DE102014114442B4

DE102014114442B4 - Verfahren zum Steuern einer Gang-Trainingsvorrichtung unter Verwendung von Biofeedback

Info

Publication number: DE102014114442B4
Application number: DE102014114442.2A
Authority: DE
Inventors: Fu-Han Hsieh
Original assignee: Hiwin Technologies Corp
Current assignee: Hiwin Technologies Corp
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-10-06
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2034-10-07
Also published as: TW201600079A; CN105232039A; CN105287156B; DE102014114442A1; TWI530280B; CN105287156A; US9277883B2; US20150374278A1

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Geh-Trainingsvorrichtung (10) unter Verwendung von Biofeedback, welches die Schritte umfasst: a) Erfassen eines elektromyographischen Signals eines Nutzers, der ein Geh-Training auf der Geh-Trainingsvorrichtung ausführt, unter Verwendung einer Biosignalerfassungsschleife (12), Erzeugen eines Leistungsspektrums des Signals in einem bestimmten Zeitrahmen, Berechnen der mittleren Frequenz des Leistungsspektrums; b) Antreiben der Geh-Trainingsvorrichtung (10) und Bestimmen des Ermüdungsniveaus des Nutzers durch eine Feedback-Steuerschleife (14) durch Vergleichen einer mittleren Frequenz zwischen den Zeitfenstern; i) wenn die Amplitude des elektromyographischen Signals einen Schwellenwert erreicht, steuert die Feedback-Steuerschleife (14) eine Geh-Erzeugungsschleife (16) an, um die Geh-Trainingsvorrichtung (10) anzutreiben, einem in der Geh-Erzeugungsschleife (16) bestimmten Gehmuster zu folgen; ii) die Feedback-Steuerschleife (14) bestimmt das Ermüdungsniveau des Muskels des Nutzers während des Trainings in der Frequenzdomäne auf Grundlage des Ausmaßes der Abnahme der mittleren Frequenz; c) worin die Feedback-Steuerschleife (14) den Schwellenwert der Aktivierung der Geh-Erzeugungsschleife (16) gemäß dem Ausmaß der Abnahme der mittleren Frequenz verringert, wobei in Schritt c) die Beziehung zwischen dem voreingestellten Schwellenwert und dem anfänglichen Schwellenwert wie folgt lautet:wobei T der voreingestellte Schwellenwert ist, Ti der anfängliche Schwellenwert ist, fnormal die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers unter Normalbedingung ist, ffatigue die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers ist, wenn der Muskel des Benutzers übermäßig ermüdet ist, und f die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers während derzeitigen Geh-Trainings ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gang-Trainingsvorrichtung bzw. einen Geh-Trainingsapparat bzw. eine Geh-Trainingsvorrichtung und insbesondere ein Verfahren zum Steuern einer Geh-Trainingsvorrichtung unter Verwendung von Biofeedback.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Progressives Überlasten eines Muskels während einer Übung wurde als wirksame Art erkannt die Muskelstärke zu verbessern. Jedoch kann übermäßige Überlastung zu einer Übermüdung bzw. Übererschöpfung des Muskels führen und Muskelverletzungen verursachen. Ein bekannter Ansatz, zur Vermeidung dieser Situation besteht darin, das elektromyographischen Signals eines Individuums zu messen und zu analysieren, um das Ermüdungsniveau der Muskeln zu bestimmen und die Trainingsintensität anzupassen.
Im Stand der Technik wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen. So offenbart beispielsweise die US 7 857 774 B2 eine Vorrichtung, die ein ordentliches Training durch Verwenden einer Steuereinheit bereitstellen kann, um mehrere Sensoren gleichzeitig zu überwachen und das Exoskelett basierend auf den gesammelten Daten zu regeln. Bei dieser Vorrichtung werden jedoch viele verschiedene Arten von Sensoren verwendet. Das Endprodukt kann zu teuer sein, so dass Leute, die dergleichen benötigen, sich diese Art Rehabilitationstherapie nicht leisten können. Die DE 10 2004 023 981 A1 offenbart, dass ein Elektromyogramm mit einer elektrischen Steuerung verbunden werden kann, um eine Rehabilitationsvorrichtung zu steuern. Jedoch wird nicht das Signal des Leistungsspektrum verwendet, insbesondere nicht die mittlere Frequenz, um ein Ermüdungsniveau des Nutzers mit einem Schwellenwert zum Antreiben der Vorrichtung in Beziehung zu setzen. Die CA 2,868,706 A1 zeigt verschiedene Verfahren zum Verarbeiten von Daten aus elektromyographischen Sensoren. Das offenbarte System verwendet das Verfahren der EMG Signalbeschaffung und -verarbeitung, einschließlich einer Analyse der Muskelermüdung. Jedoch wird nicht die Verwendung eines Elektromyogramms offenbart, um das Trainingsgerät über eine Feedbacksteuerung zu steuern, insbesondere wird die Verwendung der mittleren Frequenz des Leistungsspektrums des Elektromyogramms nicht gelehrt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin ein Verfahren zum Steuern einer Geh-Trainingsvorrichtung unter Verwendung von Biofeedback bereitzustellen, welches sich auf eine Verschiebung der mittleren Frequenz eines elektromyographischen Signals eines Benutzers bezieht und ein Erschöpfungsniveau der Muskeln des Benutzers bestimmt. Im Vergleich mit dem Stand der Technik verringert das Verfahren die Kosten und vereinfacht den Gesamtvorgang.
Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, werden bei der vorliegenden Erfindung drei Schritte angewendet. Erstens wird das elektromyographische Signal eines Benutzers während des Geh-Trainings durch eine Biosignalerfassungsschleife erfasst und analysiert, und ein Leitsungsspektrum des Signals in einem bestimmten Zeitrahmen erzeugt, sowie die mittlere Frequenz des Leistungsspektrums berechnet. Zweitens wird eine Feedback-Steuerschleife eingesetzt, um die Geh-Trainingsvorrichtung anzutreiben und das Ermüdungsniveau des Benutzers durch Vergleichen einer mittleren Frequenz zwischen den Zeitfenstern zu bestimmen. Wenn die Amplitude des elektromyographischen Signals einen Schwellenwert erreicht, löst die Feedback-Steuerschleife eine Geh-Erzeugungsschleife aus bzw. steuert sie an, und wird die Geh-Trainingsvorrichtung antreiben, einem in der Geh-Erzeugungsschleife bestimmten Gehmuster zu folgen. Am Anfang ist der Schwellenwert ein Anfangsschwellenwert bzw. ein anfänglicher Schwellenwert. Die Feedback-Steuerschleife bestimmt ferner das Ermüdungsniveau des Muskels des Nutzers während des Trainings in der Frequenzdomäne auf Grundlage des Ausmaßes der Abnahme der mittleren Frequenz. Drittens verringert die Feedback-Steuerschleife den Schwellenwert zum Aktivieren der Geh-Erzeugungsschleife auf Grundlage des Ausmaßes der Abnahme der mittleren Frequenz. Als ein Ergebnis kann der Benutzer auf Grundlage des Konzepts der progressiven Überlastung die optimale Trainingsintensität erhalten und der Muskel des Benutzers kann effektiv trainiert werden. Im dritten Schritt lautet die Beziehung zwischen dem voreingestellten Schwellenwert und dem anfänglichen Schwellenwert wie folgt: wie folgt:
wobei T der voreingestellte Schwellenwert ist,
wobei T_i der anfängliche Schwellenwert ist,
wobei f_normal die mittlere Frequenz des normalen elektromyographischen Signals des Benutzers unter Normalbedingungen ist,
wobei f_fatigue die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers ist, wenn der Muskel des Benutzers übermäßig ermüdet ist, und
wobei f die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers während des Geh-Trainings ist.
Vorzugsweise wird in dem ersten Schritt, bevor das Geh-Training ausgeführt wird, ein Kalibrierungsvorgang ausgeführt, um die anfängliche mittlere Frequenz und den anfänglichen Schwellenwert zum Ansteuern der Geh-Erzeugungsschleife des Benutzers zu bestimmen.
Vorzugsweise wird, wenn die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals kleiner ist als ein voreingestelltes Ermüdungsniveau, die Feedback-Steuerschleife dem Benutzer einen Alarm ausgeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Zeichnung, die das Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt, das auf einer Geh-Trainingsvorrichtung angewendet wird.
2 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das den Vorgang des Bestimmens des anfänglichen Schwellenwerts zum Ansteuern der Geh-Erzeugungsschleifen zeigt.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das den Vorgang der Trainingseffekt-Auswertungsschleife zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf 1 wird erfindungsgemäß das Verfahren hauptsächlich an einer Geh-Trainingsvorrichtung 10 angewendet und schließt, wie in 2 gezeigt drei Betriebsschritte ein.
In Schritt a) S1 wird eine Biosignalerfassungsschleife 12 verwendet, um das elektromyographische Signal des Benutzers, der ein Gehtraining auf der Gehtrainingsvorrichtung ausführt, zu erfassen, um ein Leitsungsspektrum des Signals in einem bestimmten Zeitrahmen zu erzeugen, und um die mittlere Frequenz des Leistungsspektrums zu berechnen.
Es ist anzumerken, dass die Merkmale des elektromyographischen Signals in der Zeitdomäne verwendet werden, um einen quadratischen Mittelwert (QMS) des elektromyographischen Signals des Benutzers zu berechnen. Der QMS der Merkmale in der Zeitdomäne ist ein Index, der die Stärke des Muskels darstellt. Andererseits werden die Merkmale der Frequenzdomäne des elektromyographischen Signals verwendet, um den quadratischen Mittelwert (QMS) des Elektromyogramms des Benutzers zu berechnen. Falls sich die mittlere Frequenz in Richtung einer niedrigeren Frequenz verschiebt, fängt der Muskel an zu ermüden.
In Schritt b) S2, wird eine Feedback-Steuerschleife 14 verwendet, um die Geh-Erzeugungsschleife 16 anzutreiben und um das Ermüdungsniveau des Benutzers durch Vergleichen einer mittleren Frequenz zwischen den Zeitfenstern zu bestimmen. Wenn die Amplitude des elektromyographischen Signals einen Schwellenwert T erreicht, steuert die Feedback-Steuerschleife 14 die Geh-Erzeugungsschleife 16 an, und wird die Geh-Trainingsvorrichtung 10 antreiben, einem in der Geh-Erzeugungsschleife bestimmten Gehmuster zu folgen. Die Feedback-Steuerschleife 14 bestimmt in der Frequenzdomäne das Ermüdungsniveau des Benutzers, auf Grundlage des Ausmaßes der Abnahme der mittleren Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers.
In Schritt c) S3, zeigt der Beginn der Verschiebung der mittleren Frequenz des elektromyographischen Signals an, dass die Muskeln des Benutzers anfangen zu ermüden. Zu diesem Zeitpunkt wird die Feedback-Steuerschleife 14 den Schwellenwert T zum Ansteuern der Geh-Erzeugungsschleife 16 auf ein geringeres Niveau regeln, auf Grundlage des Ausmaßes der Verschiebung der mittleren Frequenz. Die Gleichung lautet wie folgt:
wobei T der voreingestellte Schwellenwert ist,
wobei T_i der anfängliche Schwellenwert ist,
wobei f_normal die mittlere Frequenz des normalen elektromyographischen Signals des Benutzers ist, das während einer Kalibrierungssitzung erhalten werden kann,
wobei f_fatigue die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers ist, wenn der Muskel des Benutzers übermäßig ermüdet wird, und die gemäß einer Entscheidung des Benutzers oder gemäß der Daten von vorhergehenden Trainingssitzungen gesetzt werden kann, und
wobei f die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers während des Trainings ist. In diesem Fall kann die Trainingsintensität basierend auf dem Ermüdungsniveau des Benutzers online bzw. mitlaufend eingestellt werden und der Muskel des Benutzers kann auf Grundlage des Konzeptes der progressiven Überlastung effektiv trainiert werden.
Aufgrund der individuellen Unterschiede zwischen Benutzern ist es notwendig den anfänglichen Ansteuerungs-Schwellenwert und die anfängliche mittlere Frequenz für jeden Benutzer zu kalibrieren. Wie in 3 gezeigt, führt der Benutzer mindestens fünf Versuche bzw. Probeläufe bzw. Durchgänge des Geh-Trainings aus. Die Biosignal-Erfassungsschleife 12 berechnet dann für jeden Durchgang die mittlere Frequenz und den quadratischen Mittelwert des elektromyographischen Signals des Benutzers. Der anfängliche Ansteuerungs-Schwellenwert T_i kann durch Mitteln der gesammelten quadratischen Mittelwerte und einem Multiplizieren des Ergebnisses mit einem Verstärkungsfaktor erhalten werden. Die anfängliche Mittlere Frequenz kann durch Mitteln der mittleren Frequenzen jedes Durchgangs erhalten werden.
T T_if_normalf_fatiguef
Gemäß der vorgenannten Gleichung variiert der voreingestellte Schwellenwert mit der Mittlere Frequenz f des elektromyographischen Signals während des gesamten Trainings. Wenn die mittlere Frequenz f des elektromyographischen Signals anfängt sich zu einem niedrigeren Niveau zu verschieben, fangen die Muskeln des Benutzers an zu ermüden und die Amplitude des elektromyographischen Signals kann den Schwellenwert T zum Ansteuern der Geh-Trainingsvorrichtung nicht erreichen. Zu diesem Zeitpunkt wird der voreingestellte Schwellenwert T gemäß des Ausmaßes der Verschiebung der mittleren Frequenz abgesenkt, um es der Geh-Trainingsvorrichtung 10 weiter zu gestatten angesteuert zu werden, um dem Benutzer zu helfen so zu trainieren bzw. zu üben, dass der Muskel des Benutzers auf Grundlage des Konzepts der progressiven Überlastung ein effektives Training erhält.
Unter Bezugnahme auf 4 kann in Schritt c) zusätzlich eine Trainingseffekt-Auswertungsschleife 18 verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Verschiebung der mittleren Frequenz f des Elektromyogramms auszuwerten. Ein Ansteigen der Geschwindigkeit der Verschiebung der Frequenz zeigt eine Verringerung der Muskelstärke an, wohingegen ein Abfallen der Geschwindigkeit der Verschiebung der mittleren Frequenz f ein Ansteigen der Muskelstärke anzeigt. Wenn sich die Geschwindigkeit der Verschiebung nicht ändert, bzw. gleich bleibt, liegt eine gleichbleibende Muskelstärke vor. Auf diese Weise kann die Veränderung der Muskelstärke des Benutzers von Sitzung zu Sitzung ausgewertet werde, und der Benutzer kann das Ausmaß der Erholung der Muskelstärke erfahren. Darüber hinaus soll, wenn die mittlere Frequenz f des Elektromyogramms kleiner als f_fatigue ist, das Training sofort beendet werden, oder die Wahrscheinlichkeit steigt, dass die Muskeln des Benutzers über-ermüdet und verletzt werden. Zu diesem Zeitpunkt betätigt die Feedback-Steuerschleife 14 einen Alarm 20, wie in 1 gezeigt, um eine Warnung an den Benutzer zu melden bzw. auszugeben, das Training zu stoppen, um Verletzungen zu vermeiden.
Zusammenfassend wird bei der vorliegenden Erfindung die Abnahme der mittleren Frequenz des Elektromyogramms verwendet, um ein Ermüdungsniveau des Muskels des Benutzers zu bestimmen und die Intensität des Trainings online zu regulieren. Zusätzlich kann weiter der Trainingseffekt nach dem Training ausgewertet werden. Im Vergleich mit dem Stand der Technik erfordert das offenbarte Verfahren viel weniger Sensoren und keinen Aufbau einer großen Datenbank. Die Kosten dieser Art der Rehabilitationstherapie können verringert werden und der Betrieb kann vereinfacht werden.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Geh-Trainingsvorrichtung (10) unter Verwendung von Biofeedback, welches die Schritte umfasst: a) Erfassen eines elektromyographischen Signals eines Nutzers, der ein Geh-Training auf der Geh-Trainingsvorrichtung ausführt, unter Verwendung einer Biosignalerfassungsschleife (12), Erzeugen eines Leistungsspektrums des Signals in einem bestimmten Zeitrahmen, Berechnen der mittleren Frequenz des Leistungsspektrums; b) Antreiben der Geh-Trainingsvorrichtung (10) und Bestimmen des Ermüdungsniveaus des Nutzers durch eine Feedback-Steuerschleife (14) durch Vergleichen einer mittleren Frequenz zwischen den Zeitfenstern; i) wenn die Amplitude des elektromyographischen Signals einen Schwellenwert erreicht, steuert die Feedback-Steuerschleife (14) eine Geh-Erzeugungsschleife (16) an, um die Geh-Trainingsvorrichtung (10) anzutreiben, einem in der Geh-Erzeugungsschleife (16) bestimmten Gehmuster zu folgen; ii) die Feedback-Steuerschleife (14) bestimmt das Ermüdungsniveau des Muskels des Nutzers während des Trainings in der Frequenzdomäne auf Grundlage des Ausmaßes der Abnahme der mittleren Frequenz; c) worin die Feedback-Steuerschleife (14) den Schwellenwert der Aktivierung der Geh-Erzeugungsschleife (16) gemäß dem Ausmaß der Abnahme der mittleren Frequenz verringert, wobei in Schritt c) die Beziehung zwischen dem voreingestellten Schwellenwert und dem anfänglichen Schwellenwert wie folgt lautet:
wobei T der voreingestellte Schwellenwert ist, T_i der anfängliche Schwellenwert ist, f_normal die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers unter Normalbedingung ist, f_fatigue die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers ist, wenn der Muskel des Benutzers übermäßig ermüdet ist, und f die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers während derzeitigen Geh-Trainings ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt a) der anfängliche Schwellenwert vor der Ausführung des Geh-Trainings bestimmt wird durch: Ausführen mehrerer Trainingssitzungen auf der Geh-Trainingsvorrichtung (10) durch den Benutzer; Erhalten eines quadratischen Mittelwerts des elektromyographischen Signals des Benutzers nach jeder der Trainingssitzungen durch die Biosignalerfassungsschleife (12); und Erhalten der Mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers nach jeder der Trainingssitzungen durch die Biosignalerfassungsschleife (12); und Mitteln der erhaltenen quadratischen Mittelwerte und Multiplizieren des Mittelwerts mit einem Verstärkungsfaktor, um einen anfänglichen Schwellenwert zu erhalten; und Mitteln der erhaltenen Mittlere Frequenz, um eine anfängliche Mittlere Frequenz zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt c) weiter eine Trainingseffekt-Auswertungsschleife verwendet wird, um die Veränderung der Muskelstärke durch Berechnen der Geschwindigkeit der Verschiebung der mittleren Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers auszuwerten.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei in Schritt a) der anfängliche Schwellenwert vor der Ausführung des Geh-Trainings bestimmt wird durch: Ausführen mehrerer Trainingssitzungen auf der Geh-Trainingsvorrichtung (10) durch den Benutzer; Erhalten eines quadratischen Mittelwerts des elektromyographischen Signals des Benutzers nach jeder der Trainingssitzungen durch die Biosignalerfassungsschleife (12); und Erhalten der Mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers nach jeder der Trainingssitzungen durch die Biosignalerfassungsschleife (12); und Mitteln der erhaltenen quadratischen Mittelwerte und Multiplizieren des Mittelwerts mit einem Verstärkungsfaktor, um einen anfänglichen Schwellenwert zu erhalten; und Mitteln der erhaltenen Mittlere Frequenz um eine anfängliche Mittlere Frequenz zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt c) die Feedback-Steuerschleife (14) einen Alarm (20) ausgibt, wenn die mittlere Frequenz des elektromyographischen Signals des Benutzers kleiner ist als f_fatigue.