專利名稱：用于個體體力消耗的人體環(huán)境工程學追蹤的系統(tǒng)和方法
相關申請本申請請求保護美國臨時申請?zhí)枮?0/576,726，申請日為2004年6月3日的利益，該申請的全部教導在此并入本申請作為參考。
背景技術：
在人體工程學中，體力上的消耗(例如，工作)被研究以試圖減少用戶的疲勞和不舒服。當個體消耗身體能量的時候，生理上的和生物學上的因素交織在一起。生理上，人體工程學組織的人體結構是骨骼和肌肉。舉例來說，不同的肩寬的個體對于相同尺寸的鍵盤的位置的安排會或多或少有所不同。生物學上，人體工程學組織的組成包括姿勢、強度、循環(huán)和擺動。舉例來說，當操作定點設備時，筆直的坐姿比懶散的姿勢會導致不同的身體消耗。
當人們談論健康時，身體的姿勢在所列的清單中會排在前面。其重要性等同于正確的飲食、鍛煉、擁有良好的睡眠以及不接觸潛在的有害物質(zhì)，比如酒精、麻藥還有煙草。良好的姿勢可以使在工作的時候擁有更多的能量，并且較少的壓力和疲勞。然而，如果姿勢不正確，人的整個健康狀況以及整體的效率都會受到影響。因為，長期的不正確的姿勢的結果會影響到身體系統(tǒng)(比如，消化功能、排泄、呼吸、肌肉、關節(jié)還有韌帶)。常常處于不正確姿勢的人會經(jīng)常地感到疲倦或者不能夠有效地工作或適當?shù)鼗顒印?br> 不正確的姿勢能夠?qū)е赂鼑乐氐募∨c骨骼的失調(diào)(MSDs)，諸如隔膜破裂或者腕骨綜合病癥。背部肌肉骨骼組織過度的負荷能夠削弱甚至破壞椎盤。腕骨綜合病癥常常是由于重復使用手或者手腕所引發(fā)的，其中較大的肌肉骨骼組織(脖子、手臂)和/或較小的組織(手腕、手指)的姿勢影響著負荷。
MSDs能夠發(fā)生在任何一位在一段時間內(nèi)重復消耗體力的人身上。無論是伏案工作、長時間駕駛或者舉起箱子，產(chǎn)生壓力的手腕、手臂、脖子和/或背部位置都只會加重損害的潛在危險。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種低成本非侵入式機械裝置，該裝置用于防止在不正確地使用人體工程學時所導致的各式各樣的能夠使其喪失能力的外傷。本發(fā)明使用實時反射和積極的模型以達到預防和糾正雙重目的。
提供一種用于追蹤使用者的姿勢的系統(tǒng)和方法。所述的系統(tǒng)和方法包括用于測定用戶自然環(huán)境的環(huán)境模塊，包括用于測定在所述的用戶自然環(huán)境中至少用戶的姿勢的生物力學模塊，以及用于將至少用戶姿勢與至少目標正確的姿勢進行比較的標識輸出給用戶的輸出模塊。所述的自然環(huán)境可以包括計算機工作站環(huán)境、制造環(huán)境、游戲環(huán)境和/或鍵盤環(huán)境。
在優(yōu)選的實施方案中，環(huán)境模塊包括現(xiàn)場模塊和快照模塊。所述的現(xiàn)場和快照模塊捕獲用戶自然環(huán)境的背景的數(shù)字表象。生物力學模塊包括活動現(xiàn)場模塊，用于捕獲處于用戶自然環(huán)境中的用戶的數(shù)字表象，還包括運行反射模塊，用于處理位于用戶自然環(huán)境中的用戶的數(shù)字表象。所述的輸出模塊包括顯示器，用于向用戶顯示用戶姿勢與目標正確的姿勢的比較。
在一個實施方案中，輸出模塊進一步包括音頻設備，用于將用戶姿勢與目標正確的姿勢進行比較的音頻標識輸出給用戶。輸出能夠顯示在多窗口環(huán)境的窗口中。用戶姿勢的表象能夠被目標正確的姿勢所疊加。
在一個實施方案中，至少一個數(shù)字照相機能夠用于測定用戶的自然環(huán)境和/或用于測定用戶的姿勢。
附圖簡要說明結合下面附圖中所示出的本發(fā)明優(yōu)選的實施方案更加具體的描述，本發(fā)明的前面所述的以及其它的目的、特征和優(yōu)勢會更加的明顯。在附圖中，相同的參考數(shù)字在不同的附圖中表示相同的部件。附圖并不是按照比例所繪制的，其重點在于示出本發(fā)明的原理。


圖1示出正確的目標姿勢和相關的人體工程學度量標準；圖2示出在鍵盤活動中追蹤系統(tǒng)的示意圖；圖3是本發(fā)明的流程圖；圖4是除了圖3所示的流程圖之外的可選程序的流程圖；圖5A-5C示出在重復運動類型環(huán)境中的用戶。
具體實施例方式
下面將進行對本發(fā)明優(yōu)選的實施方案的描述。
人體工程學因素關于身體運用狀況被表現(xiàn)出來。就是說，各種不同的人體工程學因素的特定表示服從于自然環(huán)境的特定類型(即，辦公室工作的、制造業(yè)的)的人體工程度量。自然環(huán)境包括個體(用戶)和一套所需要的工具，例如，計算鍵盤、定點設備。因此，人體工程學度量表示工作個體關于他/她的工具類型的推薦的位置。
用于計算機工作站使用的目標正確的姿勢已經(jīng)被ANSI/HFS100-1988(ANSI)和BSR/HFES100標準草案所確定，其全部教導被并入本文作為參考。圖1示出正確的目標姿勢和如前面的指導中所描述的相關聯(lián)的人體工程學度量。
公開的國家標準包括座位盤、工作表面和屏幕可視高度(分別是h2，h3和h1)達到最接近十分之一英寸/厘米(ANSI)，或者作為替代的肘、肩部的外展和彎曲、手腕彎曲和伸展，以及軀體到大腿的角度(BSR)到最接近的程度。如果遵循測量標準，則要求個體的姿勢必須符合十分之一英寸/厘米范圍內(nèi)或者相對于扇形或角度姿勢的一個角度(諸如圖1中所示的距離“d”和角度“a”)。
使用儀器方法已經(jīng)被應用于專門的情形以根據(jù)用戶的工作環(huán)境向用戶提供人體工程學度量。為了達到足夠的精確度，使用儀器方法典型地包括諸如角度計和/或高度尺碼的設備，需要圍繞或緊接于每個計算機用戶身體上最近的設備。當用戶從坐姿轉(zhuǎn)變成站姿時，或者是剛剛倒了杯咖啡，所述的使用儀器方法為了達到精確就會需要重新配置全部/部分設備用以再一次采集全部的測量。上述方法除了控制的設備之外在此之前并沒有應用于實踐。
使用儀器方法的另一種落實能夠并入附著在用戶身體上的各個不同點上的有線或無線身體傳感器。這種方法將會需要每天都要附著在身體上的傳感器，并且當離開工作環(huán)境時需要被再次解下來。再一次，上述方法除了控制的設備之外在此之前并沒有應用于實踐。
如今的標準方法是使用手寫清單或一次專家評估，這樣個體可能會使5-10次測量度量適應持續(xù)的應用。
本發(fā)明利用另一種基于圖像的方法，這種方法不需要設備實際圍繞或緊鄰著每個個體。用戶的活動范圍(諸如坐著/站著或者去拿咖啡)會增加，但是不需要如在使用儀器方法中所要求的那樣重新配置。這些給用戶帶來的好處通過減少入侵和個體消費成本允許對人體工程學實施更廣泛的采用。
圖2所示的是應用在一個實施方案中的人體工程學追蹤系統(tǒng)100，用以幫助用戶110在鍵盤工作時擁有正確的姿勢。通常，照相機140觀測用戶110的自然環(huán)境，諸如用戶在計算機站或輸入?yún)^(qū)域上輸入信息。所述的計算機站或者輸入?yún)^(qū)域可能包括單個的或者相結合的椅子120、工作表面122、中心處理單元130、顯示監(jiān)控器132、鍵盤134、鼠標136、或者其它的設備。舉例來說，所述的其它設備可以是輔助鍵盤、操縱桿、跟蹤球、觸感衰減器、識別筆、觸感屏幕、打印機或者其它已知的輸入輸出設備。根據(jù)用戶110自然環(huán)境，系統(tǒng)100確定用戶110的姿勢并將相對于目標正確姿勢的用戶姿勢的標識輸出給用戶。
在具體的實施方案中，通過使用一個照相機140觀測在鍵盤134或其它輸入設備上的用戶110。由照相機140或者相關的第三方圖像軟件所生成的數(shù)字圖像被系統(tǒng)100處理用以在每個結構中檢測身體、鍵盤134(或者其它的輸入設備)、顯示監(jiān)控器132還有用戶環(huán)境的其它的方面。在一個實施方案中，系統(tǒng)100或照相機140能夠?qū)?shù)字圖像上傳入因特網(wǎng)用于觀測或進一步的處理。照相機同樣可以是嵌入式照相機(例如，在計算機130中、電話或是其它設備中)。人們可以理解的是系統(tǒng)100可以與多個照相機140相結合進行應用。
圖3示出圖2的人體工程學追蹤系統(tǒng)100的實施的流程圖200。在一個實施方案中，系統(tǒng)100包括初始化模塊210、啟動模塊220、活動現(xiàn)場模塊240、第一測定模塊250、運行反射模塊260、顯示模塊270、第二測定模塊280、以及第三測定模塊290。
初始化模塊210允許用戶110對圖2的人體工程學追蹤系統(tǒng)100進行初始化或者“啟動”。這可以通過用戶110“單擊”來完成，或者也可以通過用戶使用鼠標136或其它的輸入設備在監(jiān)控器132的可視屏幕上選定圖標來完成。所述的圖表激活人體工程學追蹤系統(tǒng)100。
啟動模塊220包括現(xiàn)場模板模塊222和快照模塊224。所述的現(xiàn)場模板模塊222和快照模塊224在用戶沒有出現(xiàn)在現(xiàn)場中時捕獲用戶環(huán)境的背景。自然環(huán)境可以包括(a)鍵盤134和/或其它的輸入設備；(b)可視屏幕/監(jiān)控器/嵌入式顯示器132；(c)椅子120、桌子/寫字臺/其它的支撐家具122；以及(d)任何處于自然環(huán)境中的其它的組成部分。系統(tǒng)100使用數(shù)字照相機140捕獲初始畫面或快照。所述的照相機140可以是借助電子自動拍照器被自動操作、或者通過“電影模式”或其它已有的照像裝置、也可以是通過第三方來完成。啟動模塊220通過從照相機140得到的數(shù)字圖像的結果形成用戶環(huán)境的初始背景現(xiàn)場。在一個實施方案中，啟動模塊僅僅需要運行一次，除非環(huán)境發(fā)生了較大的變化，例如，家具被重新裝配。
活動現(xiàn)場模塊240允許用戶110實際上進入“現(xiàn)場”，并且假定他/她通常工作(輸入)的位置。舉例來說，用戶110可以坐在計算機站并且將他/她的手放在圖2中的鍵盤134或鼠標136上。
人的媒介的表象由有角度的矢量空間和/或其它內(nèi)部數(shù)據(jù)模塊所組成?；顒蝇F(xiàn)場模塊240可以預先在代表性空間附近的連續(xù)追蹤。同樣地，用戶110的模型和開始時的信息可能為這個用戶而被存儲。也可能存儲應用水平信息用于這個用戶、公司(或家庭環(huán)境)。進一步，模型信息能夠被發(fā)送(不具名地)到儲藏室中，這樣模型可以被改進用于后面的用戶。
第一測定的模塊250允許用戶110決定是否啟動追蹤(252)或者保持在“等待狀態(tài)”(254)。如果用戶110決定啟動追蹤(252)，那么用戶110使用鼠標136或者其它的輸入設備點擊監(jiān)控器132可視屏上的圖標。一旦觀察啟動，系統(tǒng)200通過使用數(shù)字照相機140快速拍下有用戶110存在的“現(xiàn)場”。
為了模擬在鍵盤134或者其它輸入設備上的用戶的身體，來自照相機140的數(shù)字圖像被處理以檢測處于自然環(huán)境中的用戶110，并且保留用戶110的媒介表示用于連續(xù)的圖像處理與顯示處理。舉例來說，近似的輪廓圖像可能足以獲得代表性的姿勢。
如附圖2所示，通常，人體工程學位置包括越多的身體左右對稱，越是可行的。進一步，使用輸入設備通常包括與身體人體工程學的最接近的上肢的大的肌肉的運動(例如，在脊椎方面、手臂、腿)以及細小的手/手指肌肉。因此，可以從2-D數(shù)字圖像中收集到足夠的姿勢信息。然而，盡管使用數(shù)字照相機140能夠使成本保持很低，但是在某些場合下，一個照相機的視野無法產(chǎn)生足夠的信息。同樣，提供多個照相機圖像的多個照相機140能夠用來產(chǎn)生諸如正面的輪廓和/或斜視圖。
運行反射模塊260處理用戶110圖像的快照。被處理的快照產(chǎn)生/得出在現(xiàn)場中用戶110姿勢(位置)的圖像。眾多的獨立的探測器、分段器、評估器和/或分類器能夠被用來實現(xiàn)具有低誤差率的實時的精確性。當用戶110不可避免的改變工作(輸入)姿勢時，則通過運行反射模塊260可以追蹤到用戶110的運動。反射將這樣的物理變化反映出用戶110各個身體部分的位置。反射包括身體模型和身體追蹤兩者。
用戶110身體在鍵盤134或其它的輸入設備上的反射是實時進行的。因此，用戶較大幅度的移動和/或較小幅度的運動的追蹤在整個時段內(nèi)都是同步進行的。舉例來說，諸如像站立或坐下這樣的較大幅度的移動可以包括從一個主要的人體工程學支持移動到另一個。
顯示模塊270在所提供的可視屏幕上將被處理過的快照輸出給用戶110，也可以在應用程序窗口中的監(jiān)視器132上顯示出來。所述的應用程序窗口可以是運行窗口系統(tǒng)中(諸如MicrosoftWindows)的多個窗口。
在一個實施方案中，屏幕顯示包括在現(xiàn)場的環(huán)境中的用戶圖像(當前位置)，所述的用戶圖像被目標正確的姿勢指示所疊加，或者與關于目標正確姿勢指示。所述的目標正確姿勢指示可能產(chǎn)生于藝術線條、圖形、陰影技術(無論有無用戶圖像與否)，以及諸如此類。系統(tǒng)200可能也提供視頻和/或音頻提示以幫助用戶110達到正確的目標姿勢。
顯示模塊270的使用可以允許用戶110從他/她先前的活動中獲得了解/教導。關于多種類型的物理活動，用戶110通過使用這樣的實體模型嘗試正確地決定他/她的身體部分。消極的模型(不正確的姿勢)和積極的模型(目標姿勢或者“怎樣達到”目標姿勢)兩者都有助于用戶110身體上的學習，以至于“肌肉存儲“的參與。如果姿勢是不正確的，視頻/音頻提示就會向用戶110發(fā)送信號。這些視頻/音頻提示可以是圖形的加亮部分/涂上顏色、音頻信號、閃光的信號、和/或其它已知的視覺上的和聽覺上的效果。
在一些實施方案中，觀察可能多于教導而被使用。舉例來說，根據(jù)用戶110的健康狀況和自治原則，用戶110可能在白天選定某一時刻來選擇在窗體前臺運行觀察，或者簡單的整天都后臺運行。
第二和第三測定模塊280，290允許用戶110確定是否暫停觀測(282)，是否繼續(xù)觀測(284，294)，或者退出系統(tǒng)(292)。如果用戶110決定繼續(xù)觀測(284，294)，那么系統(tǒng)200在252對“現(xiàn)場”進行另一次的快照，并且重復模塊260，270，280和290，直到用戶110決定退出(292)或者暫停(282)系統(tǒng)100。
圖4示出除了圖3中所描述的流程圖之外另一種可選擇的教導程序流程圖300。在另一個實施方案中，系統(tǒng)100(圖2)可以包括顯示圖片庫模塊310、反射選擇模塊320、以及啟動測定模塊330。
顯示圖片庫模塊310通過工作姿勢的顯示允許用戶110(圖2)循環(huán)。舉例來說，ANSI核準的坐姿和站姿。這些作為用于各種不同的姿勢的候選的目標正確姿勢。
反射選擇模塊320允許用戶110選擇在310中的顯示所提供的工作姿勢中的一個。被選中的工作姿勢被比作成用戶110實際的(照相機140捕獲的圖像)姿勢。
啟動測定模塊330提示用戶110啟動模塊220(圖3)是否已經(jīng)完成。如果啟動模塊220已經(jīng)完成(332)，則系統(tǒng)300繼續(xù)進行圖2所描述的實施反射模塊260。如果啟動模塊220還沒有完成(234)，則系統(tǒng)300開始進行啟動模塊220。
本發(fā)明提供一種成本很低的機械裝置，該機械裝置用于防止由于不正確的人體工程的使用所引發(fā)的各種類型的使無能力的重復的損傷。本發(fā)明使用實時反射和積極的模型達到防止和治療雙重的目的。
圖5A-5C示出用戶處于重復動作類型的環(huán)境中。用戶400從傳輸帶404上伸手取走產(chǎn)品402。隨后用戶將產(chǎn)品402放在包裝容器406中。一旦用戶400用產(chǎn)品402裝滿包裝容器，用戶400合上包裝容器406。本發(fā)明的實施方案能夠用來向用戶400提供關于重復動作類型(即，整個連續(xù)的身體姿勢形成重復的動作)的正確身體姿勢的信息。這樣，可以避免諸如像較低的背部傷害這樣的損傷。
本發(fā)明的其它的實施方案可以用于鍵盤、游戲、鍵區(qū)，以及諸如此類。鍵盤用戶當與計算機、webTV、或者諸如因特網(wǎng)的網(wǎng)絡系統(tǒng)相連的監(jiān)控器上顯示的時候，一般通過多種作為替代的鍵盤和定點設備進行輸入。然而其它鍵盤的使用也可能被包括，諸如PDA、手柄電子設備、手提電話或者文本消息系統(tǒng)等等。游戲用戶當與計算機、webTV、或者諸如因特網(wǎng)的網(wǎng)絡系統(tǒng)相連的監(jiān)控器顯示時，一般通過鍵盤和/或內(nèi)含的操縱桿、扳機、追蹤球進行輸入。對于游戲用戶來說，上面所述的自動化工具允許在進行操縱、追蹤或者鍵入時進行他們是否“動作準確”的評估(在整個過程中保持正確的姿勢)。對于鍵區(qū)用戶來說，諸如Blackberry或垂直市場設備，可以在與計算機、webTV、或諸如因特網(wǎng)的網(wǎng)絡系統(tǒng)相連的屏幕/監(jiān)控器上觀察到本發(fā)明。
雖然通過本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案已經(jīng)具體地顯示和描述出本發(fā)明，但是對于本領域技術人員來說會很容易地明白本發(fā)明在形式上以及在細節(jié)上的各種不同的變化都不會超出本發(fā)明權利要求所要求保護的范圍。
權利要求
1.一種用于追蹤用戶姿勢的計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于測定用戶自然環(huán)境的環(huán)境模塊；用于測定在用戶自然環(huán)境模塊中至少用戶姿勢的生物力學模塊；輸出模塊，所述的輸出模塊用于向用戶輸出相對于至少目標正確的姿勢的至少用戶姿勢。
2.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中所述的環(huán)境模塊包括現(xiàn)場模塊；以及快照模塊，所述的現(xiàn)場與快照模塊捕獲用戶自然環(huán)境的背景的數(shù)字表象。
3.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中所述的生物力學模塊包括活動現(xiàn)場模塊，所述的活動現(xiàn)場模塊用于捕獲在用戶自然環(huán)境中的用戶的數(shù)字表象；以及運行反射模塊，用于處理在用戶自然環(huán)境中的用戶的數(shù)字表象。
4.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中所述的輸出模塊包括顯示器，該顯示器用于向用戶顯示相對于目標正確的姿勢的用戶姿勢。
5.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中所述的輸出模塊進一步包括音頻設備，該音頻設備用于向用戶輸出用戶姿勢相對于目標正確姿勢的音頻指示。
6.根據(jù)權利要求4的系統(tǒng)，其中輸出被顯示在多窗口環(huán)境的窗口中。
7.根據(jù)權利要求4的系統(tǒng)，其中用戶姿勢的表象被目標正確的姿勢所疊加。
8.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中所述的自然環(huán)境包括計算機工作站環(huán)境、制造環(huán)境、游戲環(huán)境和鍵區(qū)環(huán)境中的一種。
9.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中至少一個數(shù)字照相機被應用于測定用戶的自然環(huán)境。
10.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中至少一個數(shù)字照相機被應用于測定用戶的姿勢。
11.一種用于追蹤用戶姿勢的方法，該方法包括計算機執(zhí)行的步驟有測定用戶的自然環(huán)境；根據(jù)用戶的自然環(huán)境測定用戶的姿勢；以及向用戶輸出用戶姿勢相對于目標正確的姿勢的指示。
12.根據(jù)權利要求11的方法，其中測定用戶自然環(huán)境包括捕獲用戶自然環(huán)境的背景的數(shù)字表象。
13.根據(jù)權利要求11的方法，其中基于用戶的自然環(huán)境測定用戶姿勢包括捕獲在用戶自然環(huán)境中用戶的數(shù)字表象；以及處理在用戶自然環(huán)境中用戶的數(shù)字表象。
14.根據(jù)權利要求11的方法，其中向用戶輸出用戶姿勢的指示包括向用戶顯示用戶姿勢與目標正確的姿勢的比較。
15.根據(jù)權利要求14的方法，其中向用戶輸出用戶姿勢的指示進一步包括向用戶輸出用戶姿勢與目標正確的姿勢相比較的指示。
16.根據(jù)權利要求14的方法，其中輸出的輸出被顯示在多窗口環(huán)境的窗口中。
17.根據(jù)權利要求14的方法，其中用戶姿勢的表象被目標正確的姿勢所疊加。
18.根據(jù)權利要求11的方法，其中所述的自然環(huán)境包括計算機工作站環(huán)境、制造環(huán)境、游戲環(huán)境和鍵區(qū)環(huán)境中的一種。
19.根據(jù)權利要求11的方法，其中至少一個數(shù)字照相機被應用于測定用戶的自然環(huán)境。
20.根據(jù)權利要求11的方法，其中至少一個數(shù)字照相機被應用于測定用戶的姿勢。
21.一種用于追蹤用戶姿勢的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于測定用戶自然環(huán)境的設備；計算機設備，用于根據(jù)用戶的自然環(huán)境測定用戶的姿勢；以及用于向用戶輸出用戶姿勢與目標正確的姿勢相比較的指示。
全文摘要
提供一種用于追蹤用戶姿勢的系統(tǒng)和方法。所述的系統(tǒng)和方法包括用于測定用戶自然環(huán)境的環(huán)境模塊，用于測定位于用戶自然環(huán)境中的至少用戶姿勢的生物力學模塊，以及用于將至少用戶姿勢與至少目標正確的姿勢進行比較的標識輸出給用戶的輸出模塊。所述的自然環(huán)境可以包括計算機工作站環(huán)境、制造環(huán)境、游戲環(huán)境和/或鍵區(qū)環(huán)境。
文檔編號G08B23/00GK1960674SQ200580017602
公開日2007年5月9日 申請日期2005年6月2日 優(yōu)先權日2004年6月3日
發(fā)明者斯蒂芬妮·利特爾 申請人:斯蒂芬妮·利特爾