CN105287156A - 步态训练设备的生理状态回馈控制方法 - Google Patents

Abstract

一种步态训练设备的生理状态回馈控制方法，主要是通过一生理信号感测回路感测训练者在步态训练时的肌电信号并对肌电信号进行时频分析；通过一回馈控制回路驱动步态训练装置，同时以肌电信号的中位频率偏移判断用户的疲劳程度，当肌肉开始疲劳，频域肌电信号的中位频率会低于初始中位频率，回馈控制回路会根据中位频率的偏移量调整触发步态产生回路的门坎值，以渐进式肌肉超负荷的概念实时弹性调整用户的训练强度，以达到好的训练效果。

Description

步态训练设备的生理状态回馈控制方法

技术领域

本发明与步态训练设备有关，尤指一种步态训练设备的生理状态回馈控制方法。

背景技术

渐进式肌肉超负荷是已被证实的有效增强肌力的讯练方式。然而，不当的过度负荷会导致肌肉过度疲劳并造成肌肉伤害。若是能够通过肌电信号的量测与分析，依照肌肉的疲劳程度调整训练强度，即能有效的进行肌肉超负荷训练并避免受伤的风险。

就相关的先前技术来说，美国第7,857,774号专利案是通过控制系统同时监控多个传感器，实时调控机械关节的出力来达到训练效果，但是因为所使用的传感器种类繁多，导致制造成本过于昂贵而缺乏实用性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种步态训练设备的生理状态回馈控制方法，其利用频域肌电信号的中位频率的偏移量来判断训练者的肌肉疲劳程度并调整训练强度，相较于现有技术能够降低成本。

为了达成前述目的，本发明的生理状态回馈控制方法包含有三个步骤。步骤a)先使用一生理信号感测回路感测训练者在步态训练时的肌电信号，并对该生理信号感测回路所感测的肌电信号进行时频分析产生一时域肌电信号和一频域肌电信号；步骤b)使用一回馈控制回路判断使用者的疲劳程度并控制步态训练装置，当时域肌电信号的值大于一门坎值时，回馈控制回路会触发一步态产生回路，使该步态产生回路驱动该步态训练设备，而在开始时该门坎值为一初始门坎值，并根据该频域肌电信号的中位频率的偏移结果来判断训练者在步态训练时的肌肉疲劳程度；步骤c)是当频域肌电信号的中位频率低于一初始中位频率时，回馈控制回路会根据中位频率的偏移量调整触发步态产生回路的门坎值，以渐进式肌肉超负荷的概念实时弹性调整用户的训练强度，以达到好的训练效果。

较佳地，在步骤c)中可以同时通过一训练成效评量回路计算该频域肌电信号的中位频率的偏移速度，用以评量肌肉强度的变化量，假如偏移速度较先前训练时增加，表示肌肉强度减弱，若偏移速度较先前训练时降低，则表示肌肉强度增强。

较佳地，在步骤a)开始进行步态训练之前，先由训练者执行数次测试步态训练，取得训练者的肌电信号在每一次测试步态训练的时域肌电信号的均方根值与频域信号的中位频率，将该多个均方根值取平均之后乘以一增益值即可得到该初始门坎值，将该多个中位频率取平均即可得到该初始中位频率。

较佳地，当该频域肌电信号的中位频率低于一默认疲劳值时，该回馈控制回路会启动一警示器，使该警示器发送一警示信号提醒训练者注意。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明配合步态训练设备的使用示意图。

图2为本发明的流程方块图。

图3为本发明的流程方块图，主要显示设置初始门坎值与初始中位频率的过程。

图4为本发明的流程方块图，主要显示训练成效评量回路的评量过程。

具体实施方式

请先参阅图1，本发明的生理状态回馈控制方法主要是配合一步态训练设备10进行使用，在操作上包含有三个步骤，如图2所示：

步骤a)S1：使用一生理信号感测回路12感测训练者在步态训练时的肌电信号，并对所感测的肌电信号进行时频分析，而产生一时域肌电信号和一频域肌电信号。

在此须说明的是，时域肌电信号主要是分析肌电信号的均方根值(RootMeanSquare，RMS)，方均根值是表示肌电信号振幅大小的指标，用来评估肌肉负荷的强度，当肌肉越用力，则其肌电信号的方均根值就越大。

频域肌电信号主要是分析肌电信号的中位频率(MedianFrequency，MDF)，中位频率往低频移动现象则用来评估肌肉疲劳情况。

步骤b)S2：使用一回馈控制回路14判断训练者的肌肉负荷强度并控制步态训练设备10，当时域肌电信号的值大于一门坎值T时，回馈控制回路14会触发一步态产生回路16，使该步态产生回路16驱动该步态训练设备10。在此须说明的是，前述门坎值T在开始时，是采用一初始门坎值T_i。

步骤c)S3：当频域肌电信号的中位频率f低于一初始中位频率f_normal时，表示训练者的肌肉已经开始出现疲劳现象，此时的回馈控制回路14会根据下列公式，依照频域肌电信号的中位频率f偏移量调整触发步态产生回路16的门坎值T，以渐进式肌肉超负荷的概念实时弹性调整用户的训练强度，以达到优化的训练效果：

$T=T_i\×\frac{f-f_{\mathrm{fatigue}}}{f_{\mathrm{normal}}-f_{\mathrm{fatigue}}}$

其中T为门坎值，T_i为初始门坎值，f_normal为初始中位频率，f_fatigue为训练者的肌电信号的肌肉疲劳时的一疲劳中位频率(可自行设定或引用先前训练所建立的资料)，f为训练者的肌电信号在训练时的频域肌电信号的中位频率。

在此需要补充说明的是，由于各个训练者的生理状态不同，必须根据训练者的生理状态来设定初始门坎值T_i与初始中位频率f_normal，如图3所示，首先由训练者执行至少五次测试步态训练，通过生理信号感测回路12取得训练者的肌电信号，计算每一次测试步态训练的时域肌电信号的均方根值与频域肌电信号的中位频率，接着将多个均方根值取平均之后乘以一增益值即可得到初始门坎值，将多个中位频率取平均即可得到初始中位频率。

通过前述公式可知，门坎值T会随着频域肌电信号的中位频率f的变化而产生变动，换言之，经过长时间训练后，频域肌电信号的中位频率f会逐渐朝低频偏移，亦即表示肌肉开始疲劳，此时的门坎值T会跟着被调整降低，使时域肌电信号得以超过门坎值T，让回馈控制回路14在时域肌电信号低于初始触发门坎T_i时依然得以根据使用者的疲劳状况调整触发步态产生回路16来调整训练强度，让使用者得以在不过度负荷的前提下，以渐进式肌肉超负荷训练提升肌力。

另外如图4所示，在步骤c)中可以同时通过一训练成效评量回路18计算频域肌电信号的中位频率f的偏移速度，假如偏移速度比先前训练时来得快，表示肌肉强度减弱，若偏移速度比先前训练时来得慢，则表示肌肉强度增强，如此即可进一步评量肌肉强度在每次训练过程的变化量。此外，当频域肌电信号的中位频率低于肌肉疲劳时的疲劳中位频率f_fatigue时，表示训练者的肌肉再继续训练下去可能会过度疲劳，此时的回馈控制回路14会启动一警示器20，如图1所示，使警示器20发送一警示信号提醒训练者应该要终止训练，以避免发生运动伤害。

综上所陈，本发明利用频域肌电信号的中位频率的偏移量来判断训练者的肌肉疲劳程度，实时调整训练强度，并且可以评量训练成效，相较于现有技术不需要配置太多的传感器，也不需要建立庞大的资料库，因而能够达到降低成本及简化操作流程的目的。

Claims (5)

1.一种步态训练设备的生理状态回馈控制方法，包含有下列步骤：

a)使用一生理信号感测回路感测训练者在步态训练时的肌电信号，并对该信号进行时频分析产生一时域肌电信号和一频域肌电信号；

b)使用一回馈控制回路判断使用者的疲劳程度并控制该步态训练设备，其中

i)当该时域肌电信号的值大于一门坎值时，回馈控制回路会触发一步态产生回路，使该步态产生回路驱动该步态训练设备，而在开始时该门坎值为一初始门坎值；

ii)根据该频域肌电信号的中位频率来判断训练者在步态训练时的肌肉疲劳程度；

c)当频域肌电信号的中位频率低于一初始中位频率时，该回馈控制回路会依照中位频率的偏移量调整触发步态产生回路的门坎值。

2.如权利要求1所述的步态训练设备的生理状态回馈控制方法，在步骤c)中同时通过一训练成效评量回路计算该频域肌电信号的中位频率的偏移速度，用以评量肌肉强度的变化量。

3.如权利要求1或2所述的步态训练设备的生理状态回馈控制方法，在步骤a)开始进行步态训练之前，先由训练者执行数次测试步态训练，取得训练者的肌电信号在每一次测试步态训练的时域肌电信号的均方根值与频域信号的中位频率，将该多个均方根值取平均之后乘以一增益值即可得到该初始门坎值，将该多个中位频率取平均即可得到该初始中位频率。

4.如权利要求1所述的步态训练设备的生理状态回馈控制方法，在步骤(c)的步态训练设备的生理状态回馈控制方法，其中该门坎值与该初始门坎值之间的关系如下所示：

$T=T_i\×\frac{f-f_{\mathrm{fatigue}}}{f_{\mathrm{normal}}-f_{\mathrm{fatigue}}}$

其中的T为门坎值，T_i为该初始门坎值，f_normal为训练者的频域肌电信号在自然状态时的初始中位频率，f_fatigue为训练者肌肉疲劳时的频域肌电信号的一疲劳中位频率，f为训练者的频域肌电信号在训练时的中位频率。

5.如权利要求4所述的步态训练设备的生理状态回馈控制方法，在步骤c)中，当频域肌电信号的中位频率低于一疲劳中位频率时，该回馈控制回路会启动一警示器，使该警示器发送一警示信号。