一种仰卧起坐测试装置与检测方法

1.本发明属于体育设备技术领域，具体涉及一种仰卧起坐测试装置与检测方法。


背景技术：

2.仰卧起坐是学生体质健康测试的通用项目，主要用于测试学生臂力、腰部的耐力，现有仰卧起坐测试一般通过人工和仰卧起坐测试仪来完成。
3.1.人工测试受试者仰卧于垫上，两腿稍分开，屈膝呈90度角左右，两手指交叉贴于脑后。另一同伴压住其踝关节，以固定下肢。受试者坐起时两肘触及或超过双膝为完成一次。仰卧时两肩胛必须触垫。测试人员发出“开始”口令的同时开表计时，记录1分钟内完成次数。1分钟到时，受试者虽已坐起但肘关节未达到双膝者不计该次数，精确到个位。
4.人工测量弊端：人工测量的测试结果和测量人员的基本素质和技能直接相关，不同测量人员因主观标准不一致而导致测量出的成绩不一致。特别是仰卧起坐的动作是否标准、肢体是否到位，每个测量人员的判断标准不一致，对规则理解也有松有紧。在大量测试人员一起参加测试的情况下，一个测试位置就需要配置一个测量人员，测量人员的工作负荷很大，成绩需要手工记录，测试效率也很低。
5.2.仪器测试现在常用的仰卧起坐测试设备包括:仰卧起坐板、低位传感器和高位传感器。
6.在使用时，被测试者躺在仰卧起坐板上，然后将双脚钩在脚部固定支架上，启动主控装置，主控装置开始倒计时，被测试者在向上仰起的过程中，使躯体先触发低位传感器，然后传输到主控装置中，被测试者继续向上仰起躯体，直至躯体触发高位传感器，然后传输到主控装置中，两信号形成一个有效信号。在向下躺倒的过程中,躯体先触发高位传感器，再向下运动触发低位传感器，此时两信号顺序颠倒，不会进行计数。
7.如：红外传感测量，红外传感测量依赖红外发射器和红外接收器协同工作。当仰卧起坐测试人员处于红外发射器和红外接收器中间时，红外发射器发射的红外线被测试人员遮挡反射，红外接收器接收到反射的红外信号，遮挡反射位置处即为仰卧起坐测试人员肩部或肘部所处位置，红外传感测量只是简单判断肩部是否到一定位置，肘部是否到一定位置，从而计算出成绩。
8.3.基于摄像头仰卧起坐测试仪测试（图1）（1）受试者仰卧于垫上，两腿稍分开，双脚国定在垫的仪器上，屈膝呈90度角左右，两手指交叉贴于脑后，腰部带好专用电子测试腰带。起坐前由测试员用仪器确认受测试者ic卡，当听到仪器发出“滴—滴滴”提示音受试者即开始起坐。
9.（2）一仰一坐动作必须连贯，且均有提示音，仪器才自动计数1。若连贯一仰一坐动作不到位，无提示音，则不计数。
10.现有仪器测试的弊端：红外线测试方式，普通红外线传感器反应速度慢，量子型的价格昂贵，并且所需器械多，结构复杂，还容易被身体其他部分遮挡从而造成测量不准确；
光电传感器方式，环境适应性差，不在密封环境下用就很容易被污染失效，并且需要大量的机械，复杂且昂贵，测试仪绑在被测试者身上会造成被测试者的不适，造成测量的不准确。能够方便搬运的仰卧起坐测试仪器的测试原理太过简单，不满足测试要求，测试过程中准确性较差。


技术实现要素：

11.本发明提出一种仰卧起坐测试装置与检测方法，其目的在于解决现有的人工测试、仪器测试和基于摄像头仰卧起坐测试仪测试在仰卧起坐测试中存在的不足。
12.技术方案：一种仰卧起坐训练测试装置，该测试装置的底板上表面上依次设置有背垫、坐垫、腿托、脚架收纳槽、脚架、一个或多个伸缩杆和控制器收纳槽，底板内部开设有背板槽，背板槽与背垫位置相对应，背板槽内设置有助推组件，助推组件的一端固定于背板槽底面，助推组件的另一端固定于背部支撑板上，背部支撑板铰接于背板槽位于底板中部的那端，背部支撑板的上表面上放置背垫，脚架铰接于底板的本体上，能扣合至脚架收纳槽内，伸缩杆上方端部铰接控制器夹，控制器夹内固定控制器，控制器能扣合至控制器收纳槽内，底板侧面固定连接有侧面伸缩杆，侧面伸缩杆的端部上固定有摄像头。
13.进一步的，助推组件包括气缸、气缸尾端铰链、气缸顶端铰链、背板支撑底座，气缸的尾端端部通过铰接的气缸尾端铰链固定于背板槽底面，气缸的气缸轴顶端通过铰接的气缸顶端铰链固定于背板支撑底座上，背板支撑底座固定于背部支撑板上。
14.一种仰卧起坐训练测试装置的检测方法，步骤为：步骤一、识别图像，利用摄像头采集受试者在规定时间内的测试视频，在测试视频的图像上提取并且识别出受试者的人体骨骼的关键点，关键点包括头部、腰部、手肘和膝盖部位的骨骼点；头部的骨骼点至腰部的骨骼点定义为第一条规则线l1，腰部的骨骼点至膝盖的骨骼点定义为第二条规则线l2；步骤二、在测试时间内，判断检测受试者运动状态并且测量手肘的骨骼点与膝盖骨的骨骼点之间的距离d，且d≤5cm，则进行计数，当第一条规则线l1与第二条规则线l2之间的夹角α从大于等于120
°
到小于等于55
°
为一次仰卧起坐动作，并识别受试者手肘是否触及到膝盖；步骤三、但测试时间大于规定时间，则停止计数，测试结束；控制器显示出受试者在规定时间内完成的次数。
15.有益效果：本发明不仅能够用来进行仰卧起坐的测试，还可以用来作为辅助锻炼的工具；同时还节省了人力，而且设备简单，成本较低，有较强的环境适应能力，不会对受试者造成危害，并且检测速度快，精度高以及可以进行实时检测。
附图说明
16.图1为基于摄像头仰卧起坐测试仪；图2为本装置结构示意图；图3为本装置结构左视图；图4为本装置结构的主视图；
图5为本装置的俯视图；图6为本方法流程示意图；图7为第一条规则线l1与第二条规则线l2定义示意图；图中标号：1、背垫，2、坐垫2，3、腿托，4、脚架，5、控制器收纳槽，6、盖板拉手，7、伸缩盖板，8、脚架收纳槽，9、底板，9-1、侧面伸缩杆，10、控制器夹，11、控制器，12、背部支撑板，13、背板扣槽，14、气缸槽，15、背板支撑底座，16、气缸顶端铰链，17、气缸轴，18、气缸，19、气缸尾端铰链，20、背板槽，21、伸缩杆，22、摄像头，23、伸缩杆收纳槽。
具体实施方式
17.以下结合说明书附图更详细的说明本发明。
18.如图2-5所示，一种仰卧起坐训练测试装置包括：背垫1、坐垫2、腿托3、脚架4、控制器收纳槽5、盖板拉手6、伸缩盖板7、脚架收纳槽8、底板9、侧面伸缩杆9-1、控制器夹10、控制器11、背部支撑板12、背板扣槽13、气缸槽14、背板支撑底座15、气缸顶端铰链16、气缸轴17、气缸18、气缸尾端铰链19、背板槽20、伸缩杆21、摄像头22和伸缩杆收纳槽23。
19.底板9上表面上依次设置有背垫1、坐垫2、腿托3、脚架收纳槽8、脚架4、一个或多个伸缩杆21和控制器收纳槽5，底板9内部开设有背板槽20，背板槽20与背垫1位置相对应，背板槽20内设置有助推组件，助推组件的一端固定于背板槽20底面，助推组件的另一端固定于背部支撑板12上，背部支撑板12铰接于底板9的本体上，背部支撑板12的上表面上放置背垫1，坐垫2不影响背部支撑板12的开合，背部支撑板12的大小和背板槽20大小一致，背部支撑板12可用铰链等刚性转轴式连接与背板槽20的一边，可使其以连接边为轴心正方向180
°
内自由开合；背部支撑板12的内表面中间开有气缸槽14，可使背部支撑板12能完全合进背板槽20，使其上表面与底板9上表面为一个水平面。脚架4铰接于底板9的本体上，能扣合至脚架收纳槽8内，腿托3不遮挡脚架收纳槽8；本实施例中底板9上表面的尾端设置有一对伸缩杆21，底端插在底板9上表面开设的伸缩杆收纳槽23中，且伸缩杆21完全收缩状态下可完全回缩进伸缩杆收纳槽23。伸缩杆21上方端部铰接控制器夹10，可向底板9方向尾端90
°
翻折，控制器夹10内固定控制器11，控制器11能扣合至控制器收纳槽5内，当伸缩杆21夹持控制器11时并收缩时，无需将控制器11从控制器夹10取下，向后翻折90
°
，即可将控制器11收纳进位于底板9尾端的控制器收纳槽5中；为保护控制器11，控制器收纳槽5上方滑动连接有伸缩盖板7，为方便开合伸缩盖板7，特在上层盖板边缘设有盖板拉手6。底板9侧面固定连接有侧面伸缩杆9-1，侧面伸缩杆9-1的端部上固定有摄像头22。侧面伸缩杆9-1可横向平行于地面向右伸缩，作为摄像头22的保持架。摄像头22可固定在侧面伸缩杆21的顶端，伸缩长度根据摄像头22是否能将测试者完整放入取景框中为宜。
20.控制器11与气缸18、侧面伸缩杆9-1、伸缩杆21、摄像头22连接，正向助力和反向对抗模式下，控制器11只控制气缸18，可以调节气缸轴17的伸缩行程时间，不需调用摄像头22，正常测试模式下，控制器11不控制气缸18，气缸轴17处于收缩状态，背部支撑板12也完全收纳在背板槽20内，保证其上表面除背垫1、坐垫2外为一个平整表面，只调用摄像头22进行算法运行。
21.助推组件包括气缸18、气缸尾端铰链19、气缸顶端铰链16、背板支撑底座15，气缸18的尾端端部通过铰接的气缸尾端铰链19固定于背板槽20底面，气缸18的气缸轴17顶端通
过铰接的气缸顶端铰链16固定于背部支撑板12内表面的气缸槽14内，具体为气缸顶端铰链16通过其刚性连接的背板支撑底座15固定于背部支撑板12内表面的气缸槽14内，气缸18做功时依靠气缸轴17的伸缩将背部支撑板12以上述连接边为轴心顶起和回落。背部支撑板12开合端的中间开有背板扣槽13，方便人工抬合背部支撑板12。
22.控制器11使用mediαpipe提供的人体姿势识别功能。mediαpipe是一个用于构建机器学习管道的框架，用于处理视频、音频等时间序列数据。机器学习管道采用两步检测器-跟踪器 ml 管道，在我们的mediαpipe hαnds和mediαpipe fαce mesh解决方案中被证明是有效的。使用检测器，管道首先在帧内定位人/姿势感兴趣区域 roi。跟踪器随后使用 roi 裁剪帧作为输入来预测 roi 内的姿势标志和分割掩码。请注意，对于视频用例，仅在需要时调用检测器，即，对于第一帧以及当跟踪器无法再识别前一帧中的身体姿势存在时。对于其他帧，管道只是从前一帧的姿势标志中导出 roi。管道实现为 mediαpipe图，它使用来自姿势界标模块的姿势界标子图，并使用专用的姿势渲染器子图进行渲染。姿势界标子图在内部使用来自姿势检测模块的姿势检测子图。
23.如图6所示，一种仰卧起坐训练测试装置的检测方法，步骤为：步骤一、识别图像，利用摄像头22采集受试者在规定时间内的测试视频，在测试视频的图像上提取并且识别出受试者的人体骨骼的关键点，关键点包括头部、腰部、手肘和膝盖部位的骨骼点；头部的骨骼点至腰部的骨骼点定义为第一条规则线l1，腰部的骨骼点至膝盖的骨骼点定义为第二条规则线l2；测试开始前，受试者按照姿势要求仰卧于软垫上。开始测试后，主机上的时间显示区进行5秒准备倒计时显示，计时结束后，处理器控制蜂鸣器发出提示音，提示测试开始，同时计时显示区进行测试计时显示，计数随即开始。同时摄像头22将捕捉到的视频帧数传至控制器11的处理单元。
24.步骤二、在测试时间内，判断检测受试者运动状态并且测量手肘的骨骼点与膝盖骨的骼点之间的距离d，且d≤5cm，则进行计数，当第一条规则线l1与第二条规则线l2之间的夹角α从大于等于120
°
到小于等于55
°
为一次仰卧起坐动作，并识别受试者手肘是否触及到膝盖；仰卧起坐训练的动作要求：受试者仰卧于垫上，两腿稍微分开，屈膝呈90度角左右，脚部平放在地上，两手指交叉贴于脑后，保证其踝关节被按压住以保证下肢的固定，利用腹肌收缩，迅速成坐姿状，同时肘关节触及或者超过双膝，记录下受试者在一分钟内完成的有效次数。
25.基于仰卧起坐训练的动作要求，如图7所示，本发明假定受试者三个关键点的连线的夹角即第一条规则线l1与第二条规则线l2之间的夹角为α，当α》=120
°
时判定受试者为躺下，当α《=55
°
时判定为坐起，当α从大于等于120
°
变化到小于等于55
°
时并且手肘与膝盖的距离d小于等于5cm时算是完成一个标准的动作。
26.本发明中摄像头22将捕捉到的视频帧数传至处理单元后，接着程序开始判断测试时间是否在一分钟内，若在规定时间内，则开始判断受试者该次动作的起始状态是否为平躺状态，如果不在，则进行下一个动作的判断，如果在，则接着判断受试者的状态是否为坐起状态，如果是，则进行下一步的判断，否则返回初始步骤。下一步的判断为受试者手肘是否接触膝盖，该动作由的d值来判断，如果d小于等于5cm，则动作符合标准，该次动作计入总
数，进行下一个动作的判断，直到蜂鸣器发出计时结束的提示音。
27.步骤三、但测试时间大于规定时间，则停止计数，测试结束。控制器11显示出受试者在规定时间内完成的次数。
28.使用方式：本发明为集正向仰卧起坐助力锻炼、反向后躺腰腹对抗锻炼和《国民体质检测》要求下的青少年体质测试标准仰卧起坐测试等多种功能为一体的仰卧起坐训练测试装置。
29.实施例1正向仰卧起坐助力仰卧起坐现在依然是体质测试的主要项目之一，但是很多受试者因腰腹核心力量薄弱，无法在规定时间内成绩达标，特此设计助力辅助仰卧起坐训练功能。
30.此功能通过调节助力气缸的气缸轴伸缩行程时间和长度，调节气缸18的气缸轴17的伸缩行程时间和长度，使气缸轴17能快速伸出，顶起固定在气缸槽14内的背板支撑底座15，进而顶起背部支撑板12，使其与底板9夹角为50
°
，从而将力传递至人体背部，适当减小腰腹受力，使其仰卧起坐相对轻松，故起到助力目的。
31.受试者坐于坐垫2，躺于背垫1上，两腿稍微分开，屈膝呈90度角左右，脚部平放在地上，扣住脚架4，保证其踝关节或脚面被顶住，以保证下肢的固定，两手指交叉贴于脑后，利用腹肌收缩，迅速成坐姿状，起初，受试者因腰腹力量不足，便可借用由气缸18顶起的背部支撑板12的惯性，使自身上肢迅速成坐状，同时肘关节触及或者超过双膝，后仰时腰腹用力，使身体缓慢后躺，如此往复，即可实现助力作用。
32.实施例2反向后躺腰腹对抗此设备设计为可双向锻炼腰腹力量，除正常仰卧起坐助力训练外，增加后仰对抗训练，以此来锻炼腰腹不同的肌肉群。
33.此训练方式是通过延长气缸轴收缩行程时间来减缓背部板回落时间，从而使受试者有足够的后躺对抗时间和距离。调节气缸18的气缸轴17的伸缩行程时间和长度，使气缸轴17能缓慢收缩，带动固定在气缸槽14内的背板支撑底座15，进而连带背部支撑板12一起缓慢回平，使其与底板9夹角从50
°
减至0
°
。
34.受试者坐于坐垫2，躺于背垫1上，两腿稍微分开，屈膝呈90度角左右，脚部平放在地上，扣住脚架4，保证其踝关节或脚面被顶住，以保证下肢的固定，两手指交叉贴于脑后，利用腹肌收缩，使自身上肢迅速成坐状，同时肘关节触及或者超过双膝，后仰时腰腹用力，使身体向后压，因气缸18的气缸轴17收缩缓慢，所以背部支撑板12回落缓慢，腰腹向后用力压，可将后背完全贴于背部支撑板12上，受试者的上肢后仰力和气缸18力形成对冲，又因背部支撑板12缓慢向后回落，所以能保证后仰对抗的安全性，如此往复，即可实现反向对抗训练作用。
35.实施例3标准仰卧起坐测试在仰卧起坐测试当中，将三个伸缩杆21完全伸出，将脚架4从脚架收纳槽8中拉出，将控制器11从控制器收纳槽5中取出，固定在控制器夹10上，并将摄像头22固定好，此模式不需要用到气缸18，故背部支撑板12完全收纳于背板槽20，测试时，测试者的臀部位于坐垫2上，平躺在背垫1上，腿部架在腿托3上使大腿与小腿夹角呈90
°
，脚钩住脚架4，开始测试时，控制器11会显示实时人体动作状态、时间、符合要求的个数等信息，以便测试者掌握了解测试成绩，适时调整节奏来完成测试。
36.本发明采用摄像头采集测试者测试过程的图像，利用图像识别技术，检测对应的人体骨架点，用采集的图像对比根据标准姿势提前设定、标注识别点的距离，从而判断测试动作和不合乎规范。