TWI762369B - 混合實境式運動訓練系統 - Google Patents

Abstract

本發明係一種混合實境式運動訓練系統，包括一頭戴式投影顯示裝置、一可調節運動強度裝置、以及一主機。該主機位於該頭戴式投影顯示裝置內，利用混合實境技術投影出包含一擬真臨床治療師之至少一虛擬立體影像，指導一使用者在真實環境中進行漸進性負荷運動訓練。該可調節運動強度裝置包含皆配置慣性感測器之一腰帶、一對手環、以及一對鞋套。腰帶以一彈性繩串連該對手環以及該對鞋套，且可透過電控絞盤機構動態調節該彈性繩的長度，以模擬該擬真臨床治療師所引導之四肢運動的阻力強度。該些慣性感測器將該使用者之動作偵測資料傳送至該主機，然後該主機令該可調節運動強度裝置動態調整該彈性繩的長度，以達到與混合實境所投影物件真實回饋互動之目的。

Description

混合實境式運動訓練系統

本發明係有關於一種混合實境式運動訓練系統，且特別關於一種可達成透過混合實境式導引、進行漸進性負荷運動訓練之系統。

近年來高齡者的「肌少症」問題受到高度重視，被認為是許多老化疾病的前趨變化。肌少症的核心概念為骨骼肌的流失，且比正常的老化過程更明顯，進而影響了肌肉功能表現，結果造成活動能力的限制。高齡長者因為肌肉骨骼神經等系統的衰退，在執行日常生活活動時常面臨障礙，進一步對於健康造成不利的影響。

目前，通常是讓高齡長者或肌少症患者進行阻力運動訓練，增加肌肉質量或是肌力。然而，一般的阻力運動訓練方式，通常需要至健身房或是有重力訓練器材的場所接受運動訓練，對於已有功能衰退問題的長者並非易事，且訓練次數易受專業教練人力或空間的限制。

有鑑於此，本發明目的之一係提供一種簡易、易操作、可攜式的混合實境式運動訓練系統，讓高齡長者及肌少症患者可於社區或居家環境中進行漸進性阻力訓練。以混合實境方式呈現訓練指引，可依據使用者能力進行漸進式阻力訓練，有助於將來進一步設計個人化的運動訓練計劃。

為達到上述所指稱之各目的與功效，本發明一實施樣態提供一種混合實境式運動訓練系統，包括：一頭戴式投影顯示裝置，利用混合實境技術投影出包含一擬真臨床治療師之至少一虛擬立體影像，指導一使用者在真實環境中進行漸進性負荷運動訓練；一可調節運動強度裝置，包含皆配置慣性感測器之一腰帶、一對手環、以及一對鞋套，其中該腰帶以一彈性繩串連該對手環以及該對鞋套，且可動態調節該彈性繩的長度，以模擬該擬真臨床治療師所引導之四肢運動的阻力強度，且其中該些慣性感測器感測並儲存該使用者之一第一組動作偵測資料；以及一主機，配置於該頭戴式投影顯示裝置內並與該可調節運動強度裝置連接，其中該主機包括一資料庫單元以及一分析單元，該分析單元自該些慣性感測器接收該第一組動作偵測資料；其中，該主機根據該資料庫單元所儲存之至少一臨床運動訓練項目，令該頭戴式投影顯示裝置顯示相對應的該擬真臨床治療師，並根據該分析單元所接收之該第一組動作偵測資料，令該可調節運動強度裝置動態調整該彈性繩的長度 。

以下揭露提供不同的實施例或示例，以建置所提供之標的物的不同特徵。以下敘述之成分以及排列方式的特定示例是為了簡化本公開，目的不在於構成限制；元件的尺寸和形狀亦不被揭露之範圍或數值所限制，但可以取決於元件之製程條件或所需的特性。例如，利用剖面圖描述本發明的技術特徵，這些剖面圖是理想化的實施例示意圖。因而，由於製造工藝和/公差而導致圖示之形狀不同是可以預見的，不應為此而限定。

再者，空間相對性用語，例如「下方」、「在…之下」、「低於」、「在…之上」以及「高於」等，是為了易於描述圖式中所繪示的元素或特徵之間的關係；此外，空間相對用語除了圖示中所描繪的方向，還包含元件在使用或操作時的不同方向。

在現代社會中，普遍存在著高齡長者及肌少症患者之動作功能衰退的問題，因此本發明之實施例提供一種簡單、易用、快速、可攜的混合實境式運動訓練系統，藉由一可調節運動強度裝置或是擴增套件的輔助，協助高齡長者及肌少症患者進行運動訓練。在本說明書中，所謂擴增套件係指一配置有電子元件的實體物件，而配置有電子元件的實體物件可以是不同形狀或目的的物件，都內建藍芽通訊元件可以和主機溝通，用於增加混和實境訓練的多樣性。所述配置有電子元件的實體物件例如是一電子式健身球、重力沙球或是藥球，可以進行例如舉、放、擲或砸等多樣性的動作訓練，而其內的藍芽通訊元件可以對主機回饋舉球、放球、擲球或砸球的力度等資訊。

此系統可用於自我訓練及健康管理，讓高齡長者及肌少症患者可於社區或居家環境中進行漸進性阻力訓練。在本發明之實施例中，使用者戴上頭戴式投影顯示裝置，並穿戴可調節運動強度裝置，亦或近一步搭配擴增套件，即可依照實境內容裡的虛擬治療師指示執行訓練內容，如同有一專業治療師隨側指導。如此，能讓長者安全有效地執行肌力訓練運動，提高居家運動訓練之動機。本系統除了可促進高齡長者及肌少症患者之身體健全，亦可普及全民而成為居家運動及健康管理的器材。

以下，搭配圖式說明本發明實施例之混合實境式運動訓練系統。

首先，圖1係本發明一實施例之混合實境式運動訓練系統的方塊圖。如圖1所示，混合實境式運動訓練系統100至少包括一頭戴式投影顯示裝置10、一可調節運動強度裝置50、一回饋裝置60以及一電子式健身球304。要特別說明的是，在此方塊圖內的電子式健身球304亦可替換成其他擴增套件，例如其他配置有電子元件之實體物件。

頭戴式投影顯示裝置10至少包括一主機20、一深度感測元件30以及一第一動作感測元件40，而主機20至少包括一資料庫單元22以及一分析單元24。

可調節運動強度裝置50至少包括慣性感測器51、52、53、54、55。電子式健身球304至少包括一第二動作感測元件306以及一藍芽通訊元件308。

接著，圖2係本發明一實施例之混合實境式運動訓練系統的示意圖。請一併參考圖1、2，使用者90戴上並開啟頭戴式投影顯示裝置10後，主機20即會根據資料庫單元22所儲存之至少一臨床運動訓練項目，使頭戴式投影顯示裝置10顯示相對應的至少一虛擬立體影像。在圖2之實施例中，頭戴式投影顯示裝置10利用混合實境技術在一投影區域200，投影出包括一擬真臨床治療師202與一虛擬物體204等兩個虛擬立體影像，而擬真臨床治療師202指導使用者90在真實環境中，進行漸進性負荷運動訓練。

也就是說，擬真臨床治療師202會與使用者互動，引導使用者90採用正確的姿勢 (包含躺姿、坐姿及站姿)及動作順序以執行運動，並透過回饋裝置60，例如以語音回饋方式，讓使用者90清楚了解運動的強度及頻率、以及其動作是否達到預設目標。而運動課程會隨著使用者90的執行情形、設定為每週自動調整難度層級。因此，長者可以容易理解如何執行各項訓練動作，以完成一次約20~30分鐘、一周5~7天的訓練課程。使用者90所有訓練過程之動作記錄，也可以後續由臨床人員分析其執行成效。

請再次參考圖1、2，在此實施例中，使用者90在接受擬真臨床治療師202指導進行阻力運動時，除了戴上頭戴式投影顯示裝置10外，亦會穿戴可調節運動強度裝置50。可調節運動強度裝置50包含一腰帶50c、一對手環50a、50b以及一對鞋套50f、50g，而腰帶50c以彈性繩50d、50e串連該對手環50a、50b以及該對鞋套50f、50g，藉以動態調節彈性繩50d、50e的長度。要特別說明的是，腰帶50c內有一可接收主機20之資訊並電動伸縮彈性繩的電控絞盤機構150。藉由電控絞盤機構150，可以動態調節彈性繩50d、50e的長度。

另外，腰帶50c、該對手環50a、50b以及該對鞋套50f、50g分別配置慣性感測器51、52、53、54、55。在此實施例中，慣性感測器51、52、53、54、55會感測並儲存使用者90之腰部、手部以及腳部的動作偵測資料。此些動作偵測資料會傳送至頭戴式投影顯示裝置10內之主機20，而主機20內之分析單元24在接收到此些動作偵測資料後，會使可調節運動強度裝置50動態調整彈性繩50d、50e的長度，亦即腰帶50c會動態調整彈性繩50d、50e的長度，以模擬擬真臨床治療師202所引導之四肢運動的阻力強度。上述動作偵測資料包括使用者90之動作的強度及穩定度等。

請再參考圖1、2，擬真臨床治療師202指導使用者90搬起虛擬物體204，並引導使用者90以正確姿勢執行開腿深蹲搬物動作。此時，頭戴式投影顯示裝置10中的深度感測元件30將偵測使用者90與虛擬物體204間的深度資訊，並傳送至主機20，當判斷使用者90已接觸到虛擬物體204，腰帶50c將縮短彈性繩50d、50e的長度，調節至使用者90的手部感受到等同於實體重物的重量。另外，透過手環50a、50b內的慣性感測器52、53，取得使用者90在搬運起身、甚至進一步抬舉過頭時的動作偵測資料，並將這些動作偵測資料傳送至頭戴式投影顯示裝置10內之主機20，而主機20內之分析單元24在接收到此些動作偵測資料後，會使腰帶50c會動態調整彈性繩50d、50e的長度，以達到固定阻力強度。另外，頭戴式投影顯示裝置10中的第一動作感測元件40，會感測使用者90的頭部動作偵測資料並傳送至主機20。

當然，根據資料庫單元22所儲存之其他不同的臨床運動訓練項目，主機20會使頭戴式投影顯示裝置10顯示相對應的其他虛擬立體影像。例如，虛擬物體204也可以是一需要用手推、拉、或左右打開等操作之物件，以便讓使用者90進行上肢不同方向的阻力訓練。

或者，虛擬物體204也可以是一需要用腳推、拉、或夾起等操作之物件，以便讓使用者90進行下肢不同方向的阻力訓練。例如，在一臨床運動訓練項目下，讓使用者90坐在椅子上，擬真臨床治療師202將引導使用者90手固定於身體兩側，並以穩固核心肌群的姿勢，執行以腳夾起虛擬物體204（如：沙球）向左右兩側擺動。此時，頭戴式投影顯示裝置10中的深度感測元件30將偵測使用者90與虛擬物體204間的深度資訊，並傳送至主機20，當判斷使用者90已接觸到虛擬物體204，腰帶50c將縮短彈性繩50d、50e的長度，調節至使用者90的腳部感受到等同於實體重物的重量。進一步，透過鞋套50f、50g內的慣性感測器54、55，取得使用者90的腳在推、拉、或夾起時的腳部動作偵測資料，並將這些動作偵測資料傳送至頭戴式投影顯示裝置10內之主機20，而主機20內之分析單元24在接收到此些動作偵測資料後，會使腰帶50c會動態調整彈性繩50d、50e的長度，以達到固定阻力強度。

另外，在資料庫單元22所儲存之其他不同的臨床運動訓練項目下，使用者90也可以在站立狀態下，以腳向前、後、外側踢動一虛擬物體204（如：沙球），進行下肢不同方向的阻力訓練，並透過鞋套50f、50g內的慣性感測器54、55，取得使用者90的腳在向前、後、外側踢動時的腳部動作偵測資料，並由頭戴式投影顯示裝置10內之主機20的分析單元24，根據所接收到的動作偵測資料而使腰帶50c動態調整彈性繩50d、50e的長度，以達到固定阻力強度。

接著，請參考圖3，圖3係本發明一實施例之混合實境式運動訓練系統的示意圖。如圖1、3所示，在此實施例中，使用者90在接受擬真臨床治療師202指導進行阻力運動時，除了戴上頭戴式投影顯示裝置10以及穿戴可調節運動強度裝置50外，還會搭配使用一電子式健身球304。

電子式健身球304包括一第二動作感測元件306與一藍芽通訊元件308。藍芽通訊元件308將第二動作感測元件306所測得之使用者90的動作偵測資料傳至分析單元24，令可調節運動強度裝置50動態調節彈性繩50d、50e的長度 。圖3與圖2之差異主要在於電子式健身球304，其餘部份均已在圖2說明過，不再贅述。

在圖3之實施例中，根據資料庫單元22所儲存之不同臨床運動訓練項目，擬真臨床治療師202係指導使用者90以電子式健身球304進行手部或腳部的阻力訓練，並由慣性感測器51、52、53、54、55感測並儲存使用者90之手部、腰部或腳部的動作偵測資料，然後傳送至頭戴式投影顯示裝置10內之主機20。主機20內之分析單元24在接收到此些動作偵測資料後，則會使可調節運動強度裝置50動態調整彈性繩50d、50e的長度，亦即腰帶50c會動態調整彈性繩50d、50e的長度，以模擬擬真臨床治療師202所引導之四肢運動的阻力強度。由於是以電子式健身球304取代虛擬物體204進行阻力訓練，因此其餘內容請參考前述圖2之說明，在此不再贅述。

要特別說明的是，擬真臨床治療師202係指導使用者90以電子式健身球304進行手部或腳部的阻力訓練時，電子式健身球304內之第二動作感測元件306所測得之使用者90的動作偵測資料，也會藉由藍芽通訊元件308而傳至分析單元24，使腰帶50c動態調節彈性繩50d、50e的長度 。另外，在其他實施例中，電子式健身球304亦可替換成其他實體物件，例如是配置有藍芽通訊元件之重力沙球或是藥球，以便進行例如舉、放、擲或砸等其他動作訓練，增加訓練內容的多樣性。而重力沙球或是藥球內的藍芽通訊元件可以對主機20回饋舉球、放球、擲球或砸球的力度等資訊。除了所述配置有藍芽通訊元件之重力沙球或是藥球，其他凡是配置有藍芽通訊元件之實體物件，可增加訓練內容之多樣性的擴增元件皆屬本發明申請專利之範圍。

上述實施例所有動作都將記錄使用者90的訓練參數、於各個動作過程中的運動學參數、每個動作執行的總次數、每次運動的完成率、以及每週執行頻率等，可以另外完整儲存於使用者90的手機內，供後續分析運動品質與運動成效。另外，亦將根據上述參數，每週漸進式調整訓練阻力、重覆次數、執行組數、及組間休息時間，避免使用者有無法完成訓練目標的情形，並保持最佳的運動訓練效果。

以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

10:頭戴式投影顯示裝置 20:主機 22:資料庫單元 24:分析單元 30:深度感測元件 40:第一動作感測元件 50:可調節運動強度裝置 50a、50b:手環 50c:腰帶 50d、50e:彈性繩 50f、50g:鞋套 51、52、53、54、55:慣性感測器 60:回饋裝置 90:使用者 100:混合實境式運動訓練系統 150:電控絞盤機構 200:投影區域 202:擬真臨床治療師 204:虛擬物體 304:電子式健身球 306:第二動作感測元件 308:藍芽通訊元件

圖1係本發明一實施例之混合實境式運動訓練系統的方塊圖。

圖2係本發明一實施例之混合實境式運動訓練系統的示意圖。

圖3係本發明另一實施例之混合實境式運動訓練系統的示意圖

10:頭戴式投影顯示裝置

50:可調節運動強度裝置

50a、50b:手環

50c:腰帶

50d、50e:彈性繩

50f、50g:鞋套

90:使用者

150:電控絞盤機構

200:投影區域

202:擬真臨床治療師

304:電子式健身球

Claims (6)

1. 一種混合實境式運動訓練系統，包括： 一頭戴式投影顯示裝置，利用混合實境技術投影出包含一擬真臨床治療師之至少一虛擬立體影像，指導一使用者在真實環境中進行漸進性負荷運動訓練； 一可調節運動強度裝置，包含一電控絞盤機構、與皆配置慣性感測器之一腰帶、一對手環、以及一對鞋套，其中該腰帶以至少一彈性繩串連該對手環以及該對鞋套，且可動態調節該至少一彈性繩的長度，以模擬該擬真臨床治療師所引導之四肢運動的阻力強度，且其中該些慣性感測器感測並儲存該使用者之一第一組動作偵測資料；以及 一主機，配置於該頭戴式投影顯示裝置內並與該可調節運動強度裝置連接，其中該主機包括一資料庫單元以及一分析單元，該分析單元自該些慣性感測器接收該第一組動作偵測資料； 其中，該主機根據該資料庫單元所儲存之至少一臨床運動訓練項目，令該頭戴式投影顯示裝置顯示相對應的該擬真臨床治療師，並根據該分析單元所接收之該第一組動作偵測資料，令該可調節運動強度裝置動態調整該至少一彈性繩的長度 。
2. 如請求項1所述之混合實境式運動訓練系統，其中該頭戴式投影顯示裝置更包括一深度感測元件以及一第一動作感測元件。
3. 如請求項1所述之混合實境式運動訓練系統，其中該第一組動作偵測資料包括該使用者之動作的強度及穩定度。
4. 如請求項2所述之混合實境式運動訓練系統，其中該至少一虛擬立體影像更包括一虛擬物體，該深度感測元件偵測該使用者與該虛擬物體間的一深度資料並傳送至該分析單元，當判斷該使用者接觸虛擬物體時，進一步根據該對手環或該對鞋套之該些慣性感測器所接收之該第一組動作偵測資料，令該可調節運動強度裝置動態調整該彈性繩的長度。
5. 如請求項1所述之混合實境式運動訓練系統，其中該混合實境式運動訓練系統更包括一回饋裝置，該擬真臨床治療師藉由該回饋裝置對該使用者發出一動作指示。
6. 如請求項1所述之混合實境式運動訓練系統，其中該混合實境式運動訓練系統更包括一電子式健身球，該電子式健身球包括一第二動作感測元件與一藍芽通訊元件，其中該藍芽通訊元件將該第二動作感測元件所測得之該使用者的一第二組動作偵測資料傳至該分析單元，令該可調節運動強度裝置動態調節該彈性繩的長度 。

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