[0001] 本实用新型涉及人工智能技术领域，尤其涉及一种人体平衡位姿矫正训练装置。

[0002] 随着飞行器技术的不断演进，维持驾驶员在操作中的平衡位姿校正训练变得愈发至关重要。这需涵盖飞行员、驾驶员以及操作员，他们必须确保在飞行或驾驶期间保持适当的姿势，以保障操作的安全性和效率。因此，研究和开发用于校正位姿的训练设备，以提供更安全和更高效的平衡保持训练，已成为研究和开发的一个核心关注领域。

[0003] 液位信息采集技术、虚拟现实(VR)技术以及强化学习的不断发展，为位姿矫正训练装置带来了崭新的前景。例如，利用液位信息采集设备可以更精确地评估目标对象的重心位置。虚拟现实技术提供了一种让目标对象仿佛置身其中的身临其境体验，而强化学习为评估驾驶员的位姿状态提供了有效的工具。这些技术的不断改进，推动了位姿校正装置领域的技术创新，使其变得更加可靠和实用。

[0004] 当前有一些研究项目致力于探索如何将虚拟现实技术与实际场景相结合，以创造更加沉浸式的驾驶员位姿训练环境。这一创新方法的目的在于提供更为真实、生动的训练体验，能够模拟各种飞行或驾驶情境。在这种方法中，虚拟现实技术被用于在训练中模拟现实世界的飞行或驾驶情景。通过戴上虚拟现实头盔，驾驶员可以仿佛置身于飞行器或车辆的驾驶座上，与环境互动。这种互动可能包括处理紧急情况、应对不同的天气条件、执行复杂机动操作等。此外，该方法还可以与实际场景相结合，例如，将虚拟现实模拟引入到真实飞行模拟器中，或者在实际驾驶教练车中嵌入虚拟元素。这种融合可以提供更综合的训练体验，使驾驶员在面对各种挑战时能够更好地维持正确的位姿和反应。总的来说，这一技术的发展有望为驾驶员位姿矫正训练带来更高度逼真的模拟环境，有助于提高培训效果，增加训练的真实性，以及更好地准备驾驶员面对各种复杂驾驶情景。部分研究致力于开发智能航天员位姿矫正训练装置，可以根据驾驶员的实际需求自动调整训练计划。这涉及到使用强化技术来个性化训练以及评估，以适应每位航天员的独特特点和需要。

[0005] 矫正位姿的训练装置不仅仅在宇航员培训领域有用途，还在其他多个领域广泛应用，如医疗、军事和工业等。在医疗领域，这些装置可以用于康复治疗，帮助患者康复后重建正确的身体姿势和姿态。军事领域则可应用于士兵的训练，以确保他们能够在战场上保持适当的位姿和平衡性。而在工业领域，这些装置可用于培训工人，以提高工作效率并减少工作相关的损伤风险。这些不同领域对位姿控制的需求一直在增加，因为正确的姿势和姿态对于任务的成功执行和员工的健康都至关重要。因此，位姿矫正训练装置的应用范围在不断扩大，以满足各种不同领域的需求。这也促进了相关技术和装置的不断创新和改进，以满足不同领域的要求。实用新型内容

[0006] 本实用新型的目的在于提出一种通过提供虚拟真实场景，有效帮助目标群体更熟练、更高效地调整姿势的训练装置。

[0007] 为达到上述目的，本实用新型提出一种人体平衡位姿矫正训练装置，包括数据采集器和平衡装置：所述数据采集器包括视觉传感器和液位信息采集器，所述视觉传感器分布设于所述平衡装置周边；所述液位信息采集器安装于所述平衡装置上；

[0008] 进一步的，所述平衡装置包括平衡板和底盘驱动装置，所述平衡板置于所述底盘驱动装置上端，所述底盘驱动装置与上位机信号连接。

[0009] 进一步的，所述底盘驱动装置，包括上平台、带有液压装置的支杆和下平台：所述下平台被固定于基础设施上，将所述支杆一端分布设于所述下平台圆盘周边，与所述下平台活动连接，另一端与所述上平台旋转连接，所述上平台上端设有中心架，所述平衡板通过所述中心架置于所述底盘驱动装置的上端。

[0010] 进一步的，所述液位信息采集器安装于所述上平台和所述中心架连接处。

[0011] 进一步的，所述支杆通过万向球与所述下平台活动连接。

[0012] 进一步的，所述支杆通过球面副与所述上平台旋转连接。

[0013] 进一步的，所述视觉传感器包括空间相机和深度相机，所述空间相机和所述深度相机对称设立于所述平衡装置周围。

[0014] 进一步的，所述底盘驱动装置外周配置有相对应的机壳。

[0015] 进一步的，所述底盘驱动装置具有并联结构，通过六个所述带有液压装置的支杆共同驱动同一个所述上平台，优化了系统刚度，承载能力强，且位置误差不累计。该平衡装置通过六个带有液压装置的支杆的伸缩运动，带动上平台在三维空间中的六个自由度的控制，这六个自由度包括XYZ轴方向的平动以及分别绕XYZ轴旋转的运动，使得上平台在各个方向上自由移动和旋转，从而提供多样化的运动控制。

[0016] 通过本实用新型人体平衡位姿矫正训练装置进行的人体平衡位姿矫正训练系统具体包括以下模块：

[0017] 数据获取模块：用于对物理场景的信息采集，实时获取目标对象的重心、关节和位姿信息；

[0018] 位姿预测评估训练模块：用于实时预测为了保持平衡所需的姿势调整，并与实际目标对象的姿势调整进行比较，从而实时评估目标对象的姿势调整质量；

[0019] VR虚拟模块：用于构建虚拟现实场景，实时呈现目标对象位姿矫正反馈信息。

[0020] 进一步的，所述数据获取模块中有以下采集器：

[0021] 液位信息采集器：用于实时获取所述目标对象的重心信息；

[0022] 视觉传感器：包括空间相机和深度相机：空间相机：用于捕获目标对象的位姿信息；深度相机：用于捕捉目标对象的关节信息；

[0023] 进一步的，所述位姿预测评估训练模块包括强化学习训练模块和平衡系统；

[0024] 所述强化学习训练模块包括如下算法：

[0025] 多数据融合算法：基于所述深度相机捕捉的关节信息，使用6D位姿估计方法来拟合训练对象的姿势状态，用于分析所述目标对象的位姿信息以进行评估；

[0026] 位姿调整评估算法：用于评估目标对象为保持平衡所做的姿势调整的效果；

[0027] 人体位姿跟踪算法：用于实现人体位姿的跟踪和定位任务；

[0028] 重心拟合算法和重心解析算法：依赖于所述液位信息采集器获得的液位信息，计算出在重心误差范围内的力矩量，根据所述力矩量，为目标对象提供关于应该调整的方向和步幅的反馈；

[0029] 所述平衡系统根据液位信息数据和基准重心位置的比较来计算重心的一致度，并提供关于目标对象位姿调整方向和步幅的反馈。

[0030] 所述底盘驱动装置和所述强化学习训练模型信号连接，配合安装于所述上平台和中心架的连接处的液位信息采集器，驱动所述平衡系统实现主动模式和被动模式：

[0031] 在所述主动模式下，本实用新型平衡装置会跟随人体的倾倒，上位机通过分析重心信息，在虚拟场景中提供提示信息，所述目标对象根据所述提示信息及时调整姿势以保持平衡，在所述被动模式下，所述平衡装置被锁定，上位机会通过分析重心信息来控制所述底盘驱动装置进行不同方向的倾倒，目标对象需要及时维持平衡。

[0032] 进一步的，所述VR虚拟模块通过所述多数据融合算法，在UI界面中实现所述目标对象的位姿拟合。

[0033] 通过本实用新型人体平衡位姿矫正训练装置，运行上述人体平衡位姿矫正训练系统，其中，人体平衡位姿矫正训练具体方法如下：

[0034] 步骤1：通过深度相机获取目标对象的关节数据；

[0035] 步骤2：通过强化学习训练模型，预测所述目标对象应该表现出的姿态；

[0036] 步骤3：记录所述目标对象根据移动方向与步幅提示信息做出的实际姿态；

[0037] 步骤4：比较所述实际姿态与预测位姿之间的重合度；

[0038] 步骤5：判断所述重合度是否大于阈值，并将反馈信息在VR虚拟环境中呈现，若是，则给出位姿调整建议，若否，则标记为正确位姿；

[0039] 进一步的，上述步骤3中所述移动方向与步幅提示信息的生成机制为：

[0040] 步骤3.1：通过液位信息采集器实时获取所述目标对象重心数据；

[0041] 步骤3.2：通过平衡系统，计算所述目标对象重心相对底盘圆心的的力矩大小和方向；

[0042] 步骤3.3：以底盘驱动装置上底盘圆心到力矩方向的垂线为基准线，计算所述目标对象重心偏离所述基准线的方向和距离；

[0043] 步骤3.4：判断偏移距离是否大于阈值，若是，则为所述目标对象提供应该移动的步幅和方向的反馈信息；

[0044] 步骤3.5：将所述反馈信息经过PID调整以进行优化，并在VR虚拟环境中呈现。

[0045] 进一步的，对所述目标对象实际移动步幅的评估机制如下：

[0046] S1：通过液位信息采集器实时获取所述目标对象重心数据；

[0047] S2：通过平衡系统，计算所述目标对象要达到目标重心所需移动的步幅；

[0048] S3：判断实际移动步幅偏差是否大于阈值；若是，则通过视觉传感器进行前馈调节，并返回S1，若否，则通过PID控制算法优化所述实际移动步幅；

[0049] S5：所述实际移动步幅不大于阈值的情况下，判断当前重心与目标重心之间的位置偏差是否小于阈值，若否，则返回步骤S1。

[0050] 进一步的，在位姿矫正训练过程中，上位机记录所述目标对象的每次训练数据，用于下一次训练方案的参考，实现所述目标对象的个性化训练。

[0051] 与现有技术相比，本实用新型的优势之处在于：

[0052] 1、本实用新型通过平衡装置在平衡系统中运行的两组不同模式，模拟真实训练场景，使得训练员获得沉浸式训练体验，能在虚拟环境中感受和操作类似于实际工作场景的情况，有助于训练员更加深入地理解和掌握实际工作中的操作技巧和流程，提高他们在实际工作中的适应性和熟练度，从而更好地应对各种挑战和任务。

[0053] 2、本实用新型通过视觉传感器和液位信息采集器，实时获取目标对象的人体位姿变化，从而通过预测和评估，及时给出反馈建议，有效提升对目标对象的位姿矫正效果和质量，提高位姿检测精度，且不需要长时间等待，极大地节约了时间。

[0054] 3、本实用新型中底盘驱动装置的机械结构具有并联结构，通过六个驱动器共同作用于一个平台，从而优化了系统刚度，承载能力强，且位置误差不累计。

[0064] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案作进一步地说明。

[0065] 本实施例提出一种人体平衡位姿矫正训练装置，包括数据采集器和平衡装置，如图1和图2所示，数据采集器包括视觉传感器和液位信息采集器6，液位信息采集器6安装于平衡装置上，而视觉传感器包括空间相机2和深度相机1，如图1所示，空间相机2和深度相机1对称设立于平衡装置周围，平衡装置包括平衡板3和底盘驱动装置4，平衡板3置于底盘驱动装置4的上端，其中，底盘驱动装置4包括上平台11、六个带有液压装置的支杆8和下平台
9，如图2所示，下平台9被固定于基础设施上，将六个带有液压装置的支杆8一端分布设于下平台9圆盘周边，通过万向球与下平台9活动连接，另一端与上平台11通过球面副7旋转连接，该上平台11上端还设有中心架5，平衡板3通过中心架5置于底盘驱动装置4的上端。在上平台11和中心架5的连接处安装液位信息采集器6，用于获取目标对象的重心信息。

[0066] 本实施例中，如图2和图4所示，该底盘驱动装置4具有并联结构，通过六个所述带有液压装置的支杆8共同驱动同一个上平台11，优化了系统刚度，承载能力强，且位置误差不累计。如图4所示，该平衡装置通过六个带有液压装置的支杆8的伸缩运动，带动上平台11在三维空间中的六个自由度的控制，这六个自由度包括XYZ轴方向的平动以及分别绕XYZ轴旋转的运动，使得上平台11在各个方向上自由移动和旋转，从而提供多样化的运动控制。

[0067] 本实施例中，如图2和图3所示，该底盘驱动装置4外周配有相对应的机壳10，用于防尘保护和美化外观。

[0068] 通过本实施例人体平衡位姿矫正训练装置，可以运行相对应的人体平衡位姿矫正训练系统：

[0069] 该系统的设计主要围绕机械结构设计、数据获取、VR虚拟场景展示、位姿预测评估和运行环境五大部分，如图5所示，下面将对该人体平衡位姿矫正训练系统作具体说明。

[0070] 如图6所示，该人体平衡位姿矫正训练系统包括数据获取模块、位姿预测评估训练模块和VR虚拟模块，其中，数据获取模块用于对物理场景的信息采集，实时获取目标对象的重心、关节和位姿信息；位姿预测评估训练模块用于实时预测为了保持平衡所需的姿势调整，并与实际目标对象的姿势调整进行比较，从而实时评估目标对象的姿势调整质量；VR虚拟模块：用于构建虚拟现实场景，实时呈现目标对象位姿矫正反馈信息。

[0071] 在数据获取模块中，通过液位信息采集器6，实时获取目标对象的重心信息；通过空间相机2，捕获目标对象的位姿信息；通过深度相机1，捕捉目标对象的关节信息。

[0072] 位姿预测评估训练模块包括强化学习训练模块和平衡系统，其中，在强化学习训练模块中，基于上述深度相机1捕捉的关节信息，通过多数据融合算法，使用6D位姿估计方法来拟合训练对象的姿势状态，从而分析目标对象的位姿信息以进行评估；通过人体位姿跟踪算法，实现人体位姿的跟踪和定位任务；利用位姿调整评估算法，评估目标对象为保持平衡所做的姿势调整的效果；通过重心拟合算法和重心解析算法，依赖于上述液位信息采集器6获得的液位信息，计算出在重心误差范围内的力矩量，根据该力矩量，为目标对象提供关于应该调整的方向和步幅的反馈。而上述平衡系统则根据液位信息数据和基准重心位置的比较来计算重心的一致度，并提供关于目标对象位姿调整方向和步幅的反馈。

[0073] 本实施例人体平衡位姿矫正训练装置中的底盘驱动装置4与上述强化学习训练模型信号连接，驱动平衡系统实现主动模式和被动模式，在主动模式下，平衡装置会跟随人体的倾倒，上位机根据液位信息采集器6获取的液位信息，从而分析重心信息，在虚拟场景中提供提示信息，目标对象则根据该提示信息及时调整姿势以保持平衡，在被动模式下，平衡装置会被锁定，上位机会通过分析重心信息，从而控制底盘驱动装置4进行不同方向的倾倒，目标对象需要及时维持平衡。

[0074] VR虚拟模块通过多数据融合算法，在UI界面中实现目标对象的位姿拟合，同时利用上位机，将位姿评估矫正的反馈信息在构建的虚拟现实(VR)场景中呈现出来。

[0075] 通过本实施例的人体平衡位姿矫正训练装置，运行上述人体平衡位姿矫正训练系统，从而实施人体平衡位姿矫正训练方法，如图7所示，具体步骤为：

[0076] 步骤1：通过深度相机1获取目标对象的关节数据；

[0077] 步骤2：通过强化学习训练模型，预测该目标对象应该表现出的姿态；

[0078] 步骤3：记录该目标对象根据移动方向与步幅提示信息做出的实际姿态；

[0079] 步骤4：比较实际姿态与预测位姿之间的重合度；

[0080] 步骤5：判断步骤4中的重合度是否大于阈值，并将反馈信息在VR虚拟环境中呈现，若是，则给出位姿调整建议，若否，则标记为正确位姿。

[0081] 其中，上述步骤3中移动方向与步幅提示信息的生成机制如图8所示，具体为：

[0082] 步骤3.1：通过液位信息采集器6实时获取目标对象重心数据；

[0083] 步骤3.2：通过平衡系统，计算目标对象重心相对底盘圆心的的力矩大小和方向；

[0084] 步骤3.3：以底盘驱动装置4上底盘圆心到力矩方向的垂线为基准线，计算目标对象重心偏离该基准线的方向和距离；

[0085] 步骤3.4：判断上述偏移距离是否大于阈值，若是，则为目标对象提供应该移动的步幅和方向的反馈信息，并在VR虚拟场景中呈现出来；若否，则默认目标对象无需移动；

[0086] 另外，针对目标对象的实际移动步幅的评估机制如图9所示，具体为：

[0087] S1：通过液位信息采集器6实时获取目标对象重心数据；

[0088] S2：通过平衡系统，计算该目标对象要达到目标重心所需移动的步幅；

[0089] S3：判断实际移动步幅偏差是否大于阈值；若是，则通过视觉传感器进行前馈调节，并返回S1，若否，则通过P ID控制算法优化实际移动步幅；

[0090] S5：在实际移动步幅不大于阈值的情况下，判断当前重心与目标重心之间的位置偏差是否小于阈值，若否，则返回步骤S1。

[0091] 通过运行本实施例人体平衡位姿矫正训练装置，在位姿矫正训练过程中，上位机实时记录下所有关于该目标对象的每次训练数据并保存，用于下一次训练方案的参考，从而满足目标对象的个性化训练需求。

[0092] 上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。