TWI413030B - 動作重建及比對裝置 - Google Patents
動作重建及比對裝置 Download PDFInfo
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Description
本發明係有關於一種動作重建及比對裝置，尤其是一種能輔助使用者獨立進行運動訓練的動作重建及比對裝置。
在許多的應用中，使用者常須獨立依照一連串之標準動作來進行規律的運動。舉例來說，對於學舞之人，通常於學舞時由指導教練親自指導及糾正其舞蹈姿勢，以便將舞步調整為正確的姿勢。然而，一般情況不太可能時時刻刻都有舞蹈教練隨侍身旁隨時指導及糾正舞姿，造成習舞之困擾。再者，在醫療領域中，某些患者之身體受損部位須長期經由復健而恢復，因此需要復健師指導其復健姿勢。然而，一般的患者通常無法擁有專屬復健師隨侍在側指導其復健姿勢，因此造成了復健之困擾，且在偏遠地區亦無法獲得適當的遠距醫療服務。此外，在犯罪預防之領域中，某些犯罪行為具有特定之犯罪姿態(犯罪動作)，然而目前並無系統可偵測特定對象的所有動作姿態，因此無法防止重複之犯罪。
基於以上問題，需要可協助使用者獨立進行規律之運動，或可供鑑別特定動作之系統。
本發明係提供一種動作重建及比對裝置，其主要係提供使用者一種獨立運動訓練之機制，為其發明目的。
本發明係提供一種動作重建及比對裝置，其主要係用以鑑別特定動作，例如犯罪動作等，以防止重複犯罪之情況，為其又一目的。
為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段及藉由該技術手段所能達到之功效包含有：一種動作重建及比對裝置，包含一動作感測模組、一動作運算模組和一顯示互動模組。該動作感測模組係感測該動作感測模組本身之移動並產生一組感測訊號。該動作運算模組係接收該感測訊號並輸出一運動訊號。該動作運算模組包含一動作軌跡產生器及一動作姿態產生器，該動作軌跡產生器係根據該感測訊號運算產生該運動軌跡訊號，該動作姿態產生器係根據該感測訊號運算產生該運動姿態訊號，該運動訊號係包含該運動軌跡訊號及該運動姿態訊號。該顯示互動模組係接收該運動訊號，且該顯示互動模組包含一儲存單元、一誤差計算單元及一顯示單元。該儲存單元係儲存至少一樣本運動訊號。該誤差計算單元係比對該運動訊號與該樣本運動訊號，以找出該運動訊號與該樣本運動訊號之間的一差異量。該顯示單元顯示該運動訊號、該樣本運動訊號和該差異量。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係繪示根據本發明一較佳實施例所述之一動作重建及比對裝置之方塊圖。該動作重建及比對裝置包含一動作感測模組1、一動作運算模組2和一顯示互動模組3。動作感測模組1耦接至動作運算模組2，而動作運算模組2耦接至顯示互動模組3。
動作感測模組1包含一慣性感測模組11、一電子羅盤12和一訊號傳輸模組13。慣性感測模組11包含一加速度計111和一陀螺儀112，並且與電子羅盤12同時耦接至訊號傳輸模組13。
動作運算模組2包含一濾波模組21、一重力移除單元22、一動作軌跡產生器23、一動作姿態產生器24、一儲存單元25和一訊號傳輸模組26。其中，濾波模組21係耦接至動作感測模組1的訊號傳輸模組13。濾波模組21耦接至重力移除單元22，重力移除單元22分別耦接至動作軌跡產生器23和動作姿態產生器24。動作軌跡產生器23和動作姿態產生器24另分別耦接至儲存單元25。儲存單元25耦接至訊號傳輸模組26。
顯示互動模組3包含一儲存單元31、一誤差計算單元32和一顯示單元33。其中，儲存單元31係耦接至誤差計算單元32和顯示單元33。誤差計算單元32係耦接至動作運算模組2的訊號傳輸模組26、儲存單元31和顯示單元33。顯示單元33係耦接至儲存單元31、誤差計算單元32和動作運算模組2的訊號傳輸模組26。顯示單元33係包含可即時呈現該使用者之運動情形的顯示裝置，例如電視機、液晶電視、電腦螢幕等等。
在該動作重建及比對裝置中，動作感測模組1係供佩戴於一使用者之一預定身體部位，以便感測該使用者之該預定身體部位之移動。以第2圖為例，動作感測模組1係佩戴於該使用者之右手腕，如此一來，本發明之動作重建及比對裝置即可偵測使用者右手腕之運動情形，如第3圖所示。在一般的應用中，使用者較佳佩戴多個動作感測模組1於身體上之數個不同部位(例如四肢)，以同時偵測使用者各該多個部位之運動情形，藉以根據該多個動作感測模組1在同一時段內的偵測結果，重建該使用者之整體運動情形(例如跑步、跳躍等等)。又，動作運算模組2可佩戴於該使用者身上之固定部位(例如腰部)，以便接收動作感測模組1之感測結果並進行運算。該動作重建及比對裝置之感測原理及其各細部構件之動作情形將於以下敘述。
在該使用者處於運動之狀態下，佩戴於該使用者之該預定身體部位的動作感測模組1可偵測得其本身之移動。基於此，動作感測模組1相應產生一組感測訊號S1，感測訊號S1可為訊號傳輸模組13所接收並傳送至動作運算模組2。感測訊號S1係包含一慣性訊號SI和一方位角訊號SAN。慣性訊號SI係由慣性感測模組11根據慣性感測模組11本身之移動而偵測獲得，而方位角訊號SAN則由電子羅盤12根據電子羅盤12本身之旋轉動作而偵測獲得。其中，電子羅盤12亦可改用一磁力計來取代而產生該方位角訊號SAN。此外，慣性訊號SI係包含一加速度訊號SAC和一角速度訊號SW。加速度訊號SAC係加速度計111根據加速度計111本身之移動而偵測獲得，角速度訊號SW係陀螺儀112根據陀螺儀112本身之轉動而偵測獲得。訊號傳輸模組13可為一無線傳輸模組或一有線傳輸模組。舉例來說，訊號傳輸模組13可為有線之寬頻連線，或無線之藍芽、紅外線、射頻傳輸等等。
動作運算模組2之濾波模組21於接收感測訊號S1後，係將感測訊號S1中之加速度訊號SAC、角速度訊號SW和方位角訊號SAN的雜訊濾除，以產生一濾波輸出訊號SF，藉以透過此一雜訊濾除作業提高動作運算模組2之運算精確性；其中，濾波模組21產生濾波輸出訊號SF之細節係詳述如後。請參照第4圖，其係繪示根據本發明較佳實施例所述之濾波模組21的方塊圖。濾波模組21包含一第一減法器211、一濾波器212和一第二減法器213。第一減法器211耦接至濾波器212，濾波器212耦接至第二減法器213。第一減法器211接收慣性訊號SI和方位角訊號SAN後，將慣性訊號SI減去方位角訊號SAN得到一輸入訊號SFI。輸入訊號SFI經過濾波器212之濾波處理，可產生一輸出訊號SFO。第二減法器213接收慣性訊號SI和輸出訊號SFO後，將慣性訊號SI減去輸出訊號SFO即得到濾波輸出訊號SF。其中，濾波器212可為一卡爾曼濾波器。
濾波輸出訊號SF係傳送至重力移除單元22。重力移除單元22用以將濾波輸出訊號SF中濾除雜訊後之加速度訊號SAC的重力加速度移除，以產生一重力移除輸出訊號SGR，如第1圖所示。在第5圖中，本發明重力移除單元22之重力移除的公式如下：
A=Ar-G
其中Ar為濾波輸出訊號SF中的加速度訊號，其由x、y和z等三個軸向Ax、Ay和Az各別之加速度分量所構成。此外，G係為重力加速度值(在此情況為軸向Az之加速度分量)。經過上述公式之運算，即可將濾波輸出訊號SF之重力加速度移除而產生重力移除輸出訊號SGR。
重力移除輸出訊號SGR係為動作軌跡產生器23和動作姿態產生器24所接收。動作軌跡產生器23根據所接收之重力移除輸出訊號SGR以積分方式產生一運動軌跡訊號ST；而動作姿態產生器24則根據所接收之重力移除輸出訊號SGR以積分方式產生一運動姿態訊號SP。其中，運動軌跡訊號ST係對應於動作感測模組1在空間中的移動軌跡，例如在三維空間中之三個座標軸上的各別移動軌跡；而運動姿態訊號SP則對應於動作感測模組1的偏轉狀態，例如相對於三維空間中之三個座標軸的各別偏轉角度。詳言之，參照第6圖所示，假設使用者分別於右手之手脕、手肘關節和手臂等三處各佩帶一第一動作感測模組1a、一第二動作感測模組1b和一第三動作感測模組1c。基於此，當使用者將其手腕由右至左以旋轉的方式移動時，除了左右兩處之間所感測之運動軌跡訊號ST外，手腕於左右兩處之間所呈之一既定角度的旋轉姿態(表示為運動姿態訊號SP)將為第一動作感測模組1a所偵測。據此，可求得運動姿態訊號SP。運動軌跡訊號ST和運動姿態訊號SP兩訊號組成一運動訊號SM，並為儲存單元25所儲存後由訊號傳輸模組26傳送至顯示互動模組3。訊號傳輸模組26與訊號傳輸模組13相同，皆可為一無線傳輸模組或一有線傳輸模組。
顯示互動模組3係可藉由無線方式接收運動訊號SM並進行後續之處理。顯示互動模組3之儲存單元31可預先儲存數個樣本運動訊號SS，例如根據運動教練之動作姿態所預先建立之標準運動姿態。各該樣本運動訊號SS皆代表一特定運動姿態之正確範本，例如手腕關節轉動、手臂拉伸運動、跳躍運動等等。該數個樣本運動訊號SS可傳送至顯示單元33以便顯示運動教練之標準運動姿態於使用者(如第7圖之教練人像PC)。同時，顯示單元33亦接收及顯示運動訊號SM(如第7圖之使用者人像PU)。如此一來，使用者一開始可事先選定一欲學習之樣本運動訊號SS(例如手腕關節轉動)，並藉由顯示單元33顯示該樣本運動訊號SS(手腕關節轉動)，模仿/模擬該樣本運動訊號SS(手腕關節轉動)之運動姿態。以這樣的方式，使用者可即時對照自身之運動姿態與教練之運動姿態，並將自身之運動姿態加以調整成教練之標準運動姿態，以確保運動方式的正確性。
誤差計算單元32接收儲存單元31之該數個樣本運動訊號SS(教練運動姿態)及訊號傳輸模組26之運動訊號SM(重建之使用者運動姿態)，比較兩者之動作差異並輸出一動作誤差訊號SE至顯示單元33進行顯示。如此，使用者可藉由所顯示之動作誤差訊號SE得知其本身運動姿態與教練運動姿態之間的差異量。更進一步言之，各該樣本運動訊號SS分別具有對應之一樣本運動軌跡訊號和一樣本運動姿態訊號，誤差計算單元32係根據：(1)運動訊號SM之運動軌跡訊號ST與該樣本運動軌跡訊號兩者之絕對誤差和相對誤差，(2)運動訊號SM之運動姿態訊號SP和該樣本運動姿態訊號兩者之絕對誤差和相對誤差，來找出運動訊號SM和各該樣本運動訊號SS之間的差異量。其中，運動軌跡訊號ST與該樣本運動軌跡訊號兩者之絕對誤差，或運動姿態訊號SP和該樣本運動姿態訊號兩者之絕對誤差，皆可用同一絕對誤差公式e a
(n
Δt
)決定：
e a
(n
Δt
)=|r ref
(n
Δt
)-r
(n
Δt
)| (1)
以運動軌跡訊號ST與該樣本運動軌跡訊號兩者之絕對誤差而言，公式(1)係為運動軌跡訊號ST與該樣本運動軌跡訊號於第n個時間點的絕對誤差。求得該絕對誤差後，再將所有時間點(Δt至NΔt)之絕對誤差取平均，得到平均絕對誤差error a_mean
，如公式(2)所示：
再者，運動軌跡訊號ST與該樣本運動軌跡訊號兩者之相對誤差e r
(n
Δt
)係以百分比為單位，其係根據下列公式決定：
公式(3)中，第n個時間點的相對誤差即為該第n個時間點之絕對誤差e a
(n
Δt
)除以該第n個時間點已完成的動作軌跡長度。求得相對誤差e r
(n
Δt
)後，再將所有時間點(1Δt至NΔt)之相對誤差取平均，得到平均相對誤差error r_mean
，如公式(4)所示：
根據以上公式(1)至(4)，誤差計算單元32即可估算出運動軌跡訊號ST與該樣本運動軌跡訊號兩者之間的絕對誤差和相對誤差。同理，對於運動姿態訊號SP和該樣本運動姿態訊號兩者之間的絕對誤差和相對誤差，亦可根據以上公式(1)至(4)逐一求得。據此，即可求得運動訊號SM與各該樣本運動訊號SS之間的差異量。
本發明之動作重建及比對裝置可適用於在沒有指導教練隨侍身旁糾正運動姿勢的情況下，使用者自行於家中的運動學習，或是在醫療的復健領域中，在沒有復健師隨侍身旁糾正復健姿勢的情況下，患者自行於家中的復健動作。因此，本發明可藉由上述裝置，達到獨立運動之功效。更且，顯示互動模組3亦可為設置於遠端，且用以執行雲端運算之雲端主機，以供隨時記錄佩戴有動作感測模組1之特定人員的動作，進而在發生犯罪事件時，可利用該犯罪事件所對應之特定動作比對該特定人員在事發當時所做的動作，達到供犯罪佐證之目的。
此外，本發明之濾波模組21係為可忽略，如此一來，重力移除單元22係直接接收感測訊號S1，並移除感測訊號S1之加速度訊號SAC的重力加速度以產生重力移除輸出訊號SGR，使得動作軌跡產生器23和動作姿態產生器24根據重力移除輸出訊號SGR分別產生運動軌跡訊號ST和運動姿態訊號SP。再者，訊號傳輸模組26之運動訊號SM亦可儲存於儲存單元31。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1．．．動作感測模組
11．．．慣性感測模組
111．．．加速度計
112．．．陀螺儀
12．．．電子羅盤
13．．．訊號傳輸模組
1a．．．第一動作感測模組
1b‧‧‧第二動作感測模組
1c‧‧‧第三動作感測模組
2‧‧‧動作運算模組
21‧‧‧濾波模組
22‧‧‧重力移除單元
23‧‧‧動作軌跡產生器
24‧‧‧動作姿態產生器
25‧‧‧儲存單元
26‧‧‧訊號傳輸模組
3‧‧‧顯示互動模組
31‧‧‧儲存單元
32‧‧‧誤差計算單元
33‧‧‧顯示單元
S1‧‧‧感測訊號
SAC‧‧‧加速度訊號
SW‧‧‧角速度訊號
SI‧‧‧慣性訊號
SAN‧‧‧方位角訊號
SF‧‧‧濾波輸出訊號
SFI‧‧‧輸入訊號
SFO‧‧‧輸出訊號
SM‧‧‧運動訊號
SGR‧‧‧重力移除輸出訊號
ST‧‧‧運動軌跡訊號
SP‧‧‧運動姿態訊號
SS‧‧‧樣本運動訊號
SE‧‧‧動作誤差訊號
PC‧‧‧教練人像
PU‧‧‧使用者人像
第1圖：本發明一較佳實施例所述之動作重建及比對裝置的方塊圖。
第2圖：本發明較佳實施例所述之動作重建及比對裝置的使用示意圖。
第3圖：本發明較佳實施例所述之動作重建及比對裝置的另一使用示意圖。
第4圖：本發明較佳實施例所述之濾波模組的方塊圖。
第5圖：本發明較佳實施例所述之加速度訊號之三個軸向的示意圖。
第6圖：本發明較佳實施例所述之運動軌跡訊號和運動姿態訊號的示意圖。
第7圖：本發明較佳實施例所述之動作重建及比對裝置配合教練動作姿態的使用示意圖。
1．．．動作感測模組
11．．．慣性感測模組
111．．．加速度計
112．．．陀螺儀
12．．．電子羅盤
13．．．訊號傳輸模組
2．．．動作運算模組
21．．．濾波模組
22．．．重力移除單元
23．．．動作軌跡產生器
24．．．動作姿態產生器
25．．．儲存單元
26．．．訊號傳輸模組
3．．．顯示互動模組
31．．．儲存單元
32．．．誤差計算單元
33．．．顯示單元
S1．．．感測訊號
SAC．．．加速度訊號
SW．．．角速度訊號
SI．．．慣性訊號
SAN．．．方位角訊號
SF．．．濾波輸出訊號
SM．．．運動訊號
SGR．．．重力移除輸出訊號
ST．．．運動軌跡訊號
SP．．．運動姿態訊號
SS．．．樣本運動訊號
SE．．．動作誤差訊號
Claims (12)
- 一種動作重建及比對裝置，包含：一動作感測模組，係感測該動作感測模組本身之移動並產生一組感測訊號；一動作運算模組，係接收該感測訊號並輸出一運動訊號，該動作運算模組包含一動作軌跡產生器及一動作姿態產生器，該動作軌跡產生器係根據該感測訊號運算產生該運動軌跡訊號，該動作姿態產生器係根據該感測訊號運算產生一運動姿態訊號，該運動訊號係包含該運動軌跡訊號及該運動姿態訊號，其中該運動姿態訊號係為該動作感測模組之偏轉角度；及一顯示互動模組，係接收該運動訊號，且該顯示互動模組包含一儲存單元、一誤差計算單元及一顯示單元，該儲存單元係儲存至少一樣本運動訊號，該誤差計算單元係比對該運動訊號與該樣本運動訊號，以找出該運動訊號與該樣本運動訊號之間的一差異量，該顯示單元顯示該運動訊號、該樣本運動訊號和該差異量。
- 依申請專利範圍第1項所述之動作重建及比對裝置，其中該感測訊號包含一慣性訊號和一方位角訊號，該慣性訊號包含一加速度訊號和一角速度訊號，該動作感測模組係包含：一慣性感測模組，用以產生該慣性訊號，該慣性感測模組包含一加速度計和一陀螺儀，該加速度計係產生該加速度訊號，該陀螺儀係產生該角速度訊號；及 一電子羅盤，用以產生該方位角訊號。
- 依申請專利範圍第2項所述之動作重建及比對裝置，其中該動作運算模組更包括一濾波模組，該濾波模組係根據該感測訊號產生一濾波輸出訊號，使得該動作軌跡產生器和該動作姿態產生器根據該濾波輸出訊號分別產生該運動軌跡訊號和該運動姿態訊號。
- 依申請專利範圍第3項所述之動作重建及比對裝置，其中該濾波模組更包含一第一減法器、一濾波器和一第二減法器，該第一減法器係將該慣性訊號減去該方位角訊號以產生一輸入訊號，該濾波器係根據該輸入訊號產生一輸出訊號，該第二減法器係將該慣性訊號減去該輸出訊號以產生該濾波輸出訊號。
- 依申請專利範圍第4項所述之動作重建及比對裝置，其中該濾波器係一卡爾曼濾波器。
- 依申請專利範圍第2項所述之動作重建及比對裝置，其中該動作運算模組更包含一重力移除單元，該重力移除單元接收該感測訊號，並移除該感測訊號之該加速度訊號的重力加速度以產生一重力移除輸出訊號，使得該動作軌跡產生器和該動作姿態產生器根據該重力移除輸出訊號分別產生該運動軌跡訊號和該運動姿態訊號。
- 依申請專利範圍第1項所述之動作重建及比對裝置，其中該動作感測模組更包含一訊號傳輸模組傳送該運動訊號至該顯示互動模組。
- 依申請專利範圍第7項所述之動作重建及比對裝置，其中該訊號傳輸模組係一無線傳輸模組或一有線傳輸模 組。
- 依申請專利範圍第1項所述之動作重建及比對裝置，其中該樣本運動訊號具有對應之一樣本運動軌跡訊號，該顯示互動模組係根據該運動軌跡訊號與該樣本運動軌跡訊號之一絕對誤差e a (n △t )和一相對誤差e r (n △t )來找出該差異量，該絕對誤差e a (n △t )和該相對誤差e r (n △t )係根據下列公式決定：e a (n △t )=|r ref (n △t )-r (n △t )|；及
- 依申請專利範圍第1項所述之動作重建及比對裝置，其中該訊號傳輸模組係一藍芽、紅外線或射頻傳輸裝置。
- 依申請專利範圍第1項所述之動作重建及比對裝置，其中該感測訊號包含一慣性訊號和一方位角訊號，該慣性訊號包含一加速度訊號和一角速度訊號，該動作感測模組係包含：一慣性感測模組，用以產生該慣性訊號，該慣性感測模組包含一加速度計和一陀螺儀，該加速度計係產生該加速度訊號，該陀螺儀係產生該角速度訊號；及一磁力計，用以產生該方位角訊號。
- 依申請專利範圍第1項所述之動作重建及比對裝置，其 中該顯示互動模組係用以執行雲端運算之一雲端主機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW99105501A TWI413030B (zh) | 2010-02-25 | 2010-02-25 | 動作重建及比對裝置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW99105501A TWI413030B (zh) | 2010-02-25 | 2010-02-25 | 動作重建及比對裝置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201129948A TW201129948A (en) | 2011-09-01 |
| TWI413030B true TWI413030B (zh) | 2013-10-21 |
Family
ID=49771676
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW99105501A TWI413030B (zh) | 2010-02-25 | 2010-02-25 | 動作重建及比對裝置 |
Country Status (1)
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|---|---|
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| TWI459247B (zh) * | 2012-11-14 | 2014-11-01 | Univ Nat Central | 運動軌跡重建系統及運動軌跡重建方法 |
| US10161954B2 (en) | 2016-01-22 | 2018-12-25 | Htc Corporation | Motion detecting device and detecting method for repetitive motion |
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-
2010
- 2010-02-25 TW TW99105501A patent/TWI413030B/zh not_active IP Right Cessation
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201129948A (en) | 2011-09-01 |
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