TWI845452B

TWI845452B - 運動裝置

Info

Publication number: TWI845452B
Application number: TW112146667A
Authority: TW
Inventors: 張書煒; 黃書群
Original assignee: 城紹科技股份有限公司
Priority date: 2023-05-09
Filing date: 2023-11-30
Publication date: 2024-06-11

Abstract

本發明運動裝置，用於供使用者進行連續踩踏運動，包含一基座單元、連接於基座單元的一訓練單元、設置在訓練單元的一偵測單元、訊號連接偵測單元的一分析處理模組，及連接分析處理模組且可輔助驅動訓練單元的一電輔單元。偵測單元偵測訓練單元的使用狀態而產生一偵測訊號，當使用者施力於訓練單元進行運動時，若是因施力不足而停滯，此時分析處理模組根據偵測訊號判定需要提供外力輔助，而產生一電輔訊號至電輔單元，電輔單元根據電輔訊號輔助驅動訓練單元協助使用者完成運動，進而達到運動的效果。

Description

運動裝置

本發明是關於一種運動裝置，特別是關於一種具有適時輔助功能的運動裝置。

以往的運動裝置，如市面常見的飛輪車、復健診所的腳踏健步器，例如：臺灣發明專利第I300718號、第I548409號及新型專利第M581485號揭示可供使用者進行近似腳踏車運動的週期踩踏運動設備，來達到健身運動效果。一般而言，前述運動裝置大多可以透過手動或電動的方式提供使用者調高運動時的阻力，來增加使用者的運動強度。

惟，以往的運動裝置僅能提供具備一定程度的肌力和協調性的使用者進行運動，才能完成完整的週期踩踏運動，但對於例如中風、腦性麻痺或歷經重大意外的使用者，可能伴隨單側肢體肌力不足或是雙側協調性失常等複雜狀況，難以使用前述運動裝置完整踩踏週期運動。

本發明在於提供一種具有輔助功能用以幫助使用者進行踩踏運動的運動裝置。

本發明一種運動裝置，包含基座單元、訓練單元、偵測單元、分析處理模組及電輔單元，訓練單元設置於基座單元，偵測單元包括設置於訓練單元相對應位置的偵測器及至少一待測物，分析處理模組訊號連接偵測單元的偵測器，電輔單元訊號連接分析處理模組，並可輔助驅動訓練單元，其中，使用者施力於訓練單元而進行對應的動作(例如：踩踏運動)，偵測器偵測訓練單元進行動作時待測物相對偵測器的狀態而產生偵測訊號，分析處理模組接收偵測訊號，並根據偵測訊號分析訓練單元處於正常使用狀態或需要輔助狀態，且分析處理模組會在分析出訓練單元處於需要輔助狀態下產生電輔訊號至電輔單元，電輔單元根據電輔訊號輔助驅動訓練單元，協助使用者進行踩踏運動。

本發明之功效在於，可當其是使用者在進行踏步運動時發生速度變慢或停滯，可以幫助使用者完成踩踏運動，進而產生移位和運動的效果，從而提高使用者運動意願與動機，故能達成本發明之目的。

1:基座單元

11:主體

12:座桿

13:座椅

14豎桿

15:把手

2:訓練單元

20:傳動件

200:第一傳動皮帶輪

202:第二傳動皮帶輪

204:傳動皮帶

206:抵壓輪

21:第一受力件

211:第一連桿

212:第一輔助桿

22:第一踏板

23:第二受力件

231:第二連桿

232:第二輔助桿

24:第二踏板

25:後輪組

26:前輪組

3:偵測單元

31:偵測器

32:圓盤

33:活動式固定元件

34:待測物

4:分析處理模組

5:電輔單元

51:收訊器

52:充電電池

53:電動馬達

7:固定架

71:前滾軸組

72:後滾軸組

73:皮帶輪

74:皮帶

圖1是本發明一種運動裝置的省略基座單元的架構方塊圖；

圖2是本發明的一立體外觀圖；

圖3是本發明的另一方向的立體外觀圖；

圖4是圖2框選處的拆除訓練單元的一側外殼及後輪組的其中一個輪子的內部示意圖；

圖5是圖3框選處的放大示意圖；

圖6本發明的固定架的外觀示意圖；

圖7本發明的運動裝置放置在固定架的外觀示意圖；

圖8是本發明的之一實驗圖表；

圖9是本發明的另一實驗圖表；及

圖10是本發明的圖8及圖9實驗比較表。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。

配合參閱圖1及圖2，本發明一種運動裝置，供一使用者進行踩踏運動，該運動裝置包含一基座單元1、一訓練單元2、一偵測單元3、一分析處理模組4及一電輔單元5，該訓練單元2設在該基座單元1，該偵測單元3包括設置於該訓練單元2。該分析處理模組4設在該基座單元1上，並訊號連接該偵測器31，該電輔單元5設在該基座單元1上，並連接該訓練單元2，用以適時輔助驅動訓練單元2，且訊號連接該分析處理模組4。

當該使用者施力於該訓練單元2進行運動時，該偵測器31偵測該待測物34相對該偵測器31的狀態而產生一偵測訊號，該分析處理模組4接收該偵測訊號，並根據偵測訊號分析該訓練單元2處於正常狀態或者需要輔助狀態，正常狀態為該訓練單元2被使用者完成完整踩踏循環動作，而需要輔助狀態則在踩踏循環動作的某一角度或多個角度位置踩踏施力不足而速度變慢或停滯之狀態，且該分析處理模組4會在分析出該訓練單元2處於需要輔助狀態下產生一電輔訊號至該電輔單元5，該電輔單元5根據該電輔訊號輔助驅動該訓練單元2，協助該使用者進行踩踏運動，進而完成完整踩踏循環動作。

本發明之功效在於，可用於供使用者進行踩踏運動，尤其是當使用者為下肢損傷的患者復健病患，並且在進行踩踏運動時，踩踏動作可能在某些踩踏角度位置的施力不足，而容易導致踩踏動作停滯，藉由電輔單元5輔助驅動該訓練單元2，幫助使用者完成踩踏運動，從而達成本發明之目的。

如圖2及圖3所示，在一些實施例中，該基座單元1包括一主體11、連接該主體11的一座桿12、安裝於該座桿12上的一座椅13、連接該主體11的一豎桿14，及安裝於該豎桿14一端的一把手15。

進一步說明的是，該座椅13可根據需求來調整高度，使用者在進行踩踏運動時，可以坐於該座椅13上，也可以離開該座椅13以站立姿勢進行運動，此外，該座椅13也可以視使用需求安裝或拆除。

在一些實施例中，如圖2及4所示，該訓練單元2包括安裝於該主體11上的傳動件20，安裝於該傳動件20一側的該第一受力件21、安裝於該第一受力件21的一第一踏板22、與設置於該主體11另外一側的一第二受力件23、安裝於該第二受力件23的一第二踏板24、與該第一受力件21及該第二受力件23經由該傳動件20連動的一後輪組25，及與該電輔單元5連接的一前輪組26，該傳動件20為皮帶輪組件，因此，當踩踏該第一踏板22或該第二踏板24，該傳動件20會帶動後輪組25轉動，反之，當後輪組25轉動時，該傳動件20也會帶動該第一踏板22與該第二踏板24轉動。另外，該前輪組26會隨後輪組轉動，而前輪組26在需要輔助狀態下被電輔單元5輔助驅動，此時，如前所述後輪組25轉動時，該傳動件20也會帶動該第一踏板22與該第二踏板24轉動，進而帶動使用者的下肢運動。而該豎桿14的另端連接該前輪組26，如此，使用者操作把手15即可連動該前輪組26左右轉動。

在本發明中，請參閱圖2及圖3，後輪組25及前輪組26的構造都是由兩個輪子連接在一輪軸的兩端，而在一些實施例中，前輪組26為電動輪(或者稱為輪轂馬達)。另外請參閱圖4，傳動件20包括連接該第一受力件21與該第二受力件23的第一傳動皮帶輪200，以及連接後輪組26的第二傳動皮帶輪202，此二皮帶輪之間以傳動皮帶204連接而可以連動，進一步的在第一皮帶輪200與第二皮帶輪202之間於傳動皮帶204外側設有至少一個抵壓輪206，用以將傳動皮帶204緊靠在第一傳動皮帶輪200與第二傳動皮帶輪202，以利傳動皮帶204帶動第一傳動皮帶輪200與第二傳動皮帶輪202。

如圖2及3所示，進一步說明的是，在一些實施例中，為了達到讓使用者能夠以模擬走路踏步的運動型態，訓練單元2還包括可轉動地各別連接該第一受力件21與該第二受力件23的一第一連桿211與一第二連桿231，以及可轉動地各別連接該第一連桿211與該第二連桿231的一第一輔助桿212與一第二輔助桿232，該第一輔助桿212與該第二輔助桿232的另一端是可轉動地連接於該基座單元1的豎桿14的兩端之間，該第一踏板22是安裝於該第一連桿211上，該第二踏板24是安裝於該第二連桿231上。

配合參閱圖3及圖5，該偵測單元3包括設置於該訓練單元2的傳動件20的該偵測器31、安裝於該訓練單元2的第一受力件21的一圓盤32、用於將該圓盤32固定或非固定於該第一受力件21的一活動式固定元件33(例如：蝶型螺栓)，及呈現等角度間隔設置於該圓盤32的複數個該待測物34。透過調整該活動式固定元件33，可以轉動該圓盤32，調整該等待測物34相對該偵測器31的位置，落在欲偵測的角度區間；又或者，可以透過增加或減少該等待測物34的數量，來改變該偵測單元3的偵測角度範圍。

在一些實施例中，該偵測器31為磁性近接感應器，也就是霍爾感應器，例如可採用陽明電機MS08-10N、MS08-10P之電磁式霍爾感應器，也可以採用不同型號或不同廠牌的磁性近接感應器，皆屬本發明之範疇。舉例而言，在一些實施例中，該等待測物34為磁鐵且數量為四個，該等待測物34彼此差距30度角設置，總共佔90度，也就是當該使用者在週期性踩踏該訓練單元2時，該偵測單元3可以偵測軌跡的約90度範圍，該等待測物34的數量可以視需求增減，該等待測物34之間的角度差距也可以視需求調整大小，該等待測物34的涵蓋範圍也可以視需求增減，例如360度全涵蓋亦可，皆屬本發明之範疇。

在一些實施例中，該等待測物34也可以為多個電磁鐵，透過開啟或關閉區部份的待測物34，來達成偵測特定區間的功效，換言之，該等待測物34可以調整為開啟或關閉，相當於該等待測物34可調整地設置於該訓練單元2上。

值得一提的是，在一些實施例中，該偵測器31的電源供應方式可以採用類似電刷方式供電，使得該偵測器31與該等待測物34也可以互換位置設置。此外該待測物34可以是設置在該圓盤32上的多個孔洞，該偵測器31是設置在該圓盤32周圍的一光遮斷器，每次孔洞經過各光遮斷器，就會產生一個偵測訊號，而該分析處理模組4根據接收到偵測訊號的時間間隔，分析該訓練單元2處於正常狀態或者需要輔助狀態。。

配合參閱圖1，該分析處理模組4為一種Arduino開發板。該電輔單元5訊號連接該分析處理模組4，並可輔助驅動該訓練單元2的前輪組26，在一些實施例中，該電輔單元5包括一收訊器51、一充電電池52，及用於驅動該前輪組26的一電動馬達53，該收訊器51為一種微控制器，該收訊器51接收該電輔訊號，並根據該電輔訊號驅動該電動馬達53，用以輔助驅動該訓練單元2的前輪組26，該充電電池52則連接該電動馬達53，並且供應電力給該電動馬達53及該運動裝置的各用電元件，包括但不限於該分析處理模組4、該偵測單元3等。

在一些實施例中，當該使用者左右下肢分別施力於該第一踏板22與該第二踏板24相對該基座單元1進行踩踏運動時，該偵測器31偵測該等待測物34相對該偵測器31自身位置狀態而產生一偵測訊號，該分析處理模組4接收該偵測訊號，分析後產生一電輔訊號至該電輔單元5。例如歷經中風後的使用者可能單側的肌力或協調性不足，而使得該使用者運動過程中會在特定角度區間停滯，該偵測單元3則可以透過轉動該圓盤32，而針對前述特定角度區間進行偵測，當該使用者在偵測範圍內因肌力不足而轉速過慢或停滯時，該分析處理模組4分析該偵測訊號並判定應該提供輔助，將該電輔訊號發送至該電輔單元5，該電輔單元5根據該電輔訊號驅動該電動馬達53，用以輔助驅動該前輪組26轉動，即可協助該使用者通過特定角度區間的運動，完成完整的踏步週期。

更進一步說明的是，當該電輔單元5幫助該使用者通過特定角度區間的運動後，其餘角度區間的運動過程，該使用者可以自行完成不會停滯現象，因此，在其餘角度區間內，可以不需要偵測單元3輸出偵測訊號，分析模組也不需要分析偵測訊號，達到節省使用充電電池52的電力的目的。

更詳細說明的是，該前輪組26由該電輔單元5輔助驅動而轉動，或者該前輪組26隨該後輪組25轉動，該後輪組25主要受該使用者透過踩踏該第一受力件21、該第二受力件23驅動，當該使用者需要輔助時，該電輔單元5輔助驅動該前輪組26，該後輪組25隨該前輪組26轉動，進一步而言，當該後輪組25隨該前輪組26轉動，用以帶動訓練單元2傳動件時，也就是傳動件20會經由該第一受力件21及該第二受力件23，分別帶動該第一踏板22與該第二踏板24，而該使用者左右腳分別隨該第一踏板22與該第二踏板24移動，而帶動作左右下肢一起移動，使得左右下肢完成一個踏步動作。

綜上所述，該使用者也可以在戶外或是開闊的室內空間使用運動裝置進行運動，隨著該使用者踩踏，而帶動該運動裝置前進、後退、轉彎等，行進間能豐富運動時的視覺、聽覺等感受，進而提升運動效果。

由於，有些使用者無法或不易走到戶外空間，或者沒有開闊的室內空間使用運動裝置，因此在一些實施例中，配合參閱圖6及圖7，該運動裝置還包含一固定架7該固定架7供該該訓練單元2的前輪組26與後輪組25放置，使得前輪組26與後輪組25離開地面。該固定架7包括供該訓練單元2該前輪組26放置的一前滾軸組71、供該後輪組25放置的一後滾軸組72、安裝於該前滾軸組71與該後滾軸組72的一對皮帶輪73，及安裝於該對皮帶輪73的一皮帶74。

本發明的運動裝置除了可以給一般正常人使用外，更可以給需要肌肉訓練的一些病患使用，並且這些病患在使用本發明時，確實可以活化使用者的下肢肌肉的機能，配合參閱圖8、圖9與圖10，為一些實施例在不同座椅13高度時使用者的肌肉活化情形，以及肌群的共同收縮的情形。

其中，肌肉活化定義為該使用者使用該運動裝置進行踩踏運動的週期過程中肌肉徵召(Burden,2010)的情形。肌電訊號是肌肉電位的綜合信號，可得知運動時肌群參與動作順序、肌肉收縮強度及不同肌群的參與程度，以評估肌肉的興奮性、協調性、訓練效果及肌肉疲勞。以時間為橫軸、電壓為縱軸的時域分析(time domain)肌電訊號，記錄為多個肌肉活動疊加的總和，透過均方根(root mean square,RMS)運算，將具有連續特性的類比肌電訊號轉換成數字，在生理學上的意義則表示肌肉的徵召情形。

其中，肌群的共同收縮情形是用於分析膝關節伸肌肌群(quadriceps,Q)和屈曲肌群(hamstrings,H)的比率(Q：H ratio)。其中Q為股直肌(RF)、股外側肌(VL)和股內側肌(VM)的總和，H為股二頭肌(BF)和半腱肌(ST)的總和，比率即為Q除以H。當比值為1時，此時該使用者的膝關節最為穩定，代表股四頭肌收縮與腿後肌收縮一樣；當比值大於1時，代表股四頭肌的收縮較大；當比值小於1時，代表腿後肌的收縮較大(Begalle,DiStefano,Blackburn,& Padua,2012)。觀察肌群的共同收縮是用以觀察運動效率和膝關節穩定性的重要因素(Aune,Nordsletten,Skjeldal,Madsen,& Ekeland,1995)，共同收縮公式如下：

Q ： H ratio =( RF + VL + VM )( BF + ST )。

實驗中共計三種速度分別為舒適速度、中速度與慢速度，舒適速度為該使用者自身最舒適的踩踏速度，中速度是以節拍器控制踩踏速度，使用者左右下肢每分鐘各踩踏30下，慢速度是以節拍器控制踩踏速度，使用者左右下肢每分鐘各踩20下。該座椅13高度定義為標準座椅高度(standard cushionheight,S)，其中S為使用者胯下長度乘以0.85，單位為公分，低座椅高度為S+10，也就是將該座椅13高度由標準座椅高度往上調整10公分，高座椅高度為S+20，也就是將該座椅13的高度由標準座椅高度往上調整20公分。

分析不同座椅13高度在啟動踩踏運動的瞬間期肌肉活化情形，以高座椅高度與低座椅高度在三種速度，騎乘舒適速度、慢速度及中速度的實驗數據結果而言，不論是高座椅高度與低座椅高度在啟動瞬間啟動踩踏運動的瞬間期各個肌肉群活化情形皆低於40%，因此相當適合長者與運動患者以較溫和的方式設計適合自身的運動處方及強度來進行運動。

其中，配合參閱圖8與圖9，圖8為低座椅高度的肌肉活化情形，圖9為高座椅高度的肌肉活化情形。在高座椅高度啟動踩踏的瞬間期時，使用者各個肌群肌肉活化情形皆低於低座椅高度的踩踏運動的肌肉活化情形，因此讓使用者採用高座椅高度，可以更有效率且更安全的啟動本發明該運動裝置進行週期踩踏運動。更進一步說明的是，當該使用者採用高座椅高度進行週期踩踏運動時，該使用者下肢共同收縮部分比值接近1.0或等於1.0，也就是表示此時的踩踏運動讓該使用者的膝關節相對穩定，處於較佳狀態。使用者在低座椅高度進行週期踩踏運動時，啟動瞬間各個肌群肌肉活化變異性較大，施力情形較不穩定。整體而言，在高座椅高度(S+20cm)對使用者是更省力及更安全的運動角度。

值得說明的是，本發明該運動裝置不限於前述週期性橢圓形軌跡踩踏運動，在一些實施例中，也可供類似手足健身車進行上肢運動，或是上下踩踏運動、擬真走路機、手足健身車、橢圓機、腿推機、胸推機、划船機等等，大凡能供該使用者進行週期運動的運動裝置，為該創作所屬技術領域中具有通常知識者能根據本發明揭露之較佳實施例作等效變化得之，皆屬本發明之專利範圍。

又，本發明該運動裝置在一些實施例中，也可以僅包括一側的該第一受力件21，而不包括另一側的該第二受力件23，可以大幅縮小本發明的體積，尤其是當本發明運動裝置用於狹小空間時，使用者可以透過該運動裝置進行單一肢體運動，比如左上肢或右下肢等，皆屬本發明之專利範圍。

又，在一些實施例中，該電輔單元5也可以用於驅動該訓練單元2的後輪組25，前輪組26的作用為受把手15帶動豎桿14而改變運動裝置前進的方向，或者在一些實施例中，訓練單元2只需單一輪組之情況下，例如訓練單元2只需要後輪組25，該電輔單元5也可以用於驅動該訓練單元2的後輪組25。

綜上所述，本發明運動裝置可用於供廣泛使用者進行運動，尤其是使用者為腦性麻痺、歷經中風、重大事故等而伴隨單側或某特定肌群無力的患者而言，使用者在進行連續踩踏運動時，在某些特定角度區間停滯或轉速過慢而需要輔助的狀態下，該電輔單元5輔助驅動該訓練單元2，幫助使用者完成完整的周期踩踏運動，提高使用者各肢體的肌力強度。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。