TWI706772B - 往復式運動的動作監測方法及系統 - Google Patents

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Abstract

一種往復式運動的動作監測方法及系統，監測方法適用於包括計算裝置、至少一重力感測器及至少一肌電信號感測器的監測系統，重力感測器置於人體的至少一運動部位，肌電信號感測器置於人體的至少一肌肉部位，所述方法包括下列步驟：在人體進行包括多個動作的往復式運動的過程中，利用重力感測器偵測各運動部位與人體一參考位置的相對角度，並利用肌電信號感測器偵測肌肉部位的啟動順序；依據所偵測的各運動部位的相對角度，判斷人體所進行的動作；藉由動作及肌肉部位的啟動順序判斷人體進行動作的施力是否正確。

Description

往復式運動的動作監測方法及系統
本發明是有關於一種動作監測方法及系統，且特別是有關於一種往復式運動的動作監測方法及系統。
在運動風氣日益興盛的今日，騎單車、跑步、爬山、登階、健走都是相當熱門的運動。然而，在使用者在進行前述運動時，錯誤的動作往往會造成人體動作的不協調，因而導致效率不佳或速度無法提升，錯誤的施力方式則容易使人發生拉傷、挫傷或骨折等運動傷害。
目前市面上的產品係透過應變規（Strain Gauge）來測量使用者在進行運動時的施力大小及功率，並無法得知使用者運動時的動作及施力方式的正確性。因此，如何在使用者進行運動時，對其動作及施力方式的正確性與協調性進行即時監測，則成為一個重要的課題。
本發明實施例提供一種往復式運動的動作監測方法及系統，其可監測人體進行往復式運動時動作與肌肉啟動順序的一致性，以監測人體施力方式是否正確，從而提升運動效率及速度。
本發明一實施例的往復式運動的動作監測方法，適用於包括計算裝置、至少一重力感測器及至少一肌電信號感測器的監測系統，重力感測器置於人體的至少一運動部位，肌電信號感測器置於人體的至少一肌肉部位，此方法包括下列步驟：在人體進行包括多個動作的往復式運動的過程中，利用重力感測器偵測各運動部位與人體一參考位置的相對角度，並利用肌電信號感測器偵測肌肉部位的啟動順序；依據所偵測的各運動部位的相對角度，判斷人體所進行的動作；藉由動作及肌肉部位的啟動順序判斷人體進行動作的施力是否正確。
本發明一實施例提供一種往復式運動的動作監測系統，其包括至少一重力感測器、至少一肌電信號感測器以及計算裝置。重力感測器置於人體的至少一運動部位。肌電信號感測器置於人體的至少一肌肉部位。計算裝置與所述重力感測器及肌電信號感測器通訊連結，並在人體進行包括多個動作的往復式運動的過程中，用以：利用重力感測器偵測各運動部位與人體一參考位置的相對角度，並利用肌電信號感測器偵測肌肉部位的啟動順序；依據所偵測的各運動部位的相對角度，判斷人體所進行的動作；以及藉由動作及肌肉部位的啟動順序判斷人體進行動作的施力是否正確。
為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明實施例提出一種往復式運動的動作監測方法及系統。此方法使用多種不同的感測器來監測關於使用者進行往復式運動時的人體資訊，包括以重力感測器偵測使用者各運動部位與人體的一參考位置的相對角度、並且以肌電信號感測器偵測使用者各肌肉部位的啟動順序。藉由整合這些資訊，可判斷出使用者目前進行的動作是否正確，以及進行動作的施力方式是否正確。本發明實施例的方法可應用於單車騎乘、跑步、爬山、登階、健走等運動的動作監測，以下分別提供實施例加以說明。
圖1A是依照本發明一實施例所繪示之往復式運動的動作監測系統的方塊圖。請參照圖1A，本實施例的動作監測系統100包括計算裝置110、至少一個重力感測器（gravity sensor; G sensor）120~122以及至少一個肌電信號感測器（electromyography sensor; EMG sensor）130~132。重力感測器120~122設置於人體的至少一個運動部位，以往復式踩踏運動為例，運動部位可以是膝部、踝部與足部（包括腳跟及腳掌）等。肌電信號感測器130~132設置於人體的至少一個肌肉部位，以腿部肌肉為例，肌肉部位可以是股四頭肌、股二頭肌、腓腸肌、脛骨肌、比目魚肌、股直肌、臀大肌等。計算裝置110分別連接重力感測器120~122與肌電信號感測器130~132。需說明的是，為簡化說明，本實施例的圖1的動作監測系統100僅繪示三個重力感測器120~122以及三個肌電信號感測器130~132作為範例，然本領域具通常知識者可依據實際應用情境適當調整重力感測器及肌電信號感測器的數量，本實施例並不予以限制。
肌電信號感測器130~132及重力感測器120~122例如是穿戴式裝置，其例如是以能夠由使用者穿戴或配戴的貼片、綁帶、護腰、護膝、護踝、皮帶、褲子、襪子或鞋子等型式來實施，但不限於此。在一實施例中，計算裝置110例如是手機、平板電腦、手環、手錶、眼鏡等智慧型裝置，而在其他實施例中，計算裝置110也可以是配置於往復式運動所騎乘或使用的裝置上（例如是配置於單車上），但不限於此。
肌電信號感測器130~132及重力感測器120~122分別經由連接裝置（未繪示）以有線或無線的方式與計算裝置110連接。對於有線方式而言，連接裝置可以是通用序列匯流排（universal serial bus，USB）、RS232、通用非同步接收器/傳送器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）、內部整合電路（I2C）、序列周邊介面（serial peripheral interface，SPI）、顯示埠（display port）、雷電埠（thunderbolt）或區域網路（local area network，LAN）介面，但不限於此。對於無線方式而言，連接裝置可以是無線保真（wireless fidelity，Wi-Fi）模組、無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）模組、藍芽模組、紅外線模組、近場通訊（near-field communication，NFC）模組或裝置對裝置（device-to-device，D2D）模組，亦不限於此。
計算裝置110例如包括儲存裝置及處理器（未繪示）。其中，儲存裝置例如是任何型態的隨機存取記憶體（random access memory，RAM）、唯讀記憶體（read-only memory，ROM）、快閃記憶體（flash memory）、硬碟或類似元件或上述元件的組合。處理器例如是中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（Microprocessor）、數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）或其他類似裝置或這些裝置的組合。在本實施例中，處理器可從儲存裝置載入電腦程式，以執行本發明實施例的往復式運動的動作監測方法。
圖1B是依照本發明一實施例所繪示之往復式運動的動作監測方法的流程圖。請同時參照圖1A及圖1B，本實施例的方法適用於圖1A的動作監測系統100，以下即搭配動作監測系統100中各元件之間的作動關係來說明本發明實施例之往復式運動的動作監測方法的詳細步驟。
首先，在步驟S110中，在人體進行包括多個動作的往復式運動（例如單車騎乘、跑步、爬山、登階、健走等運動）的過程中，計算裝置110可利用重力感測器120~122來偵測人體各運動部位與人體一參考位置之間的相對角度，並利用肌電信號感測器130~132來偵測人體肌肉部位的啟動順序。接著，在步驟S120中，計算裝置110可依據所偵測到的各運動部位與人體一參考位置之間的相對角度，來判斷人體當前所進行的動作。其中，計算裝置110例如是以水準線為基準，計算人體膝部相對於臀部的相對角度，或是計算人體踝部相對於膝部的相對角度，在此不設限。計算裝置110會藉由判斷所得的動作取得此動作之肌肉部位的啟動順序的參考資料，所述參考資料例如可以是事先儲存一儲存裝置（或遠端伺服器）的關於此動作之正確的肌肉部位啟動順序。最後，於步驟S130中，計算裝置110將所偵測到的肌肉部位的啟動順序與所取得參考資料中記錄的肌肉部位的啟動順序進行比對，以判斷人體進行所述動作的施力是否正確。如此一來，本實施例可監測人體在進行往復式運動時肌肉啟動順序的正確性，並藉此提升使用者進行往復式運動的效率。
在一實施例中，計算裝置110例如會在自身的儲存裝置中儲存不同種類的往復式運動中實施各動作的運動部位角度變化以及正確肌肉啟動順序（即上述之參考資料）等資訊。藉此，計算裝置110能依據所偵測到的各運動部位的相對角度，藉由查詢上述資訊來判斷人體當前所進行的動作，並找出實施該動作的正確的肌肉部位啟動順序，從而與當前所偵測到的肌肉部位啟動順序進行比對，以判斷人體進行動作的施力是否正確。
在另一實施例中，動作監測系統100更包括遠端伺服器（未繪示）。遠端伺服器例如是雲端儲存裝置或雲端伺服器，其中例如會儲存上述不同種類的往復式運動中實施各動作的運動部位角度變化以及正確的肌肉部位啟動順序等資訊。藉此，計算裝置110可經由網路與遠端伺服器進行通訊，從而自遠端伺服器查詢上述資訊來判斷人體當前所進行的動作，並查詢正確的肌肉部位啟動順序，從而與當前所偵測到的肌肉部位啟動順序進行比對，以判斷人體進行動作的施力是否正確。前述的網路可例如是區域網路（local area network，LAN）或網際網路（Internet），但不限於此。
在又一實施例中，遠端伺服器除了儲存上述資訊外，還具備判斷人體當前動作及施力是否正確的功能。詳言之，計算裝置110例如會經由網路與遠端伺服器通訊，將所偵測到的各運動部位與人體之間的相對角度，以及肌肉部位的啟動順序傳送到遠端伺服器，而接收由遠端伺服器對於施力是否正確的判斷結果。詳言之，遠端伺服器例如會依據從計算裝置110接收到的資訊來判斷人體當前所進行的動作，並查詢正確的肌肉部位啟動順序，從而與從計算裝置110接收到的肌肉部位啟動順序進行比對，以判斷人體進行動作的施力是否正確，最後再將判斷結果回傳計算裝置110。
綜上，本發明實施例的動作監測系統100可由計算裝置110自行判斷人體進行動作的施力是否正確，可藉由遠端伺服器來輔助判斷人體進行動作的施力是否正確，亦可直接由遠端伺服器判斷人體進行動作的施力是否正確，本發明對此並不加以限定。
此外，在一實施例中，計算裝置110例如包括警示裝置，其例如是顯示器、揚聲器、發光二極體（light-emitting diode，LED）陣列或震動器或上述裝置的任意組合，而能夠以視覺、聽覺及/或觸覺的方式提示使用者注意其動作錯誤或施力方式錯誤。在其他實施例中，警示裝置也可配置於重力感測器120~122及/或肌電信號感測器130~132上，用以警示使用者，在此不設限。
以下說明本發明實施例的動作監測系統100的各種使用情境。以單車騎乘運動為例，動作監測系統100例如僅使用兩個重力感測器（例如是重力感測器120~121），而分別置於人體的臀部及膝部，肌電信號感測器（例如是肌電信號感測器130~132）則分別置於人體臀部及膝部之間的肌肉部位，例如是股四頭肌、股二頭肌、臀部肌群。圖2A是依照本發明一實施例所繪示之往復式運動的動作監測方法的流程圖。請同時參照圖1A及圖2A，本實施例適用於圖1A的動作監測系統100，其步驟如下：
首先，在步驟S210中，在進行單車騎乘運動的過程中，計算裝置110利用置於臀部及膝部的重力感測器120、121，以水準線為基準，來計算臀部及膝部之相對角度，並且利用置於臀部、膝部及踝部之間的肌肉部位的肌電信號感測器130~132來偵測肌肉部位的啟動順序。
接著，在步驟S220中，計算裝置110則可利用所計算的相對角度來估測人體的腳部踩踏腳踏裝置之踏板的曲柄角度。
詳細來說，在一實施例中，在使用者進行單車騎乘運動前，本實施例可先對使用者騎乘單車的動作進行測試，例如，計算裝置110會要求使用者騎乘單車一段時間，並在騎乘期間收集使用者對單車踏板實施各種踩踏/拉提動作時，其臀部及膝部之間的相對角度與當下曲柄角度等資訊，從而將所收集的資訊記錄於計算裝置110的儲存裝置，或上傳至遠端伺服器，以供後續查詢比對。如此一來，當使用者實際在騎乘單車時，計算裝置110即可依據當時所偵測到的人體臀部及膝部之間的相對角度，藉由查詢儲存裝置（或遠端伺服器），而估測出人體腳部踩踏腳踏裝置之踏板的曲柄角度。
在另一實施例中，計算裝置110亦可先取得單車的規格（例如是單車各構件的尺寸、結構），並在對使用者騎乘單車的動作進行測試期間，收集使用者對單車踏板實施各種踩踏/拉提動作時，其踝部（代表踏板位置）相對於臀部（代表座墊位置）的相對位置，從而根據單車規格中記錄的踏板與座墊之間的幾何關係，估算出曲柄角度。而藉由將所收集的資訊記錄於計算裝置110的儲存裝置，或上傳至遠端伺服器，後續即可藉由查詢來比對出曲柄角度。
接著，在步驟S230中，計算裝置110根據曲柄角度來判斷腳部對踏板所進行的踩踏動作或拉提動作。在一實施例中，計算裝置110會判斷所估測的曲柄角度是否落在預定角度範圍（例如90±10），若判斷結果為是，則可判定此時使用者的腳部（例如為左腳）正對踏板進行踩踏動作，而另一腳（右腳）則正對踏板進行拉提動作。在其他實施例中，計算裝置110會判斷所估測的曲柄角度是否落在另一預定角度範圍（例如200±10），若判斷結果為是，則可判定此時使用者的腳部（例如為右腳）正對踏板進行拉提動作，而另一腳（左腳）則正對踏板進行踩踏動作。
舉例來說，圖2B是依照本發明圖2A實施例所繪示之使用者踩踏動作及拉提動作與曲柄角度之間的關係圖。請參照圖2B，本實施例繪示使用者腳部在踩踏或拉提踏板時，齒盤GP與曲柄CRK的位置與人體腳部執行踩踏動作及拉提動作之間的關係。其中，當曲柄CRK的方向為水準朝右時，曲柄角度為90度，此時可判定使用者正執行踩踏動作；當曲柄CRK的方向為垂直向下時，曲柄角度為180度，此時可判定使用者準備執行拉提動作；當曲柄CRK的方向為水準朝左時，曲柄角度為270度，此時可判定使用者仍在執行拉提動作；當曲柄CRK的方向為垂直向上時，曲柄角度為360度，此時可判定使用者未執行動作或準備執行下一個踩踏動作。藉由觀察或記錄使用者對於踏板的踩踏或拉提動作，可獲知使用者執行踩踏及拉提動作所對應的曲柄角度。據此，每當本發明實施例的計算裝置110計算出曲柄角度，即可根據所計算的曲柄角度判斷出使用者對踏板所進行的踩踏動作或拉提動作。
據此，在步驟S240中，計算裝置110藉由判斷所得的動作取得其肌肉部位的啟動順序的參考資料，並將所偵測到的肌肉部位的啟動順序與肌肉部位啟動順序的參考資料進行比對，以判斷人體進行動作的施力是否正確。
在一實施例中，若所判斷的動作為踩踏動作，則可取得與該踩踏動作對應的參考資料，其中記錄肌肉部位啟動順序為臀大肌→股四頭肌，計算裝置110藉由將所偵測到的肌肉部位的啟動順序與上述參考資料進行比對，即可判定人體進行動作的施力是否正確。在其他實施例中，若所判斷的動作為拉提動作，則可取得與該拉提動作對應的參考資料，其中記錄肌肉部位啟動順序為脛前肌→股二頭肌→髂腰肌，計算裝置110藉由將所偵測到的肌肉部位的啟動順序與上述參考資料進行比對，即可判定人體進行動作的施力是否正確；其中各動作所對應的肌肉部位啟動順序之參考資料可事先儲存於儲存裝置（或遠端伺服器）。
在一實施例中，使用兩個重力感測器還可用以判斷跑步運動的動作是否正確。圖3是依照本發明另一實施例所繪示之人體進行往復式運動的範例。請同時參照圖1及圖3，在進行跑步運動時，動作監測系統100例如僅使用兩個重力感測器（例如是重力感測器120~121），而分別置於人體的臀部及膝部，肌電信號感測器（例如肌電信號感測器130~132）則分別置於人體腿部的肌肉部位，例如可選自於臀部肌群、股四頭肌、股二頭肌、小腿肌群等。在本實施例中，動作監測系統100更包括配置於人體的腳部的壓力感測器（未繪示），本實施例的方法步驟如下：
在進行跑步運動的過程中，計算裝置110利用分別置於臀部及膝部的重力感測器120、121，以水準線（例如圖3中的虛線）為基準，來計算膝部相對於臀部的相對角度（如圖3所示臀部及膝部連接線與水準線之間的夾角ΘH1 、ΘH2 ），並且利用置於腿部的肌肉部位的肌電信號感測器130~132來偵測腿部肌肉部位的啟動順序。
計算裝置110會利用壓力感測器來偵測腳部是否落地。而當壓力感測器偵測到腳部落地時，計算裝置110便會判斷當前所計算的臀部及膝部的相對角度是否落在預定角度範圍（例如30±10）內，藉此以判斷人體所進行的跑步動作是否正確。
其中，當腳部落地時，若計算裝置110判斷當前所計算的人體臀部及膝部的相對角度ΘH1 （例如為70並未落在預定角度範圍內，計算裝置110便可判斷此時人體所進行的跑步動作不正確。相對地，若計算裝置110判斷當前所計算的人體臀部及膝部的相對角度ΘH2 （例如為35是落在預定角度範圍內，計算裝置110便會判斷此時人體所進行的跑步動作正確。
除了判斷跑步動作是否正確外，計算裝置110亦可判斷使用者進行跑步動作的施力是否正確。舉例來說，跑步動作可分為四個時期，分別是接觸地面期、站立期、邁步期以及擺動期。以左腳著地後所進行的跑步動作為例，在接觸地面期，肌肉部位啟動順序為左腳的拓建膜→距下關節（即肌肉部位啟動順序的參考資料）；在站立期，肌肉部位啟動順序為左腳的跟腱→比目魚肌→腓腸肌（即肌肉部位啟動順序的參考資料）；在邁步期，肌肉部位啟動順序為腹肌→骨盆→左右腳的股二頭肌（即肌肉部位啟動順序的參考資料）；在擺動期，肌肉部位啟動順序則為右腳的股二頭肌→右腳的股直肌（即肌肉部位啟動順序的參考資料）。計算裝置110藉由將所偵測到的肌肉部位的啟動順序與上述參考資料進行比對，即可判定人體進行動作的施力是否正確；其中各動作所對應的肌肉部位啟動順序之參考資料可事先儲存於儲存裝置（或遠端伺服器）。
在一實施例中，當判斷人體所進行的跑步動作不正確時，計算裝置110例如會執行警示動作，以提醒使用者當前人體進行的跑步動作不正確。舉例來說，計算裝置110例如會在腳跟及腳掌分別配置壓力感測器，以偵測使用者跑步驟是腳掌先落地還是腳跟先落地。其中，若計算裝置110判斷使用者跑步時是腳跟先落地，則可判定使用者的跑步動作不正確，而執行警示動作。若計算裝置110判斷使用者跑步時是以腳掌先落地，但著地時臀部及膝部之間的相對角度並未落在預定角度範圍內，則同樣會判定使用者的跑步動作不正確，並執行警示動作。
在一實施例中，動作監測系統100例如可使用三個重力感測器（例如是重力感測器120~122），而分別置於人體的臀部、膝部及踝部，肌電信號感測器（例如是肌電信號感測器130~132）則分別置於人體臀部及踝部之間的肌肉部位。圖4A是依照本發明另一實施例所繪示之往復式運動的動作監測方法的流程圖。請同時參照圖1及圖4A，本實施例適用於圖1A的動作監測系統100，其步驟如下：
首先，在步驟S410中，在進行單車騎乘運動的過程中，計算裝置110利用放置於臀部、膝部及踝部的重力感測器120~122，以水準線為基準來計算臀部與膝部之間的第一相對角度，以及膝部與踝部之間的第二相對角度，並且利用放置於臀部及踝部之間的肌肉部位的肌電信號感測器130~132來偵測肌肉部位的啟動順序。
接著，在步驟S420中，計算裝置110利用所計算的第一相對角度及第二相對角度來估測人體的腳部踩踏腳踏裝置之踏板的曲柄角度。
詳細來說，類似圖2A的實施例，本實施例在使用者進行單車騎乘運動前，同樣可先對使用者騎乘單車的動作進行測試，或者先取得單車的規格。而計算裝置110可藉由要求使用者騎乘單車一段時間，並在騎乘期間收集使用者對單車踏板實施各種踩踏/拉提動作時，其臀部及膝部之間的相對角度與曲柄角度等資訊，或是其踝部相對於臀部的相對位置與曲柄角度的關係，從而將所收集的資訊記錄於計算裝置110的儲存裝置，或上傳至遠端伺服器，以供後續查詢比對。如此一來，計算裝置110即可依據當時所偵測到的臀部與膝部之間的第一相對角度，以及膝部與踝部之間的第二相對角度，查詢儲存裝置（或遠端伺服器），而估測出人體腳部踩踏腳踏裝置之踏板的踏板角度。
圖4B是依照本發明圖4A實施例所繪示之估測人體的腳部踩踏腳踏裝置之踏板的曲柄角度的範例。在本實施例中，人體腳部與腳踏裝置的相對位置如圖4B所繪示，其中座標點H是臀部的位置，座標點K是膝部的位置，座標點H、K之間的直線L1代表大腿。直線L1的斜率mHK 的計算方式為：
Figure 107147566-A0304-0001
其中，YH 為座標點H在Y軸上的位置，YK 為座標點K在Y軸上的位置，XH 為座標點H在X軸上的位置，XK 為座標點K在X軸上的位置。此直線L1與座標點H所在的水準線H1所形成的角度ΘH 即為第一相對角度。
另一方面，人體踝部位在座標點A的位置，座標點K、A之間直線L2代表小腿。直線L2的斜率mKA 的計算方式為：
Figure 107147566-A0304-0002
其中，YA 為座標點A在Y軸上的位置，YK 為座標點K在Y軸上的位置，XA 為座標點A在X軸上的位置，XK 為座標點K在X軸上的位置。此直線L2與座標點K所在的水準線H2所形成的角度ΘR 即為第二相對角度，並且直線L2與座標點A所在的水準線H3所形成的角度同樣為第二相對角度ΘR 。
接著，計算裝置110便可利用三角函數的原理：
Figure 107147566-A0304-0003
 對
Figure 02_image007
進行
Figure 02_image009
運算來得到
Figure 02_image011
的角度，其中
Figure 107147566-A0304-0004
藉由運算式(1)~(4)，計算裝置110即可得到由直線L2與直線L1所形成的膝部夾角ΘK ，即第一相對角度ΘH 與第二相對角度ΘR 的總和。
利用上述的第一相對角度ΘH 及第二相對角度ΘR ，並結合先前已取得的單車規格之參數（例如是單車踏板與坐墊之間的相對位置或距離），計算裝置110即可估測出人體腳部踩踏腳踏裝置之踏板的曲柄角度。其中，座標點PA1、PA0、PA2連線所形成的虛線部分代表踏板，齒盤GP的中心點G1至踏板中心PA0的直線代表曲柄CRK，而此直線與垂直線之間的角度即為曲柄角度。
回到圖4A的流程，在步驟S430中，計算裝置110根據曲柄角度來判斷腳部對踏板所進行的踩踏動作或拉提動作。舉例來說，計算裝置110判斷所估測的曲柄角度是否落在預定角度範圍（例如90±10），若判斷結果為是，則可判定此時使用者的腳部（例如為左腳）正對踏板進行踩踏動作，而另一腳（右腳）則正對踏板進行拉提動作。在其他實施例中，計算裝置110會判斷所估測的曲柄角度是否落在預定角度範圍（例如200±10），若判斷結果為是，則可判定此時使用者的腳部（例如為右腳）正對踏板進行拉提動作，而另一腳（左腳）則正對踏板進行踩踏動作。
據此，在步驟S440中，藉由計算裝置110取得步驟S430中所判斷的動作之肌肉部位的啟動順序的參考資料，並將肌肉部位的啟動順序與參考資料進行比對，以判斷人體進行動作的施力是否正確。其中，計算裝置110判斷人體進行動作的施力是否正確的實施方式與前述實施例中的步驟S240相同或相似，故詳細內容在此不再贅述。
在一實施例中，使用三個重力感測器還可偵測出爬山運動是否正確。圖5A是依照本發明另一實施例所繪示之往復式運動的動作監測方法的流程圖。請同時參照圖1及圖5A，在進行爬山運動時，動作監測系統100例如使用三個重力感測器（例如是重力感測器120~122），而分別置於人體的臀部、膝部及踝部，肌電信號感測器（例如肌電信號感測器130~132）則分別置於人體腿部的肌肉部位，例如可以選自臀部肌群、股四頭肌、股二頭肌、小腿肌群等。本實施例的方法步驟如下：
在步驟S510中，在人體進行包括多個動作的爬山運動的過程中，計算裝置110利用放置於臀部、膝部及踝部的重力感測器120~122，以水準線為基準來計算臀部與膝部之間的第一相對角度，以及計算膝部與踝部之間的第二相對角度（可參考上述步驟S410中關於臀部與膝部之間的第一相對角度，以及膝部與踝部之間的第二相對角度之說明），並且利用放置於臀部及膝部之間的肌肉部位的肌電信號感測器130~132來偵測肌肉部位的啟動順序。
在步驟S520中，計算裝置110利用所計算的第一相對角度及第二相對角度來估測人體膝部的膝部夾角。其中，本實施例估測人體膝部的膝部夾角的方式與前述圖4實施例相同或相類似，故其詳細內容在此不重複贅述。
接著，在步驟S530中，計算裝置110會判斷膝部夾角是否在預定角度範圍內，以判斷人體所進行的動作。在一實施例中，計算裝置110會判斷所估測的膝部夾角是否從180預定角度範圍（例如155±10），若判斷結果為是，則可判定此時使用者正在進行上下坡動作（或上下樓梯動作）。在其他實施例中，計算裝置110會判斷所估測的膝部夾角是否從180預定角度範圍（例如175±10），若判斷結果為是，則可判定此時使用者正在進行走路動作。
據此，在步驟S540中，計算裝置110藉由步驟S530中所判斷的動作取得肌肉部位的啟動順序的參考資料，並將所測得的肌肉部位的啟動順序與此參考資料進行比對，以判斷人體進行動作的施力是否正確。即，根據所判斷的動作是上下坡動作還是步行動作，計算裝置110可查詢其對應的正確肌肉啟動順序，從而與所偵測到的肌肉部位啟動順序進行比對，以判斷人體進行動作的施力是否正確。其中對應的正確肌肉啟動順序之參考資料可事先儲存於儲存裝置（或遠端伺服器）。其中，若計算裝置110判斷人體進行動作施力正確，則進入步驟S550，不進行警示。反之，若計算裝置110判斷人體進行動作施力不正確，則進入步驟S560，利用警示裝置警示施力不正確，以提醒使用者矯正施力方式。
舉例來說，圖5B至圖5E是依照本發明圖5A實施例所繪示之人體進行爬山運動中的上坡動作的範例。在此為方便說明，以人體左腳先上坡的方式作為示範性實施例，然本實施例並不限定上坡動作為左腳或右腳，亦即可左右交替。
在進行上坡動作時，如圖5B所示，使用者會將左腳往前踏至前方階梯，此時肌肉部位的啟動順序為左腳的臀大肌→左腳的股四頭肌→左腳的股二頭肌。接著，如圖5C所示，使用者的左腳會往下用力以踏穩階梯，此時肌肉部位的啟動順序為左腳的腓腸肌→左腳的腳掌。在使用者進行重心轉移（即將重心從左腳轉移至右腳）時，如圖5D所示，此時肌肉部位的啟動順序為左腳的腓腸肌→左腳的股四頭肌→左腳的股二頭肌。最後，當使用者完成重心轉移，並接續將右腳跨上階梯時，如圖5E所示，此時肌肉部位的啟動順序為右腳的脛前肌→右腳的股二頭肌→右腳的腳掌。據此，人體可藉由完成圖5B至圖5E的動作來實現一次完整的上坡動作。
另一方面，圖5F至圖5I是依照本發明圖5A實施例所繪示之人體進行爬山運動中的下坡動作的範例。在此為方便說明，同樣以人體左腳先下坡的方式作為示範性實施例，然本實施例並不限定下坡動作為左腳或右腳，亦即可左右交替。
在進行下坡動作時，如圖5F所示，使用者會先將左腳往側邊方向移向下方階梯，此時肌肉部位的啟動順序為右腳的股四頭肌→右腳的腓腸肌→左腳的臀大肌→左腳的脛前肌。接著，如圖5G所示，使用者的左腳會踩踏至下方階梯，此時的肌肉啟動順序為左腳的腓腸肌→左腳的腳掌。之後，使用者的左腳會往下用力以踏穩階梯，如圖5H所示，此時肌肉部位的啟動順序為左腳的腓腸肌→左腳的股四頭肌→左腳的脛前肌。最後，使用者會接續將右腳踏至下方階梯，如圖5I所示，此時肌肉部位的啟動順序為左腳的股四頭肌→左腳的腓腸肌→右腳的臀大肌→右腳的股四頭肌→右腳的脛前肌→右腳掌。
根據上述的上下坡動作之肌肉部位啟動順序，計算裝置110便可在步驟S540中，將所判斷的上下坡動作或步行動作對應的肌肉部位啟動順序，與當前所偵測到的肌肉部位的啟動順序進行比對，以判斷使用者進行上下坡動作的施力是否正確。
在一實施例中，上述利用膝部夾角判斷人體動作及其進行動作時的施力方式是否正確的實施方式還可與壓力感測器的偵測結合，以同時判斷所進行動作及進行動作的施力是否正確。舉例來說，圖6是依照本發明另一實施例所繪示之往復式運動的動作監測方法的流程圖。請同步參照圖1及圖6，在本實施例中，動作監測系統100更包括配置於人體腳掌及腳跟的壓力感測器，本實施例的方法步驟如下：
在步驟S610中，在進行爬山運動的過程中，計算裝置110利用放置於臀部、膝部及踝部的重力感測器120~122，以水準線為基準來計算臀部與膝部之間的第一相對角度，以及膝部與踝部之間的第二相對角度，並且利用放置於臀部及踝部之間的肌肉部位的肌電信號感測器130~132來偵測肌肉部位的啟動順序。
在步驟S620中，計算裝置110利用所計算的第一相對角度及第二相對角度來估測人體的膝部的膝部夾角。其中，本實施例估測人體膝部夾角的方式與前述圖4實施例相同或相似，故其詳細內容在此不重複贅述。
接著，在步驟S630中，計算裝置110會利用壓力感測器來偵測人體進行爬山運動中的上下坡動作時，為腳掌或腳跟先落地。由於以腳跟先落地的方式會對人體膝部造成較大的衝擊力，而可能導致運動傷害，因此，若偵測到腳跟先落地，則計算裝置110會判斷動作不正確，而在步驟S640中，利用警示裝置警示動作不正確。相對地，若偵測到腳掌先落地，則計算裝置110會在步驟S650中，進一步判斷所計算的膝部夾角是否在預設角度範圍內，以判斷人體所進行的動作是否正確。其中，計算裝置110例如會依據前述圖5A實施例的步驟S530判斷人體所進行的動作外，還會判斷所計算的膝部夾角是否在預設角度範圍內，以判斷人體所進行的動作是否正確。例如，判斷膝部夾角是否落在預定角度範圍（例如155±10），以判定使用者所進行的上坡動作是否正確。其中，若判斷動作不正確，則在步驟S640中，計算裝置110會利用警示裝置警示動作不正確。相對地，若判斷動作正確，則計算裝置110會在步驟S660中，藉由步驟S650中所判斷的動作取得肌肉部位的啟動順序的參考資料，以將所測得的肌肉部位的啟動順序與此參考資料進行比對，以判斷人體進行動作的施力是否正確。其中，若計算裝置110判斷人體進行動作施力正確，則進入步驟S670，不進行警示。反之，若計算裝置110判斷人體進行動作施力不正確，則進入步驟S680，利用警示裝置警示施力不正確，以提醒使用者矯正施力方式。上述步驟S660~S680的實施方式與前述實施例的步驟S540~S560相同或相似，故其詳細內容在此不再贅述。
綜上所述，本發明實施例的往復式運動的動作監測方法及系統同步利用重力感測器與肌電信號感測器的感測資料，來判斷使用者進行單車騎乘、跑步、爬山、登階、健走等運動時的各個動作是否正確以及實施各個動作的施力方式是否正確，從而藉由發出警示的方式，提醒使用者矯正動作或施力方式，藉此可降低發生運動傷害的機率，並可提升運動效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:動作監測系統110:計算裝置120~122:重力感測器130~132:肌電信號感測器CRK:曲柄G1:齒盤中心GP:齒盤H1~H3:水準線L1、L2:直線mHK、mKA:斜率P、K、A、PA0~PA2:座標點S110~S130、S210~S240、S410~S440、S510~S560、S610~S680:步驟ΘK:膝部夾角ΘH1、ΘH2、ΘH、ΘHK、ΘR、ΘA:角度
圖1A是依照本發明一實施例所繪示之往復式運動的動作監測系統的方塊圖。 圖1B是依照本發明一實施例所繪示之往復式運動的動作監測方法的流程圖。 圖2A是依照本發明另一實施例所繪示之往復式運動的動作監測方法的流程圖。 圖2B是依照本發明圖2A實施例所繪示之使用者踩踏動作及拉提動作與曲柄角度之間的關係圖。 圖3是依照本發明另一實施例所繪示之人體進行往復式運動的範例。 圖4A是依照本發明另一實施例所繪示之往復式運動的動作監測方法的流程圖。 圖4B是依照本發明圖4A實施例所繪示之估測人體的腳部踩踏腳踏裝置之踏板的曲柄角度的範例。 圖5A是依照本發明另一實施例所繪示之往復式運動的動作監測方法的流程圖。 圖5B至圖5I是依照本發明圖5A實施例所繪示之人體進行往復式運動的範例。 圖6是依照本發明另一實施例所繪示之往復式運動的動作監測方法的流程圖。
S110~S130:步驟

Claims (20)

  1. 一種往復式運動的動作監測方法，適用於包括計算裝置、多個重力感測器及多個肌電信號感測器的監測系統，所述多個重力感測器置於人體的多個運動部位，所述肌電信號感測器置於所述人體的至少一肌肉部位，所述方法包括下列步驟：在所述人體進行包括多個動作的往復式運動的過程中，利用所述多個重力感測器偵測各所述運動部位，其中所述多個重力感測器之至少一個提供所述人體的一參考位置，所述參考位置隨所述人體的所述運動部位的移動而移動，而所述多個重力感測器之其它個用於偵測各所述運動部位與所述參考位置之間的相對角度，並利用所述肌電信號感測器偵測所述肌肉部位的啟動順序；依據所偵測的各所述運動部位的所述相對角度，判斷所述人體所進行的所述動作；以及藉由所述動作及所述肌肉部位的啟動順序判斷所述人體進行所述動作的施力是否正確。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的動作監測方法，其中藉由所述動作及所述肌肉部位的啟動順序判斷所述人體進行所述動作的施力是否正確包括：藉由所述動作取得所述動作之肌肉部位的啟動順序的參考資料，並將所述肌肉部位的啟動順序與所述參考資料進行比對，以判斷所述人體進行所述動作的施力是否正確。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的動作監測方法，其中利用所述多個重力感測器偵測各所述運動部位與所述人體的所述參考位置的所述相對角度，並利用所述肌電信號感測器偵測所述肌肉部位的所述啟動順序的步驟包括：利用置於臀部及膝部的所述多個重力感測器來計算所述臀部及所述膝部之間的相對角度，並據以判斷所述人體所進行的所述動作；以及利用置於所述臀部及所述膝部之間的所述肌肉部位的所述肌電信號感測器來偵測所述肌肉部位的所述啟動順序。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的動作監測方法，其中利用置於所述臀部及所述膝部的所述多個重力感測器來計算所述臀部及所述膝部之間的所述相對角度，並據以判斷所述人體所進行的所述動作的步驟包括：利用所計算的所述相對角度估測所述人體的腳部踩踏腳踏裝置之踏板的曲柄角度；以及根據所述曲柄角度判斷所述腳部對所述腳踏裝置所進行的踩踏動作或拉提動作。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的動作監測方法，其中所述監測系統更包括配置於所述人體的腳部的壓力感測器，且利用置於所述臀部及所述膝部的所述多個重力感測器來計算所述臀部及所述膝部之間的所述相對角度，並據以判斷所述人體所進行的所述動作的步驟包括： 利用所述壓力感測器偵測所述腳部是否落地；以及當所述壓力感測器偵測到所述腳部落地時，判斷所計算的所述相對角度是否在預定角度範圍內，以判斷所述人體所進行的所述動作是否正確。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的動作監測方法，其中利用所述多個重力感測器偵測各所述運動部位與所述人體的所述參考位置的所述相對角度，並利用所述肌電信號感測器偵測所述肌肉部位的啟動順序的步驟包括：利用置於臀部、膝部及踝部的所述多個重力感測器來計算所述臀部及所述膝部之間的第一相對角度與所述膝部及所述踝部之間的第二相對角度，並據以判斷所述人體所進行的所述動作；以及利用置於所述臀部及所述踝部之間的所述肌肉部位的所述肌電信號感測器來偵測所述肌肉部位的所述啟動順序。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的動作監測方法，其中利用置於所述臀部、所述膝部及所述踝部的所述多個重力感測器來計算所述臀部及所述膝部之間的所述第一相對角度與所述膝部及所述踝部之間的所述第二相對角度，並據以判斷所述人體所進行的所述動作的步驟包括：利用所計算的所述第一相對角度及所述第二相對角度估測所述人體的腳部踩踏腳踏裝置之踏板的曲柄角度；以及 根據所述曲柄角度判斷所述腳部對所述踏板所進行的踩踏動作或拉提動作。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的動作監測方法，其中利用置於所述臀部、所述膝部及所述踝部的所述多個重力感測器來計算所述臀部及所述膝部之間的所述第一相對角度與所述膝部及所述踝部之間的所述第二相對角度，並據以判斷所述人體所進行的所述動作的步驟包括：利用所計算的所述第一相對角度及所述第二相對角度估測所述膝部的膝部夾角；以及判斷所述膝部夾角是否在預定角度範圍內，以判斷所述人體所進行的所述動作。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的動作監測方法，其中所述監測系統更包括配置於所述人體的腳掌及腳跟的至少其中之一的壓力感測器，且判斷所述膝部夾角是否在所述預定角度範圍內，以判斷所述人體所進行的所述動作的步驟包括：利用所述壓力感測器偵測所述腳掌或所述腳跟先落地；若偵測到所述腳跟先落地，判斷所述人體所進行的所述動作不正確；以及若偵測到所述腳掌先落地，判斷所計算的所述膝部夾角是否在所述預定角度範圍內，以判斷所述人體所進行的所述動作是否正確。
  10. 一種往復式運動的動作監測系統，包括： 多個重力感測器，置於人體的多個運動部位；多個肌電信號感測器，置於所述人體的至少一肌肉部位；以及計算裝置，與所述多個重力感測器及所述肌電信號感測器通訊連接，在所述人體進行包括多個動作的往復式運動的過程中，用以：利用所述多個重力感測器偵測各所述運動部位，其中所述多個重力感測器之至少一個提供所述人體的一參考位置，所述參考位置隨所述人體的所述運動部位的移動而移動，而所述多個重力感測器之其它個用於偵測各所述運動部位與所述參考位置之間的相對角度，並利用所述肌電信號感測器偵測所述肌肉部位的啟動順序；依據所偵測的各所述運動部位的所述相對角度，判斷所述人體所進行的所述動作；以及藉由所述動作及所述肌肉部位的啟動順序判斷所述人體進行所述動作的施力是否正確。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的動作監測系統，其中所述計算裝置包括：藉由所述動作取得所述動作之肌肉部位的啟動順序的參考資料，並將所述肌肉部位的啟動順序與所述參考資料進行比對，以判斷所述人體進行所述動作的施力是否正確。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的動作監測系統，其中所述計算裝置包括：利用置於臀部及膝部的所述多個重力感測器來計算所述臀部及所述膝部之間的相對角度，並據以判斷所述人體所進行的所述動作；以及利用置於所述臀部及所述膝部之間的所述肌肉部位的所述肌電信號感測器來偵測所述肌肉部位的所述啟動順序。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的動作監測系統，其中所述計算裝置包括：利用所計算的所述相對角度估測所述人體的腳部踩踏腳踏裝置之踏板的曲柄角度；以及根據所述曲柄角度判斷所述腳部對所述踏板所進行的踩踏動作或拉提動作。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的動作監測系統，其中所述動作監測系統更包括：壓力感測器，與所述計算裝置通訊，其中所述壓力感測器配置於所述人體的腳部，其中所述計算裝置更包括：利用所述壓力感測器偵測所述腳部是否落地；以及當所述壓力感測器偵測到所述腳部落地時，判斷所計算的所述相對角度是否在預定角度範圍內，以判斷所述人體所進行的所述動作是否正確。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的動作監測系統，其中所述計算裝置包括：利用置於臀部、膝部及踝部的所述多個重力感測器來計算所述臀部及所述膝部之間的第一相對角度與所述膝部及所述踝部之間的第二相對角度，並據以判斷所述人體所進行的所述動作；以及利用置於所述臀部及所述踝部之間的所述肌肉部位的所述肌電信號感測器來偵測所述肌肉部位的所述啟動順序。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的動作監測系統，其中所述計算裝置包括：利用所計算的所述第一相對角度及所述第二相對角度估測所述人體的腳部踩踏腳踏裝置之踏板的曲柄角度；以及根據所述曲柄角度判斷所述腳部對所述踏板所進行的踩踏動作或拉提動作。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的動作監測系統，其中所述計算裝置包括：利用所計算的所述第一相對角度及所述第二相對角度估測所述膝部的膝部夾角；以及判斷所述膝部夾角是否在預定角度範圍內，以判斷所述人體所進行的所述動作。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的動作監測系統，其中所述動作監測系統更包括： 壓力感測器，與所述計算裝置通訊，其中所述壓力感測器配置於所述人體的腳掌及腳跟的至少其中之一，其中所述計算裝置更包括：利用所述壓力感測器偵測所述腳掌或所述腳跟先落地；若偵測到所述腳跟先落地，判斷所述人體所進行的所述動作不正確；以及若偵測到所述腳掌先落地，判斷所計算的所述膝部夾角是否在所述預定角度範圍內，以判斷所述人體所進行的所述動作是否正確。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的動作監測系統，其中所述計算裝置更包括：判斷所述膝部夾角是否在所述預定角度範圍內，以判斷所述人體所進行的所述動作是否正確；以及若判斷人體所進行的所述動作不正確，警示所述動作不正確。
  20. 如申請專利範圍第10項所述的動作監測系統，其中所述計算裝置更包括：若判斷人體進行所述動作的施力不正確，警示所述動作的施力不正確。
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