TWI568476B - 偵測運動力學資訊之裝置及方法 - Google Patents

Description

偵測運動力學資訊之裝置及方法

本發明與偵測運動力學資訊之裝置及方法有關，尤指一種即時偵測運動中之踩踏位置的偵測裝置及方法。

現代人為求保持身體健康或雕塑身材曲線，而利用空閒時間做運動已蔚為風潮，其中利用操作健身裝置以達鍛鍊目的者亦不為少數。隨著科技進步，目前有一種設有3D影像擷取系統之健身裝置，利用擷取使用者運動中的3D影像，透過影像的分析、比對而得出操作健身裝置所耗損之熱量，以供使用者做為規劃運動量及驗收運動成果之參考。

然而上述裝置於使用時，使用者須在身體上各部位貼上擷取3D影像用的感測貼片，或是穿上感測用的運動服等，會因此造成運動上的不便利；另一方面，以此裝置分析運動狀態亦有成本過高之疑慮，不適合一般民眾使用。

本發明之目的在於提供一種偵測運動力學資訊之裝置及方法，其利用各種類型之感測器感測一藉由踩踏而產生動作之運動裝置的即時位置變化，藉此並進而搭配人體逆向運動力學，計算出使用者之運動力學資訊。

為達前述目的，本發明提供一種偵測運動力學資訊之裝置，其包括有： 一基架，該基架上設有一轉軸及一轉動裝置，其中該轉動裝置連接有一傳動機構，且該傳動機構設有一踩踏部，藉由踩踏該踩踏部產生動作，並經該傳動機構帶動該轉動裝置於該轉軸轉動，同時該踩踏部受該傳動機構之牽引而令其位移形成一對應於該轉動裝置之轉動的軌跡；而該轉軸上設有一同步轉動之轉盤；一第一感測裝置，其於該轉盤上設有多數個圍繞於該轉軸且呈等間距設置之第一感應部，各第一感應部隨該轉盤之轉動而移動；又該第一感測裝置於該基架上設有一第一感測器，用以感測各第一感應部，其中該第一感測器感測到各第一感應部時分別產生一第一訊號；一第二感測裝置，其於該轉盤上設有一第二感應部，該第二感應部隨該轉盤之轉動而移動；又該第二感測裝置於該基架上設有一第二感測器，用以感測該第二感應部，其中該第二感測器感測到該第二感應部時產生一第二訊號；一壓力感測器，其設於該踩踏部，用以感測踩踏於該踩踏部之壓力而產生一第三訊號。

其中，該傳動機構包括有一曲柄及一踏桿；該曲柄接設於該轉軸，且該曲柄之另一端樞設於該踏桿，而該踩踏部設於該踏桿上。

其中，該第一感應部為設於該轉盤之周緣上的多數齒塊，各齒塊以等距之間隔相隔設置；而該第一感測器包括有一發射器及一接收器，其中該發射器與該接收器分別設 於該轉盤的兩側。

而該第一感應裝置具有另一實施例，該第一感應部為磁鐵塊，而該第一感測器為一霍爾感測器。

又該轉動裝置上又設有一第三感測裝置，該第三感測裝置於該基架上設有一第三感測器，用以感測該第一感應部且於每次感測時分別產生一第四訊號，其中該第三感測器設置於可使該第四訊號之相位角與該第一訊號之相位角相差90度之位置。

此外，本發明亦提供一種偵測運動力學資訊之方法，用以計算使用者於踩踏一踩踏機之過程中的人體運動之肢段受力資訊，其中該踩踏機設有一轉動裝置，該轉動裝置連接有一傳動機構，且該傳動機構設有一踩踏部，藉由踩踏該踩踏部產生動作，並經該傳動機構帶動該轉動裝置轉動，同時該踩踏部受該傳動機構之牽引而令其位移形成一對應於該轉動裝置之轉動的軌跡；又該轉動裝置設有一同軸且同步轉動之轉盤；該方法包括有：以一第一感測裝置逐一地感測設於該轉盤上之多數個第一感應部，並分別產生一第一訊號；其中各第一感應部圍繞於該轉盤之軸心且呈等間距設置，且隨該轉盤之旋轉而轉動；以一第二感測裝置感測設於該轉盤上之一第二感應部，並產生一第二訊號；其中該第二感應部隨該轉盤之旋轉而轉動；以一壓力感測器感測踩踏於該踩踏部之壓力而產生一 第三訊號，其中該壓力感測器設於該踩踏部；以一計算模組接收該第一訊號及該第二訊號，並藉由計算自接收該第二訊號後所接收之第一訊號的數量，以換算該踩踏部的即時位置；以及，以該計算模組綜整該踩踏部的即時位置及該第三訊號，並藉以計算使用者於踩踏過程中的人體運動之肢段受力資訊。

上述方法中，該計算模組包含有人體各肢段之慣性資料，而人體肢段包括有大腿及小腿，且計算得出之肢段受力資訊包括有力量及力矩。

而本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中獲得深入了解。

1‧‧‧基架

2‧‧‧轉軸

3‧‧‧轉輪

31‧‧‧轉盤

4‧‧‧傳動機構

41‧‧‧曲柄

42‧‧‧踏桿

43‧‧‧踏板

5‧‧‧第一感測裝置

51‧‧‧第一齒塊

52‧‧‧第一感測器

521‧‧‧發射器

522‧‧‧接收器

54‧‧‧間隔

6‧‧‧第二感測裝置

61‧‧‧第二齒塊

62‧‧‧第二感測器

71‧‧‧磁鐵塊

72‧‧‧霍爾感測器

8‧‧‧第三感測器

T、T1、T2、T3‧‧‧軌跡

第1圖為本發明之裝置第一實施例之立體示意圖；第2圖為本發明之裝置第一實施例之平面示意圖，虛線部分表示踏板的軌跡；第3a圖至第3c圖為本發明裝置之踏板所形成之不同軌跡的示意圖；第4圖為本發明之裝置第一實施例之局部放大示意圖；第5圖為本發明之裝置第二實施例之局部放大示意圖；第6圖為本發明之方法的流程圖。

請參閱第1、2圖，所示者為本發明所提供之偵測運動力學資訊之裝置的第一實施例，其形成為一健身車的結 構型態，包括有一基架1，並於該基架1之前端設有一轉軸2及一轉動裝置，其中該轉動裝置連接有一傳動機構4，且該傳動機構4設有一踩踏部，藉由踩踏該踩踏部產生動作，並經該傳動機構4帶動該轉動裝置以該轉軸2為軸心轉動，且於此同時，該踩踏部受該傳動機構4之牽引而形成一對應於該轉動裝置之動作的位移軌跡。於本實施例中，該轉動裝置為一轉輪3，該轉軸2設於該轉輪3之軸心處，而該轉軸2接設有一曲柄41，且該曲柄41之另一端樞設有一踏桿42，此踏桿42上設有一供使用者踩踏之踏板43。此外，該轉軸2上又設有一與該轉輪3同軸且同步轉動之轉盤31。藉此，該曲柄41及該踏桿42構成該傳動機構4，當使用者踩踏該踏板43，可透過該傳動機構4驅動該轉軸2及轉輪3、轉盤31產生圓周運動，且同時藉由該曲柄41及該踏桿42之牽引，令該踏板43之位移形成有一如第2圖所示的軌跡T。其中該軌跡T之型態乃取決於該傳動機構4的組成配置，於本實施例中為一長軸沿水平方向延伸之橢圓形軌跡，然而在該傳動機構以其他方式配置的情況下，該踏板43之軌跡可具有分別如第3a圖至第3c圖所示之多種變化(T1、T2、T3)。而在各種傳動機構的配置下，相對於該轉盤31之圓周運動軌跡，踏板43呈現出不同的軌跡，然而在二者各自的行程中，其週期乃為一致；亦即，若在該轉盤31定義一個定位點，且該定位點之位置於該轉盤31之圓周軌跡上定義為一起始位置，則該踏板43的位置亦在 其軌跡上形成一對應於該起始位置之對應起始位置，當該定位點隨著該轉盤31沿圓周軌跡移動而完成一個行程且回到該起始位置，則該踏板43亦沿著其軌跡移動而完成一個行程且回到該對應起始位置。據此，對於該定位點於其行程中的每一個位置，該踏板43皆分別具有一固定的對應位置。

在上述之結構中，本發明設置有感測裝置以即時地偵測該踏板43的位置，如第4圖所示，其包括有一第一感測裝置5及一第二感測裝置6。其中該第一感測裝置5於該轉盤31上設有多數個圍繞於該轉軸(圖中未示)且呈等間距設置之第一感應部，而各第一感應部會隨該轉盤31之轉動而沿一圓形軌跡移動。又該第一感測裝置5於該基架上設有一第一感測器52，用以感測各第一感應部，其中該第一感測器52感測到各第一感應部時分別產生一第一訊號。於本實施例中，該第一感測裝置5乃採光柵式的感測方式。細言之，該第一感應部為設於該轉盤31周緣之多數第一齒塊51，各第一齒塊51以等距之間隔54相隔設置，而該第一感測器52包括有一發射器521及一接收器522，其中該發射器521與該接收器522分別設於該轉盤31兩側之固定位置上。該發射器521朝該轉盤31發射光線，而各第一齒塊51則位於光線通過的軌跡上。由於各第一齒塊51與各間隔54為相隔設置，當該轉盤31轉動時，該光線交替地遇到各第一齒塊51與各間隔54；其中，光線遇到各間隔54時，則 光線可通過而被該接收器522接收，並產生一個第一訊號，而光線遇到各第一齒塊51時，則光線被阻擋而無法通過。藉此，在該轉盤31轉動的過程中，光線交錯地被接收及被阻擋，而陸續地在被接收時分別產生第一訊號。

承上，該第二感測裝置6於該轉盤31上設有一第二感應部，且該第二感應部會隨該轉盤31之轉動而沿一圓形軌跡移動。於本實施例中，該第二感應部為前述該轉盤31上之其中一個齒塊，並定義為一第二齒塊61，其中定義各第一齒塊51離該轉軸之距離為一第一高度，該第二齒塊61離該轉軸之距離為一第二高度，而該第二高度大於該第一高度。又該第二感測裝置6於該基架上之一固定位置處設有一第二感測器62，而該第二齒塊61於該轉盤31轉一圈之過程中會經過該第二感測器62一次，令該第二感測器62感測到該第二齒塊61，並產生一第二訊號。於本實施例中，該第二齒塊61可透過各種習知的方式被該第二感測器62偵測，且進而產生一第二訊號；此外，順帶一提的是，由於第二齒塊61與第一齒塊51的高度差異，該第二感測器62並不會感測到第一齒塊51而產生不需要的感測訊號。

而該第一感測裝置5及該第二感測裝置6所測得之第一訊號及第二訊號經過計算，可即時地得知該踏板43的所在位置。細言之，由前述之說明可知，該轉盤31之軌跡上每一個位置皆可分別對應於該踏板43於其軌跡上之一個固定位置，因此只要測得該轉盤31上某一定位點轉 動的角位移量，即可換算得出該踏板43的即時位置。實際的動作上，隨著該轉盤31的轉動，利用該第二齒塊61於一個轉動行程中會被該第二感測器62感測到一次而產生一個第二訊號，則該運算處理單元每收到一個第二訊號，即表示該轉盤31完成一次轉動行程；同時隨著該轉盤31的轉動，由於該第一感測器52之作用，每隔一固定的角度則會產生一個第一訊號。綜此，可利用在收到第二訊號之後，所收到第一訊號的數量，計算出此時該轉盤31轉動至哪個方位，而可換算出對應之踏板43的即時位置。在得出該踏板43的即時位置後，即可推估使用者的腿與腳於此時的位置及所對應形成的踩踏姿勢。

再者，於本實施例中，更於該踏板43中設置有壓力感測器(圖中未示)，用以感測踩踏於踏板43之壓力，並產生一第三訊號。搭配於前述測知該踏板43之即時位置的技術，藉由綜整第一訊號、第二訊號及第三訊號，而可計算得知使用者在該踏板43的每一個位置上所施加於踏板43的力量。

而第5圖所示者為本發明之第二實施例，本實施例為上述實施例中第一感測裝置之另一個實施型態。其中該第一感應部為磁鐵塊71，各磁鐵塊71圍繞於該轉軸(圖中未示)且呈等間距設置，且會隨該轉盤31之轉動而沿一圓形軌跡移動；而該第一感測器為一霍爾感測器72，其設於該基架上之一固定位置處。隨著該轉盤31之轉動，各磁鐵塊71依序通過該霍爾感測器72而分別形成電 壓的變化，並藉此產生該第一訊號。本實施例中其餘的構件皆與上述第一實施例同而不再重複敘述。藉此，本實施例亦可達到偵測踏板即時位置的功效。

另一方面，於本發明上述兩個實施例中，該轉盤31上又設有一第三感測裝置，該第三感測裝置於該基架上設有一第三感測器8，用以感測該第一感應部且於每次感測時分別產生一第四訊號，其中該第三感測器8設置於可使該第四訊號之相位角與該第一訊號之相位角相差90度之位置。當使用者正向或逆向地踩踏踏板，使該轉盤31及位於轉盤31上之第一感應部對應地產生正轉或逆轉，由於該第一感應部經過該第一感測器52及該第三感測器8時分別產生第一訊號及第四訊號，此時可根據所收到之第一訊號與第四訊號的先後順序，以判斷該轉盤31的轉動方向。藉此，利用前述踏板即時位置的資訊，搭配前述轉動方向的資訊，可獲得更豐富的計算資訊。

本發明更提供了一種偵測運動力學資訊之方法，用以計算使用者於踩踏一踩踏機之過程中的人體運動之肢段受力資訊，其中該踩踏機設有一轉動裝置，該轉動裝置連接有一傳動機構，且該傳動機構設有一踩踏部，藉由踩踏該踩踏部產生動作，並經該傳動機構帶動該轉動裝置轉動，同時該踩踏部受該傳動機構之牽引而令其位移形成一對應於該轉動裝置之轉動的軌跡，又該轉動裝置上設有一同軸且同步轉動之轉盤；該方法如第6圖所示，其包括有：以一第一感測裝置逐一地感測設於該轉盤上之多數個 第一感應部，並分別產生一第一訊號；其中各第一感應部圍繞於該轉盤之軸心且呈等間距設置，且隨該轉盤之旋轉而轉動；以一第二感測裝置感測設於該轉盤上之一第二感應部，並產生一第二訊號；其中該第二感應部隨該轉盤之旋轉而轉動；以一壓力感測器感測踩踏於該踩踏部之壓力而產生一第三訊號，其中該壓力感測器設於該踩踏部；以一計算模組接收該第一訊號及該第二訊號，並在接收該第二訊號後，依據所接收之第一訊號的數量，計算該踩踏部的即時位置；以及，藉由獲得該踩踏部的即時位置及該第三訊號，以該計算模組計算使用者於踩踏過程中的人體運動的肢段受力資訊。

而本方法更進一步地包括以一第三感測裝置感測該轉動裝置之轉動方向。

於上述方法中，使用者踩踏該踩踏部會驅動該轉動裝置轉動，且該踩踏部會形成一軌跡，而該轉動裝置之轉動行程會對應於該踩踏部之軌跡，故可藉由感測該轉盤之轉動角位移量，以推算該踩踏部之即時位置。據此，各第一感應部乃圍繞於該轉盤之軸心且呈等間距設置，且隨該轉盤之旋轉而轉動，故各第一感應部逐一地經過該第一感測裝置且被感測，因而陸續地產生多個第一訊號，而各第一訊號的出現代表該轉盤轉動的角位移量；另一方面，該第 二感應部亦隨該轉盤之旋轉而轉動，且於經過該第二感測裝置時被感測而產生第二訊號，接著由於該轉盤轉動一圈僅產生一個第二訊號，因此第二訊號可做為計算上的參考點，而在接收該第二訊號之後，依據所接收之第一訊號的數量，換算得知該轉盤的轉動角位移之總和，即可換算該踩踏部的即時位置。

而更進一步地，本方法亦可藉由增設一第三感測裝置，其與前述第一感測裝置以訊號波的相位角相差90度的位置設置，即可利用訊號波的分析判斷該轉盤的轉動方向。

在掌握了該踩踏部之即時位置及使用者踩踏於踩踏部之壓力資訊後，該計算模組以此為邊界條件，搭配人體各肢段之慣性資料，如大腿、小腿之長度、質心、重量等資訊，並以人體逆向運動力學為基礎而計算得出人體運動之肢段受力資訊。其中人體運動之肢段包括大腿及小腿之肢段，而該計算模組所包含的計算原理及計算公式可參照台灣發明專利公開第201118627號及美國專利US8246555中所記載者，在此不詳細敘述，俾藉其計算上述肢段之關節的力量及力矩等資訊。

惟，以上實施例之揭示乃用以說明本發明，並非用以限制本發明，故舉凡等效元件之置換仍應隸屬本發明之範疇。

綜上所述，可使熟知本項技藝者明瞭本發明的確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰依法提出申請。

31‧‧‧轉盤

5‧‧‧第一感測裝置

51‧‧‧第一齒塊

52‧‧‧第一感測器

521‧‧‧發射器

522‧‧‧接收器

54‧‧‧間隔

6‧‧‧第二感測裝置

61‧‧‧第二齒塊

62‧‧‧第二感測器

8‧‧‧第三感測器

Claims (11)

1. 一種偵測運動力學資訊之裝置，其包括有：一基架，該基架上設有一轉軸及一轉動裝置，其中該轉動裝置連接有一傳動機構，且該傳動機構設有一踩踏部，藉由踩踏該踩踏部產生動作，並經該傳動機構帶動該轉動裝置於該轉軸轉動，同時該踩踏部受該傳動機構之牽引而令其位移形成一對應於該轉動裝置之轉動的軌跡；而該轉軸上設有一同步轉動之轉盤；一第一感測裝置，其於該轉盤上設有多數個圍繞於該轉軸且呈等間距設置之第一感應部，各第一感應部隨該轉盤之轉動而移動；定義各第一感應部離該轉軸之距離為一第一高度；又該第一感測裝置於該基架上設有一第一感測器，用以感測各第一感應部，其中該第一感測器感測到各第一感應部時分別產生一第一訊號；一第二感測裝置，其於該轉盤上設有一第二感應部，該第二感應部隨該轉盤之轉動而移動；定義該第二感應部離該轉軸之距離為一第二高度，且該第二高度大於該第一高度；又該第二感測裝置於該基架上設有一第二感測器，用以感測該第二感應部，其中該第二感測器感測到該第二感應部時產生一第二訊號；一壓力感測器，其設於該踩踏部，用以感測踩踏於該踩踏部之壓力而產生一第三訊號。
2. 如請求項1所述之偵測運動力學資訊之裝置，其中， 該第一感應部為設於該轉盤之周緣上的多數齒塊，各齒塊以等距之間隔相隔設置；而該第一感測器包括有一發射器及一接收器，其中該發射器與該接收器分別設於該轉盤的兩側。
3. 一種偵測運動力學資訊之裝置，其包括有：一基架，該基架上設有一轉軸及一轉動裝置，其中該轉動裝置連接有一傳動機構，且該傳動機構設有一踩踏部，藉由踩踏該踩踏部產生動作，並經該傳動機構帶動該轉動裝置於該轉軸轉動，同時該踩踏部受該傳動機構之牽引而令其位移形成一對應於該轉動裝置之轉動的軌跡；而該轉軸上設有一同步轉動之轉盤；一第一感測裝置，其於該轉盤上設有多數個圍繞於該轉軸且呈等間距設置之第一感應部，各第一感應部隨該轉盤之轉動而移動；又該第一感測裝置於該基架上設有一第一感測器，用以感測各第一感應部，其中該第一感測器感測到各第一感應部時分別產生一第一訊號；一第二感測裝置，其於該轉盤上設有一第二感應部，該第二感應部隨該轉盤之轉動而移動；又該第二感測裝置於該基架上設有一第二感測器，用以感測該第二感應部，其中該第二感測器感測到該第二感應部時產生一第二訊號；一壓力感測器，其設於該踩踏部，用以感測踩踏於該踩踏部之壓力而產生一第三訊號； 一第三感測裝置，其於該基架上設有一第三感測器，用以感測該第一感應部且於每次感測時分別產生一第四訊號，其中該第三感測器設置於可使該第四訊號之相位角與該第一訊號之相位角相差一預定數值之位置。
4. 如請求項3所述之偵測運動力學資訊之裝置，其中，該預定數值為90度。
5. 如請求項3所述之偵測運動力學資訊之裝置，其中，該第一感應部為磁鐵塊，而該第一感測器為一霍爾感測器。
6. 如請求項1或3所述之偵測運動力學資訊之裝置，其中，該傳動機構包括有一曲柄及一踏桿；該曲柄接設於該轉軸，且該曲柄之另一端樞設於該踏桿，而該踩踏部設於該踏桿上。
7. 一種偵測運動力學資訊之方法，用以計算使用者於踩踏一踩踏機之過程中的人體運動之肢段受力資訊，其中該踩踏機設有一可以一轉軸為中心轉動之轉動裝置，該轉動裝置連接有一傳動機構，且該傳動機構設有一踩踏部，藉由踩踏該踩踏部產生動作，並經該傳動機構帶動該轉動裝置轉動，同時該踩踏部受該傳動機構之牽引而令其位移形成一對應於該轉動裝置之轉動的軌跡；又該轉動裝置設有一同軸且同步轉動之轉盤；該方法包括有：以一第一感測裝置逐一地感測設於該轉盤上之多 數個第一感應部，並分別產生一第一訊號；其中各第一感應部圍繞於該轉軸且呈等間距設置，且隨該轉盤之旋轉而轉動；定義各第一感應部離該轉軸之距離為一第一高度；以一第二感測裝置感測設於該轉盤上之一第二感應部，並產生一第二訊號；其中該第二感應部隨該轉盤之旋轉而轉動；定義該第二感應部離該轉軸之距離為一第二高度，且該第二高度大於該第一高度；以一壓力感測器感測踩踏於該踩踏部之壓力而產生一第三訊號，其中該壓力感測器設於該踩踏部；以一計算模組接收該第一訊號及該第二訊號，並在接收該第二訊號後，依據所接收之第一訊號的數量，計算該踩踏部的即時位置；以及，藉由獲得該踩踏部的即時位置及該第三訊號，以該計算模組計算使用者於踩踏過程中的人體運動的肢段受力資訊。
8. 一種偵測運動力學資訊之方法，用以計算使用者於踩踏一踩踏機之過程中的人體運動之肢段受力資訊，其中該踩踏機設有一轉動裝置，該轉動裝置連接有一傳動機構，且該傳動機構設有一踩踏部，藉由踩踏該踩踏部產生動作，並經該傳動機構帶動該轉動裝置轉動，同時該踩踏部受該傳動機構之牽引而令其位移形成一對應於該轉動裝置之轉動的軌跡；又該轉動裝置設有一同軸且同步轉動之轉盤；該方法包括有： 以一第一感測裝置逐一地感測設於該轉盤上之多數個第一感應部，並分別產生一第一訊號；其中各第一感應部圍繞於該轉盤之軸心且呈等間距設置，且隨該轉盤之旋轉而轉動；以一第二感測裝置感測設於該轉盤上之一第二感應部，並產生一第二訊號；其中該第二感應部隨該轉盤之旋轉而轉動；以一第三感測裝置感測設於該轉盤上之多數個第一感應部，並分別產生一第四訊號；其中該第三感測器設置於可使該第四訊號之相位角與該第一訊號之相位角相差90度之位置；藉由該第一訊號與該第四訊號的先後順序判斷該轉盤的轉動方向；以一壓力感測器感測踩踏於該踩踏部之壓力而產生一第三訊號，其中該壓力感測器設於該踩踏部；以一計算模組接收該第一訊號及該第二訊號，並在接收該第二訊號後，依據所接收之第一訊號的數量，計算該踩踏部的即時位置；以及，藉由獲得該踩踏部的即時位置及該第三訊號，以該計算模組計算使用者於踩踏過程中的人體運動的肢段受力資訊。
9. 如請求項7或8所述之偵測運動力學資訊之方法，其中，該人體肢段包括有大腿及小腿。
10. 如請求項7或8所述之偵測運動力學資訊之方法，其中，該計算模組包含有人體各肢段之慣性資料。
11. 如請求項7或8所述之偵測運動力學資訊之方法，其中，計算得出之肢段受力資訊包括有力量及力矩。