定特征(诸如节奏等)的乐调。反馈可以是以电子方式使乐调随着实际身体运动与目标身体运动之间的差异成比例地走调的形式。

[0004] 在WO200518759中公开了另一种现有技术的系统和方法，该系统和方法用于教导运动员(例如高尔夫球手)的人体工程学运动。该系统包括用于捕捉高尔夫球手执行期望的高尔夫挥杆的连续图像的摄像机、以及允许高尔夫球手限定视频图像的空间区域的阈值定义系统。如果空间区域被侵入，则启动警报，从而提供反馈，使得高尔夫球手可以改变下一次尝试运动的技术。例如，高尔夫球手可以限定区域，使得如果球杆在挥动期间离开平面，则球座移除系统使球消失。以这种方式，高尔夫球手只能在球杆保持在平面上时击球。

[0059] 定义

[0060] 为了本发明的目的，在下文中，使用具有如下所解释的含义的以下术语。

[0061] “运动”：在术语“运动”被理解为用户所进行的任何复合的或简单的身体运动的情况下，其可以是他或她的四肢、或躯干、或重心中的一个或多个的运动。任何可能的歧义都应通过使用该术语的上下文来解决。示例性运动包括但不限于完整的跳高、撑杆跳、掷链球、掷标枪、体操、舞蹈动作、啦啦队动作、棒球击球、棒球投球、高尔夫挥杆、推杆或跳马、或其中的一部分。在各实施例中，运动还包括旋转运动。

[0062] “运动表示”：“运动表示”通常是运动的数学表示。运动表示可以包括线性和旋转的运动位置、运动速度和运动加速度的表示。例如，如下所示，运动可以由用户身体上的预定点的当前位置表示，或者运动可以由(运动)轨迹表示。

[0063] “位置”：如这里所使用的术语“位置”被理解为传感器单元或小物体相对于附近参考点的物理局部位置并且使用合适的坐标系表示。通常，在本发明的上下文中，位置在距参考点0～5米的量级内。

[0064] “不期望的运动”：术语“不期望的运动”用于表示从用户和/或他或她的教练的角度看不期望或者包括不期望的特征的运动。

[0065] “身体运动跟踪器”：如这里所使用的，术语“身体运动跟踪器”表示在被执行时能够基于处理后的传感器数据随时间跟踪用户身体的一个或多个预定义点的装置或系统或一段计算机代码。

[0066] “跟踪”：术语“跟踪”被理解为在运动期间收集并存储(记录)用户身体上的一个或多个预定义点的连续位置的活动。

[0067] “运动轨迹”：术语“运动轨迹”是跟踪活动的结果，即所存储的预定义身体点从起始点或起始时间开始并在结束点或结束时间结束的随时间的连续位置的总量。

[0068] “参考运动轨迹”：“参考运动轨迹”是可用于创建可以与运动的运动表示进行比较的模型的期望运动轨迹。

[0069] “旋转角”或“旋转角度”：在二维空间中，“旋转角度”是物体围绕固定点旋转的角度量的测量值。在三维空间中，使用关于三个坐标轴的旋转角度来测量和指示旋转。

[0070] “预定义身体点”：术语“预定义身体点”是指用户身体上的点，其中该点已被设置有用于促进对该点的跟踪的部件，例如传感器单元。

[0071] “姿态”：在本发明的上下文中，术语“姿态”用于表示物体在空间中的取向(姿态、角位置)。姿态可以由俯仰角、偏航角和横滚角表示，或者可选地由姿态矢量或轴线、以及围绕该矢量或轴线的旋转角表示(即轴线—角度表示，参见欧拉旋转定理)。

[0072] “运动传感器单元”：“运动传感器单元”被理解为可附着到用户身体的单元，其能够传递诸如加速度等的运动信息，该信息使得可以在合适的参考系中确定用户运动期间的传感器的姿态和三维位置或相同位置的变化。传感器单元被设想为足够小且轻而不会干扰用户的运动。

[0073] “控制单元”：在本发明的上下文中，“控制单元”是包括用于操作装置的人机界面的单元，其通常还包括用以与处理器和/或运动传感器单元进行通信的无线通信部件。

[0074] “样本”：在本发明的上下文中，术语“样本”用于表示在特定时刻计算出的运动传感器单元的状态，并且可以包括由处理器基于来自运动传感器单元的运动传感器数据并且还基于参考系(即坐标系)所计算出的线性和/或旋转的运动位置、运动速度以及运动加速度的表示。与样本相关联的是样本编号和/或样本时间。

[0075] “处理器”：在本发明的上下文中，如果没有明确提及，则术语“处理器”用于表示处理器系统，而与该处理器系统是否包括一个或多个逻辑或物理处理器无关。

[0076] “存储器”：在本发明的上下文中，如果没有明确提及，则术语“存储器”用于表示存储器系统，而与该存储器系统是否包括一个或多个逻辑或物理存储器无关。

[0077] “刺激器”：在本发明的上下文中，术语“刺激器”用于表示可附着到人或动物的身体、并且在接收到命令时能够引发该人或动物可感知的刺激的装置。

[0078] 图1a示出根据本发明的实施例的训练辅助系统的框图。训练辅助系统包括用于提供运动传感器数据的运动传感器单元110。运动传感器单元110被配置为能够容易地附着到人的身体部位或者该人所使用的器具。运动传感器单元110可以是例如手镯或贴片的形式或者附着到器具上。运动传感器单元110连接至被配置为处理运动传感器数据的处理器105。

[0079] 如图1b，该系统可以包括手持式控制单元120以方便与处理器105进行通信。处理器连接到用于存储数据的存储器118。此外，该系统包括能够引发人可感知的刺激的刺激器102。刺激器102优选地可附着到人的身体。优选地，刺激器102、处理器105、存储器118和运动传感器单元可以全部布置或集成在同一物理单元中。

[0080] 图3b示出具有附着的装置的运动员身体350的立体图。具有运动传感器单元的手镯372被示出为附着到运动员的手腕352。刺激器单元374被示出为附着到运动员身体的斜方肌区域。

[0081] 运动传感器单元110设置有能够向其所连接的处理器105提供运动数据的一个或多个传感器，并且处理器105被配置为对运动传感器单元110的后续三维位置保持跟踪。传感器单元可以是诸如MEMS单元等的小型单元，其提供加速度计数据以允许处理器计算运动传感器单元的位置和速度数据，而无需外部参考。市售单元是来自加利福尼亚州圣何塞的INVENSENSE的半导体运动跟踪器装置MPU-9250。该系统还可以包括无线通信部件(例如蓝牙或WIFI等)，从而使得处理器105能够与控制单元120进行通信。

[0082] 模式

[0083] 在各种实施例中，控制单元可用于将系统设置为如下两种模式中的一种：阈值设置模式和监督模式：

[0084] -在阈值设置模式中，可以与阈值(也称为允许偏差)一起定义第一三维轨迹，其中该阈值是以参考运动轨迹作为中心轴线而创建的虚拟管道的半径。此外，可以该模式下设置姿态偏差参数。

[0085] 此外，该系统被配置为使得可以将控制单元连接到互联网并导入参考运动轨迹和允许偏差。控制单元还配置成便于调整允许偏差的参数。允许偏差的典型参数可以包括允许管道的半径(见图4b)、以及允许姿态角椎体和/或姿态角间隔所表示的允许姿态偏差角(见图4c)。在各种实施例中，期望轨迹和/或期望姿态角可被预定义为工厂设置，其中该工厂设置可以通过取决于要实践(训练)的运动而输入某些身体测量值(诸如指尖到地面的距离、以及臂长等)来进行调整。

[0086] 在监督模式中，处理器被配置为将传感器单元位置或者传感器单元位置和传感器单元姿态两者与参考值进行比较。关于位置，只要实际运动保持在虚拟管道内，运动就被认为是令人满意的，并且将不会引发刺激。因此，根据运动传感器单元110相对于参考运动的运动，在运动传感器单元已经移动得比允许偏差距离更远、以及/或者姿态已经偏离到角椎体以外的情况下，处理器应当立即向刺激单元发送命令以引发第一刺激。

[0087] 在各种实施例中，处理器被配置为仅完成与预定运动的比较，而未被配置为能够被设置为任何阈值模式或参考运动模式。

[0088] 刺激类型

[0089] 刺激器102优选地被配置为提供阻止性的刺激。刺激可以是触觉刺激、电刺激、光刺激、听觉刺激、热刺激、或冷刺激、或者其组合。根据用户的需要，可以选择刺激以使运动学习最大化。优选地，刺激单元所引发的刺激是电刺激。甚至更优选地，刺激单元被配置为能够引发具有如下大小的电刺激，即所述电刺激的大小使得大多数人感知为疼痛。刺激单元被配置为能够递送这样的刺激。刺激的大小是可调节的。

[0090] 刺激单元被配置为以非常短(优选地小于50毫秒(ms)、或者更优选地小于20ms、或者最优选地小于10ms)的延迟来递送刺激。

[0091] 训练正确位置的方法

[0092] 现在参考图2a，提供了一种用于设置有运动传感器单元110的人或动物为了改善身体运动所用的训练辅助的方法，该方法包括以下的步骤：

[0093] -接收215运动传感器单元110数据；

[0094] -基于传感器单元数据来确定220传感器单元的当前位置；

[0095] -将所确定的传感器单元的当前运动位置值与预定期望运动的相应位置值进行比较225；

[0096] -考虑到预定阈值，基于当前运动的位置值和预定期望运动的位置值之间的不一致程度来发出230刺激；

[0097] 其中所发出的刺激可以是电刺激。

[0098] 现在参考图2b，该方法可以包括如图所示的附加步骤。其示出用于向人提供与身体运动有关的生物反馈的另一种方法的流程图，该方法包括以下的步骤：

[0099] -针对传感器单元位置、速度和姿态来初始化(306)内部运动寄存器，见下文的段落；

[0100] -从运动传感器接收307数据；

[0101] -对所接收到的数据应用315运动开始标准，见下文；

[0102] -判定320运动是否已经开始；

[0103] -基于步骤320的判定来校准325装置，见下文；

[0104] -判定330参考运动轨迹是否可用；

[0105] -将进行中的当前运动轨迹与参考运动轨迹进行比较335；

[0106] -判定340当前运动轨迹是否偏离参考运动轨迹超过预定义程度，如果是，则指示这一点；

[0107] -判定342运动是否结束，如果是，则保存到存储器中；

[0108] -基于用户输入来判定344运动轨迹是否要被保存为参考运动轨迹。

[0109] 用于训练正确姿态角的方法

[0110] 现在参考图5和6，还提供了一种设置有运动传感器单元110的人或动物为了改善身体运动所用的训练辅助的方法，该方法包括以下的步骤：

[0111] -接收515运动传感器单元110数据；

[0112] -基于传感器单元数据来确定520传感器单元的当前姿态；

[0113] -将所确定的传感器单元的当前运动姿态值与预定期望运动的相应姿态值进行比较525；

[0114] -考虑到预定阈值的三元组，基于当前运动的姿态值和预定期望运动的姿态值之间的不一致程度来发出530刺激，其中预定阈值的三元组中的各预定阈值用于一个姿态角，或者例如如图4c所示采用姿态矢量461～464的允许椎体481～484(其点位于当前位置并且沿姿态矢量的方向加宽)与第三姿态角的指示器476的允许第三姿态角的扇区471的组合的形式，以及其中所发出的刺激可以是电刺激。

[0115] 用于训练正确姿态角的方法可以包括如图6所示的附加步骤，其示出用于向人提供与身体运动有关的生物反馈的另一种方法的流程图，该方法包括以下的步骤：

[0116] -针对传感器单元位置、速度和姿态来初始化606内部运动寄存器；

[0117] -从运动传感器接收607数据；

[0118] -对所接收到的数据应用615运动开始标准，见下文；

[0119] -判定620运动是否已开始；

[0120] -基于步骤620的判定来校准625装置，另见下文；

[0121] -判定630包括期望姿态角的参考运动轨迹是否可用；

[0122] -将当前姿态角与参考运动轨迹角进行比较635；

[0123] -判定640当前姿态角是否偏离参考运动轨迹的姿态角超过期望值(是否在锥体外)，如果是，则指示这一点；

[0124] -判定642运动是否结束，如果是，则将运动轨迹保存到存储器；

[0125] -基于用户输入来判定644具有姿态角的运动轨迹是否要被保存为参考运动轨迹。

[0126] 初始化

[0127] 处理器优选地被配置为进行初始化过程以将用于保持表示运动传感器单元的运动状态的值的运动寄存器重置，这些值可以包括位置坐标(x,y,z)、x、y、z方向上的速度值、以及姿态角，即运动传感器单元围绕x、y、z坐标轴的旋转角。在初始化时刻沿运动传感器单元的方向设置初始坐标系，以提供将来的参考。这种初始化可以通过外部信号、按压运动传感器或处理器单元上的按钮、以及/或者使传感器单元在预定时间量中在预定限度内(诸如在至少1s中并且在1～10cm内)保持静止来完成，以重置上面提到的所有运动状态。

[0128] 运动开始识别

[0129] 图4e示出两个不同参考系/坐标系的示意图。图4f示出准备对准的图4e的参考系。

[0130] 处理器优选地被配置为搜索运动开始标识符，即短运动轨迹部分(491)。处理器被配置为使短运动轨迹部分(491)对准以与虚拟运动开始管道494拟合。随后，虚拟运动开始管道494用于将具有第二原点552的当前参考系与具有第一原点551的参考运动参考系对准。

[0131] 另一运动开始标识符可以是预定获得运动速度，其以信号表示运动已经开始以及运动的方向。开始序列的方向优选地被确定为运动传感器单元的获得运动速度的预定绝对值时速度矢量的方向。然后，使用该方向来使参考运动轨迹与当前运动对准，该处理这里被称为校准。

[0132] 虚拟管道和允许偏差

[0133] 传感器单元当前位置与预定期望运动的相应位置值的比较优选地涉及将所确定的传感器单元的当前位置与表示期望运动的连续位置值的期望轨迹的最接近部分进行比较的步骤，并且其中偏差被确定为当前位置和期望轨迹之间计算出的距离，而与期望轨迹的与当前位置最接近的部分的时间戳无关。

[0134] 图3a示出高尔夫球手350挥动球杆355的立体图。图3b示出具有附着装置的运动员身体的立体图。作为模型，将当前运动的允许空间视为具有与期望轨迹相对应的中心轴线或中心曲线以及与最大允许偏差相等的半径的虚拟管道是有利的。

[0135] 在图4a、图4b和图4c中找到如图所示用于高尔夫挥杆的这种虚拟管道的示例。管道中心轴线跟随高尔夫球手350的手腕352的运动。在图4a中示出了没有偏离参考轨迹的挥杆，即，该运动的中心完全在允许运动的管道359中。参考字母“A”表示开始位置，“B”表示如以上段落“运动开始识别”中所解释的对运动的检测。字母“C”表示参考运动的一部分，在该部分中，最大允许偏差被设置为小于其它部分。字母“D”表示向后挥动的顶点，向下挥动的开始。“A”(向下运动时)表示击球，并且“E”表示允许运动的管道的末端。通过管道的末端表示运动按预期完成，并且将不给出反馈。这里可以给出“正面的”反馈，诸如快乐的音符等。

[0136] 图4b示出允许偏差的虚拟管道的详情。参考轨迹410与圆431～433的允许半径一起限定管道。如果当前轨迹420的当前运动422偏离超过如点425所指示的允许偏差，则给出刺激反馈。

[0137] 虚拟管道变化半径

[0138] 处理器可被配置为使得虚拟管道半径(即最大允许偏差)是自参考时间起的时间的函数，或者是从参考轨迹的起点开始沿该参考轨迹的距离的函数。可以为运动的某些阶段分配特定的允许偏差。对于参考轨迹的各个点，也可以任意设置最大允许偏差。

[0139] 动态自适应阈值

[0140] 处理器还可被配置为提供用于动态地更改允许偏差的方法，即处理器持续跟踪后续运动，并且如果已经进行了没有发出负面反馈的多次运动(即这些运动成功)，则处理器将允许偏差减小至小于当前值的值，从而允许人进一步对运动进行微调。

[0141] 角锥-旋转角偏差

[0142] 图4c示出运动的一些采样点451～454连同各点的姿态矢量461～464和限制锥体481～484、以及姿态矢量461～464的限制扇区。处理器105可被配置为考虑到预定阈值的三元组，基于当前运动(运动传感器单元)的姿态值与预定期望运动的姿态值之间的不一致程度，其中预定阈值的三元组中的各预定阈值用于一个姿态角，或者例如如图4c所示采用姿态矢量461～464的允许椎体481～484(其底部位于当前位置并且沿姿态矢量的方向加宽)与允许的第三姿态角的扇区471～474的组合的形式。

[0143] 多个传感器单元

[0144] 该系统可以设置有多于一个的传感器单元，并且处理器可被配置为处理两个或更多个传感器及其位置的关系。这可以允许同时或依次地研究多于一个的身体部位。例如，如果一个传感器附着到手臂并且另一个传感器附着到臀部，则应当可以研究手臂运动和臀部运动两者及其关系。

[0145] 例如，在高尔夫运动中，常见的错误是让球杆或手臂而不是臀部发起向下挥动。这种错误称为时序错误或者有时称为序列错误。应该可以借助于被配置有连接到不同身体部位和/或器具的两个或更多个传感器单元的装置来校正这种时序错误或序列错误，即在高尔夫挥杆中，一个传感器可以连接到左手腕，而另一个传感器可以连接到左臀部。然后可以进行运动序列比较以发起正确的向下挥动序列。

[0146] 图例

[0147] 101 身体动作捕捉装置

[0148] 105 处理器

[0149] 110 运动传感器单元

[0150] 118 存储器

[0151] 120 控制单元

[0152] 205～230 图2a的流程图的块

[0153] 305～344 图2b的流程图的块

[0154] 350 高尔夫球手的身体

[0155] 352 手腕

[0156] 355 高尔夫球杆

[0157] 357 高尔夫球杆头

[0158] 359 允许运动的(虚拟)管道

[0159] 360 高尔夫球杆头的轨迹(向后挥动)

[0160] 362 高尔夫球杆头的轨迹(向下挥动)

[0161] 370 身体

[0162] 371 附着传感器单元的替代或附加位置

[0163] 372 具有运动传感器单元的手镯

[0164] 374 附着的刺激器单元

[0165] 376～378 附着传感器单元和/或刺激器的其它替代或附加位置

[0166] 410 参考运动轨迹

[0167] 420 当前运动轨迹

[0168] 422 当前位置

[0169] 425 打破限制的事件

[0170] 431 虚拟管道的限制圆圈

[0171] 432 虚拟管道的限制圆圈

[0172] 433 虚拟管道的限制圆圈

[0173] 441 虚拟管道

[0174] 443 参考轨迹

[0175] 451～456 位置

[0176] 461～465 姿态矢量

[0177] 471～474 允许的(第三)姿态角的扇区

[0178] 476 第三姿态角

[0179] 481～484 允许角的锥体

[0180] 491 运动开始序列

[0181] 551 原点

[0182] 552 另一原点

[0183] 505～530 图5的流程图的块

[0184] 605～644 图6的流程图的块

[0185] A.起始位置

[0186] B.运动检测，起始管的末端

[0187] C.受限阶段的示例

[0188] D.向后挥动的顶点，向下挥动的开始

[0189] A.击球

[0190] E.允许运动的管道的末端