阅读说明：本技术 一种新型划船机及其数据采集的应用方法 (Novel rowing machine and application method for data acquisition thereof ) 是由 沈恒 曹颖 马杰 韩璐 成佳闻 任君晖 李梦 张培泽 余昂 张天翔 吴畅 于 2019-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型划船机,包括风阻器、连接架、机身、机身内部弹簧、滑板、桨杆、座板、踏板,所述风阻器通过连接架连接到机身,机身通过两个支撑脚水平放置在地面上,机身为两段式结构,分为机身前段和机身后段,机身前段与机身后段之间可转动的连接,划船机可以左右晃动,更加真实的模拟划船时的体验。(The invention discloses a novel rowing machine which comprises a wind resistance device, a connecting frame, a machine body internal spring, a sliding plate, a paddle rod, a seat plate and a pedal, wherein the wind resistance device is connected to the machine body through the connecting frame, the machine body is horizontally placed on the ground through two supporting legs, the machine body is of a two-section structure and is divided into a machine body front section and a machine body rear section, the machine body front section and the machine body rear section are rotatably connected, the rowing machine can rock left and right, and the experience of rowing is simulated more truly.)

一种新型划船机及其数据采集的应用方法

技术领域

本发明属于划船机领域，尤其涉及一种新型划船机及其数据采集 的应用方法。

背景技术

现有水上项目的竞速类比赛，如包括赛艇、皮划艇、龙舟等，在 训练教学过程中，都是通过划船机来进行训练的，但是，现有的划船 机在使用过程中有很多不便。例如，划船机都是固定不动的，不能真 实模拟船在水上左右晃动，而且座板固定的，不能调节。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种新型划船机 及其数据采集的应用方法，划船机可以左右晃动，更加真实的模拟划 船时的体验，并且能够得到运动员的运动轨迹和运动数据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种新型划船机， 包括风阻器、连接架、机身、机身内部弹簧、滑板、桨杆、座板、踏 板，所述风阻器通过连接架连接到机身，机身通过两个支撑脚水平放 置在地面上，机身为两段式结构，分为机身前段和机身后段，机身前 段与机身后段之间可转动的连接，机身后段与支撑脚之间可转动的连 接，所述座板底部通过连接管、连接销与滑板后端连接，并且在连接 管上设有多个用于调节座板高度的销孔，多个所述销孔竖直布置，连 接销插接在销孔中，踏板连接在滑板前端，滑板可滑动的连接在机身 后段，所述桨杆通过拉绳与风阻器连接。

在上述技术方案中，所述踏板与滑板之间通过踏板调节旋钮连接， 滑板上设有多个水平布置的用于固定踏板的圆形孔，踏板上设有约束 档杆，约束档杆通过约束档杆调节旋钮与踏板连接。

在上述技术方案中，所述机身后段上设有用于拉绳引出的引绳杆， 引绳杆可转动的与机身后段连接，引绳杆上端设有滑轮，引绳杆上设 有杆插销，机身上设有一个扇形盘，扇形盘上设有多个呈圆弧分布的 通孔，杆插销可以插接在扇形盘的通孔中。

在上述技术方案中，所述引绳杆顶部设有滑片，滑片上下两端设 有纵向连接杆，纵向连接杆可滑动的连接有横向连接杆，横向连接杆 可滑动的安装在引绳杆顶部，且滑片上设有拉绳穿过的拉绳孔，拉绳 穿过拉绳孔后与桨杆连接。

在上述技术方案中，所述座板下方的滑板上设有用于一只脚踩住 的蹬板，该蹬板可转动的连接在滑板上，并且通过蹬旋钮与滑板紧固 连接。

在上述技术方案中，所述机身前段为两段式结构，并通过合页铰 接。

在上述技术方案中，所述机身后段内设有插接杆，插接杆一端与 机身前段可转动的连接，另一端插接在机身后段内。

在上述技术方案中，所述机身前端上设有用于显示数据的显示屏 和摄像头传感器，显示屏、摄像头传感器可移动。

在上述技术方案中，所述机身上设有用于与其它机身连接的挂钩， 机身与机身之间通过联动履带连接。

在上述技术方案中，所述支撑脚底部设有滚轮，不同的机身之间 通过外接轨道连接，外接轨道上设有用于卡接滚轮的凹槽。

一种新型划船机数据采集的应用方法，包括以下步骤：

(1)在划船机的桨杆的杆中安装三维力传感器、三轴传感器， 在划船机的滑板上安装三轴传感器，在显示屏旁边安装摄像头传感器， 并将三维力传感器、三轴传感器、摄像头传感器链接到连接到工控机， 工控机连接到计算机；

(2)间隔相同时间多次获取三维力传感器、三轴传感器的数据， 通过三维力传感器得到划船机的桨力数据；通过在划船机的滑板上安 装三轴传感器，得到划船机座板或模拟船舱的加速度数据；通过分析 计算得出划船机座板或模拟船舱的分速数据，通过摄像头传感器捕捉 到运动员的运动图像；

(3)将桨力数据导入到二维坐标轴，以时间为横坐标，桨力大 小为纵坐标，通过平滑曲线将各个点连接到一起，得到划船机桨力- 时间曲线图；

根据加速度a的大小，通过公式

初始加速度为0，通过公式

通过积分运算， 积分的和即为速度大小；

(4)在t₁，t₂，t₃…，t_n时刻分别测得桨杆的力为F₁，F₂，F₃，…， F_n，由于划船机在受力运行时有三个维度方向，所以将F₁分解成三个 方向上的分力，得到F_1x，F_1y，F_1z；

(5)将上步中得到的数据经过输出运算，与摄像头传感器获取 的运动员运动姿态的深度图像，通过工控机以时间同步，形成语义信 息，然后增加对应时间戳的浆力大小，作为信息融合后的最终输出， 通过计算机显示，可以直观的得到运动员的多种数据，根据反馈的数 据，可以对运动员的训练进行更加科学的指导。

在上述技术方案中，步骤3中，当三维力传感器第一次监测到桨 力大小突变超过20N的预设力值时，代表桨第一次划桨，然后当第二 次发生力的突变超过预设力值时，代表桨第一次回桨，等到第三次发 生力的突变超过预设力值，代表桨第二次划桨，以此类推，每隔一次 受力突变测得的时间为该次划桨动作的完整时间；设第m次变化测 得的时间为t(m)，从变化情况来看依次为第1、3、5、7·······2n+1 次突变(n＝1,2,3·······)，第n次划桨的时间即为： t(2n+1)-t(2n-1)例如第一次划桨的时间为t3-t1。此时第n次 的时间间隔可以用S(以秒为单位)表示，即：

S(n)＝t(2n+1)-t(2n-1)

从计时开始时，设定n＝1，每当得到t(2n+1)时，n自身加一，同 时可以通过一下公式实时计算该次的划桨频率，即60秒划桨的次数， 以及平均频率：

P1＝60/S(1)

P＝P1(n＝1)

，Pn代表第n划桨动作的频率，P代表整个过程的平均频率， 由此可得，第2n-1次发生该情况到第2n+1次发生相同情况的时间 差为Sn，即为第n次划桨过程所用的时间，则有：

Pn＝60/S(n)

P＝60[(n-1)/n*P`+1/n*Pn](n>1)

P`为第n-1次的平均频率

将得到的计算结果显示在计算机显示器上，由此可以实时显示桨 频。

在上述技术方案中，步骤3中，从第一次传感器收到突变超过一 定大小力时，代表桨第一次划桨，开始计时，当第二次发生力的突变 时，代表桨回桨，此时可以得到桨在空中回的时间，等到第三次力的 突变时，代表桨第二次划桨，此时停止计时，得到第一次回桨的时间， 以此类推；设第a次突变测得的时间为t(m)，(m＝1,2,3·······)， 第n(n＝1,2,3······)次拉桨的时间即为：

S1(n)＝t(3n-1)-t(3n-2)

第n次回桨的时间为：

S2(n)＝t(3n)-t(3n-1)

所以第n次划桨得到的比例为：

P(n)＝S1(n)/S2(n)

平均的比例为：

P＝ΣP(n)/n。

在上述技术方案中，根据三维力传感器监测到桨力突变的时间点， 可以得到各个运动员每次划桨时桨的拉桨时间和回桨时间，通过对比 各个运动员划桨时的拉桨时间和回桨时间，可以调整各个运动员的划 桨节奏，以保证划桨的统一性，提高划桨效果。

在上述技术方案中，步骤2中，通过把三轴传感器设置在划桨支 点处，并通过读数仪间隔相同时间多次获取其运动位置数据，从桨手 入桨开始计时，利用计算机将每个时间点的划桨轨迹绘制成一张二维 图表，并具有实时监控反馈。

在上述技术方案中，步骤1中，利用摄像头传感器捕捉运动员的 运动图像的方法包括以下步骤：

(1)对运动员进行8个角度数据采集，8个角度分别是正前、 左前、右前、正左、正右、后左、后右和正后方，得到深度图；

(2)将深度图里面的噪声进行预处理，利用中值滤波和连通域 的异常长宽比进行滤除，以实现图片的预处理；

(3)利用相似三角形将多角度的深度图像转化为三维点云；

(4)对三维点云提取关键点，并对提取的关键点描述；

(5)进行提取点云的粗匹配，采用单点的RANSAC算法剔除掉不 满足一致性的误匹配，得到粗匹配结果；

(6)进行提取点云的精匹配，将粗匹配的结果采用迭代最近点 算法(IterativeClosest Point，ICP)完成场景特征和模型特征的 精匹配，同时也得到了当前场景的相对位姿信息；

(7)将人体的驱赶和关节做简化处理，用连接的点和线表示， 人体的四肢为直线部分，关节分为节点部分，可以可以获得各个关节 的运动轨迹。

在上述技术方案中，步骤4中，关键点的选取采用3D Harris角 点作为关键点，Harris算子是常见的特征检测算子，其对物体姿态 变化鲁棒性好，对旋转不敏感，可以很好的检测出物体的角点。

在上述技术方案中，步骤4中，通过PFH(point feature histgrams)的3D特征描述器进行关键点云的描述。

本发明的有益效果是：机身可以摆动，更加真实模拟划船时的动 作，座板可以升高或下降，使用更方便；踏板可调节，适应不同身高 的人使用；引绳杆方便调节位置，模拟划船时左侧和右侧的情况；机 身通过合页铰接，不适用时可以立起收纳，节省空间；通过插接杆与 机身后端连接，收纳时可以进一步减小立起时的高度，安全性提高； 通过三维力传感器和三轴传感器，可以得到运动员的各项运动数据， 方便调整训练时的发力情况，而且配合摄像头传感器得到运动图像， 可以更清楚了解运动员动作，更加方便的去调整训练动作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的正视图。

图3为图1中踏板与机身连接的示意图。

图4为图1中引绳杆上端与滑片的结构示意图。

图5为图1折叠后的示意图。

图6为本发明的另一实施例的结构示意图。

图7为图6折叠后的示意图。

图8为图6中与挂钩配合的联动履带的结构示意图。

图9为图1或图6中与滚轮配合的外接轨道的结构示意图。

图10为桨力时间曲线图表。

图11为处理过后的桨力时间曲线图表。

图12三个划桨过程采样图表拟合后的图表。

图13为划桨加速度运算图表。

图14为实际加速度图表。

图15为桨力分解图表。

图16为处理后的运动员运动姿态的深度图像。

其中：1.风阻器，2.连接架，3.滑板，4.座板，5.踏板，6.支撑 脚，7.机身前段，8.机身后段，9.连接管，10.踏板调节旋钮，11. 约束档杆，12.约束档杆调节旋钮，13.引绳杆，14.扇形盘，15.滑片， 16.纵向连接杆，17.横向连接杆，18.拉绳孔，19.蹬板，20.插接杆，21.显示屏，22.挂钩，23.联动履带，24.摄像头传感器，25.外接轨道。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示的一种新型划船机，包括风阻器1、连接架2、 机身、滑板3、桨杆、座板4、踏板5，所述风阻器1通过连接架2 连接到机身，机身通过两个支撑脚6水平放置在地面上，机身为两段 式结构，分为机身前段7和机身后段8，机身前段与机身后段之间可 转动的连接，机身后段8与支撑脚6之间可转动的连接，所述座板4 底部通过连接管9、连接销与滑板3后端连接，并且在连接管9上设 有多个用于调节座板高度的销孔，多个所述销孔竖直布置，连接销插 接在销孔中，踏板5连接在滑板3前端，滑板可滑动的连接在机身后 段，所述桨杆通过拉绳与风阻器1连接。座板高度可以通过连接插销 与销孔来调节，并且机身后段与机身前段、支撑脚铰接，因此训练时 可以摆动，更加真实的模拟划船时的感受。机身内弹簧设有两根，两 根机身内弹簧的一端均与滑板连接，其中一根机身内弹簧与机身后段 连接，另一根机身内弹簧与机身前段连接。

如图3所示，所述踏板5与滑板3之间通过踏板调节旋钮10连 接，滑板上设有多个水平布置的用于固定踏板的圆形孔，踏板上设有 约束档杆11，约束档杆通过约束档杆调节旋钮12与踏板连接。踏板 5可以移动，适应不同身高的人进行训练。

在上述技术方案中，所述机身后段上设有用于拉绳引出的引绳杆 13，引绳杆13可转动的与机身后段连接，引绳杆上端设有滑轮，引 绳杆上设有杆插销，机身上设有一个扇形盘14，扇形盘14上设有多 个呈圆弧分布的通孔，杆插销可以插接在扇形盘的通孔中。通过扇形 盘上的通孔，可以将引绳杆左右调节，从而模拟在左侧或右侧划船时 的情况。

如图4所示，所述引绳杆顶部设有滑片15，滑片上下两端设有 纵向连接杆16，纵向连接杆可滑动的连接有横向连接杆17，横向连 接杆17可滑动的安装在引绳杆顶部，且滑片上设有拉绳穿过的拉绳 孔18，拉绳穿过拉绳孔后与桨杆连接。滑片15可以通过纵向连接杆和横向连接杆在平面内任意位置滑动，更加真实模拟划船时的动作。

在上述技术方案中，所述座板4下方的滑板上设有用于一只脚踩 住的蹬板19，该蹬板可转动的连接在滑板上，并且通过蹬板旋钮与 滑板紧固连接。蹬板19可以设置在座板两边，运动员的一只脚放在 踏板上，另一只放蹬板上，也可以交换两只脚的位置，方便两种坐姿 的训练。

如图5所示，所述机身前段7为两段式结构，并通过合页铰接。 机身前段7可以通过合页转动，从而使该划船机可折叠。

如图6、图7所示，所述机身后段8内设有插接杆20，插接杆 20一端与机身前段7可转动的连接，另一端插接在机身后段内。推 动机身后段，将插接杆20推入到机身后段内，再将机身后段向上翻 折折叠，降低折叠后的高度，使用更方便、安全，并且节省空间。

在上述技术方案中，所述机身前端7上设有用于显示数据的显示 屏21和摄像头传感器24，显示屏、摄像头传感器可移动。

如图6、图8所示，所述机身上设有用于与其它机身连接的挂钩 22，机身与机身之间通过联动履带23连接。挂钩也可以用于放置桨 杆。

在上述技术方案中，所述支撑脚底部设有滚轮，不同的机身之间 通过外接轨道25连接，外接轨道上设有用于卡接滚轮的凹槽，如图 9所示。

一种新型划船机数据采集的应用方法，包括以下步骤：

(1)在划船机的桨杆的杆中安装三维力传感器、三轴传感器， 在划船机的滑板上安装三轴传感器，在显示屏旁边安装摄像头传感器， 并将三维力传感器、三轴传感器、摄像头传感器链接到工控机，工控 机连接到计算机；

(2)间隔相同时间多次获取三维力传感器、三轴传感器的数据， 通过三维力传感器得到划船机的桨力数据；通过在划船机的滑板上安 装三轴传感器，得到划船机座板或模拟船舱的加速度数据；通过分析 计算得出划船机座板或模拟船舱的分速数据，通过摄像头传感器捕捉 到运动员的运动图像；

(3)将桨力数据导入到二维坐标轴，以时间为横坐标，桨力大 小为纵坐标，通过平滑曲线将各个点连接到一起，得到划船机桨力- 时间曲线图；(数据收集与处理：截取相对稳定的连续十桨进行平 均化处理)

如图10所示，通过平滑降噪处理后的桨力时间图表，如图11所 示，A点到B点为一个划桨过程的时间间隔，其对应的曲线为该过程 中桨力的实时变化。假设本次表格以20HZ为频率对力传感器数据进 行采样。其中在第二个划桨过程中，1～1.2s可以视为入桨过程1.2～1.7s 为划桨过程，1.7～2s为出桨过程。桨叶受力最大点在划桨过程的1.3s 左右，整个过程出现两个力的突变点，分别为入桨与出桨过程。

将三个划桨过程采样图表拟合到成一次，如图12所示。

桨叶在每个划桨过程中最大桨力范围大致为320N～450N。

一个划桨过程(即A、B两点的时间间隔)的大致时间范围为△ t＝Tb-Ta，

根据加速度a的大小，通过公式

初始加速度为0，通过公式

通过积分运算， 积分的和即为速度V大小；

将积分定义成曲线下面包围的区域，积分运算结果是极小区域的 综合，区域的宽度趋近于0，即为图13：，通过公式

即可求得

加速度有正有负，实际的加速度图表如图14所示，

通过公式即可求得

(4)在t₁，t₂，t₃…，t_n时刻分别测得划桨的力为F₁，F₂，F₃，…， F_n，由于划船机在受力运行时有三个维度方向，所以将F₁分解成三个 方向上的分力，得到F_1x，F_1y，F_1z，如图15所示；

(5)将上步中得到的数据经过输出运算，与摄像头传感器获取的运 动员运动姿态的深度图像，通过工控机以时间同步，形成语义信息， 然后增加对应时间戳的浆力大小，作为信息融合后的最终输出，通过 计算机显示，可以直观的得到运动员的多种数据，根据反馈的数据， 可以对运动员的训练进行更加科学的指导。每一帧获取的语义信息如 下：时间戳(年月日时分秒)，运动员编号，腰关节位置(x，y，z)， 肘关节位置(x，y，z)，肘关节速度(Vx，Vy，Vz)，桨力(F)。

在上述技术方案中，步骤3中，当三维力传感器第一次监测到桨 力大小突变超过20N的预设力值时，代表桨第一次划桨，然后当第二 次发生力的突变超过预设力值时，代表桨第一次回桨，等到第三次发 生力的突变超过预设力值，代表桨第二次划，以此类推，每隔一次受 力突变测得的时间为该次划桨动作的完整时间；设第m次变化测得 的时间为t(m)，从变化情况来看依次为第1、3、5、7·······2n+1 次突变(n＝1,2,3·······)，第n次划桨的时间即为： t(2n+1)-t(2n-1)例如第一次划桨的时间为t3-t1。此时第n次 的时间间隔可以用S(以秒为单位)表示，即：

S(n)＝t(2n+1)-t(2n-1)

从计时开始时，设定n＝1，每当得到t(2n+1)时，n自身加一，同 时可以通过一下公式实时计算该次的划桨频率，即60秒划桨的次数， 以及平均频率：

P1＝60/S(1)

P＝P1(n＝1)

，Pn代表第n划桨动作的频率，P代表整个过程的平均频率， 由此可得，第2n-1次发生该情况到第2n+1次发生相同情况的时间 差为Sn，即为第n次划桨过程所用的时间，则有：

Pn＝60/S(n)

P＝60[(n-1)/n*P`+1/n*Pn](n>1)

P`为第n-1次的平均频率

将得到的计算结果显示在计算机显示器上，由此可以实时显示桨 频。

在上述技术方案中，步骤3中，从第一次传感器收到突变超过一 定大小力时，代表桨第一次划桨，开始计时，当第二次发生力的突变 时，代表桨回桨，此时可以得到桨在空中回的时间，等到第三次力的 突变时，代表桨第二次划桨，此时停止计时，得到第一次回桨的时间， 以此类推；设第a次突变测得的时间为t(m)，(m＝1,2,3·······)， 第n(n＝1,2,3······)次拉桨的时间即为：

S1(n)＝t(3n-1)-t(3n-2)

第n次回桨的时间为：

S2(n)＝t(3n)-t(3n-1)

所以第n次划桨得到的比例为：

P(n)＝S1(n)/S2(n)

平均的比例为：

P＝ΣP(n)/n。

在上述技术方案中，根据三维力传感器监测到桨力突变的时间点， 可以得到各个运动员每次划桨时桨的拉桨时间和回桨时间，通过对比 各个运动员划桨时的拉桨时间和回桨时间，可以调整各个运动员的划 桨节奏，以保证划桨的统一性，提高划桨效果。

桨频，既是每分钟划桨的次数。目前我们通过桨频仪或者桨数仪 进行测算划桨桨数，主要是为解决静水类单人及多人项目中主要存在 两点问题。

(1)桨频过高不利于划桨效果，会直接导致不划水，影响划行 效果或船速未到达最高速时下桨会直接影响船速等等。

(2)桨频过低不利于身体的放松，导致过快身体疲劳，不利于 身体节能效果等等，如何平衡桨频，既能保证有效划桨同时又能够兼 顾到桨频频率，找到其最佳平衡点至关重要。

通过对桨频桨数的精确统计，可有效保证划桨效果的同时又能够 兼顾到桨频频率，找到其划桨桨频最佳平衡点的相关问题。

在上述技术方案中，步骤2中，通过把三轴传感器设置在划桨支 点处，并通过读数仪间隔相同时间多次获取其运动位置数据，从桨手 入桨开始计时，利用计算机将每个时间点的划桨轨迹绘制成一张二维 图表，并具有实时监控反馈。

在上述技术方案中，步骤1中，利用摄像头传感器捕捉运动员的 运动图像的方法包括以下步骤：

(1)对运动员进行8个角度数据采集，8个角度分别是正前、 左前、右前、正左、正右、后左、后右和正后方，得到深度图；

(2)将深度图里面的噪声进行预处理，利用中值滤波和连通域 的异常长宽比进行滤除，以实现图片的预处理；

(3)利用相似三角形将多角度的深度图像转化为三维点云，如图 16所示，将深度图的m点转换成世界坐标系的M点，也就是深度图 转点云的子过程，可以利用深度图的中心O`、世界坐标系的原点和 深度图像坐标点组成的三角形OmO`，与原点A、世界坐标系的点M和 世界坐标系的原点组成的三角形OAM相似，所以可得将这 个相似关系反应到算法上就是：

其中m点的坐标是(u,v)，这样深度图就转化为三维点云了；

(4)对三维点云提取关键点，并对提取的关键点描述；

(5)进行提取点云的粗匹配，采用单点的RANSAC算法剔除掉不 满足一致性的误匹配，得到粗匹配结果；

(6)进行提取点云的精匹配，将粗匹配的结果采用迭代最近点 算法(IterativeClosest Point，ICP)完成场景特征和模型特征的 精匹配，同时也得到了当前场景的相对位姿信息；

(7)将人体的驱赶和关节做简化处理，用连接的点和线表示， 人体的四肢为直线部分，关节分为节点部分，可以获得各个关节的运 动轨迹。

在上述技术方案中，步骤4中，关键点的选取采用3D Harris角 点作为关键点，Harris算子是常见的特征检测算子，其对物体姿态 变化鲁棒性好，对旋转不敏感，可以很好的检测出物体的角点。

在上述技术方案中，步骤4中，通过PFH(point feature histgrams)的3D特征描述器进行关键点云的描述，PFH的目标是通 过使用一个周围的多维直方图的平均曲率来编码一个点的k个最近 邻的几何属性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围 之内。