TW201600079A - 步態訓練設備之生理狀態回饋控制方法 - Google Patents

Abstract

一種步態訓練設備之生理狀態回饋控制方法，主要是藉由一生理訊號感測迴路感測訓練者在步態訓練時的肌電訊號並對肌電訊號進行時頻分析；藉由一迴授控制迴路驅動步態訓練裝置，同時以肌電訊號的中位頻率偏移判斷使用者的疲勞程度，當肌肉開始疲勞，頻域肌電訊號之中位頻率會低於初始中位頻率，迴授控制迴路會根據中位頻率的偏移量調整觸發步態產生迴路的門檻值，以漸進式肌肉超負荷的概念即時彈性調整使用者的訓練強度，以達到好的訓練效果。

Description

步態訓練設備之生理狀態回饋控制方法

本發明與步態訓練設備有關，尤指一種步態訓練設備之生理狀態回饋控制方法。

漸進式肌肉超負荷是已被證實的有效增強肌力的訊練方式。然而，不當的過度負荷會導致肌肉過度疲勞並造成肌肉傷害。若是能夠透過肌電訊號的量測與分析，依照肌肉的疲勞程度調整訓練強度，即能有效的進行肌肉超負荷訓練並避免受傷的風險。

就相關的先前技術來說，美國第7,857,774號專利案是藉由控制系統同時監控多個感測器，即時調控機械關節的出力來達到訓練效果，但是因為所使用的感測器種類繁多，導致製造成本過於昂貴而缺乏實用性。

本發明之主要目的在於提供一種步態訓練設備之生理狀態回饋控制方法，其利用頻域肌電訊號之中位頻率的偏移量來判斷訓練者的肌肉疲勞程度並調整訓練強度，相較於習用技術能夠降低成本。

為了達成前述目的，本發明之生理狀態回饋控制方法包含有三個步驟。步驟a)先使用一生理訊號感測迴路感 測訓練者在步態訓練時的肌電訊號，並對該生理訊號感測迴路所感測之肌電訊號進行時頻分析產生一時域肌電訊號和一頻域肌電訊號；步驟b)使用一迴授控制迴路判斷使用者的疲勞程度並控制步態訓練裝置，當時域肌電訊號的值大於一門檻值時，迴授控制迴路會觸發一步態產生迴路，使該步態產生迴路驅動該步態訓練設備，而在開始時該門檻值為一初始門檻值，並根據該頻域肌電訊號之中位頻率的偏移結果來判斷訓練者在步態訓練時的肌肉疲勞程度；步驟c)是當頻域肌電訊號之中位頻率低於一初始中位頻率時，迴授控制迴路會根據中位頻率的偏移量調整觸發步態產生迴路的門檻值，以漸進式肌肉超負荷的概念即時彈性調整使用者的訓練強度，以達到好的訓練效果。

較佳地，在步驟c)中可以同時藉由一訓練成效評量迴路計算該頻域肌電訊號之中位頻率的偏移速度，用以評量肌肉強度的變化量，假如偏移速度較先前訓練時增加，表示肌肉強度減弱，若偏移速度較先前訓練時降低，則表示肌肉強度增強。

較佳地，在步驟a)開始進行步態訓練之前，先由訓練者執行數次測試步態訓練，取得訓練者之肌電訊號在每一次測試步態訓練的時域肌電訊號的均方根值與頻域訊號的中位頻率，將該多數均方根值取平均之後乘以一增益值即可得到該初始門檻值，將該多數中位頻率取平均即可得到該 初始中位頻率。

較佳地，當該頻域肌電訊號之中位頻率低於一預設疲勞值時，該迴授控制迴路會啟動一警示器，使該警示器發送一警示訊號提醒訓練者注意。

10‧‧‧步態訓練設備

12‧‧‧生理訊號感測迴路

14‧‧‧迴授控制迴路

16‧‧‧步態產生迴路

18‧‧‧訓練成效評量迴路

20‧‧‧警示器

S1~S3‧‧‧步驟

第1圖為本發明配合步態訓練設備之使用示意圖。

第2圖為本發明之流程方塊圖。

第3圖為本發明之流程方塊圖，主要顯示設定初始門檻值與初始中位頻率的過程。

第4圖為本發明之流程方塊圖，主要顯示訓練成效評量迴路的評量過程。

請先參閱第1圖，本發明之生理狀態回饋控制方法主要是配合一步態訓練設備10進行使用，在操作上包含有三個步驟，如第2圖所示：步驟a)S1：使用一生理訊號感測迴路12感測訓練者在步態訓練時的肌電訊號，並對所感測之肌電訊號進行時頻分析，而產生一時域肌電訊號和一頻域肌電訊號。

在此須說明的是，時域肌電訊號主要係分析肌電訊號的均方根值(Root Mean Square，RMS)，方均根值是表示肌電訊號振幅大小的指標，用來評估肌肉負荷的強度，當肌肉愈用力，則其肌電訊號的方均根值就愈大。

頻域肌電訊號主要係分析肌電訊號的中位頻率(Median Frequency，MDF)，中位頻率往低頻移動現象則用來評估肌肉疲勞情況。

步驟b)S2：使用一迴授控制迴路14判斷訓練者的肌肉負荷強度並控制步態訓練設備10，當時域肌電訊號的值大於一門檻值T時，迴授控制迴路14會觸發一步態產生迴路16，使該步態產生迴路16驅動該步態訓練設備10。在此須說明的是，前述門檻值T在開始時，係採用一初始門檻值T _i 。

步驟c)S3：當頻域肌電訊號之中位頻率f低於一初始中位頻率f _normal 時，表示訓練者的肌肉已經開始出現疲勞現象，此時的迴授控制迴路14會根據下列公式，依照頻域肌電訊號之中位頻率f偏移量調整觸發步態產生迴路16的門檻值T，以漸進式肌肉超負荷的概念即時彈性調整使用者的訓練強度，以達到最佳化的訓練效果： 其中T為門檻值，T _i 為初始門檻值，f _normal 為初始中位頻率，f _fatigue 為訓練者之肌電訊號的肌肉疲勞時的一疲勞中位頻率(可自行設定或引用先前訓練所建立的資料)，f為訓練者之肌電訊號在訓練時的頻域肌電訊號之中位頻率。

在此需要補充說明的是，由於各個訓練者的生理狀態不同，必須根據訓練者的生理狀態來設定初始門檻值T _i 與 初始中位頻率f _normal ，如第3圖所示，首先由訓練者執行至少五次測試步態訓練，藉由生理訊號感測迴路12取得訓練者之肌電訊號，計算每一次測試步態訓練的時域肌電訊號的均方根值與頻域肌電訊號的中位頻率，接著將多數均方根值取平均之後乘以一增益值即可得到初始門檻值，將多數中位頻率取平均即可得到初始中位頻率。

藉由前述公式可知，門檻值T會隨著頻域肌電訊號之中位頻率f的變化而產生變動，換言之，經過長時間訓練後，頻域肌電訊號之中位頻率f會逐漸朝低頻偏移，亦即表示肌肉開始疲勞，此時的門檻值T會跟著被調整降低，使時域肌電訊號得以超過門檻值T，讓迴授控制迴路14在時域肌電訊號低於初始觸發門檻T _i 時依然得以根據使用者的疲勞狀況調整觸發步態產生迴路16來調整訓練強度，讓使用者得以在不過度負荷的前提下，以漸進式肌肉超負荷訓練提升肌力。

另外如第4圖所示，在步驟c)中可以同時藉由一訓練成效評量迴路18計算頻域肌電訊號之中位頻率f的偏移速度，假如偏移速度比先前訓練時來得快，表示肌肉強度減弱，若偏移速度比先前訓練時來得慢，則表示肌肉強度增強，如此即可進一步評量肌肉強度在每次訓練過程的變化量。此外，當頻域肌電訊號之中位頻率低於肌肉疲勞時的疲勞中位頻率f _fatigue 時，表示訓練者的肌肉再繼續訓練下去可能會過度疲勞，此時的迴授控制迴路14會啟動一警示器20，如第1 圖所示，使警示器20發送一警示訊號提醒訓練者應該要終止訓練，以避免發生運動傷害。

綜上所陳，本發明利用頻域肌電訊號之中位頻率的偏移量來判斷訓練者的肌肉疲勞程度，即時調整訓練強度，並且可以評量訓練成效，相較於習用技術不需要配置太多的感測器，也不需要建立龐大的資料庫，因而能夠達到降低成本及簡化操作流程的目的。

S1~S3‧‧‧步驟

Claims (5)

1. 一種步態訓練設備之生理狀態回饋控制方法，包含有下列步驟：a)使用一生理訊號感測迴路感測訓練者在步態訓練時的肌電訊號，並對該訊號進行時頻分析產生一時域肌電訊號和一頻域肌電訊號；b)使用一迴授控制迴路判斷使用者的疲勞程度並控制該步態訓練設備，其中i)當該時域肌電訊號的值大於一門檻值時，迴授控制迴路會觸發一步態產生迴路，使該步態產生迴路驅動該步態訓練設備，而在開始時該門檻值為一初始門檻值；ii)根據該頻域肌電訊號之中位頻率來判斷訓練者在步態訓練時的肌肉疲勞程度；c)當頻域肌電訊號之中位頻率低於一初始中位頻率時，該迴授控制迴路會依照中位頻率的偏移量調整觸發步態產生迴路的門檻值。
2. 如請求項1所述之步態訓練設備之生理狀態回饋控制方法，在步驟c)中同時藉由一訓練成效評量迴路計算該頻域肌電訊號之中位頻率的偏移速度，用以評量肌肉強度的變化量。
3. 如請求項1或2所述之步態訓練設備之生理狀態回饋控制方法，在步驟a)開始進行步態訓練之前，先由訓練者執行 數次測試步態訓練，取得訓練者之肌電訊號在每一次測試步態訓練的時域肌電訊號的均方根值與頻域訊號的中位頻率，將該多數均方根值取平均之後乘以一增益值即可得到該初始門檻值，將該多數中位頻率取平均即可得到該初始中位頻率。
4. 如請求項1所述，在步驟(c)之步態訓練設備之生理狀態回饋控制方法，其中該門檻值與該初始門檻值之間的關係如下所示： ，其中的T為門檻值，T _i 為該初始門檻值，f _normal 為訓練者之頻域肌電訊號在自然狀態時的初始中位頻率，f _fatigue 為訓練者肌肉疲勞時之頻域肌電訊號的一疲勞中位頻率，f為訓練者之頻域肌電訊號在訓練時的中位頻率。
5. 如請求項4所述之步態訓練設備之生理狀態回饋控制方法，在步驟c)中，當頻域肌電訊號之中位頻率低於一疲勞中位頻率時，該迴授控制迴路會啟動一警示器，使該警示器發送一警示訊號。