CN105214282B - 侦测运动力学资讯的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种侦测运动力学资讯的装置具有一转动装置，其受一踩踏部踩踏转动，并通过一传动机构的牵引，令踩踏部形成对应于转动装置的动作的位移轨迹。其中转动装置上设有围绕于轴心且呈等距设置的第一感应部，并以一第一感测器感测之；而转动装置上设有一第二感应部，并以一第二感测器感测之；又于踩踏部设有压力感测器，用以感测踩踏于踩踏部的压力。上述感测器分别产生第一、第二及第三讯号，并藉由计算模组计算踩踏部的即时位置，并藉此搭配人体逆向运动力学，计算人体运动的肢段受力资讯。

Description

侦测运动力学资讯的装置及方法

技术领域

本发明与侦测运动力学资讯的装置及方法有关，尤指一种即时侦测运动中的踩踏位置的侦测装置及方法。

背景技术

现代人为求保持身体健康或雕塑身材曲线，而利用空闲时间做运动已蔚为风潮，其中利用操作健身装置以达锻炼目的者亦不为少数。随着科技进步，目前有一种设有3D影像撷取系统的健身装置，利用撷取使用者运动中的3D影像，通过影像的分析、比对而得出操作健身装置所耗损的热量，以供使用者做为规划运动量及验收运动成果的参考。

然而上述装置于使用时，使用者须在身体上各部位贴上撷取3D影像用的感测贴片，或是穿上感测用的运动服等，会因此造成运动上的不便利；另一方面，以此装置分析运动状态亦有成本过高的疑虑，不适合一般民众使用。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种侦测运动力学资讯的装置及方法，其利用各种类型的感测器感测一藉由踩踏而产生动作的运动装置的即时位置变化，藉此并进而搭配人体逆向运动力学，计算出使用者的运动力学资讯。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种侦测运动力学资讯的装置，包括有：

一基架，该基架上设有一转轴及一转动装置，其中该转动装置连接有一传动机构，且该传动机构设有一踩踏部，藉由踩踏该踩踏部产生动作，并经该传动机构带动该转动装置于该转轴转动，同时该踩踏部受该传动机构的牵引而令其位移形成一对应于该转动装置的转动的轨迹；而该转轴上设有一同步转动的转盘；

一第一感测装置，其于该转盘上设有多数个围绕于该转轴且呈等间距设置的第一感应部，各第一感应部随该转盘的转动而移动；又该第一感测装置于该基架上设有一第一感测器，用以感测各第一感应部，其中该第一感测器感测到各第一感应部时分别产生一第一讯号；

一第二感测装置，其于该转盘上设有一第二感应部，该第二感应部随该转盘的转动而移动；又该第二感测装置于该基架上设有一第二感测器，用以感测该第二感应部，其中该第二感测器感测到该第二感应部时产生一第二讯号；

一压力感测器，其设于该踩踏部，用以感测踩踏于该踩踏部的压力而产生一第三讯号。

在一较佳实施例中，所述第一感应部为设于该转盘的周缘上的多数齿块，各齿块以等距的间隔相隔设置；而该第一感测器包括有一发射器及一接收器，其中该发射器与该接收器分别设于该转盘的两侧。

在一较佳实施例中，所述第一感应部为磁铁块，而该第一感测器为一霍尔感测器。

在一较佳实施例中，所述转动装置上又设有一第三感测装置，该第三感测装置于该基架上设有一第三感测器，用以感测该第一感应部且于每次感测时分别产生一第四讯号，其中该第三感测器设置于可使该第四讯号的相位角与该第一讯号的相位角相差一预定数值的位置。

在一较佳实施例中，所述预定数值为90度。

在一较佳实施例中，所述传动机构包括有一曲柄及一踏杆；该曲柄接设于该转轴，且该曲柄的另一端枢设于该踏杆，而该踩踏部设于该踏杆上。

一种侦测运动力学资讯的方法，用以计算使用者于踩踏一踩踏机的过程中的人体运动的肢段受力资讯，其中该踩踏机设有一转动装置，该转动装置连接有一传动机构，且该传动机构设有一踩踏部，藉由踩踏该踩踏部产生动作，并经该传动机构带动该转动装置转动，同时该踩踏部受该传动机构的牵引而令其位移形成一对应于该转动装置的转动的轨迹；又该转动装置设有一同轴且同步转动的转盘；该方法包括有：

以一第一感测装置逐一地感测设于该转盘上的多数个第一感应部，并分别产生一第一讯号；其中各第一感应部围绕于该转盘的轴心且呈等间距设置，且随该转盘的旋转而转动；

以一第二感测装置感测设于该转盘上的一第二感应部，并产生一第二讯号；其中该第二感应部随该转盘的旋转而转动；

以一压力感测器感测踩踏于该踩踏部的压力而产生一第三讯号，其中该压力感测器设于该踩踏部；

以一计算模组接收该第一讯号及该第二讯号，并在接收该第二讯号后，依据所接收的第一讯号的数量，计算该踩踏部的即时位置；

以及，藉由获得该踩踏部的即时位置及该第三讯号，以该计算模组计算使用者于踩踏过程中的人体运动的肢段受力资讯。

在一较佳实施例中，述人体肢段包括有大腿及小腿。

在一较佳实施例中，所述计算模组包含有人体各肢段的惯性资料。

在一较佳实施例中，计算得出的肢段受力资讯包括有力量及力矩。

本发明有益效果是：本发明利用各种类型的感测器感测一藉由踩踏而产生动作的运动装置的即时位置变化，藉此并进而搭配人体逆向运动力学，计算出使用者的运动力学资讯，简单方便面，且成本低廉，适合一般民众使用。

附图说明

图1为本发明的装置第一实施例的立体示意图

图2为本发明的装置第一实施例的平面示意图，虚线部分表示踏板的轨迹

图3至图5为本发明装置的踏板所形成的不同轨迹的示意图

图6为本发明的装置第一实施例的局部放大示意图

图7为本发明的装置第二实施例的局部放大示意图

图8为本发明的方法的流程图

具体实施方式

以下仅以实施例说明本发明可能的实施态样，然而并非用以限制本发明所欲保护的范畴，先予叙明。

请参阅图1、图2，所示者为本发明所提供的侦测运动力学资讯的装置的第一实施例，其形成为一健身车的结构型态，包括有一基架1，并于该基架1的前端设有一转轴2及一转动装置，其中该转动装置连接有一传动机构4，且该传动机构4设有一踩踏部，藉由踩踏该踩踏部产生动作，并经该传动机构4带动该转动装置以该转轴2为轴心转动，且于此同时，该踩踏部受该传动机构4的牵引而形成一对应于该转动装置的动作的位移轨迹。于本实施例中，该转动装置为一转轮3，该转轴2设于该转轮3的轴心处，而该转轴2接设有一曲柄41，且该曲柄41的另一端枢设有一踏杆42，此踏杆42上设有一供使用者踩踏的踏板43。此外，该转轴2上又设有一与该转轮3同轴且同步转动的转盘31。藉此，该曲柄41及该踏杆42构成该传动机构4，当使用者踩踏该踏板43，可通过该传动机构4驱动该转轴2及转轮3、转盘31产生圆周运动，且同时藉由该曲柄41及该踏杆42的牵引，令该踏板43的位移形成有一如图2所示的轨迹T。其中该轨迹T的型态乃取决于该传动机构4的组成配置，于本实施例中为一长轴沿水平方向延伸的椭圆形轨迹，然而在该传动机构以其他方式配置的情况下，该踏板43的轨迹可具有分别如图3至图5所示的多种变化(T1、T2、T3)。而在各种传动机构的配置下，相对于该转盘31的圆周运动轨迹，踏板43呈现出不同的轨迹，然而在二者各自的行程中，其周期乃为一致；亦即，若在该转盘31定义一个定位点，且该定位点的位置于该转盘31的圆周轨迹上定义为一起始位置，则该踏板43的位置亦在其轨迹上形成一对应于该起始位置的对应起始位置，当该定位点随着该转盘31沿圆周轨迹移动而完成一个行程且回到该起始位置，则该踏板43亦沿着其轨迹移动而完成一个行程且回到该对应起始位置。据此，对于该定位点于其行程中的每一个位置，该踏板43皆分别具有一固定的对应位置。

在上述的结构中，本发明设置有感测装置以即时地侦测该踏板43的位置，如图6所示，其包括有一第一感测装置5及一第二感测装置6。其中该第一感测装置5于该转盘31上设有多数个围绕于该转轴(图中未示)且呈等间距设置的第一感应部，而各第一感应部会随该转盘31的转动而沿一圆形轨迹移动。又该第一感测装置5于该基架上设有一第一感测器52，用以感测各第一感应部，其中该第一感测器52感测到各第一感应部时分别产生一第一讯号。于本实施例中，该第一感测装置5乃采光栅式的感测方式。细言之，该第一感应部为设于该转盘31周缘的多数第一齿块51，各第一齿块51以等距的间隔54相隔设置，而该第一感测器52包括有一发射器521及一接收器522，其中该发射器521与该接收器522分别设于该转盘31两侧的固定位置上。该发射器521朝该转盘31发射光线，而各第一齿块51则位于光线通过的轨迹上。由于各第一齿块51与各间隔54为相隔设置，当该转盘31转动时，该光线交替地遇到各第一齿块51与各间隔54；其中，光线遇到各间隔54时，则光线可通过而被该接收器522接收，并产生一个第一讯号，而光线遇到各第一齿块51时，则光线被阻挡而无法通过。藉此，在该转盘31转动的过程中，光线交错地被接收及被阻挡，而陆续地在被接收时分别产生第一讯号。

承上，该第二感测装置6于该转盘31上设有一第二感应部，且该第二感应部会随该转盘31的转动而沿一圆形轨迹移动。于本实施例中，该第二感应部为前述该转盘31上的其中一个齿块，并定义为一第二齿块61，其中定义各第一齿块51离该转轴的距离为一第一高度，该第二齿块61离该转轴的距离为一第二高度，而该第二高度大于该第一高度。又该第二感测装置6于该基架上的一固定位置处设有一第二感测器62，而该第二齿块61于该转盘31转一圈的过程中会经过该第二感测器62一次，令该第二感测器62感测到该第二齿块61，并产生一第二讯号。于本实施例中，该第二齿块61可通过各种已知的方式被该第二感测器62侦测，且进而产生一第二讯号；此外，顺带一提的是，由于第二齿块61与其他第一齿块51的高度差异，该第二感测器62并不会感测到第一齿块51而产生不需要的感测讯号。

而该第一感测装置5及该第二感测装置6所测得的第一讯号及第二讯号经过计算，可即时地得知该踏板43的所在位置。细言之，由前述的说明可知，该转盘31的轨迹上每一个位置皆可分别对应于该踏板43于其轨迹上的一个固定位置，因此只要测得该转盘31上某一定位点转动的角位移，即可换算得出该踏板43的即时位置。实际的动作上，随着该转盘31的转动，利用该第二齿块61于一个转动行程中会被该第二感测器62感测到一次而产生一个第二讯号，则该运算处理单元每收到一个第二讯号，即表示该转盘31完成一次转动行程；同时随着该转盘31的转动，由于该第一感测器52的作用，每隔一固定的角度则会产生一个第一讯号。综此，可利用在收到第二讯号之后，所收到第一讯号的数量，计算出此时该转盘31转动至哪个方位，而可换算出对应的踏板43的即时位置。在得出该踏板43的即时位置后，即可推估使用者的腿与脚于此时的位置及所对应形成的踩踏姿势。

再者，于本实施例中，更于该踏板43中设置有压力感测器(图中未示)，用以感测踩踏于踏板43的压力，并产生一第三讯号。搭配于前述测知该踏板43的即时位置的技术，藉由综整第一讯号、第二讯号及第三讯号，而可计算得知使用者在该踏板43的每一个位置上所施加于踏板43的力量。

而图7所示者为本发明的第二实施例，本实施例为上述实施例中第一感测装置的另一个实施型态。其中该第一感应部为磁铁块71，各磁铁块71围绕于该转轴(图中未示)且呈等间距设置，且会随该转盘31的转动而沿一圆形轨迹移动；而该第一感测器为一霍尔感测器72，其设于该基架上的一固定位置处。随着该转盘31的转动，各磁铁块71依序通过该霍尔感测器72而分别形成电压的变化，并藉此产生该第一讯号。本实施例中其余的构件皆与上述第一实施例同而不再重复叙述。藉此，本实施例亦可达到侦测踏板即时位置的功效。

另一方面，于本发明上述两个实施例中，该转盘31上又设有一第三感测装置，该第三感测装置于该基架上设有一第三感测器8，用以感测该第一感应部且于每次感测时分别产生一第四讯号，其中该第三感测器8设置于可使该第四讯号的相位角与该第一讯号的相位角相差90度的位置。当使用者正向或逆向地踩踏踏板，使该转盘31及位于转盘31上的第一感应部对应地产生正转或逆转，由于该第一感应部经过该第一感测器52及该第三感测器8时分别产生第一讯号及第四讯号，此时可根据所收到的第一讯号与第四讯号的先后顺序，以判断该转盘31的转动方向。藉此，利用前述踏板即时位置的资讯，搭配前述转动方向的资讯，可获得更丰富的计算资讯。

本发明更提供了一种侦测运动力学资讯的方法，用以计算使用者于踩踏一踩踏机的过程中的人体运动的肢段受力资讯，其中该踩踏机设有一转动装置，该转动装置连接有一传动机构，且该传动机构设有一踩踏部，藉由踩踏该踩踏部产生动作，并经该传动机构带动该转动装置转动，同时该踩踏部受该传动机构的牵引而令其位移形成一对应于该转动装置的转动的轨迹，又该转动装置上设有一同轴且同步转动的转盘；该方法如图8所示，其包括有：

以一第一感测装置逐一地感测设于该转盘上的多数个第一感应部，并分别产生一第一讯号；其中各第一感应部围绕于该转盘的轴心且呈等间距设置，且随该转盘的旋转而转动；

以一第二感测装置感测设于该转盘上的一第二感应部，并产生一第二讯号；其中该第二感应部随该转盘的旋转而转动；

以一压力感测器感测踩踏于该踩踏部的压力而产生一第三讯号，其中该压力感测器设于该踩踏部；

以一计算模组接收该第一讯号及该第二讯号，并在接收该第二讯号后，依据所接收的第一讯号的数量，计算该踩踏部的即时位置；

以及，藉由获得该踩踏部的即时位置及该第三讯号，以该计算模组计算使用者于踩踏过程中的人体运动的肢段受力资讯。

而本方法更进一步地包括以一第三感测装置感测该转动装置的转动方向。

于上述方法中，使用者踩踏该踩踏部会驱动该转动装置转动，且该踩踏部会形成一轨迹，而该转动装置的转动行程会对应于该踩踏部的轨迹，故可藉由感测该转盘的转动角位移量，以推算该踩踏部的即时位置。据此，各第一感应部乃围绕于该转盘的轴心且呈等间距设置，且随该转盘的旋转而转动，故各第一感应部逐一地经过该第一感测装置且被感测，因而陆续地产生多个第一讯号，而各第一讯号的出现代表该转盘转动的角位移量；另一方面，该第二感应部亦随该转盘的旋转而转动，且于经过该第二感测装置时被感测而产生第二讯号，接着由于该转盘转动一圈仅产生一个第二讯号，因此第二讯号可做为计算上的参考点，而在接收该第二讯号之后，依据所接收的第一讯号的数量，换算得知该转盘的转动角位移的总和，即可换算该踩踏部的即时位置。

而更进一步地，本方法亦可藉由增设一第三感测装置，其与前述第一感测装置以讯号波的相位角相差90度的位置设置，即可利用讯号波的分析判断该转盘的转动方向。

在掌握了该踩踏部的即时位置及使用者踩踏于踩踏部的压力资讯后，该计算模组以此为边界条件，搭配人体各肢段的惯性资料，如大腿、小腿的长度、质心、重量等资讯，并以人体逆向运动力学为基础而计算得出人体运动的肢段受力资讯。其中人体运动的肢段包括大腿及小腿的肢段，而该计算模组所包含的计算原理及计算公式可参照中国台湾发明专利公开第201118627号及美国专利US8246555中所记载者，在此不详细叙述，以藉其计算上述肢段的关节的力量及力矩等资讯。

综上所述，本发明利用各种类型的感测器感测一藉由踩踏而产生动作的运动装置的即时位置变化，藉此并进而搭配人体逆向运动力学，计算出使用者的运动力学资讯，简单方便面，且成本低廉，适合一般民众使用。

Claims (11)

1.一种侦测运动力学资讯的装置，其特征在于，包括有：

一基架，该基架上设有一转轴及一转动装置，其中该转动装置连接有一传动机构，且该传动机构设有一踩踏部，藉由踩踏该踩踏部产生动作，并经该传动机构带动该转动装置于该转轴转动，同时该踩踏部受该传动机构的牵引而令其位移形成一对应于该转动装置的转动的轨迹；而该转轴上设有一同步转动的转盘；

一第一感测装置，其于该转盘上设有多数个围绕于该转轴且呈等间距设置的第一感应部，各第一感应部随该转盘的转动而移动；定义各第一感应部离该转轴的距离为一第一高度；又该第一感测装置于该基架上设有一第一感测器，用以感测各第一感应部，其中该第一感测器感测到各第一感应部时分别产生一第一讯号；

一第二感测装置，其于该转盘上设有一第二感应部，该第二感应部随该转盘的转动而移动；定义该第二感应部离该转轴的距离为一第二高度，且该第二高度大于该第一高度；又该第二感测装置于该基架上设有一第二感测器，用以感测该第二感应部，其中该第二感测器感测到该第二感应部时产生一第二讯号；

一压力感测器，其设于该踩踏部，用以感测踩踏于该踩踏部的压力而产生一第三讯号。

2.根据权利要求1所述的侦测运动力学资讯的装置，其特征在于，所述第一感应部为设于该转盘的周缘上的多数齿块，各齿块以等距的间隔相隔设置；而该第一感测器包括有一发射器及一接收器，其中该发射器与该接收器分别设于该转盘的两侧。

3.一种侦测运动力学资讯的装置，其特征在于，包括有：

一基架，该基架上设有一转轴及一转动装置，其中该转动装置连接有一传动机构，且该传动机构设有一踩踏部，藉由踩踏该踩踏部产生动作，并经该传动机构带动该转动装置于该转轴转动，同时该踩踏部受该传动机构之牵引而令其位移形成一对应于该转动装置的转动的轨迹；而该转轴上设有一同步转动的转盘；

一第一感测装置，其于该转盘上设有多数个围绕于该转轴且呈等间距设置的第一感应部，各第一感应部随该转盘的转动而移动；又该第一感测装置于该基架上设有一第一感测器，用以感测各第一感应部，其中该第一感测器感测到各第一感应部时分别产生一第一讯号；

一第二感测装置，其于该转盘上设有一第二感应部，该第二感应部随该转盘的转动而移动；又该第二感测装置于该基架上设有一第二感测器，用以感测该第二感应部，其中该第二感测器感测到该第二感应部时产生一第二讯号；

一压力感测器，其设于该踩踏部，用以感测踩踏于该踩踏部的压力而产生一第三讯号；

一第三感测装置，其于该基架上设有一第三感测器，用以感测该第一感应部且于每次感测时分别产生一第四讯号，其中该第三感测器设置于可使该第四讯号的相位角与该第一讯号的相位角相差一预定数值的位置。

4.根据权利要求3所述的侦测运动力学资讯的装置，其特征在于，所述预定数值为90度。

5.根据权利要求3所述的侦测运动力学资讯的装置，其特征在于，该第一感应部为磁铁块，而该第一感测器为一霍尔感测器。

6.根据权利要求1或3所述的侦测运动力学资讯的装置，其特征在于，所述传动机构包括有一曲柄及一踏杆；该曲柄接设于该转轴，且该曲柄的另一端枢设于该踏杆，而该踩踏部设于该踏杆上。

7.一种侦测运动力学资讯的方法，其特征在于，用以计算使用者于踩踏一踩踏机的过程中的人体运动的肢段受力资讯，其中该踩踏机设有一转动装置，该转动装置连接有一可以一转轴为中心转动的传动机构，且该传动机构设有一踩踏部，藉由踩踏该踩踏部产生动作，并经该传动机构带动该转动装置转动，同时该踩踏部受该传动机构的牵引而令其位移形成一对应于该转动装置的转动的轨迹；又该转动装置设有一同轴且同步转动的转盘；该方法包括有：

以一第一感测装置逐一地感测设于该转盘上的多数个第一感应部，并分别产生一第一讯号；其中各第一感应部围绕于该转盘的轴心且呈等间距设置，且随该转盘的旋转而转动；定义各第一感应部离该转轴的距离为一第一高度；

以一第二感测装置感测设于该转盘上的一第二感应部，并产生一第二讯号；其中该第二感应部随该转盘的旋转而转动；定义该第二感应部离该转轴的距离为一第二高度，且该第二高度大于该第一高度；

以一压力感测器感测踩踏于该踩踏部的压力而产生一第三讯号，其中该压力感测器设于该踩踏部；

以一计算模组接收该第一讯号及该第二讯号，并在接收该第二讯号后，依据所接收的第一讯号的数量，计算该踩踏部的即时位置；

以及，藉由获得该踩踏部的即时位置及该第三讯号，以该计算模组计算使用者于踩踏过程中的人体运动的肢段受力资讯。

8.一种侦测运动力学资讯的方法，用以计算使用者于踩踏一踩踏机的过程中的人体运动的肢段受力资讯，该踩踏机设有一转动装置，该转动装置连接有一传动机构，且该传动机构设有一踩踏部，藉由踩踏该踩踏部产生动作，并经该传动机构带动该转动装置转动，同时该踩踏部受该传动机构的牵引而令其位移形成一对应于该转动装置的转动的轨迹；又该转动装置设有一同轴且同步转动的转盘；该方法包括有：

以一第一感测装置逐一地感测设于该转盘上的多数个第一感应部，并分别产生一第一讯号；其中各第一感应部围绕于该转盘的轴心且呈等间距设置，且随该转盘的旋转而转动；

以一第二感测装置感测设于该转盘上的一第二感应部，并产生一第二讯号；其中该第二感应部随该转盘的旋转而转动；

以一第三感测装置感测设于该转盘上的多数个第一感应部，并分别产生一第四讯号；其中该第三感测器设置于可使该第四讯号的相位角与该第一讯号的相位角相差90度的位置；藉由该第一讯号与该第四讯号的先后顺序判断该转盘的转动方向；

以一压力感测器感测踩踏于该踩踏部的压力而产生一第三讯号，其中该压力感测器设于该踩踏部；

以一计算模组接收该第一讯号及该第二讯号，并在接收该第二讯号后，依据所接收的第一讯号的数量，计算该踩踏部的即时位置；

以及，藉由获得该踩踏部的即时位置及该第三讯号，以该计算模组计算使用者于踩踏过程中的人体运动的肢段受力资讯。

9.根据权利要求7或8所述的侦测运动力学资讯的方法，其特征在于，所述人体肢段包括有大腿及小腿。

10.根据权利要求7或8所述的侦测运动力学资讯的方法，其特征在于，所述计算模组包含有人体各肢段的惯性资料。

11.根据权利要求7或8所述的侦测运动力学资讯的方法，其特征在于，计算得出的肢段受力资讯包括有力量及力矩。