TWI559144B - Scale - guided limb rehabilitation system - Google Patents

Description

音階引導式肢體復健系統

本發明係關於一種音階引導式肢體復健系統，尤指一種整合肢體座標、壓力感測功能的音階引導式肢體復健系統。

許多疾病會造成肢體功能喪失，例如中風，因此經過治療之後，仍須經過復健，以期使肢體能恢復動作，除此以外，肢體本身的受損，也會影響其正常動作，因而也必須經過復健。另許多正常人因為日常坐姿不佳，容易導致肢體障礙，例如垂足症，但可透過穿戴護具或復健予以矯正。由上述可知，復健已是現代醫療體系中重要的一環。

我國發明專利權第I377055號專利權(以下簡稱專利前案)揭露一種互動式肢體動作引導方法與互動式肢體動作系統，其中互動式肢體動作系統包括一手部位置監測模組、一目標物圖像移動控制模組、一圖像回饋模組與一動作評估模組。該手部位置監測模組偵測一擷取影像中的辨識標記，以提供對應一肢體影像的操作位置。該目標物圖像移動控制模組根據該辨識標記決定一目標物圖像的行動模式，將該目標物圖像顯示在一場景中，判斷是否持續取得對應該肢體動作的辨識標記，以及若持續取得對應該肢體動作的辨識標記，則利用一操作指引來引導該肢體動作。該圖像回饋模組根據該肢體動作與該目標物圖像之該預設移動路徑、移動速度與及歸屬位置，給予一回饋動作。該動作評估模組用以當該目標物圖像移動至該預設歸屬位置時給予該肢體動作評分。

前述專利前案主要是由手部位置監測模組透過根據一影像擷取裝置擷取操作者的影像，並偵測影像中操作者手上所設的辨識標記，由於系統會預先定義所需的目標物圖像動作與分類(如太極拳招式)，當目標物圖像移動控制模組取得對應辨識標記的肢體動作時，可即時選擇對應該肢體動作的目標物圖像行動模式與動作出現順序，並且顯示目標物圖像，再由目標物圖像移動控制模組判斷操作者的動作，並根據對應目標物圖像之預設移動路徑、移動速度以及歸屬位置，以一操作指引(例如箭頭)引導操作者的肢體做動作。例如，抓取遊戲場景中的目標物圖像，並且放置在其正確的歸屬位置，或者引導操作者做太極拳招式，使其可完成每一招式的起始動作與結束動作。

如前揭所述的專利前案雖然可以產生具有預設移動路徑、移動速度及歸屬位置的目標物圖像，以引導操作者的肢體完成預定動作，其過程具有復健的效果，且該專利前案認為該目標物圖像是以互動式遊戲呈現，可以提高復健效果。然而肢體的復健並不僅僅在於其是否作出指定的動作，還在於指定部位是否使力，其使力是否達到設定標準，在肢體動作與使力都達標準才能確保復健效果。然而前述專利前案只著重肢體動作的偵測、引導，對於操作者使力的要求並無相應的對策。

故由上述可知，既有的互動式肢體動作系統之設計仍未盡周延，有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案。

因此本發明主要目的在提供一種音階引導式肢體復健系統，其整合肢體座標與壓力感測功能，可確保使用者在定點使力的狀況下完成指定動作，同時以結合音階式的提示訊息導引使用者執行指定動作，使復健過程更加活潑生動，進而提高復健意願與執行效果。

為達成前述目的採取的主要技術手段係令前述音階引導式肢體復健系統包括： 一運算控制模組，係作為運算控制中樞，其提供一個以上由音符組成的提示訊息，並內建一對照表，使該提示訊息中的各個音符分別對應不同的指定動作； 一顯示器，係與該運算控制模組連接，用以顯示播放該運算控制模組輸出的提示訊息； 一肢體座標感測器，係與該運算控制模組連接，用以感測使用者的肢體座標，並將肢體座標感測訊號傳送給該運算控制模組； 一壓力感測踏板，其上設有二個以上的壓力感測器，以感測使用者在該壓力感測踏板上的踩踏動作，並產生對應的壓力感測訊號傳送給該運算控制模組。

前述的音階引導式肢體復健系統主要由該運算控制模組送出由一連串音符組成的提示訊息在顯示器上顯示，以提示使用者在壓力感測踏板上完成相對應的指定動作，當使用者依指示作出對應的踩踏動作後，將由壓力感測踏板送出一對應的壓力感測訊號至運算控制模組，在此同時，該肢體座標感測器亦對使用者的肢體和／或關節動作進行感測，並將肢體座標感測訊號傳送給該運算控制模組，由該運算控制模組根據肢體座標感測訊號和壓力感測訊號，配合內建的對照表以判斷使用者是否完成指定的動作，進而統計及通知測試結果；由於前述的音階引導式肢體復健系統整合了肢體座標和壓力感測功能，故除了可以判斷使用者的肢體動作是否正確外，更可以判斷其是否在指定的肢體動作正確使力，藉此提升復健的效果；而音階式的提示訊息因加入音樂元素可使復健的進行更加生動有趣。

關於本發明的一較佳實施例，請參閱圖1所示，其包括一運算控制模組10、一顯示器20、一肢體座標感測器30及一壓力感測踏板40；並可進一步包括一警示模組50、一通訊模組60；其中：

該運算控制模組10具有一處理器11，並進一步內建一提示訊息資料庫12和一對照表13，該提示訊息資料庫12和對照表13可分別儲存在一記憶體中，該提示訊息資料庫12預設一筆以上的提示訊息，每一筆提示訊息是由多個音符組成，各個音符並可進一步組成一段旋律或音樂；該對照表13則使每個音符分別對應一指定動作，在本實施例中，係指使用者在該壓力感測踏板40上的踩踏動作，其細節容後陳述。

該顯示器20係與前述運算控制模組10連接，以顯示或播放運算控制模組10送出的提示訊息；該顯示器20可以是各種平面顯示器，例如液晶顯示器,，也可以是投影機。

該肢體座標感測器30係與該運算控制模組10連接，其用以感測使用者的肢體和／或關節動作，以判斷使用者的肢體動作是否為指定動作，該肢體座標感測器30可以是微軟開發的Kinect感應器，其可以擷取使用者的影像，並判斷其景深、肢體座標等，其感測訊號將傳送給運算控制模組10。

該壓力感測踏板40是和運算控制模組10構成電性連接，用以將使用者在壓力感測踏板40上的踩踏動作轉換成壓力感測訊號，並傳送給運算控制模組10。該壓力感測踏板40具有二個以上的壓力感測器，在本實施例中，該壓力感測踏板40共有四個壓力感測器41~44，各個壓力感測器41~44共同連接至一控制器45，該控制器45則與運算控制模組10的處理器11連接，意即該控制器42將接收各個壓力感測器41~44輸出的感測信號，並據以產生一壓力感測信號送至運算控制模組10的處理器11。前述壓力感測踏板40上的四個壓力感測器41~44可以是荷重元(Load Cell)或撓性壓力感測器(Flexiforce Sensor)，前列壓力感測器為壓阻效應型感測器，因壓力大小不同可以產生高低不同的阻值變化，其中，所述撓性壓力感測器具有負重與電阻變化存在高度線性關係的優點，且屬於一種薄片式感測元件，非常適合設置在平台上以測量壓力變化。

請參閱圖2所示，在本實施例中，該壓力感測踏板40是在一平台上設置四個壓力感測器41~44且兩兩成對設置，以分別對應使用者雙腳踩在平台時其腳尖、腳跟位置。在此狀況下，當使用者雙腳站立、單腳站立、單腳或雙腳站立時其腳尖和／或腳跟接觸平台的狀況，將在運算控制模組10的對照表13被定義成不同的踩踏動作，且對應於其中一個音符，而使用者作出不同的踩踏動作時，將為相對應的壓力感測器41~44所感知。其一可行的踩踏動作定義內容可如下列(表格內1表示壓力感測器有感測訊號，0則表示沒有訊號)：

前列的踩踏動作僅為舉例而已，在例舉的各種踩踏動作分別對應一個音符，如圖3所示，當使用者以左腳單腳站立且左腳尖、左腳跟著地的站在壓力感測踏板40上時，並為壓力感測器41、42所感知，其將完成一個指定的踩踏動作，該踩踏動作將對應音符La，又如圖4所示，當使用者以雙腳站立且左腳尖、右腳跟著地的站在壓力感測踏板40上時，並為壓力感測器41、感測器43(圖中未示)所感知，其將完成一個指定的踩踏動作，該踩踏動作將對應音符Mi。除了指定一種踩踏動作對應一個音符外，亦可使其他踩踏動作對應其他功能，例如音階高低(高八度、低八度)、旋律、音樂或警示音的音量大小。

該運算控制模組10利用前述的對應關係設定了對照表13，而在提示訊息資料庫12預設的提示訊息是由多個相同或不同的音符所組成，當運算控制模組10在顯示器20上顯示一個提示訊息時，使用者即必須根據各個音符完成對應的踩踏動作，經由壓力感測踏板40感測後送出一壓力感測訊號至運算控制模組10，由運算控制模組10配合肢體座標感測器30送出的肢體座標感測訊號以判斷使用者是否已正確地完成指定動作。

由於本發明採用的壓力感測器41~44為壓阻效應型，其負重壓力與阻值存在高度線性關係，因此除了可以偵測使用者是否完成指定的踩踏動作外，還可以進一步檢測其實際施力的壓力值，在實際運用時可以在運算控制模組10的處理器11中內建各種踩踏動作的壓力值，以要求使用者必須以一定的踩踏壓力完成指定動作，同時可以儲存並分析其實際施力的壓力值，以掌握其復健的進展。

本實施例進一步包括一警示模組50和一通訊模組60，該警示模組50可以是揚聲器或蜂鳴器，當使用者在壓力感測踏板40上完成指定動作時，警示模組50可以產生對應的音符，當使用者的速度得宜時，各個音符將連成一段旋律或音樂。當使用者動作錯誤時則可產生警示音提醒。

該通訊模組60與該運算控制模組10連接，其可以是一個行動通訊模組或一個無線網路模組，用以透過網路連接雲端資料庫或伺服器。主要是該運算控制模組10在使用者完成一提示訊息指定的各個踩踏動作後，將進行統計分析，或給予評分，而其統計分析資料或評分結果除可儲存在本機內以外，也可透過該通訊模組60儲存至雲端資料庫或伺服器。

由上述說明可看出本發明一較佳實施例的具體系統架構，其使用方式詳如以下所述： 請參閱圖5所示，主要是將顯示器20、肢體座標感測器30分別設在壓力感測踏板40的前方，當使用者站在壓力感測踏板40上時，可看見顯示器20上產生的音階式提示訊息，以便依指示執行動作，而肢體座標感測器30則同時對著壓力感測踏板40上的使用者，以擷取其肢體座標資訊。當使用者配合顯示器20顯示的音階式提示訊息以作出相應的踩踏動作，在動作正確時警示模組50將播放該音符，當動作連續時則可連成一段旋律或音樂，藉此可提升復健過程的趣味性。

關於結合肢體座標、壓力感測功能的優點在於：更能正確判斷使用者是否依提示訊息完成指定動作，並判斷其是否正確使力。以腳關節為例，部分症狀是腳跟或腳掌無法下壓或上翹，而肢體座標感測器30可以偵測其肢體或關節的位移，壓力感測踏板40則可判斷腳跟或腳掌下壓的力度是否符合要求。

前述實施例係採取立姿，對於體能狀況尚不允許以立姿使用者，亦可採取坐姿，如圖6所示，主要是令使用者坐在顯示器20、肢體座標感測器30的前方，並以雙腳踏在壓力感測踏板40上，並依照顯示器20上產生的音階式提示訊息完成指定的動作，而肢體座標感測器30則同時對著使用者的各部關節，以擷取其肢體座標資訊，藉此可達到與採立姿時相同的使用效果。

綜合以上所述可知，本發明對於特定肢體復健可提升其感測的正確性及復健過程的趣味性。

10‧‧‧運算控制模組
11‧‧‧處理器
12‧‧‧提示訊息資料庫
13‧‧‧對照表
20‧‧‧顯示器
30‧‧‧肢體座標感測器
40‧‧‧壓力感測踏板
41~44‧‧‧壓力感測器
45‧‧‧控制器
50‧‧‧警示模組
60‧‧‧通訊模組

圖1 係本發明的系統方塊圖。 圖2 係本發明的壓力感測踏板平面圖。 圖3 係本發明壓力感測踏板的一使用狀態示意圖。 圖4 係本發明壓力感測踏板的又一使用狀態示意圖。 圖5係本發明採用立姿時的使用狀態示意圖。 圖6係本發明採用坐姿時的使用狀態示意圖。

10‧‧‧運算控制模組

20‧‧‧顯示器

30‧‧‧肢體座標感測器

40‧‧‧壓力感測踏板

Claims (9)

1. 一種音階引導式肢體復健系統，包括： 一運算控制模組，作為運算控制中樞，其提供一個以上由音符組成的提示訊息，並內建一對照表，使該提示訊息中的各個音符分別對應不同的指定動作； 一顯示器，係與該運算控制模組連接，用以顯示播放該運算控制模組輸出的提示訊息； 一肢體座標感測器，係與該運算控制模組連接，用以感測使用者的肢體座標，並將肢體座標感測訊號傳送給該運算控制模組； 一壓力感測踏板，其上設有二個以上的壓力感測器，以感測使用者在該壓力感測踏板上的踩踏動作，並產生對應的壓力感測訊號傳送給該運算控制模組。
2. 如請求項1所述之音階引導式肢體復健系統，該運算控制模組進一步包括一處理器、一與處理器連接的提示訊息資料庫。
3. 如請求項2所述之音階引導式肢體復健系統，該壓力感測踏板共有四個壓力感測器，各個壓力感測器共同連接至一控制器，該控制器係與運算控制模組的處理器連接。
4. 如請求項3所述之音階引導式肢體復健系統，該壓力感測踏板是在一平台上設置四個壓力感測器，且兩兩成對設置，分別對應站立其上雙腳的腳跟、腳尖。
5. 如請求項3所述之音階引導式肢體復健系統，該壓力感測踏板上的壓力感測器是荷重元或薄片狀的撓性壓力感測器。
6. 如請求項1至5中任一項所述之音階引導式肢體復健系統，進一步包括一警示模組和一通訊模組，該警示模組、通訊模組係分別與運算控制模組電連接。
7. 如請求項6所述之音階引導式肢體復健系統，該通訊模組為行動通訊模組或無線網路模組。
8. 如請求項6所述之音階引導式肢體復健系統，該警示模組為揚聲器或蜂鳴器。
9. 如請求項6所述之音階引導式肢體復健系統，該肢體座標感測器是一Kinect感應器。