TWI380837B - Body Muscle Training Feedback System and Method - Google Patents

Description

人體肌肉訓練回饋系統及方法

本發明係有關一種人體肌肉訓練回饋系統及方法，尤指一種於電腦建立一骨骼肌肉模型運算模組、一姿態判斷模組、一運動效能判斷模組、訓練專家模組及至少一資料庫，俾能由動作指導模組將教導訓練資料轉換為一可供顯示或音訊輸出的教導資訊，藉以建立下一階段較佳的訓練模式者。

由於適度與正確姿態的運動對於人體身心與骨骼肌肉均有極佳的助益，因而帶動全球一股運動健身的熱潮，使得從事球類、游泳、田徑、舞蹈、武術及運動器材等運動項目的人口不斷地增加中。從事運動固然可以鍛鍊身體與各肢段的骨骼肌肉；惟，人體肌肉訓練於上述運動中，常有訓練均衡不足的現象產生，倘若未以回饋訓練系統達成特定肌群之訓練強化，則較難以獲得較佳的運動效果。而且使用者必須保持正確的肢體動作與運動軌跡，如身體與各肢段的旋擺、位移軌跡等，否則會因姿勢不正確而導致運動傷害的發生，連帶影響運動表現的成績，因此，如何均衡地強化訓練肌肉，並能即時量測使用者身驅與各肢段的運動軌跡，以做出較佳之運動姿態矯正及回饋訓練教導，實已成為相關業者急欲克服的挑戰。

為改善前述缺失，已有相關軟體業者開發出一種如INanalyze軟體以及Anybody生物力學與人因工程動態模擬與分析軟體，其係為利用影像處理進行運動分析的軟體，藉由圖形識別技術，在不需要碰觸 觀察物體的情形下，應用數位影片的物件運動分析得到數據形式動態行為資料。而且WINanalyze已經廣泛運用在步伐、姿態分析及其他更多的運動應用領域上。其中人體或物件的運動主要係透過攝影機或高速攝影機來拍攝，並傳輸到電腦上，且使用圖形識別技術來偵測與分析人體或物件的位置及計算運動相關資訊。

該習用結構雖然可以應用在步伐、姿態分析或其他運動應用的領域上，惟，其並無智能化專家教導回饋系統的建置，以致無法提供正確運動姿態的建議及教導訓練，使用者便無法均衡地強化訓練本身的骨骼肌肉，因而影響運動成績上的表現。再者，該習用結構並無肢體軌跡量測機構的設置，僅是於使用者身上及各肢體貼複數個設標記而已，如第五圖所示，以供攝影機來拍攝人體或物件的運動姿態與軌跡，而其所分析的二維、三維空間動態分析結果僅是電腦模擬而已，所以距離人體真實的運動軌跡量測仍然有一段距離，以致所模擬分析的結果會有一定的誤差存在，因此，該習用結構確實有再改良的必要。

按，一般使用者、運動員大多會以專業教練來進行運動訓練與教導，由於專業教練會受到時間的限制，花費成本相對較高，且較難以傳遞複製具有一致性的運動觀念及標準的肢體動作。另一方面，智能化專家系統具有龐大的程式化的資料庫，以提供搜尋、教導、解決問題、解釋結果以及判斷與決策等功能，由於其具有不受時間限制、操作成本低、易於傳遞及複製及具有一致性等特點，所以大有取代人類專家的趨勢；惟，依據所知，目前之智能化專家系統仍然未與上述之運動分析訓練設備做一有效結合，因此，該習用結構無法依據各別使 用者所做出的肢體動作進行專業的運動效能判斷以及專屬個人化之回饋訓練教導。

本發明之主要目的在於提供一種人體肌肉訓練回饋系統及方法，主要係以回饋訓練機制達到特定肌群之訓練強化目的，使特定肢段、肌群獲得較為全面且均衡的運動鍛鍊效果，並可將使用者肢體動作與標準動作進行比對，以對肌肉所受的作用參數進行分析，藉以產生專屬個人化之教導訓練資料，以提升使用者肢體動作的標準達成率，不僅可以減少因姿態不良所產生的運動傷害，並可提升運動表現的成績，因而具有不受時間限制、操作成本低以及教導訓練資料具一致性而有助於使用者理解等特點，進而可以取代專業的教練。

為達成上述之功效，本發明採用之技術手段係於一電腦分別建立一骨骼肌肉模型運算模組、一姿態判斷模組、一運動效能判斷模組、訓練專家模組及至少一資料庫，於資料庫設定至少一標準肢體動作的運動狀態資料以及複數個教導訓練資料，再於骨骼肌肉模型運算模組模擬分析肢體動作對肌肉受力的作用參數，並以動作指導模組顯示出標準肢體動作的運動狀態資料，再以運動狀態擷取模組擷取一使用者依據標準肢體動作所做的肢體動作以產生一運動狀態訊號，再以姿態判斷模組將運動狀態訊號與運動狀態資料進行比對，以判斷該使用者肢體動作之目標達成比例值，運動效能判斷模組依據該目標達成比例值與作用參數進行運動效能分析，訓練專家模組則依據運動效能分析結果產生的教導訓練資料，而可由動作指導模組將教導訓練資料轉換 為一可供顯示或音訊輸出的教導資訊。

壹.本發明應用領域與達成功效

請參看第一至三圖所示，本發明可以應用在諸如球類、游泳、田徑、舞蹈、武術、各式運動器材或其他運動訓練項目上，並可對使用者於上述運動訓練項目中提供骨骼肌肉作用參數分析、運動姿態監控判斷、運動訓練效能分析以及運動姿態矯正與專業回饋教導等諸多的功能。且本發明整合有影像擷取、向量軌跡處理、動態模擬分析以及智能化之訓練專家回饋系統等諸多技術，不僅可以增進二維、三維空間動態分析結果的精確度，並可透過回饋式教導來均衡強化訓練特定的肢段、肌肉與肌群，並可矯正人體各肢段的運動姿態軌跡。

再者，本發明係以回饋訓練機制達到特定肢段與肌群之訓練強化目的，使特定肢段與肌群獲得較為全面且均衡的運動鍛鍊效果，並可將使用者肢體動作與標準動作進行比對，以對肌肉所受的作用參數進行分析，藉以產生專屬個人化之教導訓練資料，以提升使用者肢體動作的標準達成率，不僅可以減少因姿態不良所產生的運動傷害，並可提升運動表現的成績，因而具有不受時間限制、操作成本低以及教導訓練資料具一致性而有助於使用者理解等特點，進而可以取代專業的教練。

貳.本發明基本技術特徵

為達上述功效之本發明基本技術特徵係包括提供一電腦(10)、一動作指導模組(20)及一運動狀態擷取模組(30)。且為詳細描述各技術 特徵之具體實施形態及所產生功效及目的，茲將本發明基本技術特徵分別詳述如后：請參看第一至三圖所示，首先於電腦(10)分別建立一骨骼肌肉模型運算模組(11)、一姿態判斷模組(12)、一運動效能判斷模組(13)、訓練專家模組(14)及至少一資料庫(140)，再於資料庫(140)設定輸入至少一可由專業教練所示範或由電腦模擬動畫所呈現之標準肢體動作的運動狀態資料，每一運動狀態資料包含有第一角度資料、第二角度資料及第三角度資料以及包含文字、語音或影像(如圖像或影片)等之教導訓練資料。骨骼肌肉模型運算模組(11)供輸入使用者的肢段尺寸(如大腿段、小腿段及腳板段等長度)及肢體動作(如大腿上提為A、小腿相對大腿弓彎為B及腳板上勾為C)等參數，以建立一符合使用者身體特徵之人體骨骼尺寸與肌肉受力的對應關係，用以供分析該肢體動作對肌肉所產生的受力狀態。

請參看第二至五圖所示，為顯示標準肢體動作以供使用者觀看學習目的，使用者可透過電腦(10)之操作界面(15)進行特定運動訓練項目、肌肉、肌群、肢段以及肢體動作等選項的設定作業，並可由動作指導模組(20)顯示標準之教導訓練資料，再由運動狀態擷取模組(30)擷取使用者依據標準肢體動作所做的肢體動作，藉以產生一運動狀態訊號，該運動狀態訊號包含第一角度訊號、第二角度訊號及第三角度訊號，再透過姿態判斷模組將第一、第二及第三角度訊號轉換為角度值並分別與標準運動狀態的第一、第二及第三角度資料進行比對，以得到使用者肢體動作之目標達成比例值。例如，第一角度資料為標準 運動狀態中大腿上提A的角度為九十度，若使用者所做的肢體動作中之大腿上提A的角度只有四十五度，則其大腿上提A動作之目標達成比例值只有二分之一。

請參看第三至六圖所示，運動效能判斷模組(13)則依據上述目標達成比例值與骨骼及肌肉的受力狀態進行運動效能分析，該訓練專家模組則依據運動效能分析結果產生相應的教導訓練資料，而可由動作指導模組(20)將教導訓練資料轉換為一可供顯示或音訊輸出的教導資訊，據此得以建立下一階段較佳的訓練模式；反之，當運動效能達到預定值時，則結束本階段的訓練，再由使用者決定是否進入下一階段的訓練課程。

另上述資料庫(140)係建立在訓練專家模組(14)當中，以將教導訓練資料予以程式化，使訓練專家模組(14)具備訓練教導、解決問題、解釋結果以及判斷決策等功能。

參.技術特徵的具體實施 3.1運動狀態擷取模組

請參看第四、五圖所示，本發明運動狀態擷取模組(30)主要係用以擷取使用者或專家的肢體動作，以作為被監控的運動狀態訊號或是標準的該運動狀態資料。

請參看第四圖所示，上述運動狀態擷取模組(30)之第一種具體實施例可以是一般的攝影機(30a)，而標準的運動狀態資料可以是透過攝影機將專家之標準肢體動作予以擷取的動態影像。此外，為能夠更為精確地捕捉使用者或專家於肢體運動產生的運動軌跡目的，本發明可 於使用者或專家的身體與各肢段貼設複數個標記(40)，如第五圖所示。

請參看第四圖所示，另，上述運動狀態擷取模組(30)之第二種具體實施例可以是一種肢段軌跡量測機構(30b)，而標準的運動狀態資料可以是肢段軌跡量測機構(30b)量測標準肢體動作所產生的第一角度訊號、第二角度訊號及第三角度訊號或是向量訊號。

請參看第四圖所示，上述肢段軌跡量測機構(30b)則進一步包含一具多轉點的多連桿機構(31)、一固定手段(本圖示例中未示)及至少三組角度感測單元(本圖示例未示)，多連桿機構(31)包括一附裝於一使用者身上的定位組件(32)、一與該使用者第一肢段長度配合的第一桿組(33)、一與該使用者第二肢段長度配合的第二桿組(34)及一與該使用者第三肢段長度配合的第三桿組(35)。而固定手段用以使該多連桿機構之各該桿組分別對應該使用者之各該肢段相互固定，再以其一角度感測單元用以感測第一桿組(33)以相對該定位組件(32)的轉動角度以產生一第一角度訊號，其二角度感測單元用以感測第二桿組(34)相對第一連桿組(33)的轉動角度以產生一第二角度訊號，其三角度感測單元用以感測第三桿組(35)相對第二連桿組(34)的轉動角度以產生一第三角度訊號，據此電腦(10)得以依據對應之各桿組(33)(34)35)的長度與各角度訊號進行運算，以獲得肢段軌跡的相關資訊。

3.2電腦

請參看第四、五圖所示，電腦(10)為本發明運算處理的核心裝置，並於電腦(10)之記憶體建立有一包含骨骼肌肉模型運算模組(11)、姿態判斷模組(12)、運動效能判斷模組(13)、訓練專家模組(14)的運算 軟體，且各模組之間可以相互連結與整合，並於此運算軟體建立一可由動作指導模組(20)中顯示的操作界面(15)，以供使用者操作而將訓練目標設定在人體肢段組或是特定的一個肌肉、肌群部位，或是藉由操作操作界面(15)來重覆觀看教導訓練資料，或是輸入使用者之各肢體尺寸之參數，以變更肌肉骨骼模型尺寸，以達到較為精確之人體肢段模擬分析結果。

3.3動作指導模組

請參看第一、二圖及第四至六圖所示，本發明動作指導模組(20)與電腦(10)電性連接，以將教導訓練資料以圖形、影片、文字或是語音界面的方式顯示，於一種具體實施例，其包含一可供顯示該教導資訊及該操作界面(15)的顯示幕(21)及一用以播放該教導資訊之音訊的音訊播放裝置(22)，上述顯示幕(21)可以是一般之液晶顯示器，而音訊播放裝置(22)可以是用以播放音訊的喇叭裝置。

肆.具體實施例的運作

請參看第二圖及第四、五圖所示，首先使用者可以利用電腦(10)之操作界面(15)將訓練目標設定在所需之運動訓練項目、肢體動作，或是人體特定肢段、肌肉、肌群部位等其中一個選項當中。此時，使用者可以輸入身驅以及各肢段的尺寸參數，讓電腦模擬之肌肉骨骼模型得以符合使用者的身體特徵。當使用者完成訓練目標設定後，即可由動作指導模組(20)顯示標準示範作用的運動狀態資料予使用者觀看。

請參看第四圖所示，此外，為獲得更為精確的肢體運動軌跡資訊， 以避免分析結果出現誤差情事，所以使用者可以一固定手段將肢段軌跡量測機構(30b)附裝固定在各肢段(如腿部或是手臂)上，而且依據使用者各肢段的長度來調整多連桿機構(31)各桿組(33)(34)(35)的長度，使各桿組(33)(34)(35)的長度符合使用者各對應肢段的長度，如此即可完成肢段軌跡量測機構(30a)的配戴固定步驟。

請參看第一至三圖及第六圖所示，使用者可以參考標準示範之肢體動作來進行運動訓練，當運動狀態擷取模組(30)擷取到使用者運動訓練所產生的運動狀態訊號時，骨骼肌肉模型運算模組(11)則以數學模型模擬分析使用者之肢體動作對肌肉的受力狀態；另一方面，則透過姿態判斷模組(12)將上述運動狀態訊號與建立在資料庫(140)中之標準運動狀態資料進行相互比對，藉由判斷而產生一目標達成比例值，同時運動效能判斷模組(13)再依據上述目標達成比例值與骨骼肌肉模型運算模組(11)所產生之骨骼及肌肉的受力狀態進行運動效能分析，該訓練專家模組則依據運動效能分析結果產生教導訓練資料，而可由動作指導模組(20)將教導訓練資料轉換為一可供顯示或音訊輸出的教導資訊，如此即可建立下一階段較佳的訓練模式；反之，當運動效能達到預定值時，則結束本階段的訓練，再由使用者決定是否進入下一階段的訓練課程。

肆.結論

因此，藉由上述技術特徵之建置，本發明確定可以回饋訓練機制達到特定肢段與肌群之訓練強化目的，使特定肢段與肌群獲得較為全面且均衡的運動鍛鍊效果，並可將使用者肢體動作與標準動作進行比 對，以對肌肉所受的作用參數進行分析，藉以產生專屬個人化之教導訓練資料，以提升使用者肢體動作的標準達成率，不僅可以減少因姿態不良所產生的運動傷害，並可提升運動表現的成績，因而具有不受時間限制、操作成本低以及教導訓練資料具一致性而有助於使用者理解等特點，進而可以取代專業的教練

以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之技術特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請 鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

(10)‧‧‧電腦

(11)‧‧‧骨骼肌肉模型運算模組

(12)‧‧‧姿態判斷模組

(13)‧‧‧運動效能判斷模組

(14)‧‧‧訓練專家模組

(140)‧‧‧資料庫

(15)‧‧‧操作界面

(20)‧‧‧動作指導模組

(21)‧‧‧顯示幕

(22)‧‧‧音訊播放裝置

(30)‧‧‧運動狀態擷取模組

(30a)‧‧‧攝影機

(30b)‧‧‧肢段軌跡量測機構

(31)‧‧‧多連桿機構

(32)‧‧‧定位組件

(33)‧‧‧第一桿組

(34)‧‧‧第二桿組

(35)‧‧‧第三桿組

(40)‧‧‧標記

第一圖係本發明系統架構之示意圖。

第二圖係本發明控制流程之示意圖。

第三圖係本發明方法步驟實施之示意圖。

第四圖係本發明具體運作之實施示意圖。

第五圖係本發明具體運作之另一實施示意圖。

第六圖係本發明資料庫之資料儲存示意圖。

(11)‧‧‧骨骼肌肉模型運算模組

(12)‧‧‧姿態判斷模組

(13)‧‧‧運動效能判斷模組

(14)‧‧‧訓練專家模組

(140)‧‧‧資料庫

(20)‧‧‧動作指導模組

(30)‧‧‧運動狀態擷取模組

Claims (14)

1. 一種人體肌肉訓練回饋系統，其包括：一運動狀態擷取模組，其用以擷取一使用者依據標準肢體動作所做的肢體動作，而可產生一運動狀態訊號，該運動狀態訊號包含第一角度訊號、第二角度訊號及第三角度訊號，該運動狀態擷取模組包括一具多轉點的多連桿機構，其包含一附裝於該使用者身上的定位組件、一與該使用者第一肢段長度配合的第一桿組、一與該使用者第二肢段長度配合的第二桿組及一與該使用者第三肢段長度配合的第三桿組；一固定手段，其用以使該多連桿機構之各該桿組分別對應該使用者之各該肢段相互固定；及至少三組角度感測單元，其一該角度感測單元用以感測該第一桿組以相對該定位組件的轉動角度以產生該第一角度訊號，其二該角度感測單元用以感測該第二桿組相對該第一連桿組的轉動角度以產生該第二角度訊號，其三該角度感測單元用以感測該第三桿組相對該第二連桿組的轉動角度以產生該第三角度訊號；一電腦，其分別建立一骨骼肌肉模型運算模組、一姿態判斷模組、一運動效能判斷模組、一訓練專家模組以及至少一資料庫，於該資料庫設定有至少一標準肢體動作的運動狀態資料，每一該運動狀態資料包含有第一角度資料、第二角度資料及第三角度資料以及複數個包含文字、語音或影像的教導訓練資料，並於該骨骼肌肉模型運算模組輸入該使用者肢段尺寸及肢體動作等參數，以建立一符合該使用者身體特徵之人體骨骼與肌肉的對應，用以分析該肢體動作對肌肉所產生的受力狀態，再以該動作指導模組顯示出標準肢體動作的該教導訓練資 料，該姿態判斷模組將該第一、該第二及該第三角度訊號轉換為角度值並分別與標準的該第一、該第二及該第三角度資料進行比對，以得到該使用者肢體動作之目標達成比例值，該運動效能判斷模組依據該目標達成比例值與該骨骼及該肌肉的受力狀態進行運動效能分析，該訓練專家模組則依據運動效能分析結果產生相應的該教導訓練資料；及一動作指導模組，其用以將該教導訓練資料轉換為一可供顯示或音訊輸出的教導資訊，藉以建立下一階段較佳的訓練模式。
2. 如請求項1所述之人體肌肉訓練回饋系統，其中，該運動狀態擷取模組更包含一攝影機，且標準的該運動狀態資料為透過該攝影機將標準肢體動作予以擷取的動態影像。
3. 如請求項1所述之人體肌肉訓練回饋系統，其中，該姿態判斷模組依據對應之各該桿組的長度與各該角度訊號進行運算，以獲得肢體動作的運動軌跡資訊。
4. 如請求項1所述之人體肌肉訓練回饋系統，其中，該骨骼肌肉模型運算模組、該姿態判斷模組、該運動效能判斷模組、該訓練專家模組係為內建於該電腦內且可以相互連結整合的運算軟體。
5. 如請求項1所述之人體肌肉訓練回饋系統，其中，該資料庫係建立在該訓練專家模組中，以將該教導訓練資料予以程式化，使該訓練專家模組具備訓練教導、解決問題、解釋結果以及判斷與決策功能。
6. 如請求項1項所述之人體肌肉訓練回饋系統，其中，該電腦更包含一可由該動作指導模組顯示的操作界面，以供該使用者操作而將 訓練目標設定在該人體其中一個肢段組或是其中一個肌肉部位的肢體動作。
7. 如請求項6項所述之人體肌肉訓練回饋系統，其中，該動作指導模組包含一可供顯示該教導資訊及該操作界面的顯示幕及一用以播放該教導資訊之音訊的音訊播放裝置。
8. 一種人體肌肉訓練回饋方法，其包括下列步驟：提供一電腦、一動作指導模組及一運動狀態擷取模組，其中該運動狀態擷取模組包括一具多轉點的多連桿機構，其包含一附裝於該使用者身上的定位組件、一與該使用者第一肢段長度配合的第一桿組、一與該使用者第二肢段長度配合的第二桿組及一與該使用者第三肢段長度配合的第三桿組；一固定手段，其用以使該多連桿機構之各該桿組分別對應該使用者之各該肢段相互固定；及至少三組角度感測單元；於一電腦分別建立一骨骼肌肉模型運算模組、一姿態判斷模組、一運動效能判斷模組、一訓練專家模組及至少一資料庫：於該資料庫設定至少一標準肢體動作的運動狀態資料，每一該運動狀態資料包含有第一角度資料、第二角度資料及第三角度資料以及複數個包含文字、語音或影像的教導訓練資料；於該骨骼肌肉模型運算模組輸入該使用者所需肢段尺寸以及肢體動作等參數，以建立一符合該使用者身體特徵之人體骨骼與肌肉的對應，用以分析該肢體動作對肌肉所產生的受力狀態；以該動作指導模組顯示出標準肢體動作的該教導訓練資料；以該運動狀態擷取模組擷取一使用者依據標準肢體動作所做的肢 體動作，而可產生一包含第一角度訊號、第二角度訊號及第三角度訊號的運動狀態訊號，以其一該角度感測單元感測該第一桿組相對該定位組件的轉動角度而產生該第一角度訊號；以其二該角度感測單元感測該第二桿組相對該第一連桿組的轉動角度而產生該第二角度訊號；以其三該角度感測單元感測該第三桿組相對該第二連桿組的轉動角度而產生該第三角度訊號；該姿態判斷模組將該第一、該第二及該第三角度訊號轉換為角度值並分別與標準的該運動狀態的該第一、該第二及該第三角度資料進行比對，以得到該使用者肢體動作之目標達成比例值；及該運動效能判斷模組依據該目標達成比例值與該骨骼及該肌肉的受力狀態進行運動效能分析，該訓練專家模組則依據運動效能分析結果產生相應的該教導訓練資料，而可由該動作指導模組將該教導訓練資料轉換為一可供顯示或音訊輸出的教導資訊，藉以建立下一階段較佳的訓練模式。
9. 如請求項8所述之人體肌肉訓練回饋方法，其中，該運動狀態擷取模組更包含一攝影機，且標準的該運動狀態資料為透過該攝影機將標準肢體動作予以擷取的動態影像。
10. 如請求項9所述之人體肌肉訓練回饋系統，其中，該姿態判斷模組依據對應之各該桿組的長度與各該角度訊號進行運算，以獲得肢體動作的運動軌跡資訊。
11. 如請求項8所述之人體肌肉訓練回饋方法，其中，該骨骼肌肉模型運算模組、該姿態判斷模組、該運動效能判斷模組、該訓練專家 模組係為內建於該電腦內且可以相互連結整合的運算軟體。
12. 如請求項8所述之人體肌肉訓練回饋方法，其中，該資料庫係建立在該訓練專家模組中，以將該教導訓練資料予以程式化，使該訓練專家模組具備訓練教導、解決問題、解釋結果以及判斷與決策功能。
13. 如請求項8項所述之人體肌肉訓練回饋方法，其中，該電腦更包含一可由該動作指導模組顯示的操作界面，以供該使用者操作而將訓練目標設定在該人體其中一個肢段組或是其中一個肌肉部位的肢體動作。
14. 如請求項13項所述之人體肌肉訓練回饋方法，其中，該動作指導模組包含一可供顯示該教導資訊及該操作界面的顯示幕及一用以播放該教導資訊之音訊的音訊播放裝置。