一种健美操形体训练矫正装置及矫正方法
技术领域
本发明属于训练设备技术领域，具体是涉及到一种健美操形体训练矫正装置及矫正方法。
背景技术
健美操可分为健身和竞技两大类，健身为主的健美操目的在于健身锻炼，而竞技健美操目的在于根据规则进行训练，男子健身操注重肩、胸、背、腹部的训练；女子健美操注重上胸、腰、腹、臀部的训练。形体姿态在健美操中起着举足轻重的作用，是裁判员评定技术优劣时考虑的一个重要方面，运动员通常需要借助形体矫正训练装置来进行形体的训练和矫正。
现有的矫正装置主要是借助外力进行机械性按压，运动员并不能达到主观的姿态调整，比较被动，矫正效果不佳；部分矫正装置仅仅通过图像或文字说明标准姿势和常见错误姿势的差别，运动员难以动态的感知到自身动作是否符合标准。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可靠性高、实用性强，能从视觉、听觉、触觉提供矫正信息，使运动员根据矫正信息自主进行动作调整的健美操形体训练矫正装置及矫正方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种健美操形体训练矫正装置，包括训练台、检测机构、矫正机构和控制器，所述检测机构包括正面摄像头、背面摄像头和俯视摄像头，正面摄像头、背面摄像头和俯视摄像头分别采集运动员正面、背面和俯视图像，并传送给图像处理模块，图像处理模块对图像进行处理并得出预制对比点的坐标，所述矫正机构包括环形轨道、轨道车、转轴和矫正机械手，所述训练台设于环形轨道的中央，所述轨道车与环形轨道连接，且沿环形轨道运动，所述轨道车通过转轴与矫正机械手连接，所述控制器分别与正面摄像头、背面摄像头、俯视摄像头、图像处理模块、轨道车及矫正机械手电性连接，所述控制器将检测机构采集的训练动作图像与标准动作图像对比并得出预制对比点的偏移结果，根据偏移结果生成矫正指令传输给矫正机构，矫正机构对训练动作进行矫正。
优选的，所述环形轨道的竖直截面为中空的长方形，所述环形轨道的顶面上开设有环形槽，所述轨道车设于环形轨道的空腔内，且沿环形轨道运动，所转轴穿过述环形槽，且两端分别与矫正机械手和轨道车连接。
优选的，所述轨道车包括车架、车轮、导向轮、第一电机和第二电机，所述车轮与车架连接，所述第一电机驱动车轮转动，所述导向轮设于车架的侧面上，且与环形轨道的竖直侧壁滚动连接，所述第二电机的输出轴与转轴的底端连接，所述转轴的顶端与矫正机械手的底端连接，第二电机通过转轴驱动矫正机械手转动，所述第一电机和第二电机均与控制器电性连接。
优选的，所述矫正机械手包括电滑环、安装座、主动臂、从动臂、矫正杆、传动轴、第三电机、第四电机和第五电机，所述安装座通过电滑环与转轴连接，所述主动臂设于安装座上，所述第三电机驱动主动臂在竖直平面内转动，所述主动臂、从动臂和矫正杆依次通过传动轴连接，所述第四电机、第五电机均通过传动轴分别驱动从动臂和矫正杆在竖直平面内转动，所述第三电机、第四电机和第五电机均通过电滑环与控制器电性连接。
优选的，所述电滑环包括转子和定子，所述安装座设于转子的顶面上，所述转轴与转子的底面连接，所述定子与外部电源电性连接，所述第三电机、第四电机和第五电机均与转子电性连接。
优选的，健美操形体训练矫正装置还包括两门型支架，所述门型支架包括立柱和横梁，所述两门型支架的横梁垂直地连接，且与地面水平，所述俯视摄像头通过滑动机构与两门型支架的横梁连接，所述滑动机构驱动俯视摄像头在训练台上方移动，所述正面摄像头和背面摄像头分别设于相对的两立柱上，正面摄像头和背面摄像头距离底面的高度一致。
优选的，所述滑动机构包括连接座、第一导轨、第一滚珠丝杠、第六电机、第一滑动座、第二导轨、第二滚珠丝杠、第七电机和第二滑动座，所述两连接座设于门型支架的横梁上，两连接座通过两第一导轨和第一滚珠丝杠连接，所述第一滑动座与两第一导轨和第一滚珠丝杠滑动连接，所述第六电机驱动第一滑动座沿第一滚珠丝杠做往复运动，所述第二导轨和第二滚珠丝杠均设于第一滑动座上，所述俯视摄像头通过第二滑动座与第二导轨和第二滚珠丝杠滑动连接，所述第七电机驱动俯视摄像头沿第二滚珠丝杠做往复运动。
优选的，健美操形体训练矫正装置还包括与的显示机构，所述显示机构与正面摄像头设于同一立柱上，所述显示机构与控制器电性连接，所述显示机构用于显示标准动作图像和检测机构采集的训练动作图像，以及语音播报预制对比点的偏移结果和矫正结果。
优选的，所述控制器内设有存储模块，所述存储模块用于存储偏移结果和矫正记录。
一种健美操形体训练矫正方法，包括以下步骤：
确定坐标系：以训练台台面的中心为原点，分别定义x轴、y轴、z轴，并获取坐标系统的像素当量；
标准动作图像取样：由多名身高不同的教练或动作标准的运动员在训练台上完成标准动作，利用三个摄像头分别获取待测物体俯视、正面和背面三个方向的原始图像，并在原始图像上设定预制对比点；
预制对比点坐标确定：图像处理模块通过俯视图获得人体完成标准动作的最大外围长度图像坐标参数，对正面视图和背面视图进行基于灰度的三维重构，以俯视最大长度的像素数为依据分割正面和背面视图所对应的重构范围，在图像坐标下的三维模型中确定预制对比点的参考坐标；
训练动作图像取样：运动员进入训练台完成训练动作，正面摄像头、背面摄像头和俯视摄像头分别采集运动员正面、背面和俯视的训练图像，并传送给所述图像处理模块，图像处理模块对训练图像处理后得到预制对比点的坐标；
得出偏移结果：控制器将训练动作的预制对比点的坐标与标准动作预制对比点的参考坐标进行对比，并分析得出训练动作与标准动作预制对比点的坐标偏移结果，再根据偏移结果、轨道车的坐标和矫正机械手的坐标生成矫正指令，然后将矫正指令传输给矫正机构；
形体矫正：轨道车根据矫正指令在环形轨道上移动至与参考坐标最近的点，矫正机械手根据矫正指令在运动员身上指出需要矫正的部位。
本发明的有益效果是，
运动员通过控制器选择需要训练的一个或多个目标动作，然后进入训练台，根据显示机构提示完成目标动作，此时正面摄像头、背面摄像头和俯视摄像头分别采集运动员正面、背面和俯视图像，并传送给图像处理模块，图像处理模块对图像进行处理并得出预制对比点的坐标，控制器将训练动作图像与标准动作图像对比并得出预制对比点的偏移结果，然后根据偏移结果生成矫正指令传输给矫正机构，矫正机构的轨道车根据指令沿环形轨道移动至指定位置，第二电机通过转驱动整矫正机械手在水平面内转动，主动臂、从动臂和矫正杆以安装座和两传动轴在竖直平面内转动，矫正杆可以实现向内推、向外拨、向下压及向上撩的矫正动作，运动员能动态地接收到应该如何调节动作的信息，可靠性高，实用性强，可以帮助运动员实现动作标准化，能大度提升训练效率。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的结构示意图；
图2为图1所示的实施例另一视角的结构示意图；
图3为图1所示的矫正机构的结构示意图；
图4为图3所示的轨道车的结构示意图；
图5为图3所示的轨道车的侧视图；
图6为图3所示的矫正机械手的结构示意图；
图7为图1所示的滑动机构的结构示意图。
在图中，1-训练台，2-检测机构，21-正面摄像头，22-背面摄像头，23-俯视摄像头，3-矫正机构，31-环形轨道，311-环形槽，32-轨道车，321-车架，322-车轮，323-导向轮，324-第一电机，325-第二电机，33-转轴，34-矫正机械手，341-电滑环，3411-转子，3412-定子，342-安装座，343-主动臂，344-从动臂，345-矫正杆，346-传动轴，347-第三电机，348-第四电机，349-第五电机，4-控制器，5-门型支架，6-滑动机构，61-连接座，62-第一导轨，63-第一滚珠丝杠，64-第六电机，65-第一滑动座，66-第二导轨，67-第二滚珠丝杠，68-第七电机，69-第二滑动座，7-显示机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
请一并参阅图1-7，本实施例提供的健美操形体训练矫正装置，包括训练台1、检测机构2、矫正机构3和控制器4，所述检测机构2包括正面摄像头21、背面摄像头22、俯视摄像头23和图像处理模块，正面摄像头21、背面摄像头22和俯视摄像头23分别采集运动员正面、背面和俯视图像，并传送给图像处理模块，图像处理模块对图像进行处理并得出预制对比点的坐标，所述矫正机构3包括环形轨道31、轨道车32、转轴33和矫正机械手34，所述训练台1设于环形轨道31的中央，所述轨道车32与环形轨道31连接，且沿环形轨道31运动，所述轨道车32通过转轴33与矫正机械手34连接，所述控制器4分别与正面摄像头21、背面摄像头22、俯视摄像头23、图像处理模块、轨道车32及矫正机械手34电性连接，所述控制器4将检测机构2采集的训练动作图像与标准动作图像对比并得出预制对比点的偏移结果，根据偏移结果生成矫正指令传输给矫正机构3，矫正机构3对训练动作进行矫正。
控制器4上设有控制界面，运动员能通过控制界面选择需要训练的一个或多个目标动作，运动员通过控制器4选择需要训练的一个或多个训练动作，然后进入训练台1完成训练动作，此时正面摄像头21、背面摄像头22和俯视摄像头23分别采集运动员正面、背面和俯视图像，并传送给图像处理模块，图像处理模块对图像进行处理并得出预制对比点的坐标，控制器4将训练动作图像与标准动作图像对比并得出预制对比点的偏移结果，然后根据偏移结果生成矫正指令传输给矫正机构3，矫正机构3的轨道车32根据指令沿环形轨道31移动至指定位置，矫正机械手34实现向内推、向外拨、向下压及向上撩的矫正动作，运动员能动态地接收到训练动作的矫正信息，可靠性高，实用性强，可以帮助运动员实现动作标准化，能大度提升训练效率。
所述环形轨道31的竖直截面为中空的长方形，所述环形轨道31的顶面上开设有环形槽311，所述轨道车32设于环形轨道31的空腔内，且沿环形轨道31运动，所转轴33穿过述环形槽311，且两端分别与矫正机械手34和轨道车32连接，轨道车32设于环形轨道31的空腔内，能避免轨道车32与外界碰撞，以保证运动的精度、延长使用寿命。
所述轨道车32包括车架321、车轮322、导向轮323、第一电机324和第二电机325，所述车轮322与车架321连接，所述第一电机324驱动车轮322转动，所述导向轮323设于车架321的侧面上，且与环形轨道31的竖直侧壁滚动连接，所述第二电机325的输出轴与转轴33的底端连接，所述转轴33的顶端与矫正机械手34的底端连接，第二电机325通过转轴33驱动矫正机械手34在水平面内360度转动，所述第一电机324和第二电机325均与控制器4电性连接；第一电机324驱动轨道车32在环形轨道31的内腔中运动，通过导向轮323沿环形轨道31的侧面进行导向，能保证轨道车32运动的稳定性，以保证矫正机械手34矫正的精度。
所述矫正机械手34包括电滑环341、安装座342、主动臂343、从动臂344、矫正杆345、传动轴346、第三电机347、第四电机348和第五电机349，所述安装座342通过电滑环341与转轴33连接，所述主动臂343设于安装座342上，所述第三电机347驱动主动臂343在竖直平面内转动，所述主动臂343、从动臂344和矫正杆345依次通过传动轴346连接，所述第四电机348、第五电机349均通过传动轴346分别驱动从动臂344和矫正杆345在竖直平面内转动，所述第三电机347、第四电机348和第五电机349均通过电滑环341与控制器4电性连接；矫正机械手34能以安装座342和两传动轴346在竖直平面内转动，配合转轴33使矫正机械手34在水平面内转动，矫正杆345可以实现向内推、向外拨、向下压及向上撩的矫正动作，运动员能更直观的感受到应该如何调节动作；所述主动臂343、从动臂344、矫正杆345为内部中空的型材，以减轻矫正机械手34的重量，能降低能耗，采用小型号的电机，节约空间。
所述电滑环341包括转子3411和定子3412，所述安装座342设于转子3411的顶面上，所述转轴33与转子3411的底面连接，所述定子3412与外部电源电性连接，所述第三电机347、第四电机348和第五电机349均与转子3411电性连接，当第二电机325驱动转子3411旋转时，第三电机347、第四电机348和第五电机349保持能源供应和接收矫正信号，避免线路打结。
健美操形体训练矫正装置还包括两门型支架5，所述门型支架5包括立柱和横梁，所述两门型支架5的横梁垂直地连接，且与地面水平，所述俯视摄像头23通过滑动机构6与两门型支架5的横梁连接，所述滑动机构6驱动俯视摄像头23在训练台1上方移动，所述正面摄像头21和背面摄像头22分别设于相对的两立柱上，正面摄像头21和背面摄像头22距离底面的高度一致，俯视摄像头23初始位置在原点上方，完成图像采集后；移动至运动员的头顶正上方采集图像，一方面通过两次俯视视角采集图像保证三维重构坐标的准确性；另一方面能得出头顶中心的坐标(x4,y4,z4)与原点(0,0,0)的平移结果，利用平移结果对训练动作的预制对比点的坐标(x1,y1,z1)进行修正，即使运动员完成动作时位置不在原点，也能准确地得出训练动作与标准动作的预制对比点的坐标偏移量，避免因在训练台1上完成动作的位置不同，而造成所有预制对比点的坐标均不符合标准，从而保证矫正的准确性。
所述滑动机构6包括连接座61、第一导轨62、第一滚珠丝杠63、第六电机64、第一滑动座65、第二导轨66、第二滚珠丝杠67、第七电机68和第二滑动座69，所述两连接座61设于门型支架5的横梁上，两连接座61通过两第一导轨62和第一滚珠丝杠63连接，所述第一滑动座65与两第一导轨62和第一滚珠丝杠63滑动连接，所述第六电机64驱动第一滑动座65沿第一滚珠丝杠63做往复运动，所述第二导轨66和第二滚珠丝杠67均设于第一滑动座65上，所述俯视摄像头23通过第二滑动座69与第二导轨66和第二滚珠丝杠67滑动连接，所述第七电机68驱动俯视摄像头23沿第二滚珠丝杠67做往复运动；俯视摄像头23通过第一滚珠丝杠63、第二滚珠丝杠67实现在运动员的头部上方的水平面内移动，通过伺服电机与滚珠丝杠配合控制位移精准，能快速反馈位移信息。
健美操形体训练矫正装置还包括与的显示机构7，所述显示机构7与正面摄像头21设于同一立柱上，所述显示机构7与控制器4电性连接，所述显示机构7用于显示标准动作图像和检测机构2采集的训练动作图像，以及语音播报各预制对比点的偏移结果和矫正结果；运动员在训练时，能通过显示机构7看到标准动作图像、自身训练的个角度图像，根据语音播报的偏移结果结合矫正杆345指出动作不合格的具体部位，进行姿态矫正，动作未达到标准动作的要求，继续语音提示矫正，直至动作达到标准要求，语音播报矫正结果合格，运动员能从视觉、听觉、触觉动态接收矫正信息，并根据矫正信息自主进行动作调整，训练效果极佳。
所述控制器4内设有存储模块，所述存储模块用于存储各预制对比点的偏移结果和矫正记录，运动员可以查看历次训练各个动作的偏移结果和矫正记录，并根据训练数据进行针对性练习、能提高训练效率。
所述训练台1为圆柱形，所述环形轨道31内径与训练台1的外径适配，消除环形轨道31与训练台1之间的间隙，避免运动员跌倒，易于清理，能提高空间利用率。
一种健美操形体训练矫正方法，包括以下步骤：
确定坐标系：以训练台1台面的中心为原点(0,0,0)，将正面摄像头21图像采集方向、垂直于正面的方向和俯视摄像头23图像采集方向分别定义为x轴、y轴、z轴，获取坐标系统的像素当量；
标准动作图像取样：由多名身高不同的教练或动作标准的运动员在训练台1上完成标准动作，通过对不同身材人员的采样，来增强比对的准确性，不同运动员训练时可以选择最接近的比对对象，检测机构2通过俯视摄像头23、正面摄像头21和背面摄像头22，分别获取人体完成标准动作时俯视、正面、背面三个方向的原始图像，并在原始图像上设定预制对比点，预制对比点包括但不限于手掌、前臂、肘部、大臂、肩部、头部、颈部、背部、胸部、腹部、腰部、臀部、大腿、膝盖、小腿、脚踝或脚掌上的点或轮廓中心线上的点，能实现预制对比点的定点对比，也能通过预制对比点的连线的角度对比以适应不同身材比例的变化，保证比对的准确性；
预制对比点坐标确定：标准动作三个方向的原始图像传送给图像处理模块，图像处理模块通过俯视图获得人体完成标准动作的最大外围轮廓图像坐标参数；然后，对正面视图和背面视图进行基于灰度的三维重构，同时利用俯视最大长度的像素数为依据分割正面和背面视图所对应的重构范围；继而，在图像坐标下的三维模型中确定预制对比点的参考坐标(x0,y0,z0)；
训练动作图像取样：运动员选择训练动作后，进入训练台1完成训练动作，正面摄像头21、背面摄像头22和俯视摄像头23分别采集运动员正面、背面和俯视的训练图像，并传送给所述图像处理模块；图像处理模块对训练图像处理后得到预制对比点的坐标(x1,y1,z1)；
得出偏移结果：控制器4将训练动作的预制对比点的坐标(x1,y1,z1)与标准动作预制对比点的参考坐标(x0,y0,z0)进行对比，并分析得出训练动作与标准动作预制对比点的坐标偏移结果，再根据偏移结果、轨道车32的坐标(x2,y2,z2)和矫正机械手34的坐标(x3,y3,z3)生成矫正指令，然后将矫正指令传输给矫正机构3；
形体矫正：轨道车32根据矫正指令在环形轨道31上移动至与参考坐标(x0,y0,z0)最近的点，矫正机械手34根据矫正指令在运动员身上指出需要矫正的部位(x1,y1,z1)；运动员能切实感受到矫正机械手34指出的未达到标准的部位，当运动员完成动作矫正后，进入下一个预制对比点(x'0,y'0,z'0)的矫正操作，直到运动员完成所有需要矫正的预制对比点的动作调整，运动员能切实感知自身动作与标准动作的差距，迅速掌握动作要领，能大幅提升训练效率。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
