TWI693085B - Power sports equipment capable of changing leg movement mode - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種可變換腿部運動方式的動力式運動器材，主要是以二驅動機構分別驅動左、右二踏板位移，並且以位置測定裝置及受力測定裝置測定踏板的位置及受力狀況；另有一控制單元可控制前述驅動機構的驅動動作以及接收該等測定裝置的測定內容，並且儲存有可供選擇的複數運動方案；至少在特定的運作期間，控制單元會反覆不斷地依據踏板目前的位置及受力狀況等資訊，判斷左、右二踏板接著應該分別往什麼方向位移，以符合或趨向符合一選定的運動方案所設定的踏板位移軌跡及踏板相互關係，並且即時控制前述驅動機構驅動踏板往所判斷的方向位移。 The invention provides a power type sports equipment which can change the leg movement mode, which mainly drives the displacement of the left and right pedals by two driving mechanisms, and measures the position and force status of the pedals by the position measuring device and the force measuring device; Another control unit can control the driving action of the aforementioned driving mechanism and receive the measurement contents of the measuring devices, and stores a plurality of optional motion schemes; at least during a specific operation period, the control unit will repeatedly and continuously Information such as position and force status, determine the direction in which the left and right pedals should be displaced, in order to meet or tend to conform to the pedal displacement trajectory and the relationship between the pedals set by a selected exercise plan, and control the aforementioned driving mechanism to drive The pedal is displaced in the judged direction.
Description
本發明與運動器材有關，更詳而言之，是關於可供進行腿部運動的運動器材。 The present invention relates to sports equipment, and more specifically, to sports equipment available for leg exercises.
基本上，如固定式腳踏車、橢圓運動機、踏步機之類具有左、右二踏板的腿部運動器材，大多是供使用者以特定的腿部運動交替踩踏，使踏板沿著預定軌跡循環繞轉或往復位移。先前技術中，某些橢圓運動機可藉由調整構件位置而改變踏板位移軌跡的長軸仰角，另外某些橢圓運動機可因應使用者邁開腳步的力量而擴大或縮小踏板位移的前後幅度，主要都在變化腿部運動的位移量或運動難度。進而，目前市面上有些特定的運動器材，例如美國Precor公司的“Adaptive Motion Trainer”、Octane Fitness公司的“Zero Runner”、NordicTrack公司的“FreeStride”等，其中的左、右二踏板可因應使用者雙腳的施力方式而產生不同形式的位移，典型來說係可進行類似踏步機中的往復昇降動作，以及類似橢圓運動機中的循環繞轉動作，並可高度自由地控制踏板位移軌跡的形狀及幅度，因而能大致模擬原地踏步、走路、慢跑、跑步等多種腿部運動。不過，由於機構上的限制，上揭特定運動器材可能產生的踏板位移軌跡、踏板位移時的角度變化、左、右二踏板的相互關係等，通常會相互牽制而顧此失彼，很難同時重現人體在各種腿部運動中的理想腳部位移軌跡及腳部角度變化。此外，因為上揭特定運動器材中的踏板的活動自由度較多，所以使用者通常要有較佳的運動協調性，或至少需要一段時間去摸索及習慣踏板的動態，才能隨心所欲進行各種腿部運動。 Basically, leg exercise equipment with left and right pedals such as stationary bicycles, elliptical exercise machines, steppers, etc. are mostly for users to alternately pedal with specific leg movements to make the pedals circulate around a predetermined trajectory Turn or move to reset. In the prior art, some elliptical exercise machines can change the long-axis elevation angle of the pedal displacement trajectory by adjusting the position of the member. In addition, some elliptical exercise machines can increase or decrease the front and back amplitude of the pedal displacement in response to the user's footstep force. It mainly changes the displacement or difficulty of the leg movement. Furthermore, there are currently some specific sports equipment on the market, such as "Adaptive Motion Trainer" by American Precor, "Zero Runner" by Octane Fitness, and "FreeStride" by NordicTrack, etc., where the left and right pedals can be adapted to the user Different types of displacements are generated by the force application of the feet. Typically, they can perform reciprocating lifting movements similar to those in steppers, and circular revolving movements similar to elliptical exercise machines, and can control the pedal displacement trajectory with a high degree of freedom. The shape and amplitude can roughly simulate various leg movements such as stepping, walking, jogging and running. However, due to the limitations of the mechanism, the pedal displacement trajectory, the angle change of the pedal displacement, and the relationship between the left and right pedals of the specific sports equipment are uncovered. The ideal foot displacement trajectory and foot angle changes in various leg movements. In addition, because there is more freedom of movement of the pedals in specific sports equipment, users usually need to have better coordination of movements, or at least need a period of time to explore and get used to the dynamics of the pedals in order to carry out various legs at will movement.
對比於一般運動器材是供使用者進行主動運動(active exercise)，常見於醫療復健用途的動力式運動器材則可讓使用者進行被動運動(passive exercise)，例如，藉由馬達驅動左、右二踏板沿著圓形軌跡定速繞 轉，以帶動使用者的雙腿進行類似踩腳踏車的動作，或是藉由可程式化控制的動力機構驅動左、右二踏板分別沿著預定軌跡位移及變化角度，以帶動使用者的雙腿進行標準或經過調校的走路動作。使用上述動力式運動器材時，使用者的雙腿不需主動出力及協調控制，可完全任由動力機構帶動其腳部位移，迫使雙腿反覆伸直、屈曲，以達到活動關節及伸縮肌肉、韌帶的目的。 In contrast to general sports equipment, which is used for active exercise by the user, the power sports equipment commonly used in medical rehabilitation can allow the user to perform passive exercise, for example, by driving the left and right motors The two pedals are wound around the circular track Rotate to drive the user's legs to perform a bicycle-like motion, or drive the left and right pedals along the predetermined trajectory to move and change the angle along the predetermined trajectory by a programmable power mechanism to drive the user's legs Perform standard or adjusted walking movements. When using the above-mentioned dynamic exercise equipment, the user's legs do not need active output and coordinated control, and the power mechanism can completely drive the displacement of the feet, forcing the legs to straighten and flex repeatedly to reach the movable joints and flex muscles. The purpose of ligaments.
到目前為止，相關領域中仍然缺乏一種腿部運動器材，可讓使用者由多種腿部運動中隨意進行及變換所需的運動，各種運動中的腳部位移軌跡、腳部角度變化、左腳與右腳的相互關係等都能符合理想狀態，而且，使用者是進行主動運動而非被動運動，亦即雙腿必須主動出力及協調控制，才能以使左、右二踏板分別往預期的方向位移。 So far, there is still a lack of leg exercise equipment in the related field, which allows users to freely perform and change the required movements from a variety of leg movements, foot displacement trajectories, foot angle changes, left feet in various sports The relationship with the right foot can meet the ideal state, and the user is active rather than passive, that is, the legs must actively output and coordinate control in order to make the left and right pedals move in the desired direction. Displacement.
另外，例如韻律舞、瑜珈、武術等，由一位教練帶領多位學員同時進行相同運動的團體訓練方式由來已久，而近來亦興起一股利用腿部運動器材進行團體訓練的風潮，也就是，在同一場所(通常是健身中心)，一位教練在多位學員前面使用一腿部運動器材進行運動，而每位學員亦各自使用一相同的腿部運動器材，並且跟從教練的帶領進行相同的運動，以完成預定的訓練課程，其中，教練除了全程運動供學員仿效，還會不時以喊話的方式指示學員跟著其調高或調低運動器材的運動阻力、加快或減慢運動速度、變換不同的運動姿勢等。更先進的，有業者將訓練課程錄製成影片，讓學員可在家中的運動器材上播放前述影片，並且跟從影片中的教練帶領進行相同的運動。然而，無論是現場的集團訓練或是個人在家利用影片進行的訓練，習知方式很難確保每位學員都能良好地跟從教練的示範及指示，在對應的時間進行與教練相同的運動。 In addition, for example, rhythm dance, yoga, martial arts, etc., there is a long-standing group training method in which a coach leads multiple students to perform the same exercise at the same time, and recently there has been a wave of group training using leg exercise equipment, that is, , In the same place (usually a fitness center), a coach uses a leg exercise equipment to exercise in front of multiple students, and each student also uses the same leg exercise equipment, and the same as the coach’s leadership. In order to complete the scheduled training course, in addition to the full exercise for the students to imitate, the coach will also instruct the students to follow them to increase or decrease the resistance of the sports equipment, speed up or slow down the movement speed, Change different sports postures, etc. More advanced, some practitioners record the training course as a video, so that students can play the aforementioned video on the sports equipment at home, and follow the coach in the film to lead the same exercise. However, whether it is on-site group training or personal training at home using videos, it is difficult to ensure that each student can follow the coach’s demonstration and instructions well and perform the same exercise as the coach at the corresponding time.
本發明的主要目的即在提供一種可變換腿部運動方式的動力式運動器材，能讓使用者由多種腿部運動中隨意地進行及變換所需的運動，而且進行運動時需主動出力及協調控制，因此能獲得主動運動的運動效果。 The main purpose of the present invention is to provide a power sports equipment that can change the leg movement mode, which allows the user to freely perform and change the required movements from a variety of leg movements, and needs active output and coordination when exercising Control, so you can get the effect of active movement.
本發明的另一目的則在提供一種運動系統，可供一教練帶領至少一學員同步或非同步進行相同的運動，而且，前述運動系統能夠有效 協助學員在對應的時間進行與教練相同的運動，以獲得預期的運動效果。 Another object of the present invention is to provide a sports system for a coach to lead at least one student to perform the same sports synchronously or asynchronously, and the aforementioned sports system can be effective Assist students to perform the same exercise as the coach at the corresponding time to obtain the expected exercise effect.
為了達成上揭主要目的，本發明所提供的可變換腿部運動方式的動力式運動器材包含有：一架體；一左踏板，用以承載使用者的左腳；一右踏板，用以承載使用者的右腳；一左驅動機構，連接在前述架體與前述左踏板之間，可藉動力驅動前述左踏板相對於前述架體位移，而且至少可改變前述左踏板整體的高低位置及前後位置；一右驅動機構，連接在前述架體與前述右踏板之間，可藉動力驅動前述右踏板相對於前述架體位移，而且至少可改變前述右踏板整體的高低位置及前後位置；一位置測定裝置，可測定前述左踏板及前述右踏板其中至少一者相對於前述架體的位置；一左受力測定裝置，可測定前述左踏板的受力狀況；一右受力測定裝置，可測定前述右踏板的受力狀況；一介面裝置，可供使用者輸入資訊；一控制單元，與前述左驅動機構、前述右驅動機構、前述位置測定裝置、前述左受力測定裝置、前述右受力測定裝置及前述介面裝置電性連接，可控制前述左驅動機構及前述右驅動機構的驅動動作、接收該等測定裝置的測定內容，以及接收使用者經由前述介面裝置輸入的資訊；此外，前述控制單元儲存有可供使用者選擇的複數運動方案，各前述運動方案設定有前述左踏板及前述右踏板的位移軌跡，以及前述左踏板與前述右踏板在前述位移軌跡上的相互關係；前述運動器材可供使用者踩站在前述左踏板及前述右踏板上進行主動的腿部運動；至少在一特定的運作期間，前述控制單元會反覆不斷地依據包含前述左踏板及前述右踏板其中至少一者目前的位置、前述左踏板目前的受力狀況及前述右踏板目前的受力狀況在內的資訊，判斷前述左踏板及前述右踏板接著應該分別往什麼方向位移，以符合或趨向符合一選定的前述運動方案所設定的前述位移軌跡及前述相互關係，並且即時控制前述左驅動機構及前述右驅動機構分別驅動前述左踏板及前述右踏板往所判斷的方向位移，其中，前述左踏板及前述右踏板任一者的受力狀況均會影響自身及另一者的位移動作。 In order to achieve the main purpose of the above disclosure, the present invention provides a dynamic exercise device capable of changing leg movements including: a frame; a left pedal to carry the user's left foot; and a right pedal to carry The user's right foot; a left drive mechanism, connected between the frame and the left pedal, can drive the displacement of the left pedal with respect to the frame by power, and can at least change the overall height position and front and rear of the left pedal A right drive mechanism, connected between the frame and the right pedal, can drive the right pedal to move relative to the frame by power, and can at least change the overall height position and front and rear position of the right pedal; a position The measuring device can measure the position of at least one of the left pedal and the right pedal relative to the frame body; a left force measuring device can measure the force condition of the left pedal; a right force measuring device can measure The force situation of the right pedal; an interface device for users to input information; a control unit, and the left drive mechanism, the right drive mechanism, the position measuring device, the left force measuring device, the right force The measurement device and the interface device are electrically connected to control the driving actions of the left drive mechanism and the right drive mechanism, receive the measurement contents of the measurement devices, and receive the information input by the user through the interface device; in addition, the control The unit stores a plurality of user-selectable exercise schemes, each of the exercise schemes sets the displacement trajectory of the left pedal and the right pedal, and the relationship between the left pedal and the right pedal on the displacement trajectory; the sports equipment Allows the user to step on the left pedal and the right pedal for active leg movements; at least for a specific period of operation, the control unit will repeatedly based on including at least one of the left pedal and the right pedal Information including the current position, the current stress condition of the left pedal and the current stress condition of the right pedal, to determine the direction in which the left pedal and the right pedal should be displaced in order to meet or tend to conform to a selected The displacement locus and the interrelationship set by the motion plan, and the left drive mechanism and the right drive mechanism are controlled in real time to drive the left pedal and the right pedal to be displaced in the determined direction respectively, wherein the left pedal and the right The force condition of any one of the pedals will affect the displacement of itself and the other.
藉此，使用者可透過前述介面裝置選擇所欲進行的運動方案，由前述控制單元反覆地依據左、右二踏板目前的位置及使用者對踏板的施力狀況等資訊，即時控制踏板依據前述運動方案所設定的方式位移；或者，使用者可以不用透過前述介面裝置選擇運動方案，由前述控制單元 反覆地依據左、右二踏板目前的位置及使用者對踏板的施力狀況等資訊，自動選定一合適的運動方案(包含維持目前的運動方案)，並且即時控制踏板依據前述運動方案所設定的方式位移。 In this way, the user can select the desired exercise program through the interface device, and the control unit repeatedly controls the pedal according to the foregoing information based on the current position of the left and right pedals and the user's force on the pedal. Displacement in the manner set by the exercise plan; alternatively, the user can select the exercise plan without using the aforementioned interface device. Iteratively selects a suitable exercise plan (including maintaining the current exercise plan) based on the current position of the left and right pedals and the user's force on the pedal, and controls the pedal in real time according to the settings of the previous exercise plan. Way displacement.
1/2/3‧‧‧動力式運動器材 1/2/3‧‧‧Power sports equipment
1A‧‧‧教練運動器材 1A‧‧‧Coach Sports Equipment
1B‧‧‧學員運動器材 1B‧‧‧Sports equipment
10‧‧‧架體 10‧‧‧frame
12‧‧‧左側部 12‧‧‧left side
14‧‧‧右側部 14‧‧‧Right side
20‧‧‧介面裝置 20‧‧‧Interface device
30‧‧‧握把組 30‧‧‧ Grip group
40L‧‧‧左踏板 40L‧‧‧Left pedal
45L‧‧‧左受力測定裝置 45L‧‧‧Left force measuring device
40R‧‧‧右踏板 40R‧‧‧Right pedal
45R‧‧‧右受力測定裝置 45R‧‧‧Right force measuring device
50L‧‧‧左驅動機構 50L‧‧‧Left drive mechanism
50R‧‧‧右驅動機構 50R‧‧‧Right drive mechanism
51‧‧‧第一偏轉臂 51‧‧‧First deflection arm
52‧‧‧第二偏轉臂 52‧‧‧Second deflection arm
53‧‧‧平移座 53‧‧‧ Translation seat
54‧‧‧縱移座 54‧‧‧longitudinal seat
55‧‧‧偏轉臂 55‧‧‧Deflection arm
56‧‧‧位移座 56‧‧‧Displacement seat
60‧‧‧位置測定裝置 60‧‧‧Position measuring device
70‧‧‧角度測定裝置 70‧‧‧Angle measuring device
80‧‧‧位移測定裝置 80‧‧‧Displacement measuring device
90‧‧‧控制單元 90‧‧‧Control unit
D‧‧‧下降方向 D‧‧‧Descent direction
E1‧‧‧第一端 E1‧‧‧The first end
E2‧‧‧第二端 E2‧‧‧Second end
F‧‧‧正循環方向 F‧‧‧ Positive circulation direction
LC‧‧‧分力 LC‧‧‧component
LN‧‧‧淨力 LN‧‧‧net force
LT‧‧‧切線 LT‧‧‧Tangent
N‧‧‧淨力 N‧‧‧ Net force
R‧‧‧逆循環方向 R‧‧‧Reverse cycle direction
RC‧‧‧分力 RC‧‧‧component
RN‧‧‧淨力 RN‧‧‧ Net force
RT‧‧‧切線 RT‧‧‧Tangent
S‧‧‧運動空間 S‧‧‧Sports Space
T‧‧‧過渡路徑 T‧‧‧Transition path
T1‧‧‧第一位移軌跡 T1‧‧‧ First displacement track
T2‧‧‧第二位移軌跡 T2‧‧‧Second displacement track
T3‧‧‧第三位移軌跡 T3‧‧‧ third displacement trajectory
T4‧‧‧第四位移軌跡 T4‧‧‧ fourth displacement trajectory
U‧‧‧上昇方向 U‧‧‧ ascending direction
以下將舉述若干較佳實施例以詳細說明本發明的可能實施方式，其中：圖1是本發明第一較佳實施例的動力式運動器材的構成示意圖；圖2是本發明第一較佳實施例的動力式運動器材的機構部分的側視圖，並且示意一使用者藉以進行腿部運動；圖3是本發明第二較佳實施例的動力式運動器材的機構部分的側視圖；圖4是本發明第三較佳實施例的動力式運動器材的機構部分的側視圖；圖5A至5C示意依據踏板前半及後半區域的受力判定使用者腳部施力方向的三種狀況；圖6A及6B示意依據踏板樞軸的扭力判定使用者腳部施力方向的兩種狀況；圖7示意第一運動方案設定的踏板位移軌跡及左、右二踏板的相互關係；圖8示意第二運動方案設定的踏板位移軌跡及左、右二踏板的相互關係；圖9示意第三運動方案設定的踏板位移軌跡及左、右二踏板的相互關係；圖10示意第四運動方案設定的踏板位移軌跡及左、右二踏板的相互關係；圖11A及11B示意依據踏板的受力狀況決定由一位移軌跡變換成另一位移軌跡的兩種狀況；圖12是本發明提供的運動系統的示意圖。
The following will describe several preferred embodiments to describe possible implementations of the present invention in detail. Among them: FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of a power sports equipment according to a first preferred embodiment of the present invention; FIG. 2 is a first preferred embodiment of the
請先參閱圖1及圖2，本發明第一較佳實施例的動力式運動器材1具有一架體10，前述架體10架立在地面上，具有相對的一左側部12
及一右側部14，左側部12與右側部14之間形成一運動空間S，使用者可經由架體10的後端進入或退出運動空間S。架體10的前端頂側設有一介面裝置20及一握把組30。介面裝置20如同一般運動器材中的控制台(console)，可輸出資訊予使用者，並可供使用者輸入資訊，例如透過LED陣列或液晶顯示器輸出使用導引、運動狀況等資訊，以及透過按鈕或觸控螢幕讓使用者輸入運動參數、運作指令等資訊。前述握把組30可供運動中的使用者捉握，圖中顯示握把組30固定在架體10上，使用者在進行腿部運動時可捉握前述固定式握把組30以維持其上身穩定。本發明亦可設置活動式握把組(取代固定式握把組，或是與固定式握把組並存)，讓使用者在進行腿部運動的同時亦能進行手部運動，此部分在後文中會進一步說明。
Please refer to FIG. 1 and FIG. 2 first, the
前述運動空間S內具有一用以承載使用者左腳的左踏板40L，以及一用以承載使用者右腳的右踏板40R。一左驅動機構50L連接在架體10的左側部12與左踏板40L之間，一右驅動機構50R連接在架體10的右側部14與右踏板40R之間，左驅動機構50L及右驅動機構50R可藉動力(例如電力、油壓、氣壓等)分別驅動左踏板40L及右踏板40R相對於架體10位移，包含昇降、進退、偏轉等，必要時亦可使左踏板40L及右踏板40R定位在所需位置及角度。
The aforementioned sports space S has a
在本較佳實施例中，左驅動機構50L及右驅動機構50R各具有一第一偏轉臂51及一第二偏轉臂52，其中，第一偏轉臂51的第一端(即圖中的頂端)依據一對應於左右軸向的第一軸線(圖中未示)樞接在架體10的左側部12或右側部14，第二偏轉臂52的第一端(即圖中的頂端)依據一對應於左右軸向的第二軸線(圖中未示)樞接在第一偏轉臂51的第二端(即圖中的底端)。前述左踏板40L及右踏板40R分別依據一對應於左右軸向的第三軸線(圖中未示)樞接在對應的第二偏轉臂52的第二端(即圖中的底端)內側，各具有一供使用者單腳踩踏的頂面。各第一偏轉臂51與架體10之間、各第二偏轉臂52與對應的第一偏轉臂51之間，以及各踏板40L、40R與對應的第二偏轉臂52之間，分別設有一可透過伺服控制器或伺服驅動器驅控運轉的伺服馬達(圖中未示)，藉此可獨立驅動各第一偏轉臂51依據前述第一軸線以預定角速度偏轉預定角度、獨立驅動各第二偏轉臂52依據前述第二軸線以預定角速度偏轉預定角度，以及獨立驅動各踏板40L、40R依據前述第三
軸線以預定角速度偏轉預定角度。藉由適當組合第一偏轉臂51及第二偏轉臂52的上述偏轉動作，即可驅動左踏板40L及右踏板40R各自在一YZ平面上以預定速率朝預定方向位移(註：前述YZ平面是指由Y軸及Z軸共同定義的平面，其中，Y軸代表上下軸向，Z軸代表前後軸向)，進而，藉由不斷地改變驅動位移的方向及速率，即可驅動各踏板40L、40R在其可能活動範圍內沿著任意軌跡進行勻速或非勻速的位移。此外，藉由(配合第二偏轉臂52的角度)驅動踏板40L、40R相對於第二偏轉臂52偏轉，可控使各踏板40L、40R在特定位置呈現所需角度，例如使其頂面呈現水平，或是使其頂面以預定斜度朝向前上方或後上方。同一側邊的三組伺服馬達均停止運轉時，該側邊的踏板40L、40R會定位在當時的位置及角度。
In the preferred embodiment, the
由圖2可以看出，本較佳實施例中的左驅動機構50L及右驅動機構50R的位置、結構及動作均大致對應於使用者的雙腿。在製造面，此般機構有利於腳部運動軌跡及踏板驅控程式的設計，例如可依據人體工學(Ergonomics)及人體肌動學(Kinesiology)等相關知識設定第一偏轉臂51(對應於人體大腿)、第二偏轉臂52(對應於人體小腿)及踏板40L、40R(對應於人體腳部)的可能偏轉範圍及理想角度關係，藉以設定合理、自然的踏板活動範圍及角度變化，以及設計特定的踏板位移軌跡以帶動使用者進行預期的腿部運動。在使用面，因為第一偏轉臂51及第二偏轉臂52仿現人體下肢的形狀及動作，所以使用者進行腿部運動時會直覺互動，因而有較佳的使用者體驗(user experience)。
As can be seen from FIG. 2, the position, structure and motion of the
當然，除了上揭結構，本發明當中的踏板驅動機構亦可採用其他結構。例如，在圖2所示結構的一種變型結構中(無圖)，第一偏轉臂改成以其前端樞接在架體的前端，第二偏轉臂改成以其前端樞接在第一偏轉臂的後端，踏板則是對應樞接在第二偏轉臂的後端，如此，前述架體的左側部及右側部得以省略。以下再搭配圖面舉述兩種不同型式的踏板驅動機構。要先聲明的是，不同較佳實施例之間的相同或對應構件，會標示相同的符號。 Of course, in addition to the uncovered structure, the pedal driving mechanism of the present invention can also adopt other structures. For example, in a modified structure of the structure shown in FIG. 2 (not shown), the first deflection arm is changed to be pivotally connected to the front end of the frame body with its front end, and the second deflection arm is changed to be pivotally connected to the first deflection with its front end At the rear end of the arm, the pedal is correspondingly pivotally connected to the rear end of the second deflection arm. Thus, the left and right side portions of the aforementioned frame body are omitted. In the following, two different types of pedal drive mechanisms are described in conjunction with the drawings. It should be stated first that the same or corresponding components between different preferred embodiments will be marked with the same symbols.
請參閱圖3，在本發明第二較佳實施例的動力式運動器材2中，左驅動機構50L及右驅動機構50R各具有一平移座53及一縱移座54，其中，平移座53以可沿著前後軸向(Z軸)直線位移的方式設在架體10的左
側部12或右側部14，可被獨立驅動而以預定速率向前或向後位移預定距離，縱移座54以可沿著上下軸向(Y軸)直線位移的方式設在平移座53上，可被獨立驅動而以預定速率向上或向下位移預定距離。左踏板40L及右踏板40R分別依據一對應於左右軸向的軸線樞接在對應的縱移座54內側，可被獨立驅動而依據前述軸線以預定角速度偏轉預定角度。藉由適當組合平移座53的前後位移動作及縱移座54的上下位移動作，即可驅動左踏板40L及右踏板40R各自在一YZ平面上以預定速率朝預定方向位移，乃至沿著任意軌跡位移。藉由驅動踏板40L、40R偏轉，可控使踏板40L、40R在特定位置呈現所需角度。在圖3所示結構的一種變型結構中(無圖)，各驅動機構具有一可在架體上上下位移的縱移座及一可在前述縱移座上前後位移的平移座，踏板則是對應樞接在前述平移座上。
Referring to FIG. 3, in the
請參閱圖4，在本發明第三較佳實施例的動力式運動器材3中，左驅動機構50L及右驅動機構50R各具有一偏轉臂55及一位移座56，其中，偏轉臂55的其中一端(本例為頂端)依據一對應於左右軸向的軸線(圖中未示)樞接在架體10的左側部12或右側部14，可被獨立驅動而依據前述軸線以預定角速度偏轉預定角度，位移座56以可沿著偏轉臂55的長軸向直線位移的方式設在偏轉臂55上，可被獨立驅動而以預定速率朝偏轉臂56的第一端或第二端位移預定距離。左踏板40L及右踏板40R分別依據一對應於左右軸向的軸線樞接在對應的位移座56內側，可被獨立驅動而依據前述軸線以預定角速度偏轉預定角度。藉由適當組合偏轉臂55的前述偏轉動作及位移座56的前述直線位移動作，即可驅動左踏板40L及右踏板40R各自在一YZ平面上以預定速率朝預定方向位移，乃至沿著任意軌跡位移。藉由(配合偏轉臂55的角度)驅動踏板40L、40R偏轉，可控使踏板40L、40R在特定位置呈現所需角度。
Referring to FIG. 4, in the
在上面揭示的幾個較佳實施例中，驅動機構50L、50R僅能改變踏板40L、40R整體的高低位置及前後位置，換言之，各踏板40L、40R的可能活動範圍及位移軌跡均被限定在一YZ平面上。如果上揭驅動機構50L、50R本身的結構基本不變，但相對於架體10的方向關係稍加改變，例如使第一及第三較佳實施例中的偏轉臂51、52、55的偏轉軸線不對應於左右軸向(X軸)，或是使第二較佳實施例中的平移座53及/或縱移座54的直線
位移軌跡具有左右方向的偏斜，則踏板40L、40R相對於架體10的左右位置即可改變，例如可被驅動往右後方或往左上方位移(註：踏板的可能活動範圍及位移軌跡仍被限定在一平面上，但不是YZ平面)。
In the several preferred embodiments disclosed above, the
進而，本發明可能利用結構較複雜的驅動機構，使能驅動踏板沿著一位在三維曲面上的預定軌跡位移。舉個最簡單的例子：如前所述，圖3當中的驅動機構50L、50R各具有一可沿Z軸(前後軸向)位移的平移座53及一可沿Y軸(上下軸向)位移的縱移座54，如果各側邊再增加一個可沿X軸(左右軸向)位移的橫移座(圖中未示)，構成機器手臂(robotic arm)領域中的所謂笛卡兒坐標機器人(Cartesian coordinate robot)，藉由適當組合上下位移、前後位移及左右位移的動作，即可驅動各踏板40L、40R沿著三維空間中的任意軌跡位移。
Furthermore, the present invention may use a drive mechanism with a more complicated structure to enable the drive pedal to be displaced along a predetermined trajectory on a three-dimensional curved surface. For the simplest example: As mentioned above, the driving
另一方面，在上面揭示的幾個較佳實施例中，踏板40L、40R本身的角度變化，僅能依據(例如穿過踏板後端或中間部位的)一對應於左右軸向的軸線進行偏轉，亦即踏板前端相對於後端昇高或降低。類似地，本發明可能利用結構較複雜的驅動機構，使能驅動踏板產生更豐富的角度變化，例如，驅動踏板40L、40R依據一對應於上下軸向的軸線偏轉，使其前端相對於後端偏內或偏外，及/或驅動踏板40L、40R依據一對應於前後軸向的軸線偏轉，使其內側相對於外側昇高或降低。
On the other hand, in the preferred embodiments disclosed above, the angle change of the
在一個極端的例子中，本發明中的驅動機構採用機器手臂領域中的所謂六軸機器人(6-axis robot)，不僅能夠驅動踏板在三維空間中任意位移，還能驅動踏板依據三個相互垂直的軸線適當偏轉，使踏板頂面及長軸向呈現各種所需角度。本發明中的驅動機構並不限定使用電動馬達等電動致動器，例如也可採用油壓或氣壓伺服系統進行驅控。 In an extreme example, the driving mechanism of the present invention uses a so-called 6-axis robot in the field of robot arms, which can not only drive the pedal to move arbitrarily in three-dimensional space, but also drive the pedal according to three mutually perpendicular The axis of the yoke is properly deflected, so that the top surface and the long axis of the pedal present various desired angles. The driving mechanism in the present invention is not limited to the use of electric actuators such as electric motors. For example, hydraulic or pneumatic servo systems may be used for driving and controlling.
接著將說明本發明的其他構件、整體作動及功能等。要先聲明的是，以下的技術內容(即便參閱圖1進行說明)，除非有特別指定或顯然無法適用，否則均適用於本發明各較佳實施例的動力式運動器材1、2、3，以及採用其他驅動機構的各種可能實施結構。
Next, other components, overall operations and functions of the present invention will be described. It should be stated first that the following technical contents (even if they are described with reference to FIG. 1), unless otherwise specified or obviously not applicable, are applicable to the
如圖1示意，前述動力式運動器材還具有二位置測定裝置60、二角度測定裝置70及二位移測定裝置80，簡單來說，該等測定裝置60、70、80可分別測定踏板40L、40R相對於架體10的位置、角度及位移。該
等測定裝置60、70、80輸出的測定內容，亦即對應於踏板位置、角度、位移的數值或訊號，可作為驅動踏板40L、40R位移(包含偏轉)的回授。
As shown in FIG. 1, the aforementioned dynamic exercise equipment further includes a two-
前述二位置測定裝置60可分別測定左踏板40L及右踏板40R相對於架體10的位置，包含高低位置及前後位置。在第一較佳實施例中，各位置測定裝置60可能透過測定對應的驅動機構50L、50R的第一偏轉臂51相對於架體10的角度以及第二偏轉臂52相對於第一偏轉臂51的角度，以推算出踏板40L、40R的位置，例如踏板40L、40R與第二偏轉臂52相互樞接的部位的Y,Z坐標。其中，測定第一、第二偏轉臂51、52角度的方法，例如可應用旋轉編碼器(rotary encoder)或解角器(resolver)等習知技術感測前述伺服馬達的轉軸旋轉方向、旋轉圈數及角位置，以推算出受其決定的偏轉臂51、52目前的角度。類似的手法亦可應用於第二、第三較佳實施例的動力式運動器材2、3，亦即，測定圖3中的平移座53的前後位置以及縱移座54的高低位置，或是測定圖4中的偏轉臂55的角度以及位移座56在偏轉臂55上的位置，即可推算出對應的踏板40L、40R位置。當然，除了上述手法，實務上可藉以量測或推算踏板40L、40R位置的手法還有很多，例如可應用紅外線感測、超音波感測、電磁感測、光感測、影像感測等習知技術感測驅動機構50L、50R的構件位置或角度，或是直接感測踏板40L、40R的高低位置及前後位置等。
The two-
前述二角度測定裝置70可分別測定左踏板40L及右踏板40R相對於架體10(或相對於地面)的角度。在第一較佳實施例中，各角度測定裝置70可能透過測定對應的驅動機構50L、50R的第一偏轉臂51相對於架體10的角度、第二偏轉臂52相對於第一偏轉臂51的角度，以及踏板40L、40R相對於第二偏轉臂52的角度，以推算出踏板40L、40R的角度，例如踏板前端相對於後端的仰角/俯角。類似的手法亦可應用於圖3、圖4的動力式運動器材2、3，不再贅述。當然，除了上述手法，實務上可藉以量測或推算踏板40L、40R角度的手法還有很多，例如可直接在踏板40L、40R上裝設習知的傾斜計(gradienter)或陀螺儀(gyroscope)等。
The two-
前述二位移測定裝置80可分別測定左踏板40L及右踏板50R相對於架體10的位移速度(velocity)或加速度，包含位移的方向以及在該方向上的速率(speed)或速率變化。各位移測定裝置80可能透過測定對應
的驅動機構50L、50R的構件位移方向(包含旋向)及速率，以推算出踏板40L、40R的位移速度，例如在圖3中，平移座53前後位移的向量及縱移座54上下位移的向量直接合成踏板40L、40R在YZ平面上的位移向量。或者，位移測定裝置80可能利用位置測定裝置(不限於上揭較佳實施例的手法)持續測定踏板位置，基於相隔預定時間(例如0.1秒)的兩個時間點上的位置差異，計算出踏板在該時間的平均速度，這裡，位置測定裝置60及特定運算模組構成了位移測定裝置80。當然，除了上述手法，實務上可藉以量測或推算踏板40L、40R位移速度或加速度的手法還有很多，例如直接在踏板40L、40R上裝設習知的加速規(accelerometer)或螺陀儀等。
The aforementioned two
上面提及的位置測定裝置60、角度測定裝置70及位移測定裝置80的可能實施方式，包含其中可能應用到的各種感測器、感測方法、角度或位置推算方法等，都是例如機械自動化控制、機器手臂、馬達伺服系統等領域的成熟技術，容不在此詳述。
The above-mentioned possible embodiments of the
在本發明中，左踏板40L的位置及位移與右踏板40R的位置及位移可能具有預定的相互關係(後詳)，使得只要得知左踏板40L及右踏板40R其中一者目前的位置及位移速度(或加速度)，即能推算出另一者目前的位置及位移速度(或加速度)，因此，本發明的動力式運動器材可能僅有一位置測定裝置及一位移測定裝置，用以直接測定其中一踏板的位置及位移，並可藉以推算(間接測定)另一踏板的位置及位移。此外，在本發明中，各踏板40L、40R的位置與角度可能具有預定的配合關係(後詳)，使得只要得知踏板40L、40R目前的位置，即能(例如透過查表法)求出踏板40L、40R目前的角度，因此，本發明的動力式運動器材可能沒有前述角度測定裝置70，或者說，位置測定裝置60及特定運算模組構成了角度測定裝置70。
In the present invention, the position and displacement of the
如圖1示意，前述動力式運動器材還具有一左受力測定裝置45L及一右受力測定裝置45R，可分別測定左踏板40L及右踏板40R的受力狀況，質言之，可用以測定使用者進行腿部運動時的左腳對左踏板40L的施力狀況以及右腳對右踏板40R的施力狀況。實務上，各受力測定裝置45L、45R可能在對應的踏板40L、40R的頂面下方設置習知的壓力感測器(圖中未示)，藉以感測垂直於踏板40L、40R頂面的壓力大小。較佳地，各踏板40L、40R上分隔設置複數的前述壓力感測器，使能依據壓力的分佈狀況
判定踏板整體的受力方向及大小。例如，踏板的前半區域及後半區域各設有一前述壓力感測器，可分別感測踏板前半區域及後半區域(的特定部位)所承受的壓力，使能透過預定演算法得到一視為作用在踏板中間部位的淨力，或者說是踏板整體的受力。請參閱圖5A至5C，以踏板40頂面呈現水平為例(註：標記40表示左踏板40L及右踏板40R均適用，下同)，如圖5A示意，當踏板40的前半區域(圖中右側)及後半區域(圖中左側)受力相等，判定為踏板40的中間部位承受一垂直向下的淨力N，或者說，判定為使用者腳部F對踏板40整體施加一垂直向下的淨力N；如圖5B示意，當踏板40前半區域的受力大於後半區域，判定為使用者腳部F對踏板40整體施加一向下且向後的淨力N；如圖5C示意，當踏板40後半區域的受力大於前半區域，判定為使用者腳部F對踏板40整體施加一向下且向前的淨力N。前述淨力N相對於踏板40的具體角度可依據踏板40前半區域及後半區域的受力比例決定。搭配上揭踏板角度測定，可換算出前述淨力N相對於架體10(或相對於地面)的角度。前述淨力N的大小則可依據踏板40前半區域及後半區域的受力總和決定。
As shown in FIG. 1, the aforementioned dynamic exercise equipment further includes a left
各受力測定裝置45L、45R也可能在對應的踏板40L、40R與驅動裝置50L、50R之間，例如對應前述第三軸線的樞軸部位，設置習知的重量感測器(圖中未示)，藉以感測踏板40L、40R承載的重量。進而，受力測定裝置45L、45R還可能在踏板40L、40R的樞軸上設置習知的扭力感測器(圖中未示)，使能依據前述扭力判定踏板整體的受力方向。請參閱圖6A及6B，同樣以踏板40頂面呈現水平為例，如圖6A示意，當踏板40中間部位的樞軸承受一對應於圖中順時鐘方向的扭力，代表踏板40前半區域(圖中右側)的受力大於後半區域(圖中左側)，判定為使用者腳部F對踏板40整體施加一向下且向後的淨力N；如圖6B示意，當前述樞軸承受一對應於圖中逆時鐘方向的扭力，代表踏板40後半區域的受力大於前半區域，判定為使用者腳部F對踏板40整體施加一向下且向前的淨力N。前述淨力N相對於踏板40的具體角度可依據前述扭力及前述重量的大小決定。
Each
如圖1示意，前述動力式運動器材還具有一控制單元90，前述控制單元90廣義上是指能以預定方式處理電性訊號的相關硬體、軟體、韌體總成，實務上通常以一內建特定程式的微控制器(MCU)作為處理核
心。控制單元90與前述介面裝置20電性連接，可控制介面裝置20的輸出內容，以及接收使用者經由介面裝置20輸入的資訊。控制單元90亦與前述左驅動機構50L及前述右驅動機構50R電性連接，可控制左驅動機構50L及右驅動機構50R的驅動動作，實質上等於控制左踏板40L及右踏板40R的位移。控制單元90還與前述位置測定裝置60、角度測定裝置70、位移測定裝置80、左受力測定裝置45L及右受力測定裝置45R電性連接，可接收該等測定裝置60、70、80、45L、45R的測定內容(亦即對應於踏板位置、角度、位移、受力的數值或訊號)。前述電性連接可能為有線連接也可能為無線連接，後者例如透過藍牙或射頻等無線通訊技術傳輸訊號。
As shown in FIG. 1, the aforementioned dynamic exercise equipment further includes a
控制單元90搭載有記憶體或其他電腦資料儲存器(圖中未示)，其中儲存有複數的運動方案，各運動方案設定有左踏板40L及右踏板40R的位移軌跡、左踏板40L及右踏板40R在前述位移軌跡上的角度變化，以及左踏板40L及右踏板40R在前述位移軌跡上的相互關係。前述位移軌跡的內容構成，可能是多個具有順序關係的踏板位置(例如前述Y,Z坐標)，可能是多個連續的向量(例如朝什麼方向前進多少距離)，也可能是一個或複數個函數(例如對應於圓形、橢圓形或曲線的函數)。前述角度變化的內容構成，可能是與前述多個踏板位置一一對應的多個角度值，也可能是與前述多個向量一一對應的多組偏轉參數(例如依據什麼軸線以什麼角速度偏轉多少角度)。前述相互關係，指的是當左踏板40L及右踏板40R其中一者位在前述位移軌跡上的什麼位置及/或往什麼方向位移時，另一者應該位在前述位移軌跡上的什麼位置及/或往什麼方向位移。前述相互關係可能以對照表(lookup table)或函數的方式設定。
The
舉例來說，控制單元90儲存的複數運動方案當中包含一第一運動方案，其中設定左踏板40L及右踏板40R的位移軌跡(以下稱第一位移軌跡)各為一在YZ平面上的圓形軌跡，而且如圖7示意，左踏板40L及右踏板40R的第一位移軌跡T1在側視下重疊。第一運動方案還設定側視下左踏板40L及右踏板40R在第一位移軌跡T1上保持相對，例如，在圖7的視角下，當其中一踏板位在第一位移軌跡T1上的三點鐘位置(圖中右端)時，另一踏板應該位在第一位移軌跡T1上的九點鐘位置(圖中左端)。換個觀點來說，左踏板40L及右踏板40R的位移方向會恰好相反，例如，當其
中一踏板沿著第一位移軌跡T1往空間的後下方(圖中的左下方)位移時，另一踏板應該沿著第一位移軌跡T1往空間的前上方(圖中的右上方)位移。前述第一位移軌跡T1定義有一正循環方向(圖中的順時鐘方向)F及一逆循環方向(圖中的逆時鐘方向)R，左踏板40L及右踏板40R會同時依據前述正循環方向F或同時依據前述逆循環方向R位移。
For example, the complex motion plan stored in the
另有一第二運動方案，如圖8示意，其中所設定的第二位移軌跡T2為一在YZ平面上的橢圓形軌跡，前述橢圓形的長軸對應於前後軸向，亦即踏板40L、40R繞行一周的前後位移量大於高低位移量。另有一第三運動方案，如圖9示意，其中所設定的第三位移軌跡T3同樣為一在YZ平面上的橢圓形軌跡，但其長軸對應於上下軸向，亦即高低位移量大於前後位移量。前述第二及第三運動方案也都設定側視下左踏板40L及右踏板40R在位移軌跡上位置相對、位移方向相反，例如，當其中一踏板由位移軌跡上的最高位置往前下方位移時，另一踏板應該由位移軌跡上的最低位置往後上方位移。前述第二及第三位移軌跡T2、T3也分別定義有互為反向的一正循環方向F及一逆循環方向R。包含前述第一位移軌跡T1在內，前述正循環方向F相對符合人體走路或跑步時的腳部循環方向，簡單來說，當踏板40L、40R依據正循環方向F沿著位移軌跡T1、T2、T3循環繞轉時，會是由後往前通過軌跡的最高點，並且由前往後通過軌跡的最低點。
There is also a second motion scheme, as shown in Figure 8, where the set second displacement trajectory T2 is an elliptical trajectory on the YZ plane. The long axis of the ellipse corresponds to the front and rear axes, that is, the
圖7至圖9中的位移軌跡T1、T2、T3，其實只是為了方便解說本發明的運作方式而簡單舉例的範本。在設計實務上，為了提供自然舒適及具有預期效果的腿部運動，本發明中的運動方案所設定的踏板位移軌跡、踏板角度變化及左、右二踏板的相互關係，可能依據人體實際走路、慢跑或跑步時的腳部動作對應設定，也可能依據習知的橢圓運動機等腿部運動器材當中的踏板動作對應設定，例如，事先以習知的動作捕捉系統(motion capture system)捕捉人體在跑步機上走路、慢跑或跑步時的腳部動作，或是以電腦軟體模擬習知腿部運動器材的運作並從中擷取踏板動作的資料，再轉化為前述運動方案的設定內容。質言之，比起圓形或橢圓形等標準幾何形狀，本發明中的踏板位移軌跡更有可能是形狀不規則的封閉軌跡。進而，如前所述，本發明中的踏板可能被適當的驅動機構驅動而沿著三維空間中的任意軌跡位移，因此，前述位移軌跡並不限定在一平面上， 換言之，封閉軌跡可能構成一個曲面。 The displacement trajectories T1, T2, and T3 in FIGS. 7 to 9 are only simple examples for the convenience of explaining the operation mode of the present invention. In terms of design practice, in order to provide natural comfort and leg movements with the desired effect, the pedal displacement trajectory, pedal angle change, and the relationship between the left and right pedals set in the sports scheme of the present invention may be based on the actual walking of the human body, Corresponding settings for foot movements during jogging or running may also be set according to pedal movements in conventional leg exercise equipment such as elliptical exercise machines. For example, the human body is captured with a known motion capture system in advance The foot movements when walking, jogging or running on the treadmill, or using computer software to simulate the operation of the conventional leg exercise equipment and extracting pedal movement data from them, are then converted into the setting content of the aforementioned exercise program. In short, the pedal displacement trajectory in the present invention is more likely to be a closed trajectory with irregular shapes than a standard geometry such as a circle or an ellipse. Furthermore, as mentioned above, the pedal in the present invention may be driven by an appropriate driving mechanism to be displaced along any trajectory in the three-dimensional space, therefore, the aforementioned displacement trajectory is not limited to a plane, In other words, the closed trajectory may constitute a curved surface.
此外，本發明中的踏板位移軌跡也有可能是一具有相對二端的非封閉軌跡，例如，如圖10示意，一第四運動方案設定第四位移軌跡T4為一弧線軌跡，前述弧線的第一端E1位在第二端E2的前上方。前述第四位移軌跡T4定義有一由較高的第一端E1至較低的第二端E2的下降方向D，以及一由前述第二端E2至前述第一端E1的上昇方向U。前述第四運動方案還設定，當其中一踏板位在第四位移軌跡T4的其中一端時，另一踏板應該位在第四位移軌跡T4的另一端，以及，當其中一踏板依據前述上昇方向U位移時，另一踏板應該依據前述下降方向D位移。此般踏板位移軌跡及左、右二踏板的相互關係，基本上是在模擬踏步機(stepper)類型的腿部運動器材的踏板動作。前述弧線可能改為直線。此外，非封閉軌跡亦可能位在一曲面上。 In addition, the pedal displacement trajectory in the present invention may also be an unclosed trajectory with two opposite ends. For example, as shown in FIG. 10, a fourth motion scheme sets the fourth displacement trajectory T4 as an arc trajectory. The first end of the aforementioned arc E1 is located above the second end E2. The fourth displacement trajectory T4 defines a descending direction D from a higher first end E1 to a lower second end E2, and a rising direction U from the second end E2 to the first end E1. The foregoing fourth motion scheme also sets that when one of the pedals is located at one end of the fourth displacement trajectory T4, the other pedal should be located at the other end of the fourth displacement trajectory T4, and when one of the pedals is in accordance with the ascending direction U During the displacement, the other pedal should be displaced according to the aforementioned descending direction D. The relationship between the pedal displacement trajectory and the left and right pedals basically simulates the pedal movement of a stepper type leg exercise equipment. The aforementioned arc may be changed to a straight line. In addition, the non-closed trajectory may also be on a curved surface.
除了上面提及的態樣，本發明還可能設定各式各樣的踏板位移軌跡，例如半圓形、“∞”形、三葉線(trifolium)、螺旋線(spiral)等較為特別的軌跡形狀，或者，左、右二踏板的位移軌跡形狀不同或側視下不重疊，以帶動進行豐富多樣的腿部運動。 In addition to the above-mentioned aspects, the present invention may also set various pedal displacement trajectories, such as semicircular, "∞" shape, trifolium, spiral and other more special trajectory shapes Or, the left and right pedals have different displacement trajectory shapes or do not overlap in side view to drive a variety of leg movements.
接著說明本發明的動力式運動器材的使用及運作方式。基本上，前述動力式運動器材可讓使用者將雙腳分別踩站在左踏板40L及右踏板40R上，並且將雙手捉握在前述握把組30上，藉由支撐腳部的踏板40L、40R相對於架體10位移，雙腿進行對應的提腳、踩下、邁步等運動。這裡該說明的是，基於驅動機構50L、50R的能力，前述動力式運動器材當然可以直接驅控踏板40L、40R沿著預定軌跡循環繞轉或往復位移，強制帶動使用者的腳部對應位移，使得使用者的腿部進行非自主的被動運動，但這部分並非本發明著眼的功能及目的。事實上，本發明的動力式運動器材主要是讓使用者如同在使用一般的橢圓運動機或踏步機之類的腿部運動器材，必須主動出力使腿部伸直或屈曲，並且協調控制兩腳的力量分配、施力時機及施力方向等，才能進行預期的腿部運動，獲得預期的主動運動效果。
Next, the use and operation of the power sports equipment of the present invention will be described. Basically, the aforementioned powered exercise equipment allows the user to step on their feet on the
正常狀況下，在無人使用前述動力式運動器材時，踏板40L、40R會被定位在預定位置及預定角度，以方便使用者進入前述運動空間S以及往前踩上踏板40L、40R，例如，其中一踏板以水平角度位在盡量
接近地面的低處，另一踏板併排在旁邊或是位在前方較高處。意思是，當一使用者結束其運動時，前述控制單元90會控制左驅動裝置50L及右驅動裝置50R分別驅動左踏板40L及右踏板40R位移至適當位置及適當角度，以方便該名使用者走下地面，以及方便下一使用者踩上踏板40L、40R。「控制單元90控制驅動裝置50L、50R驅動踏板40L、40R位移」這類的句子，以下可能簡略表述為「控制單元90控制踏板40L、40R位移」
Under normal conditions, when no one uses the aforementioned powered exercise equipment, the
在前述動力式運動器材的第一種使用方式/運作模式下，使用者必須先透過前述介面裝置20選擇一個前述運動方案，或是選擇複數運動方案的順序組合。介面裝置20可能顯示運動方案的踏板軌跡形狀等內容供使用者觀看及選擇。前述選擇動作也可能隱含在透過介面裝置20完成的各種互動中，例如，使用者形式上選擇一個名為「5公里跑步」或「訓練股四頭肌」的運動程式，但其實質上可能是若干前述運動方案的順序執行，使用者未必清楚其具體內容。依據踏板先前所在的位置及使用者選定的運動方案，在正式執行前述運動方案之前，控制單元90可能需要先控制踏板40L、40R位移至對應的位移軌跡上的適當位置，例如控使左踏板40L及右踏板40R分別沿著最短路徑或適當切線到達對應的位移軌跡上，視需要再沿著軌跡位移適當距離，以到達預設的初始位置，或至少符合前述運動方案所設定的踏板相互關係。正式執行選定的運動方案時，控制單元90會持續接收前述位置測定裝置60、角度測定裝置70、位移測定裝置80、左受力測定裝置45L及右受力測定裝置45R的測定內容，反覆不斷地依據包含左踏板40L及右踏板40R其中至少一者目前的位置、左踏板40L目前的受力狀況及右踏板40R目前的受力狀況在內的資訊，判斷左踏板40L及右踏板40R接著應該分別往什麼方向位移，以符合前述運動方案所設定的位移軌跡及相互關係，並且即時控制左踏板40L及右踏板40R往所判斷的方向位移，其中，左踏板40L及右踏板40R任一者的受力狀況均會影響自身及另一者的位移動作。
In the first usage/operation mode of the aforementioned powered exercise equipment, the user must first select one of the aforementioned exercise programs through the
舉例而言，如果使用者選定的運動方案的踏板位移軌跡為前述封閉軌跡(例如圖7、8、9所示的第一、第二、第三位移軌跡T1、T2、T3)，則當左踏板40L及右踏板40R其中一者的對應於前述正循環方向F上的受力大於另一者的對應於前述逆循環方向R上的受力超過一預設的正循環阻 力值，或是當左踏板40L的對應於正循環方向F上的受力與右踏板40R的對應於正循環方向F上的受力的總和超過前述正循環阻力值，控制單元90會控制左踏板40L及右踏板40R往對應於正循環方向F的方向位移；反之，當左踏板40L及右踏板40R其中一者的對應於逆循環方向R上的受力大於另一者的對應於正循環方向F上的受力超過一預設的逆循環阻力值，或是當左踏板40L的對應於逆循環方向R上的受力與右踏板40R的對應於逆循環方向R上的受力的總和超過前述逆循環阻力值，控制單元90會控制左踏板40L及右踏板40R往對應於逆循環方向R的方向位移。 For example, if the pedal displacement trajectory of the movement scheme selected by the user is the aforementioned closed trajectory (such as the first, second, and third displacement trajectories T1, T2, and T3 shown in FIGS. 7, 8, and 9), then the left One of the pedal 40L and the right pedal 40R has a force corresponding to the aforementioned positive circulation direction F greater than that of the other corresponding to the aforementioned reverse circulation direction R exceeding a predetermined positive circulation resistance The force value, or when the sum of the force corresponding to the positive circulation direction F of the left pedal 40L and the force corresponding to the positive circulation direction F of the right pedal 40R exceeds the aforementioned positive circulation resistance value, the control unit 90 controls the left The pedal 40L and the right pedal 40R are displaced in the direction corresponding to the positive circulation direction F; conversely, when one of the left pedal 40L and the right pedal 40R corresponds to the force in the reverse circulation direction R is greater than the other corresponding to the positive circulation The force in direction F exceeds a preset reverse cycle resistance value, or when the left pedal 40L corresponds to the force in the reverse cycle direction R and the right pedal 40R corresponds to the force in the reverse cycle direction R The control unit 90 controls the left pedal 40L and the right pedal 40R to be displaced in the direction corresponding to the reverse circulation direction R when the above-mentioned reverse circulation resistance value is exceeded.
關於踏板在前述正循環或逆循環方向上的受力大小，可採用如下的演算法：請參閱圖7，在右踏板40R方面，向量RN代表「右踏板40R目前承受的淨力」，切線RT是第一位移軌跡T1上的右踏板40R目前位置的切線，代表「右踏板40R由目前位置往前述正循環及逆循環方向的對應方向」，另一向量RC則是前述向量(淨力)RN垂直投影在切線RT上的分力，代表「右踏板40R在前述正循環或逆環方向上的受力」；至於左踏板40L方面的淨力LN、切線LT及分力LC定義相同，不再贅述；由圖中可以看出，因為此刻的右踏板40R在正循環方向F上的受力(即RC)大於左踏板40L在逆循環方向R上的受力(即LC)，所以左踏板40L及右踏板40R會一同依據正循環方向沿著第一位移軌跡T1位移。同理，圖8中的踏板40L、40R會一同依據正循環方向F沿著第二位移軌跡T2位移，圖9中的踏板40L、40R會一同依據逆循環方向R沿著第三位移軌跡T3位移。
Regarding the force of the pedal in the aforementioned forward or reverse cycle direction, the following algorithm can be used: Please refer to FIG. 7, in terms of the
在前述封閉軌跡的狀況，當左踏板40L及右踏板40R其中一者的對應於正循環方向F上的受力大於另一者的對應於逆循環方向R上的受力超過前述正循環阻力值愈多，或是當左踏板40L的對應於正循環方向F上的受力與右踏板40R的對應於正循環方向F上的受力的總合超過正循環阻力值愈多，則左踏板40L及右踏板40R受驅動位移的速率愈快；同樣地，當左踏板40L及右踏板40R其中一者的對應於逆循環方向R上的受力大於另一者的對應於正循環方向F上的受力超過前述逆循環阻力值愈多，或是當左踏板40L的對應於逆循環方向R上的受力與右踏板40R的對應於逆循環方向R上的受力的總合超過逆循環阻力值愈多，則左踏板40L及右踏板40R受驅動位移的速率愈快。
In the aforementioned closed trajectory situation, when one of the
前述介面裝置20具有一可供使用者設定前述正循環阻力值及前述逆循環阻力值的設定介面(圖中未示)。基本上，前述阻力值設定得愈高，使用者對踏板的施力(通常是左腳與右腳的施力差距)就必須愈大，才能使踏板以預期速率往預期方向位移。同一位移軌跡上的不同位置，可能會以設定的阻力值作為基數而乘上不同的係數，例如在圓形軌跡的前端及後端係數較大，在圓形軌跡的頂端及底端係數較小。本發明可能設計成正循環阻力值及逆循環阻力值相同，也可能設計成可分別調整或維持預定比例，例如同一位置上的逆循環阻力值總是高於正循環阻力值。
The
如果使用者選定的運動方案的踏板位移軌跡為前述非封閉軌跡(例如圖10所示的第四運動軌跡T4)，則當左踏板40L的對應於前述下降方向D上的受力大於右踏板40R的對應於下降方向D上的受力超過一預設的阻力值，控制單元90會控制左踏板40L往對應於下降方向D的方向位移，同時控制右踏板40R往對應於前述上昇方向U的方向位移；反之，當右踏板40R的對應於下降方向D上的受力大於左踏板40L的對應於下降方向D上的受力超過前述阻力值，控制單元90會控制右踏板40R往對應於下降方向D的方向位移，同時控制左踏板40L往對應於上昇方向U的方向位移。關於踏板在前述下降方向上的受力大小，可採用上面揭示的「淨力在切線方向上的分力」的演算法，不再贅述。
If the pedal displacement trajectory of the movement scheme selected by the user is the aforementioned non-closed trajectory (for example, the fourth movement trajectory T4 shown in FIG. 10 ), then when the
在前述非封閉軌跡的狀況，當左踏板40L及右踏板40R其中一者的對應於下降方向D上的受力大於另一者的對應於下降方向D上的受力超過前述阻力值愈多，則左踏板40L及右踏板40R受驅動位移的速率愈快。前述阻力值亦可經由前述介面裝置20進行設定，同樣地，阻力值設得愈高，踩動愈費力。
In the aforementioned non-closed trajectory, when one of the
在前述動力式運動器材的另一種使用方式/運作模式下，當使用者在進行腿部運動時，控制單元90會反覆不斷地依據包含左踏板40L及右踏板40R其中至少一者目前的位置、左踏板40L目前的受力狀況及右踏板40R目前的受力狀況在內的資訊，自動選定一合適的運動方案(包含維持目前的運動方案)，判斷左踏板40L及右踏板40R接著應該分別往什麼方向位移，以符合或趨向符合選定的前述運動方案所設定的位移軌跡及相互關係，並且即時控制左踏板40L及右踏板40R往所判斷的方向位移。
In another usage/operation mode of the aforementioned powered exercise equipment, when the user is performing a leg exercise, the
舉例來說，如圖11A示意，假設稍早之前左踏板40L及右踏板40R一直沿著圓形的第一位移軌跡T1循環繞轉，但在過去幾圈(例如二或三圈)，各踏板40L、40R在由圓形軌跡的頂端往前下方位移的過程中，所承受的淨力N的方向明顯偏往前方(註：比較基準可能是一預設的標準角度，或是稍早之前通過相同位置時的淨力平均角度)，可推測為使用者想要擴展其腿部運動的前後位移量，所以控制單元90會自動選定位移軌跡呈橫長形的前述第二運動方案，並且適當修正踏板40L、40R接下來幾圈(例如二或三圈)的位移路徑，使踏板40L、40R能沿著圓滑的過渡路徑T逐漸趨近前述第二位移軌跡T2，進而變成沿著第二位移軌跡T2循環繞轉。同理，如圖11B示意，假設稍早之前踏板40L、40R一直沿著圓形的第一位移軌跡T1循環繞轉，但在過去幾圈，各踏板40L、40R在由圓形軌跡的前端往後下方位移的過程中，所承受的淨力N的方向明顯偏往下方，可推測為使用者想要擴展其腿部運動的高低位移量，所以控制單元90會自動選定位移軌跡呈縱長形的前述第三運動方案，並且控使踏板40L、40R逐漸變成沿著第三位移軌跡T3循環繞轉。
For example, as shown in FIG. 11A, suppose that the
除了上面例示的依據踏板受力方向推測使用者施力意圖，控制單元90還可能單獨或綜合依據踏板受力大小的變化、左、右二踏板受力差異的變化、踏板位移速率的變化等，推測出使用者想往某個方向擴展或抑制其腳部運動範圍的意圖，以替使用者選換合適的運動方案。形狀不同的二位移軌跡之間均可經由圓滑的路徑修正而逐漸變換，包含不同的二封閉軌跡之間的變換，不同的二非封閉軌跡之間的變換，以及封閉軌跡與非封閉軌跡之間的變換。在前述第一種使用方式/運作模式中，如果使用者選擇複數運動方案順序執行，則在由前一運動方案變換至次一運動方案的過程，踏板也會沿著適當修正的過渡路徑位移，逐漸趨近新的位移軌跡。再次重申，前揭圓形及橢圓形軌跡僅是方便解說的範本，本發明的控制單元90可能存有許多運動方案及各式位移軌跡，使得能由一位移軌跡小幅度地變換成另一位移軌跡。甚至，控制單元90也可能在使用者進行運動的過程中，臨時依據所推測的使用者意圖，適當修改目前執行中的運動方案而產生一暫存性的運動方案，並以此臨時產生的運動方案作為變換目標。
In addition to the above-mentioned example of inferring the user's intention to apply force based on the pedal force direction, the
無論在上述第一種或第二種使用方式/運作模式下，使用者
都可以在運動過程中隨時透過介面裝置20選擇新的運動方案或是調整前述阻力值，控制單元90收到使用者的指令之後，會立即套用新的判斷法則及控制方式，經過適當的緩衝期間逐漸變換成新的設定。
Regardless of the first or second usage/operation mode above, the user
Both can choose a new exercise plan or adjust the aforementioned resistance value through the
在前述兩種使用方式/運作模式中，控制單元90進行前述判斷所依據的資訊，還可能包含前述位移測定裝置80的測定內容，亦即左踏板40L及右踏板40R其中至少一者目前的位移速度或加速度，藉以模擬傳統腿部運動器材中的運動慣性。例如，當踏板依據正循環方向持續繞轉時，使用者若想藉由反向施力阻止或阻緩踏板繼續繞轉，則踏板快速繞轉時會比踏板慢速繞轉時更為費力、費時；以及，當依據使用者的施力狀況而控使踏板由目前的位移軌跡變換成另一軌跡，踏板位移速度愈慢/愈快，剛偏離目前軌跡時的角度愈大/愈小。
In the above two usage modes/operation modes, the information on which the
經由以上對本發明若干較佳實施例的詳細說明可知，本發明所提供的動力式運動器材可讓使用者由運動形式不同(例如模擬原地踏步、走路、慢跑或跑步)、位移量不同(例如踏板位移軌跡的前後幅度較大或較小)、運動難度不同(例如踏板位移軌跡的長軸仰角較大或較小)等多種腿部運動中隨意進行及變換所需的運動，各種腿部運動中的腳部位移軌跡、腳部角度變化、左腳與右腳的相互關係等，均會按照規劃的理想狀態進行，而且，使用者並非被驅動機構帶動進行被動運動，而是如同在使用一般的橢圓運動機或踏步機之類的腿部運動器材，雙腿必須主動出力及協調控制，才能使左、右二踏板分別往預期的方向位移，因此能獲得主動運動的運動效果。 Through the above detailed description of several preferred embodiments of the present invention, it can be seen that the powered exercise equipment provided by the present invention allows users to move from different forms of movement (such as simulating in-place stepping, walking, jogging or running), and have different amounts of displacement (such as The front and back amplitude of the pedal displacement trajectory is larger or smaller), the difficulty of movement is different (for example, the long axis elevation angle of the pedal displacement trajectory is larger or smaller), and various movements required for random movement and transformation in various leg movements, various leg movements The displacement trajectory of the foot, the angle of the foot, the relationship between the left foot and the right foot, etc., will be carried out according to the ideal state of the plan, and the user is not driven by the driving mechanism for passive movement, but as if in use Leg sports equipment such as an elliptical exercise machine or stepper, both legs must actively output and coordinate control, so that the left and right pedals can be respectively displaced in the expected direction, so the active sports effect can be obtained.
上面曾經提及，本發明的動力式運動器材可能設置活動式握把組，讓使用者在進行腿部運動的同時亦能進行手部運動。例如，在本發明的一較佳實施例中(無圖)，動力式運動器材還包含有一左握把、一右握把、一可驅動左握把位移的左握把驅動機構、一可驅動右握把位移的右握把驅動機構、一可測定前述二握把其中至少一者的位置的握把位置測定裝置、一可測定左握把的受力狀態的左握把受力測定裝置，以及一可測定右握把的受力狀態的右握把受力測定裝置；前述控制單元可控制前述二握把驅動機構的驅動動作，並且可接收前述握把位置測定裝置及前述二握把受力測定裝置的測定內容；簡單來講就是，仿照上面揭示的控制及監測左、 右二踏板的手法，以另一套設備控制及監測左、右二握把，此部分因可類推，容不贅述；至少一前述運動方案中還設定有前述二握把的位移軌跡以及前述二握把在位移軌跡上的相互關係，此外，還設定有前述二握把與前述二踏板的相互關係；進行運動時，前述控制單元會依據前述二握把的位置及受力狀況(亦即使用者手部對握把的施力狀況)控制前述二握把的位移；而且，握把的受力會與踏板的受力合併判斷，例如在某運動方案中，左握把往前/往後的受力與右踏板往後/往前的受力互為助力，右握把往前/往後的受力與左踏板往後/往前的受力互為助力，類似一般橢圓運動機中的手腳連動關係。 As mentioned above, the power sports equipment of the present invention may be provided with a movable grip group, so that the user can perform hand movements while performing leg movements. For example, in a preferred embodiment of the present invention (not shown), the powered sports equipment further includes a left grip, a right grip, a left grip drive mechanism that can drive the displacement of the left grip, and a drive A right grip driving mechanism for right grip displacement, a grip position measuring device that can measure the position of at least one of the two grips, and a left grip force measuring device that can measure the force state of the left grip, And a right grip force measuring device capable of measuring the force state of the right grip; the control unit can control the driving action of the second grip driving mechanism, and can receive the grip position measuring device and the second grip The measurement content of the force measurement device; in simple terms, it is modeled after the control and monitoring disclosed above. The method of the second right pedal uses another set of equipment to control and monitor the left and right two grips. This part can be deduced by analogy; at least one of the aforementioned sports programs also sets the displacement trajectory of the aforementioned two grips and the aforementioned two. The relationship between the grip on the displacement trajectory, in addition, the relationship between the two grips and the two pedals is also set; during the exercise, the control unit will be based on the position of the two grips and the force status (i.e. use The force applied by the hand to the grip) controls the displacement of the aforementioned two grips; moreover, the force of the grip will be combined with the force of the pedal. For example, in a certain sports program, the left grip is forward/backward The force on the right and the back/forward on the right pedal help each other, the right/back on the right grip and the left/back on the left pedal help each other, similar to the general elliptical exercise machine Hand-foot linkage.
本發明還提供一種運動系統，可供一教練帶領至少一學員進行相同的運動，如圖12示意，前述運動系統包含一教練運動器材1A及至少一(圖中例示四台)學員運動器材1B，前述教練運動器材1A及各學員運動器材1B均為本發明的前述動力式運動器材(圖中以第一較佳實施例的動力式運動器材1為例)，各包含有前述架體、踏板、驅動機構、位置測定裝置、受力測定裝置及控制單元(圖中未完整繪示，結構及功能同前，不再贅述)，其中，教練運動器材1A的控制單元與各學員運動器材1B的控制單元電性連接，前者可傳送特定訊號給後者。使用前述運動系統時，教練使用教練運動器材1A進行運動，各學員分別使用一學員運動器材1B跟著教練一起運動。過程中，各學員運動器材1B所採行的運動方案會跟從教練運動器材1A所採行的運動方案，也就是說，當教練在教練運動器材1A上透過介面裝置選擇運動方案(前揭第一種使用方式/運作模式，包含複數運動方案的順序執行)，或是藉由改變對踏板的施力方式而變換運動方案(前揭第二種使用方式/運作模式)，教練運動器材1A的控制單元會將選定執行的運動方案的對應訊號傳送至各學員運動器材1B的控制單元，使所有學員運動器材1B同步執行相同的運動方案，促使所有學員進行與教練相同的運動。教練運動器材1A也可能將前述阻力值的對應訊號傳送至各學員運動器材1B，使所有學員運動器材1B的阻力值與教練運動器材1A的阻力值保持相同。
The present invention also provides a sports system for a coach to lead at least one student to perform the same exercise. As shown in FIG. 12, the foregoing sports system includes a
在另一較佳實施例中，教練的身上配戴一套肌電訊號感測裝置(圖中未示)，可感測教練肢體的肌電圖(electromyography；EMG)訊號；各學員的身上配戴一套電氣刺激裝置(圖中未示)，可對學員的肢體施加特定的 電氣刺激，促使學員的肢體產生對應動作，此部分為電氣肌肉刺激(electrical muscle stimulation；EMS)領域的知識及技術；前述肌電訊號感測裝置及各前述電氣刺激裝置透過控制單元(例如前述教練運動器材的控制單元及/或前述學員運動器材的控制單元)電性連接，前述控制單元可依據前述肌電訊號感測裝置測得的肌電圖訊號，控制各前述電氣刺激裝置對學員肢體施加對應的電氣刺激，促使所有學員進行與教練相同的運動。 In another preferred embodiment, a set of EMG signal sensing device (not shown) is worn on the coach, which can sense the electromyography (EMG) signal of the coach's limb; Wear an electrical stimulation device (not shown) to apply specific Electrical stimulation stimulates the corresponding movements of the student's limbs. This part is the knowledge and technology in the field of electrical muscle stimulation (EMS); the aforementioned myoelectric signal sensing device and each of the aforementioned electrical stimulation devices pass through the control unit (such as the aforementioned coach) The control unit of the sports equipment and/or the control unit of the student's sports equipment) are electrically connected, and the control unit can control each of the electrical stimulation devices to apply to the student's limbs according to the EMG signal measured by the EMG signal sensing device Corresponding electrical stimulation encourages all students to perform the same exercise as the coach.
1‧‧‧動力式運動器材 1‧‧‧Power sports equipment
10‧‧‧架體 10‧‧‧frame
12‧‧‧左側部 12‧‧‧left side
14‧‧‧右側部 14‧‧‧Right side
20‧‧‧介面裝置 20‧‧‧Interface device
30‧‧‧握把組 30‧‧‧ Grip group
40L‧‧‧左踏板 40L‧‧‧Left pedal
45L‧‧‧左受力測定裝置 45L‧‧‧Left force measuring device
40R‧‧‧右踏板 40R‧‧‧Right pedal
45R‧‧‧右受力測定裝置 45R‧‧‧Right force measuring device
50L‧‧‧左驅動機構 50L‧‧‧Left drive mechanism
50R‧‧‧右驅動機構 50R‧‧‧Right drive mechanism
51‧‧‧第一偏轉臂 51‧‧‧First deflection arm
52‧‧‧第二偏轉臂 52‧‧‧Second deflection arm
60‧‧‧位置測定裝置 60‧‧‧Position measuring device
70‧‧‧角度測定裝置 70‧‧‧Angle measuring device
80‧‧‧位移測定裝置 80‧‧‧Displacement measuring device
90‧‧‧控制單元 90‧‧‧Control unit
S‧‧‧運動空間 S‧‧‧Sports Space
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW107106974A TWI693085B (en) | 2018-02-27 | 2018-02-27 | Power sports equipment capable of changing leg movement mode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW107106974A TWI693085B (en) | 2018-02-27 | 2018-02-27 | Power sports equipment capable of changing leg movement mode |
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|---|---|
| TW201936233A TW201936233A (en) | 2019-09-16 |
| TWI693085B true TWI693085B (en) | 2020-05-11 |
Family
ID=68618565
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW107106974A TWI693085B (en) | 2018-02-27 | 2018-02-27 | Power sports equipment capable of changing leg movement mode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI693085B (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW557799U (en) * | 2002-12-31 | 2003-10-11 | Greenmaster Ind Corp | Adjustable buffering mechanism for running machine |
| TWI371296B (en) * | 2004-02-26 | 2012-09-01 | Nautilus Inc | Control system and method for an exercise apparatus |
| CN107281697A (en) * | 2015-11-18 | 2017-10-24 | 中国石油大学(华东) | A kind of application method of training aids |
-
2018
- 2018-02-27 TW TW107106974A patent/TWI693085B/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW557799U (en) * | 2002-12-31 | 2003-10-11 | Greenmaster Ind Corp | Adjustable buffering mechanism for running machine |
| TWI371296B (en) * | 2004-02-26 | 2012-09-01 | Nautilus Inc | Control system and method for an exercise apparatus |
| CN107281697A (en) * | 2015-11-18 | 2017-10-24 | 中国石油大学(华东) | A kind of application method of training aids |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201936233A (en) | 2019-09-16 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |