TWI713890B - 運動姿勢分析系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種運動姿勢分析系統，其包含一感測模組及一外部分析模組。感測模組設置於一球拍內，其包含一慣性感測器及一壓力感測器。慣性感測器係感測球拍之一慣性資料。壓力感測器係感測球拍之一擊球資料。感測模組對慣性資料及擊球資料進行轉換而輸出一轉換資料，並傳送轉換資料至外部分析模組。外部分析模組接收轉換資料後，透過一演算法對轉換資料進行分析處理而獲得一使用者揮拍軌跡，並與一預設揮拍軌跡比對。藉此，使用者可即時得知運動姿勢正確與否。

Description

運動姿勢分析系統及其方法

本發明是關於一種姿勢分析系統，尤其是關於一種適用於球拍類運動之運動姿勢分析系統。

隨著生活水平提高，現代人對身體健康的重視程度也日漸提高。運動為促進身體健康的一種相當好的方式，因此，從事各類運動已蔚為流行。運動姿勢的正確性，攸關最終呈現之運動效果。錯誤的運動姿勢不僅無法達到運動效果，甚或可能造成長期運動傷害。再者，對於專門從事競賽運動之運動員，其運動姿勢的正確性，更攸關其勝敗。多數人於從事運動時皆無從即時得知其自身之運動姿勢，因此無法即時判斷運動姿勢之正確性。現雖有使用影像或其他形式記錄者，然僅能於事後播放，無法達到即時呈現之效果。

因此，仍有必要開發可即時偵測運動者之運動姿勢之相關設備，令其得以提昇運動效率，甚或得以即時進行運動姿勢之調整修正，以獲致更好之運動成績者。

本發明係提供一種運動姿勢分析系統，其包含感測模組及外部分析模組。藉由感測模組所測得之慣性資料及擊球資料(包含擊球力道及擊球位置)，透過航姿參考系統(AHRS)演算法或其他類似演算法進行分析，可獲得使用者揮拍軌跡，並可將其與預設揮拍軌跡比對而獲得揮拍匹配率。同時，亦可將使用者揮拍軌跡即時顯示於顯示裝置，藉以提供使用者改進其運動姿勢之正確性，達到更好之運動效果。

依據一實施方式，本發明提出一種運動姿勢分析系統，其包含一感測模組及一外部分析模組。感測模組設置於一球拍內，其包含一慣性感測器、一壓力感測器、一微控制器以及一資料傳輸裝置。慣性感測器係感測球拍之一慣性資料。壓力感測器係感測球拍之一擊球資料。微控制器電性連接慣性感測器及壓力感測器。微控制器係接收慣性資料及擊球資料，並對慣性資料及擊球資料進行轉換而輸出一轉換資料。資料傳輸裝置電性連接微控制器，其用以傳送轉換資料。外部分析模組包含一微處理器。外部分析模組接收由資料傳輸裝置傳送之轉換資料，並於微處理器執行一軟體程序，其包含：透過一演算法對轉換資料進行分析處理而產生一分析數據；依據分析數據計算一使用者揮拍軌跡；以及將使用者揮拍軌跡與一預設揮拍軌跡比對以獲得一揮拍匹配率。

上述的運動姿勢分析系統中，演算法可為一航姿參考系統(AHRS)演算法。

上述的運動姿勢分析系統中，慣性資料至少包含一角速度、一加速度及一方位角。

上述的運動姿勢分析系統中，擊球資料至少包含一擊球力道及一擊球位置。

上述的運動姿勢分析系統中，資料傳輸裝置可透過一Wi-Fi通訊協定、一藍牙通訊協定或一ZigBee通訊協定無線傳輸轉換資料至外部分析模組。

上述的運動姿勢分析系統中，外部分析模組更包含一資料收發裝置，其電性連接微處理器。資料收發裝置接收由資料傳輸裝置傳送之轉換資料，並將微處理器運算產生之分析數據及揮拍匹配率透過資料傳輸裝置回傳至微控制器。

上述的運動姿勢分析系統中，感測模組更包含一供電裝置。供電裝置電性連接慣性感測器、壓力感測器、微控制器及資料傳輸裝置。

上述的運動姿勢分析系統中，感測模組更包含一警示裝置。警示裝置電性連接微控制器及供電裝置。微控制器控制警示裝置於供電裝置之一供電量或揮拍匹配率小於一預設值時發出警示。

上述的運動姿勢分析系統中，外部分析模組更包含一顯示裝置，其顯示使用者揮拍軌跡及預設揮拍軌跡。

上述的運動姿勢分析系統中，外部分析模組可為一桌上型電腦、一智慧型手機、一平板電腦或一筆記型電腦。

上述的運動姿勢分析系統中，球拍可為一桌球拍、一羽毛球拍或一網球拍。

依據一實施方式，本發明提出一種運動姿勢分析方法，包含感測步驟、轉化步驟、傳輸步驟、軌跡運算步驟及 繪製步驟。感測步驟係進行揮拍偵測，並感測球拍之慣性資料及擊球資料。轉化步驟係結合慣性資料及擊球資料進行轉換而輸出轉換資料。傳輸步驟係將轉換資料傳送至外部分析模組。軌跡運算步驟係由外部分析模組接收轉換資料，並透過航姿參考系統(AHRS)演算法對轉換資料進行分析處理而產生分析數據，並對依據分析數據計算使用者揮拍軌跡，以及將使用者揮拍軌跡與預設揮拍軌跡進行比對，並運算獲得揮拍匹配率。繪製步驟係依據分析數據將使用者揮拍軌跡及預設揮拍軌跡進行描繪，並顯示於外部分析模組之顯示裝置上。

110:感測模組

111:慣性感測器

112:壓力感測器

113:微控制器

113a:I2C傳輸介面

113b:UART傳輸介面

113c:GPIO傳輸介面

114:資料傳輸裝置

115:警示裝置

116:供電裝置

120:外部分析模組

121:微處理器

122:資料收發裝置

123:儲存裝置

124:顯示裝置

125:揮拍匹配率

S1:使用者揮拍軌跡

S2:預設揮拍軌跡

S101、S102、S103、S104、S105、S106、S107、S108、S109、S110:步驟

S201、S202、S203、S204、S205、S206:步驟

S301、S302、S303、S304、S305、S306、S307、S308、S309、S310:步驟

第1圖係繪示依據本發明一實施例之運動姿勢分析系統的架構圖；第2圖係繪示第1圖實施例中運動姿勢分析系統之感測模組之資料傳輸介面示意圖；第3圖係繪示第1圖實施例中運動姿勢分析系統之一使用狀態示意圖；第4圖係繪示第3圖實施例中外部分析模組之顯示裝置之一顯示狀態示意圖；第5圖係繪示依據本發明第1圖實施例中感測模組之運作流程示意圖；第6圖係繪示依據本發明第1圖實施例中外部分析模組之運作流程示意圖；以及 第7圖係繪示依據本發明第1圖實施例中外部分析模組使用之航姿參考系統(AHRS)演算法之流程示意圖。

請參照第1圖，其係繪示依據本發明一實施例之運動姿勢分析系統的架構圖。運動姿勢分析系統包含一感測模組110及一外部分析模組120。感測模組110包含一慣性感測器111、一壓力感測器112、一微控制器113以及一資料傳輸裝置114。本發明之運動姿勢分析系統可應用於球拍類運動。感測模組110可設置於例如桌球拍、羽毛球拍或網球拍上，但亦不排除其他可能之球拍種類。外部分析模組120則用以分析感測模組110所測得之資料。

慣性感測器111、壓力感測器112及資料傳輸裝置114分別與微控制器113電性連接。慣性感測器111係用以感測球拍之一慣性資料，而壓力感測器112係用以感測球拍之一擊球資料。

微控制器113接收慣性資料及擊球資料後，對慣性資料及擊球資料進行轉換而輸出一轉換資料，並透過資料傳輸裝置114傳送轉換資料至外部分析模組120。

外部分析模組120包含一微處理器121。外部分析模組120接收由資料傳輸裝置114傳送之轉換資料，並於微處理器121執行一軟體程序，其包含：透過一演算法對轉換資料進行分析處理而產生一分析數據；依據分析數據計算一使用者揮拍軌跡；以及將使用者揮拍軌跡與一預設揮拍軌跡比對以獲 得一揮拍匹配率。於可能的實施例中，上述的演算法可採用一航姿參考系統(AHRS)演算法，但不以此為限，亦可為其他類似的演算法。

以下將針對上述感測模組110及外部分析模組120之各組件詳細說明。

本發明所使用之慣性感測器111為一九軸感測器。換言之，其係具備有三軸陀螺儀、三軸加速計及三軸磁力計之綜合感測功能。以現有技術觀之，慣性感測器111的功能已可透過高度集成整合封裝之晶片實現。藉此，由慣性感測器111可測得之慣性資料，至少包含由三軸陀螺儀測得之角速度、由三軸加速計測得之加速度及由三軸磁力計測得之方位角。

第1圖實施例中，壓力感測器112係使用一壓阻式(電阻式)薄膜壓力感測器。於一電路中，可等效為壓敏電阻。當壓力感測器112無外部負載時，電路處於高電阻值狀態。當一壓力施加於壓力感測器112上時(例如：球撞擊球拍)，電路之電阻值則隨之下降。因此，電阻值隨壓力的變化而產生相對應之變化。一般而言，壓力與電阻值成反比，而壓力與電導則呈線性關係，因此可根據電導變化反推出壓力變化。亦即，讀取電阻值即可推出壓力變化。藉此，由壓力感測器112測得之擊球資料，至少包含一擊球力道及一擊球位置。

由於球撞擊球拍時，壓力感測器112所感測為一類比訊號，因此需轉換為數位訊號方可為微控制器113讀取。一類比/數位轉換過程大致包含二階段，係先對欲轉換之資料 進行取樣與保存(Sampling and Holding)，再將擷取到之資料加以量化(Quantization)。最終，可將擷取到之類比資料，藉由取樣轉換為以0與1組合編碼之數位資料。

資料傳輸裝置114可透過例如Wi-Fi通訊協定、藍牙通訊協定、ZigBee通訊協定或其他任何可能之無線通訊協定無線傳輸轉換資料至外部分析模組120。此外，亦可接收由外部分析模組120傳送之資料。第1圖實施例中，外部分析模組120可更包含一資料收發裝置122，其電性連接微處理器121。資料收發裝置122接收由資料傳輸裝置114傳送之轉換資料，並將微處理器121運算產生之分析數據及揮拍匹配率透過資料傳輸裝置114回傳至微控制器113。

運動姿勢分析系統可更包含一供電裝置116，其電性連接慣性感測器111、壓力感測器112、微控制器113及資料傳輸裝置114以提供所需電力。第1圖實施例中，供電裝置116可採用可充電鋰電池模組，但本發明不以此為限。

另外，感測模組110可包含一警示裝置115。警示裝置115電性連接微控制器113及供電裝置116。微控制器113控制警示裝置115於供電裝置116之供電量小於一預設值或揮拍匹配率小於一預設值時發出警示。警示可為一燈光、一震動或一聲音。

請續參照第2圖，其係繪示第1圖實施例中運動姿勢分析系統之感測模組110之資料傳輸介面示意圖。由第2圖可知，感測模組110之慣性感測器111係透過一I2C傳輸介面113a傳送資料至微控制器113。微控制器113係透過一GPIO傳 輸介面113c傳送控制訊號至警示裝置115。微控制器113則透過一UART傳輸介面113b與資料傳輸裝置114交換資料。上述之I2C傳輸介面113a、GPIO傳輸介面113c及UART傳輸介面113b亦可替換為其他可能之傳輸介面，不以此為限。

請一併參照第3圖及第4圖。第3圖係繪示第1圖實施例中運動姿勢分析系統之一使用狀態示意圖。第4圖係繪示第3圖實施例中外部分析模組120之顯示裝置124之一顯示狀態示意圖。實際使用時，使用者手持一球拍(第3圖中以桌球拍為例，但不以此為限)。感測模組110裝設於球拍內。外部分析模組120可為一桌上型電腦、一智慧型手機、一平板電腦或一筆記型電腦，並包含一顯示裝置124。當使用者揮動球拍時，感測模組110將測得之資料無線傳輸至外部分析模組120以進行分析。請一併參照第1圖，外部分析模組120中，設置有一儲存裝置123(可為非暫態記憶體、記憶卡或硬碟等)以儲存應用程式軟體。當外部分析模組120接收由感測模組110所傳送之資料時，透過應用程式軟體，可令其微處理器121對資料進行處理分析，並將處理分析結果顯示於外部分析模組120之顯示裝置124上。例如第4圖中，顯示裝置124顯示使用者揮拍軌跡S1、預設揮拍軌跡S2及揮拍匹配率125。

請續參照第5圖，其係繪示依據本發明第1圖實施例中感測模組110之運作流程示意圖。於感測模組110之運作流程包含下列步驟：於步驟S101執行一初始化；於步驟S102判斷是否連線到Wi-Fi，若否，則重複執行步驟S101；於步驟S103判斷是否為低電量，若是，則執行步驟S104， 啟動警示裝置115發出警告；於步驟S105執行揮拍偵測；於步驟S106執行資料轉換；於步驟S107傳送轉換資料至外部分析模組，以進行分析；於步驟S108接收外部分析模組回傳之分析結果；於步驟S109判斷比對是否失敗，若是，則執行步驟S110，啟動警示裝置115發出警告。上述步驟S102中，Wi-Fi亦可被取代為其他任何可能之無線傳輸方式。

上述步驟S105中，執行揮拍偵測係透過慣性感測器111感測球拍之一慣性資料；以及透過壓力感測器112感測球拍之一擊球資料。上述步驟S106中，係結合慣性資料及擊球資料進行資料轉換而輸出轉換資料。

請續參照第6圖，其係繪示依據本發明第1圖實施例中外部分析模組120之運作流程示意圖。外部分析模組120之運作流程包含下列步驟：於步驟S201執行一初始化；於步驟S202判斷是否連線到感測模組；於步驟S203判斷是否接收由感測模組傳送之資料，若否，則回到步驟S202；於步驟S204執行軌跡運算與比對；於步驟S205執行繪製軌跡；於步驟S206回傳比對結果至感測模組。

上述步驟S204中，係透過一航姿參考系統(AHRS)演算法(或其他可能之演算法)對由感測模組110接收之轉換資料進行分析處理而產生一分析數據，並依據分析數據計算一使用者揮拍軌跡係S1，以及將使用者揮拍軌跡S1與一預設揮拍軌跡S2進行比對，並運算獲得一揮拍匹配率125。上述步驟S205，係依據分析數據將使用者揮拍軌跡S1及預設 揮拍軌跡S2進行描繪，並顯示於外部分析模組120之顯示裝置124上(請參照第3圖及第4圖)，以供使用者參考。

第7圖係繪示依據本發明第1圖實施例中外部分析模組使用之航姿參考系統(AHRS)演算法之流程示意圖。航姿參考系統(Automatic Heading Reference System，AHRS)演算法係以四元數進行解算，其包含下列步驟：於步驟S301輸入數據；於步驟S302使用AHRS演算法計算四元數；於步驟S303係執行四元數轉換旋轉矩陣；於步驟S304係以加速度數據左乘旋轉矩陣；於步驟S305係扣除重力加速度；於步驟S306係透過積分取得速度；於步驟S307係執行第一次的濾波；於步驟S308係積分取得位移；於步驟S309係執行第二次的濾波；於步驟S310係繪製使用者揮拍軌跡。

綜合言之，本發明係透過上述AHRS演算法，結合慣性感測器111所測得之慣性資料及壓力感測器112所測得之擊球資料(包含擊球力道及擊球位置)，可即時運算出使用者揮拍軌跡S1，並將其描繪顯示於顯示裝置124上以供參考。同時，亦內建有預設揮拍軌跡S2供參考比對，並可獲得揮拍匹配率125。藉此，可供使用者學習修正其運動姿勢，獲致更好的運動效果。

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。

110:感測模組

111:慣性感測器

112:壓力感測器

113:微控制器

114:資料傳輸裝置

115:警示裝置

116:供電裝置

120:外部分析模組

121:微處理器

122:資料收發裝置

123:儲存裝置

Claims (11)

1. 一種運動姿勢分析系統，包含：一感測模組，其設置於一球拍內，該感測模組包含：一慣性感測器，其感測該球拍之一慣性資料；一壓力感測器，其感測該球拍之一擊球資料；一微控制器，其電性連接該慣性感測器及該壓力感測器，該微控制器接收該慣性資料及該擊球資料，並結合該慣性資料及該擊球資料進行轉換而輸出一轉換資料；及一資料傳輸裝置，其電性連接該微控制器，該資料傳輸裝置用以傳送該轉換資料；以及一外部分析模組，其包含：一微處理器，該外部分析模組接收由該資料傳輸裝置傳送之該轉換資料，並於該微處理器執行一軟體程序，其包含：透過一演算法對該轉換資料進行分析處理而產生一分析數據；依據該分析數據計算一使用者揮拍軌跡；以及將該使用者揮拍軌跡與一預設揮拍軌跡比對以獲得一揮拍匹配率；以及一顯示裝置，其顯示該使用者揮拍軌跡及該預設揮拍軌跡； 其中該感測模組更包含：一警示裝置，該警示裝置電性連接該微控制器，該微控制器控制該警示裝置於該揮拍匹配率小於一預設值時發出一警示，該警示為一震動或一聲音。
2. 如申請專利範圍第1項所述的運動姿勢分析系統，其中該演算法為一航姿參考系統(AHRS)演算法。
3. 如申請專利範圍第1項所述的運動姿勢分析系統，其中該慣性資料至少包含一角速度、一加速度及一方位角。
4. 如申請專利範圍第1項所述的運動姿勢分析系統，其中該擊球資料至少包含一擊球力道及一擊球位置。
5. 如申請專利範圍第1項所述的運動姿勢分析系統，其中該資料傳輸裝置透過一Wi-Fi通訊協定、一藍牙通訊協定或一ZigBee通訊協定無線傳輸該轉換資料至該外部分析模組。
6. 如申請專利範圍第1項所述的運動姿勢分析系統，其中該外部分析模組更包含： 一資料收發裝置，其電性連接該微處理器，該資料收發裝置接收由該資料傳輸裝置傳送之該轉換資料，並將該微處理器運算產生之該分析數據及該揮拍匹配率透過該資料傳輸裝置回傳至該微控制器。
7. 如申請專利範圍第1項所述的運動姿勢分析系統，其中該感測模組更包含：一供電裝置，該供電裝置電性連接該慣性感測器、該壓力感測器、該微控制器及該資料傳輸裝置。
8. 如申請專利範圍第7項所述的運動姿勢分析系統，其中該感測模組之該微控制器控制該警示裝置於該供電裝置之一供電量小於一預設值時發出警示。
9. 如申請專利範圍第1項所述的運動姿勢分析系統，其中該外部分析模組為一桌上型電腦、一智慧型手機、一平板電腦或一筆記型電腦。
10. 如申請專利範圍第1項所述的運動姿勢分析系統，其中該球拍為一桌球拍、一羽毛球拍或一網球拍。
11. 一種運動姿勢分析方法，包含： 一感測步驟，進行揮拍偵測，並感測一球拍之一慣性資料及一擊球資料；一轉化步驟，結合該慣性資料及該擊球資料進行轉換而輸出一轉換資料；一傳輸步驟，將該轉換資料傳送至一外部分析模組；一軌跡運算步驟，該外部分析模組接收該轉換資料，並透過一航姿參考系統(AHRS)演算法對該轉換資料進行分析處理而產生一分析數據，並對依據該分析數據計算一使用者揮拍軌跡，以及將該使用者揮拍軌跡與一預設揮拍軌跡進行比對，並運算獲得一揮拍匹配率；一警示步驟，當該揮拍匹配率小於一預設值時，控制一警示裝置發出一警示，該警示為一震動或一聲音；以及一繪製步驟，依據該分析數據將該使用者揮拍軌跡及該預設揮拍軌跡進行描繪，並顯示於該外部分析模組之一顯示裝置上。

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