阅读说明：本技术 一种基于vr和ai的器材阻力或坡度自动控制方法及系统 (A kind of equipment resistance or gradient autocontrol method and system based on VR and AI ) 是由 余军涛 于 2019-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法及系统,其中该方法包括如下步骤：分析用户的身体数据和运动数据,得到适合该用户的运动处方；根据运动处方计算不同时间段内对应的坡度值；根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值,用VR技术自动生成虚拟运动场景,所述虚拟运动场景中各小段场景的坡度与运动处方中不同的坡度相对应；当用户进行运动时,根据用户运动情况实时更新虚拟运动场景的坡度；计算虚拟人物当前位置的坡度或坡度对应的阻力,通过软件发送相应指令给健身或康复器材中的阻力或坡度调整机构,自动调整器材的阻力或坡度。该方法给用户身历其境的代入感,趣味性和专业性强。(The invention discloses a kind of equipment resistance based on VR and AI or gradient autocontrol method and systems, wherein this method comprises the following steps: analyzing the body data and exercise data of user, obtain the exercise prescription for being suitble to the user；Corresponding value of slope in different time sections is calculated according to exercise prescription；According to corresponding value of slope in different time sections in exercise prescription, fantasy sport scene is automatically generated with VR technology, the gradient of each segment scene gradient different from exercise prescription is corresponding in the fantasy sport scene；When user moves, according to the gradient of user movement situation real-time update fantasy sport scene；The gradient or the corresponding resistance of the gradient for calculating virtual portrait current location send command adapted thereto to the resistance or grade adjustment mechanism in body-building or rehabilitation material, the resistance or the gradient of adjust automatically equipment by software.The substitution sense that this method is personally on the scene to user, interest and strongly professional.)

一种基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法，同时涉及一种实现该方法的系统。

背景技术

常规健身器材或康复器材中的不少器材需要手动转动器材上的旋钮或点击按键来改变运动时的阻力或坡度，如动感单车、健身车、康复车、跑步机等。以动感单车为例，动感单车是一种模拟户外骑行运动的有氧健身器材，亦被称为心肺训练器材；通过身体较长时间、适当强度的运动来促进心血管的运动，加快新陈代谢，增强心脏和肺部功能，从而改善人体的体质。现有的动感单车产生阻力的金属飞轮***(或内围)有磁铁或刹车片，通过人力方式，调节磁铁或刹车片与金属飞轮的远近调节阻力大小来实现不同运动强度的要求。用户健身时调节阻力加减档，阻力增大或者减小，在用户运动频率不变的情况下速度、距离及所消耗的卡路里也相应递增或增减。这种手动调整阻力的缺点有两个：1.由用户手动调整阻力不准确，影响锻炼或康复效果；2.手动调整阻力，无法将当前的阻力值传输给软件，无法进行数据统计和分析。

现在有一些智能器材已经可以通过器材面板上的按键或通过软件来控制阻力，但是还是需要由人来按按键或者由人来操作软件下指令。如专利号ZL201820939959的实用新型专利，公开了一种自动调节阻力的健身车控制系统。包括飞轮、阻力装置、阻力调控装置及仪表，阻力装置安装在飞轮处能靠近或远离飞轮，阻力调控装置与仪表及阻力装置连接，其能控制阻力装置相对飞轮的位置而获得阻力档位信息并在仪表上显示出来，阻力调控装置包括编码器和依次连接设置的电机、齿轮传动结构及丝杆套筒装置，丝杆套筒装置与上述阻力装置连接，编码器安装在电机上其能获得电机转速。通过蓝牙和USB接口传输方式与通讯终端设备连接能够使用户实时方便获得当前的速度、距离、卡路里及功率。

当用户调节阻力时，电机工作驱动齿轮传动结构工作，齿轮传动结构将动力传递给丝杆套筒装置，丝杆套筒装置能将旋转运动转化为直线运动，带动与其连接的阻力装置相对飞轮靠近或远离，改变飞轮受到的阻力大小，可以解决手动调整阻力不准确和无法获取阻力值进行数据分析的问题。但是还存在如下问题：还是要通过人来操控，不能通过人工智能的方式自动控制阻力或坡度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法。

本发明所要解决的另一技术问题提供一种基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制系统。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法，包括如下步骤：

分析用户的身体数据和运动数据，得到适合该用户的运动处方；

根据运动处方计算不同时间段内对应的坡度值；

根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值，用VR技术自动生成虚拟运动场景，所述虚拟运动场景中各小段场景的坡度与运动处方中不同的坡度相对应；

当用户进行运动时，根据用户运动情况实时更新虚拟运动场景的坡度。

其中较优地，所述运动处方包含在不同的时间段内用户所适合的运动速度和阻力数值。

其中较优地，根据运动处方计算不同时间段内对应的坡度值，采用如下方式获取：

F＝(M+m)*g(μ*cos(θ)+sin(θ))；

其中，F为运动处方中指定的阻力所对应的人驱动力；M为用户的体重；m为运动器械的质量，g为重力系数；μ为摩擦系数；θ为坡度。

其中较优地，根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值，用VR技术自动生成虚拟运动场景，包括如下步骤：

预先生成一个大的虚拟运动场景，场景中包括一条首尾相连的道路，以及道路两边的自然景观；

根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值，自动调整虚拟运动场景中各小段道路的坡度，使所述坡度与运动处方中不同的坡度值相对应；

自动调整道路两边的地形和自然景观的高度起伏，使之与道路自动贴合。

其中较优地，根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值，自动调整该虚拟运动场景中各小段道路的坡度，使该坡度与运动处方中不同的坡度值相对应，包括如下步骤：

根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值将整个虚拟运动场景进行划分；

为划分的每小段虚拟场景分配一个坡度值，其中，划分的每小段虚拟场景对应运动处方中不同的坡度值；

根据坡度值调整该小段虚拟场景中道路的坡度。

其中较优地，当用户进行运动时，根据用户运动情况实时更新虚拟运动场景的坡度，包括如下步骤：

当用户进行运动时，获取与当前坡度值不同的下一段虚拟运动场景到达时的判断时间点；

获取判断时间点往前推阈值时刻的用户运动信息，如果所述用户运动信息与运动处方对应的该时刻的运动信息相同，则虚拟运动场景的坡度不变；

否则，根据当前用户的运动信息以及运动处方调整虚拟运动场景中判断时间点之后各小段道路的坡度，使该坡度与运动处方中不同的坡度值相对应。

其中较优地，根据当前用户的运动信息以及运动处方调整虚拟运动场景中判断时间点之后各小段道路的坡度，使该坡度与运动处方中不同的坡度值相对应，包括如下步骤：

根据当前用户的运动信息计算与当前坡度值不同的下一段虚拟运动场景到达时的调整时间点；

根据运动处方，获取该下一段虚拟运动场景对应的坡度值；

以该调整时间点为起点更新运动处方中后续各段虚拟运动场景坡度值对应的时间；

根据调整后的坡度值以及时间调整该运动道路上各小段虚拟场景中道路的坡度；

自动调整道路两边的地形和自然景观的高度起伏，使之与道路自动贴合。

其中较优地，所述基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法，还包括如下步骤：

实时监测用户的健康数据，当用户的健康数据异常时，自动调整虚拟运动场景中的坡度，并自动调整器材的阻力。

其中较优地，当用户的健康数据为心率数据时，实时监测用户的健康数据，当用户的健康数据异常时，自动调整虚拟运动场景中的坡度，包括如下步骤：

根据用户的年龄计算用户的最大心率；

设定用户的最大安全心率，用户运动过程中实时监测用户的心率信息，方用户的心率信息大于该最大安全心率时，坡度自动减小为原有坡度*λ％，其中，λ为系统根据用户数据自动设定的调节系数。

其中较优地，所述基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法，还包括如下步骤：

计算虚拟人物当前位置的坡度或坡度对应的阻力，通过软件发送相应指令给器材中的阻力或坡度调整机构，自动调整器材的阻力或坡度。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制系统，包括运动单元、虚拟场景单元、处方获取单元；

其中，所述处方获取单元用于分析用户的身体数据和运动数据，得到适合该用户的运动处方；

所述虚拟场景单元包括全部位置坡度值计算模块、当前位置阻力坡度值计算模块、虚拟场景生成模块和虚拟场景调整模块；其中，所述全部位置坡度值计算模块用于根据所述处方获取单元传送来的运动处方计算按照运动处方的运动速度，不同时间段内对应的所有位置的各自坡度值，并将该不同时间段内对应的坡度值传送到虚拟场景生成模块；所述虚拟场景生成模块根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值，用VR技术自动生成虚拟运动场景，所述虚拟运动场景中各小段场景的坡度与处方中不同的坡度相对应当用户；所述虚拟场景调整模块用于根据用户的实际运动情况，实时更新虚拟运动场景的坡度，并将该更新的坡度值发送到虚拟场景生成模块，实时生成新的虚拟运动场景；当前位置阻力坡度计算模块用于计算虚拟人物在虚拟场景中当前位置的坡度或坡度对应的阻力值；

运动单元用于提供用户运动的器械。

本发明提供的基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法，可以自动用AI技术分析用户的身体数据和运动数据，得到适合该用户的运动或康复处方。然后在用户面前的屏幕软件中自动生成并显示与该处方相对应的虚拟场景，该场景中各小段场景的坡度与处方中不同的坡度相对应，给用户身历其境的代入感，趣味性和专业性强。

附图说明

图1为本发明所提供的基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法的流程图；

图2为本发明所提供的一个实施例中，预生成的虚拟场景的示意图；

图3为本发明所提供的一个实施例中，道路坡度按照运动处方自动调整的示意图；

图4为本发明所提供的一个实施例中，自动调整道路两边的地形使之与道路自动贴合的示意图；

图5为本发明所提供的基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制系统的结构示意图。

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内容进行详细具体的说明。

在户外运动如骑行中，阻力的变化主要是由坡度决定的，现有的方案只是直接改变阻力，无法直观展现阻力对应的上坡场景，缺乏代入感。健身或康复器材的阻力值实际上模拟户外运动的坡度或水阻、风阻等。如动感单车的阻力值实际上模拟的是户外骑行中的不同坡度。坡度越大，代表阻力值越大。跑步机的坡度值直接模拟户外跑步中的不同坡度。

如图1所示，本发明所提供的基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法，包括如下步骤：首先，基于AI技术分析用户的身体数据和运动数据(包含历史运动数据和当前运动数据)，得到适合该用户的运动处方；其次，根据运动处方计算不同时间段内对应的坡度值；然后，根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值，用VR技术自动生成虚拟运动场景，该虚拟运动场景中各小段场景的坡度与处方中不同的坡度相对应当用户；当用户进行运动时，根据用户运动情况实时更新虚拟运动场景的坡度；将上个步骤生成的虚拟场景在用户面前的屏幕软件中显示，且在场景中有一个代表用户的虚拟人物在场景中骑车或跑步。计算虚拟人物当前位置的坡度或坡度对应的阻力，通过软件发送相应指令给健身或康复器材中的阻力或坡度调整机构，自动调整器材的阻力或坡度。下面对这一过程做详细具体的说明。

S1，基于AI技术分析用户的身体数据和运动数据，得到适合该用户的运动处方。

其中，运动处方可以是用于患者身体恢复的康复处方；或者用于增强体质的健身处方。在本发明所提供的实施例中，运动处方包含在不同的时间段内用户所适合的运动速度、阻力数值(对于跑步机直接为坡度值)，以及其他相关内容。其中，对于采用跑步机进行康复或者健身的用户来说，阻力数值直接替换为坡度值。在本发明所提供的实施例中，以健身车为例进行说明。例如，某个轻度下肢患者根据身体条件确定本次需要进行20分钟的下肢骑行康复训练。具体康复场景为：前5分钟为热身阶段，阻力值为1，平地；5-10分钟为低强度康复阶段，阻力值为3，缓和上坡；10-12分钟为中强度康复阶段，阻力值为5，上坡；12-17分钟低强度康复阶段，阻力值为3，缓和上坡；17-20分钟为恢复放松康复阶段，阻力值为0，下坡。如果仅仅参考运动处方进行康复或者健身运动，只可以看到康复运动或者健身运动对应的数字信息，不直观，通过本发明所提供的基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法，将单一的数字表示运动数据的运动处方转化成更加形象具体的虚拟运动场景，使运动更直观更有互动性。

S2，根据运动处方计算不同时间段内对应的坡度值；

因为运动处方包含在不同的时间段内用户所适合的运动速度、阻力数值，根据阻力数据可以直接获取对应的坡度值；采用如下方式获取：

F＝(M+m)*g(μ*cos(θ)+sin(θ))；

其中，F为运动处方中指定的阻力所对应的人驱动力；M为用户的体重；m为运动器械的质量，g为重力系数；μ为摩擦系数；θ为坡度。

具体的，人骑动感单车实际上是模拟户外骑自行车。人骑自行车的动力学比较复杂。为简化计算，我们把骑自行车的人和自行车看作为一个整体，暂时忽略风阻。F为来自于人的驱动力，沿坡面向前；f为路面对人和运动器械(跑步时仅为人)的摩擦阻力，沿坡面向后；M为人的质量，m为运动器械(跑步时m＝0)的质量，垂直向下；θ为坡度；μ为摩擦系数。g为重力系数。

根据人运动时的物理学关系，可以得到如下公式：

F-f-(M+m)*g*sin(θ)＝0；

f＝μ*(M+m)*g*cos(θ)。

因此，得到方程F＝(M+m)*g(μ*cos(θ)+sin(θ))。

此方程中的F即为运动处方中指定的阻力所对应的人驱动力，M为用户的体重，m、g和μ均为系统已知参数，根据此方程可以算出坡度θ。当用户运动于不同的应用场景时，如水泥公路、草地、雪地等，摩擦系数不同，通过调整摩擦系数，可以使坡度值在不同的应用场景中做出相应的调整，提高了模拟的真实性。

S3，根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值，用VR技术自动生成虚拟运动场景，该虚拟运动场景中各小段场景的坡度与运动处方中不同的坡度相对应；具体包括如下步骤：

S31，预先生成一个大的虚拟运动场景，场景中包括一条首尾相连的道路，以及道路两边的地形和各种自然景观，如数木、房屋等等。如图2所示。

S32，根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值，自动调整该虚拟运动场景中各小段道路的坡度，使该坡度与运动处方中不同的坡度值相对应，如图3所示，具体包括如下步骤：

S321，根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值将整个虚拟运动场景进行划分；

S322，为划分的每小段虚拟场景分配一个坡度值，其中，划分的每小段虚拟场景对应运动处方中不同的坡度值；

S323，根据坡度值调整该小段虚拟场景中道路的坡度。

S33，此时，被调整过坡度的道路与周围的地形脱离了，显得不真实。需要自动调整道路两边的地形和自然景观的高度起伏，使之与道路自动贴合，如图4所示。

S4，当用户进行运动时，根据用户运动情况实时更新虚拟运动场景的坡度。

当用户进行运动时，有时可能不会完全依据运动处方设定的数据进行运动。当用户的运动速度小于或者大于运动处方规定的速度时，不会在既定时间到达下一坡度值对应的虚拟运动场景，为了提高用户体验的真实性，需要实时对虚拟运动场景的坡度进行更新。当用户进行运动时，根据用户运动情况实时更新虚拟运动场景的坡度；具体包括如下步骤：

S41，当用户进行运动时，获取与当前坡度值不同的下一段虚拟运动场景到达时的判断时间点T；例如当前坡度值为10度，下一段虚拟运动场景的坡度值为30度，按照运动处方，到达下一虚拟运动场景时的时间点为T。

S42，获取判断时间点T往前推阈值时刻的用户运动信息，如果该用户运动信息与运动处方对应的该时刻的运动信息相同，则虚拟运动场景的坡度不变，否则，转向步骤S43；

S43，根据当前用户的运动信息以及运动处方调整虚拟运动场景中判断时间点之后各小段道路的坡度，使该坡度与运动处方中不同的坡度值相对应；具体包括如下步骤：

S431，根据当前用户的运动信息计算与当前坡度值不同的下一段虚拟运动场景到达时的调整时间点T1；

S432，根据运动处方，获取该下一段虚拟运动场景对应的坡度值；

S433，以该调整时间点为起点更新运动处方中后续各段虚拟运动场景坡度值对应的时间；

S434，根据调整后的坡度值以及时间调整该运动道路上各小段虚拟场景中道路的坡度；

S435，自动调整道路两边的地形和自然景观的高度起伏，使之与道路自动贴合。

在本发明所提供的实施例中，还包括如下步骤：

S5，实时监测用户的健康数据，当用户的健康数据异常时，自动调整虚拟运动场景中的坡度，并自动调整器材的阻力，使得用户的运动保持高效与安全。

其中，健康数据包括用户的心率、血压等数据。当用户的健康数据为心率数据时，实时监测用户的健康数据，当用户的健康数据异常时，自动调整虚拟运动场景中的坡度，具体包括如下步骤：S51，根据用户的年龄计算用户的最大心率；在本发明所提供的实施例中，最大心率＝220-年龄；

S52，设定用户的最大安全心率，用户运动过程中实时监测用户的心率信息，方用户的心率信息大于该最大安全心率时，坡度自动减小为原有坡度*λ％，其中，λ为系统根据用户数据自动设定的一个调节系数。在本发明所提供的实施例中，设定的最大安全心率为最大心率的80％，当运动时实际心率达到最大心率的80％(建议最大安全心率)时，坡度自动进行调整。

在本发明所提供的实施例中，将上述步骤生成的虚拟运动场景在用户面前的屏幕软件中显示，且在场景中有一个代表用户的虚拟人物在场景中骑车或跑步。计算虚拟人物当前位置的坡度，通过软件发送相应指令给健身或康复器材中的阻力或坡度调整机构，自动调整器材的阻力或坡度。

用户按照系统自动设定的阻力或坡度运动过程中，系统自动监控用户的心率、血压等运动状况。当系统发现用哪个户运动强度过低或过高时，系统可以自动改变虚拟场景中的坡度，并自动调整器材的阻力或坡度，使得用户的运动保持高效与安全。

综上所述，本发明所提供的基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法，可以自动用AI技术分析用户的身体数据和运动数据，得到适合该用户的运动或康复处方。然后在用户面前的屏幕软件中自动生成并显示与该处方相对应的虚拟场景，该场景中各小段场景的坡度与处方中不同的坡度相对应，给用户身历其境的代入感，趣味性和专业性强。同时，在虚拟场景中有一个代表用户的虚拟人物在场景中骑车或跑步。系统自动计算虚拟人物当前位置的坡度，通过软件自动发送相应指令给健身或康复器材中的阻力或坡度调整机构，自动调整器材的阻力或坡度。在用户按照系统自动设定的阻力或坡度运动过程中，系统会自动监控用户的心率、血压等运动状况。当系统发现用户运动强度过低或过高时，系统可以自动改变虚拟场景中的坡度，并自动调整器材的阻力或坡度，使得用户的运动保持高效与安全。

这样，就实现了让用户获得更有趣更互动且更专业的健身体验。如同在教练的专业指导下，选择一个坡度最适合自己的户外道路进行愉快的户外锻炼或康复。

本发明还提供了一种基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制系统。如图5所示，该系统包括运动单元、虚拟场景单元、处方获取单元。其中，处方获取单元用于分析用户的身体数据和运动数据，得到适合该用户的运动处方。

虚拟场景单元包括全部位置坡度值计算模块、当前位置阻力坡度值计算模块、虚拟场景生成模块和虚拟场景调整模块。其中，全部位置坡度值计算模块用于根据处方获取单元传送来的运动处方计算按照运动处方的运动速度，不同时间段内对应的所有位置的各自坡度值。并将该不同时间段内对应的坡度值传送到虚拟场景生成模块。虚拟场景生成模块根据运动处方中不同时间段内对应的坡度值，用VR技术自动生成虚拟运动场景，该虚拟运动场景中各小段场景的坡度与处方中不同的坡度相对应当用户。虚拟场景调整模块用于根据用户的实际运动情况，实时更新虚拟运动场景的坡度，并将该更新的坡度值发送到虚拟场景生成模块，实时生成新的虚拟运动场景。当前位置阻力坡度计算模块用于计算虚拟人物在虚拟场景中当前位置的坡度或坡度对应的阻力值。

运动单元用于提供用户运动的器械，可以是健身车、跑步机或者其他健身、康复器材。

在本发明所提供的实施例中，基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制系统还包括数据分析单元、运动处方调整单元和运动阻力坡度调整单元。该数据分析单元用户实时获取用户运动过程中的健康数据，当健康数据异常时，运动处方调整单元实时调整用户的运动处方，并将调整后的运动处方信息发送到虚拟场景单元更新虚拟运动场景。虚拟场景单元自动计算虚拟人物在更新后的运动场景中当前位置的坡度，自动发送相应指令给运动单元中的运动阻力坡度调整单元，自动调整运动单元的阻力或坡度。

上面对本发明所提供的基于VR和AI的器材阻力或坡度自动控制方法及系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。