TWI701064B - 人體關節訓練回饋裝置、人體關節訓練回饋系統以及人體關節訓練回饋系統的操作方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種人體關節訓練回饋裝置，其包含慣性感測器、處理器以及無線傳輸器。無線傳輸器電性連接處理器，處理器電性連接慣性感測器。慣性感測器感測人體關節的加速度資訊或角速度資訊。處理器基於人體關節的加速度資訊或角速度資訊，分析人體關節的運動角度資訊。無線傳輸器將人體關節的運動角度資訊傳送至行動裝置，當行動裝置判定人體關節的運動角度資訊符合預設條件時，行動裝置執行回饋動作。

Description

人體關節訓練回饋裝置、人體關節訓練回 饋系統以及人體關節訓練回饋系統的操作方法

本發明是有關於一種裝置、系統與方法，且特別是有關於一種人體關節訓練回饋裝置、人體關節訓練回饋系統以及人體關節訓練回饋裝置的操作方法。

過去復健運動過於單調乏味，且須至醫院或是鄰近之復健診所。如在家自行進行復健運動，使用者常不知道動作之標準性且容易怠惰。

以膝關節復健為例，退化性膝關節炎患者或是人工關節置換者，於臨床應用上常指定病患須於無承重狀態下或是半承重狀態下進行重複性之踢腿動作，可鍛鍊其大腿肌力，然而復健動作重複一致，不僅使用者覺得無聊，臨床治療師亦須在旁確定動作完成度(膝關節角度)，不僅耗費大量醫療與人力成本，也使病患對復健行為卻步，進而不再進行復健。

本發明提出一種人體關節訓練回饋裝置、人體關節訓練回饋系統以及人體關節訓練回饋裝置的操作方法，改善先前技術的問題。

在本發明的一實施例中，本發明所提出的人體關節訓練回饋裝置包含慣性感測器、處理器以及無線傳輸器。無線傳輸器電性連接處理器，處理器電性連接慣性感測器。慣性感測器感測人體關節的加速度資訊或角速度資訊。處理器基於人體關節的加速度資訊，分析人體關節的運動角度資訊或角速度資訊。無線傳輸器將人體關節的運動角度資訊傳送至行動裝置，當行動裝置判定人體關節的運動角度資訊符合預設條件時，行動裝置執行回饋動作。

在本發明的一實施例中，慣性感測器僅為三軸加速規，加速度資訊為三軸加速度資訊。

在本發明的一實施例中，慣性感測器僅為陀螺儀，角速度資訊為角速度數值。

在本發明的一實施例中，人體關節訓練回饋裝置更包含回饋裝置。回饋裝置電性連接處理器，當處理器判定人體關節的運動角度資訊符合預設條件時，處理器令回饋裝置執行回饋動作。

在本發明的一實施例中，回饋動作為聲音回饋、影像回饋、震動回饋或前述之組合。

在本發明的一實施例中，本發明所提出的人體關節訓練回饋系統包含行動裝置以及人體關節訓練回饋裝置，人體關節訓練回饋裝置與行動裝置建立通訊。人體關節訓練回饋 裝置包含慣性感測器、處理器以及無線傳輸器。無線傳輸器電性連接處理器，處理器電性連接慣性感測器。慣性感測器感測人體關節的加速度資訊或角速度資訊。處理器基於人體關節的加速度資訊或角速度資訊，分析人體關節的運動角度資訊。無線傳輸器將人體關節的運動角度資訊傳送至行動裝置，當行動裝置判定人體關節的運動角度資訊符合預設條件時，行動裝置執行回饋動作。

在本發明的一實施例中，慣性感測器僅為三軸加速規，加速度資訊為三軸加速度資訊。

在本發明的一實施例中，慣性感測器僅為陀螺儀，角速度資訊為角速度數值。

在本發明的一實施例中，人體關節訓練回饋裝置更包含回饋裝置。回饋裝置電性連接處理器，當處理器判定人體關節的運動角度資訊符合預設條件時，處理器令回饋裝置執行回饋動作。

在本發明的一實施例中，回饋動作為聲音回饋、影像回饋、震動回饋或前述之組合。

在本發明的一實施例中，行動裝置記錄人體關節的運動角度資訊。

在本發明的一實施例中，本發明所提出的人體關節訓練回饋裝置的操作方法包含以下步驟：(a)透過慣性感測器，感測人體關節的加速度資訊或角速度資訊；(b)基於人體關節的加速度資訊或角速度資訊，分析人體關節的運動角度資訊；(c)人體關節的運動角度傳送至行動裝置，當行 動裝置判定人體關節的運動角度資訊符合預設條件時，行動裝置執行回饋動作。

在本發明的一實施例中，慣性感測器僅為三軸加速規，加速度資訊為三軸加速度資訊。

在本發明的一實施例中，慣性感測器僅為陀螺儀，角速度資訊為角速度數值。

在本發明的一實施例中，慣性感測器電性連接處理器，處理器電性連接回饋裝置，操作方法更包含：當處理器判定人體關節的運動角度資訊符合預設條件時，處理器令回饋裝置執行回饋動作。

在本發明的一實施例中，回饋動作為聲音回饋、影像回饋、震動回饋或前述之組合。

綜上所述，本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。相較於傳統復健運動過於單調乏味，本發明的技術方案無形中引入回饋動作，在此過程中有助於提昇使用者進行復健運動。

以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述，並對本發明之技術方案提供更進一步的解釋。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下：

100‧‧‧人體關節訓練回饋系統

110‧‧‧人體關節訓練回饋裝置

111‧‧‧慣性感測器

112‧‧‧處理器

113‧‧‧無線傳輸器

119‧‧‧回饋裝置

120‧‧‧行動裝置

300‧‧‧操作方法

S301~S303‧‧‧步驟

α、β、γ‧‧‧角度

x、y、z‧‧‧軸

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖是依照本發明一實施例之一種人體關節訓練回饋系統的方塊圖； 第2圖是依照本發明一實施例之一種慣性感測器的示意圖；以及第3圖是依照本發明一實施例之一種人體關節訓練回饋系統的操作方法的流程圖。

為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。

於實施方式與申請專利範圍中，涉及『連接』之描述，其可泛指一元件透過其他元件而間接耦合至另一元件，或是一元件無須透過其他元件而直接連結至另一元件。

於實施方式與申請專利範圍中，除非內文中對於冠詞有所特別限定，否則『一』與『該』可泛指單一個或複數個。

本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』係用以修飾任何可些微變化的數量，但這種些微變化並不會改變其本質。於實施方式中若無特別說明，則代表以『約』、『大約』或『大致』所修飾之數值的誤差範圍一般是容許在百分之二十以內，較佳地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分五之以內。

第1圖是依照本發明一實施例之一種人體關節訓練回饋系統100的方塊圖。如第1圖所示，人體關節訓練回饋 系統100包含行動裝置120以及人體關節訓練回饋裝置110。

在架構上，人體關節訓練回饋裝置110與行動裝置120建立通訊(如：有線通訊與/或無線通訊)。舉例而言，行動裝置120可為手機、平板電腦、筆記型電腦或其他電腦裝置。

於第1圖中，人體關節訓練回饋裝置110包含慣性感測器111、處理器112、無線傳輸器113以及回饋裝置119。在架構上，無線傳輸器113電性連接處理器112，處理器112電性連接慣性感測器111以及回饋裝置119。

於使用時，使用者可將人體關節訓練回饋裝置110附著於人體關節附近，以進行復健運動，其中附著的方式可為穿戴式、黏附式或其他可拆卸的固定方式。慣性感測器111感測人體關節的加速度資訊或角速度資訊。處理器112基於人體關節的加速度資訊或角速度資訊，分析人體關節的運動角度資訊。無線傳輸器112將人體關節的運動角度資訊傳送至行動裝置120，行動裝置120判斷人體關節的運動角度資訊是否符合預設條件。舉例而言，預設條件可為各種人體關節(如：膝關節)所對應的預設角度，行動裝置120判斷人體關節的運動角度是否大於預設角度。當人體關節的運動角度大於預設角度，復健動作合乎標準；反之，當人體關節的運動角度小於預設角度，復健動作不合標準。

在本發明的一實施例中，慣性感測器111僅為三軸加速規而無需陀螺儀，加速度資訊為三軸加速度資訊。或者，在本發明的一實施例中，慣性感測器111僅為陀螺儀，角 速度資訊為角速度數值，處理器112將角速度數值進行一次積分可得出角度數值以做為運動角度資訊。

當行動裝置120判定人體關節的運動角度資訊符合預設條件(如：大於預設角度)時，行動裝置120執行回饋動作，藉以進行即時互動，從而給予使用者於復健過程中的肯定及鼓勵。

在本發明的一實施例中，當處理器112判定人體關節的運動角度資訊符合預設條件時，處理器112令回饋裝置119執行回饋動作，以加強互動效果。或者，當行動裝置120判定人體關節的運動角度資訊符合預設條件時，行動裝置120回傳反饋訊號至無線傳輸器112，使處理器112依據反饋訊號令回饋裝置119執行回饋動作，由於判斷運算由行動裝置120完成，從而替人體關節訓練回饋裝置110省電。

在本發明的一實施例中，行動裝置120與/或回饋裝置119所執行的回饋動作為聲音回饋、影像回饋、震動回饋或前述之組合。舉例而言，聲音回饋可為親友鼓勵聲音、宗教福音…等。

為了對上述慣性感測器111的運作方式做更進一步的闡述，請同時參照第1~2圖，第2圖是依照本發明一實施例之一種慣性感測器111的示意圖。於本實施例中，慣性感測器111僅為三軸加速規，無需透過複數顆以上之感測裝置配置(如：無需三軸陀螺儀、三軸地磁儀…等)。應瞭解到，若需以複數顆以上之感測裝置配置始可得到關節角度之變化值，會導致配戴不便、裝置續航力不足、缺乏即時互動…等問題。

於第2圖中，三軸加速規可感測三軸加速度資訊，其中三軸可為x、y、z軸。處理器112基於三軸加速度資訊，分析人體關節的運動角度資訊。舉例而言，x、y軸構成的平面貼近人體關節(如：膝關節)，x軸為相對人體的左右方向，y軸為相對人體的上下方向，z軸為x、y平面的法向量方向，沿z軸轉動的角度γ滿足下列關係式：γ(t)=cos^-1(a _y (t)/g(t))-γ ₀，其中t為時間，γ(t)為沿z軸轉動的時變角度，a _y (t)為y軸加速度，γ ₀ 為初始角度(如：預設角度)，g(t)滿足下列關係式：

，其中a _x (t)為x軸加速度，a _y (t) 為y軸加速度，且cos γ(t)的範圍為：-1≦cos γ(t)=a _y (t)/g(t)≦1。

至於沿其餘軸的轉動的角度α、β，可依照上述方式類推，於此不再贅述之。另外，上述方式無需二次積分後再換算成角度，由於二次積分會大幅降低準確度，因此本案的上述方式可提昇精確度。

在行動裝置120收到由無線傳輸器113所傳送的運動角度資訊以後，行動裝置120可執行應用程式，應用程式具有關節運動之人體數學模型，應用程式依據人體數學模型，修正由人體關節訓練回饋裝置110所量測到的運動角度資訊。然後，行動裝置120判斷修正後的人體關節的運動角度資訊是否符合預設條件。

實務上，系統開發者可基於人體關節角度運動統計資料與解剖構造之限制條件，預先建立關節運動之人體數學 模型。舉例而言，外部角度量測儀器可量測人體關節的各種實際運動角度，預先比較由外部角度量測儀器量測到的各種實際運動角度與由人體關節訓練回饋裝置110量測到的運動角度資訊之間的差異，以建立修正函數或對照查表修正的依據，並引入人體關節解剖構造上的的轉動上下限，據以建立關節運動之人體數學模型。應瞭解到，以上僅為例示，並非用以限制本發明，本領域具有通常知識者可視實際需要彈性選擇角度修正的依據及方式。

在本發明的一實施例中，行動裝置120記錄人體關節的運動角度資訊(如：修正後的運動角度資訊)。應用程式判斷運動角度資訊符合預設條件的次數高於預定次數，應用程式呈現通關獎勵(如：虛擬物件)，其中預定次數可由系統開發者預設或由使用者自行修改。另外，行動裝置120可記錄人體關節的運動角度資訊的變化歷程，且應用程式可呈現該變化歷程，以供使用者了解復健的進展。

為了對上述人體關節訓練回饋系統100的運作方法做更進一步的闡述，請同時參照第1~3圖，第3圖是依照本發明一實施例之一種人體關節訓練回饋系統100的操作方法300的流程圖。如第3圖所示，人體關節訓練回饋系統100的操作方法300包含步驟S301~S303(應瞭解到，在本實施例中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)。

首先，使用者可將人體關節訓練回饋裝置110附著於人體關節附近，以進行復健運動，其中附著的方式可為穿 戴式、黏附式或其他可拆卸的固定方式。於步驟S301，透過慣性感測器111感測人體關節的加速度資訊或角速度資訊。於步驟S302，基於人體關節的加速度資訊或角速度資訊，分析人體關節的運動角度資訊。於步驟S303，人體關節的運動角度傳送至行動裝置120，當行動裝置120判定人體關節的運動角度資訊符合預設條件時，行動裝置120執行回饋動作，藉以進行即時互動，從而給予使用者於復健過程中的肯定及鼓勵。

綜上所述，本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。相較於傳統復健運動過於單調乏味，本發明的技術方案無形中引入回饋動作，在此過程中有助於提昇使用者進行復健運動。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，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內，當可作各種之更動與潤飾，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。

100‧‧‧人體關節訓練回饋系統

110‧‧‧人體關節訓練回饋裝置

111‧‧‧慣性感測器

112‧‧‧處理器

113‧‧‧無線傳輸器

119‧‧‧回饋裝置

120‧‧‧行動裝置

Claims (13)

1. 一種人體關節訓練回饋裝置，包含：一慣性感測器，感測一人體關節的一加速度資訊或一角速度資訊，該慣性感測器僅為一三軸加速規或僅為一陀螺儀；一處理器，電性連接該慣性感測器，該處理器基於該人體關節的該加速度資訊或該角速度資訊，分析該人體關節的一運動角度資訊；以及一無線傳輸器，電性連接該處理器，該無線傳輸器將該人體關節的該運動角度資訊傳送至一行動裝置，當該行動裝置判定該人體關節的該運動角度資訊符合一預設條件時，該行動裝置執行一回饋動作，其中當該慣性感測器僅為該三軸加速規時，該加速度資訊為一三軸加速度資訊，其中三軸為x、y、z軸，x軸為相對人體的左右方向，y軸為相對人體的上下方向，z軸為x、y平面的法向量方向，沿z軸轉動的角度γ滿足下列關係式：γ(t)=cos^-1(a _y (t)/g(t))-γ ₀，其中t為時間，γ(t)為沿z軸轉動的時變角度，a _y (t)為y軸加速度，γ₀為初始角度(如：預設角度)，g(t)滿足下列關係式：

   

   ，其中a _x (t)為x軸加速度，a _y (t)為該y軸加速度，且cos γ(t)的範圍為：-1≦cos γ(t)=a _y (t)/g(t)≦1，該運動角度資訊包含沿z軸轉動的該時變角度。
2. 如請求項1所述之人體關節訓練回饋裝置，其中當該慣性感測器僅為該陀螺儀時，該角速度資訊為一角速度數值。
3. 如請求項1所述之人體關節訓練回饋裝置，更包含：一回饋裝置，電性連接該處理器，當該處理器判定該人體關節的該運動角度資訊符合一預設條件時，該處理器令該回饋裝置執行一回饋動作。
4. 如請求項1或3所述之人體關節訓練回饋裝置，其中該回饋動作為一聲音回饋、一影像回饋、一震動回饋或前述之組合。
5. 一種人體關節訓練回饋系統，包含：一行動裝置；以及一人體關節訓練回饋裝置，與該行動裝置建立通訊，該人體關節訓練回饋裝置包含：一慣性感測器，感測一人體關節的一加速度資訊或一角速度資訊，該慣性感測器僅為一三軸加速規或僅為一陀螺儀；一處理器，電性連接該慣性感測器，該處理器基於該人體關節的該加速度資訊或該角速度資訊，分析該人體關節的一運動角度資訊；以及 一無線傳輸器，電性連接該處理器，該無線傳輸器將該人體關節的該運動角度資訊傳送至該行動裝置，當該行動裝置判定該人體關節的該運動角度資訊符合一預設條件時，該行動裝置執行一回饋動作，其中當該慣性感測器僅為該三軸加速規時，該加速度資訊為一三軸加速度資訊，其中三軸為x、y、z軸，x軸為相對人體的左右方向，y軸為相對人體的上下方向，z軸為x、y平面的法向量方向，沿z軸轉動的角度γ滿足下列關係式：γ(t)=cos^-1(a _y (t)/g(t))-γ ₀，其中t為時間，γ(t)為沿z軸轉動的時變角度，a _y (t)為y軸加速度，γ₀為初始角度(如：預設角度)，g(t)滿足下列關係式：

   

   ，其中a _x (t)為x軸加速度，a _y (t)為該y軸加速度，且cos γ(t)的範圍為：-1≦cos γ(t)=a _y (t)/g(t)≦1，該運動角度資訊包含沿z軸轉動的該時變角度。
6. 如請求項5所述之人體關節訓練回饋系統，其中當該慣性感測器僅為該陀螺儀時，該角速度資訊為一角速度數值。
7. 如請求項5所述之人體關節訓練回饋系統，更包含：一回饋裝置，電性連接該處理器，當該處理器判定該人體關節的該運動角度資訊符合一預設條件時，該處理器 令該回饋裝置執行一回饋動作。
8. 如請求項5或7所述之人體關節訓練回饋系統，其中該回饋動作為一聲音回饋、一影像回饋、一震動回饋或前述之組合。
9. 如請求項5所述之人體關節訓練回饋系統，其中該行動裝置記錄該人體關節的該運動角度資訊。
10. 一種人體關節訓練回饋系統的操作方法，該操作方法包含以下步驟：(a)透過一慣性感測器，感測一人體關節的一加速度資訊或一角速度資訊，該慣性感測器僅為一三軸加速規或僅為一陀螺儀；(b)基於該人體關節的該加速度資訊或該角速度資訊，分析該人體關節的一運動角度資訊；以及(c)該人體關節的該運動角度資訊傳送至一行動裝置，當該行動裝置判定該人體關節的該運動角度資訊符合一預設條件時，該行動裝置執行一回饋動作，其中步驟(b)包含：當該慣性感測器僅為該三軸加速規時，該加速度資訊為一三軸加速度資訊，其中三軸為x、y、z軸，x軸為相對人體的左右方向，y軸為相對人體的上下方向，z軸為x、y平面的法向量方向，沿z軸轉動的角度γ滿足下列關係式：γ(t)=cos^-1(a _y (t)/g(t))-γ ₀，其中t為時間，γ(t)為沿z軸轉 動的時變角度，a _y (t)為y軸加速度，γ₀為初始角度(如：預設角度)，g(t)滿足下列關係式：

    

    ，其中a _x (t)為x軸加速度，a _y (t)為該y軸加速度，且cos γ(t)的範圍為：-1≦cos γ(t)=a _y (t)/g(t)≦1，該運動角度資訊包含沿z軸轉動的該時變角度。
11. 如請求項10所述之操作方法，其中當該慣性感測器僅為一陀螺儀時，該角速度資訊為一角速度數值。
12. 如請求項10所述之操作方法，其中該慣性感測器電性連接一處理器，該處理器電性連接一回饋裝置，該操作方法更包含：當該處理器判定該人體關節的該運動角度資訊符合一預設條件時，透過該處理器令該回饋裝置執行一回饋動作。
13. 如請求項10或12所述之操作方法，其中該回饋動作為一聲音回饋、一影像回饋、一震動回饋或前述之組合。

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