估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法及系统技术方案

一种估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法及系统，该方法包括：令受测者连续踩踏自行车预设时间，以测量受测者下肢关节角度变化而取得关节角度信号，并测量自行车曲柄受力产生的力矩信号、施加于踏板的三轴踏力信号、曲柄角度信号及受测者下肢两条肌肉的肌电信号，且信号处理装置根据该关节角度信号、力矩信号、踏力信号、曲柄角度信号及受测者的人体计测数据，估算受测者下肢肌肉的活化数据及下肢关节的力矩数据，并根据上述肌电信号求得受测者下肢其余肌肉的肌电信号，且根据该等肌电信号求得受测者下肢肌肉的共缩百分比。本发明专利技术可评估受测者在骑乘自行车的过程中是否会造成下肢的运动伤害，以进行相关的预防措施。

Method and system for estimating lower limb motion state of rider bicycle

A method and system for estimating the movement state of the lower limbs of a cyclist is described. The method comprises: a preset time for the cyclist to continuously pedal on the bicycle, a joint angle signal obtained by measuring the change of the joint angle of the lower limbs of the cyclist, a torque signal produced by the force exerted on the crank of the bicycle, and a three-axis pedal applied to the pedal. Force signal, crank angle signal and EMG signal of the two muscles of the lower extremity of the subject were measured. The signal processing device estimated the activation data of the lower extremity muscles and the torque data of the lower extremity joints according to the joint angle signal, torque signal, tread force signal, crank angle signal and the anthropometric data of the subject. The EMG signals were used to obtain the EMG signals of the rest of the lower extremity muscles, and the percentage of contraction of the lower extremity muscles was calculated according to the EMG signals. The present invention can evaluate whether the subject will cause lower limb movement injury during cycling, so as to carry out relevant preventive measures.

【技术实现步骤摘要】
估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法及系统
本专利技术涉及一种估测人体运动状态的方法，特别是涉及一种估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法。
技术介绍
近来由于自行车运动风气的盛行，其运动伤害的发生率也因而增加，此类重复性循环运动，肌肉收缩过程当中遭遇环境的阻抗必须使得生理软组织不断的适应与应付疲劳的累积，因此若骑乘策略不正确，久而久之将对骑乘者下肢肌肉骨骼及关节产生慢性运动伤害。临床上对于肌肉骨骼运动伤害的评估，主要以放射线检查、疼痛问诊与触诊施予处方笺。普遍下肢疼痛患者(可自主活动者)接受骨科、康复科门诊初期，除接受X-ray摄影外，通常会以按压式疼痛触诊来作为是否有伤害的评估，然而，骑乘自行车此类重复性循环运动所产生的肌肉拉伤、肌肉挫伤是发生在一整条肌肉而非一段，一般的触诊并无法获得来自于体重以及受重力影响的疼痛病征，因此除了无法对骑乘自行车导致的运动伤害提供一完整的伤害评估外，也无法提供骑乘策略的改善与伤害的预防。因此，若能预先对受测者估测其骑乘自行车时的运动状态，则能根据该运动状态评估受测者可能遭遇的运动伤害，进而提供骑乘策略的改善与伤害的预防。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，以供进一步根据该运动状态评估受测者可能遭遇的运动伤害，进而提供骑乘策略的改善与伤害的预防。本专利技术一种估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，包括下列步骤：(A)令一受测者骑乘设置在一脚踏车训练架上的一自行车并连续踩踏一预设时间，并以一关节量角装置在该预设时间内，测量该受测者的膝关节的角度变化，以得到一包含膝关节的角度变化的关节角度数据；(B)令设置在该自行车上的一力感测装置在该预设时间内，感测该自行车的曲柄的形变及/或感测施加于自行车的踏板的踏力，以得到与该受测者下肢施力相关的一力量数据；(C)令一角度测量装置测量在该预设时间内每个时间点所对应的曲柄角度，以得到一曲柄角度数据；(D)令一表面肌电信号测量装置在该预设时间内，测量该受测者下肢至少两条肌肉的电位变化并对应产生一肌电信号；(E)由一数据数字化装置将该关节角度数据、该力量数据、该曲柄角度数据及该肌电信号数字化并输出至一信号处理装置；(F)该信号处理装置的一肌肉骨骼模拟模块根据数字化的该关节角度数据、该力量数据、该曲柄角度数据及该受测者的一包括性别、身高、体重的人体计测数据，估算该受测者下肢肌肉的一活化数据，以及估算该受测者的膝关节的一力矩数据；(G)该肌肉骨骼模拟模块还根据数字化的该受测者下肢至少两条肌肉对应的该等肌电信号，将与该受测者下肢除了上述至少两条肌肉以外的其余肌肉对应的该活化数据转换成相对应的该肌电信号；及(H)该信号处理装置的一数据分析模块根据该受测者下肢肌肉对应的该等肌电信号，计算该受测者下肢肌肉的一共缩百分比。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(A)中，该关节量角装置是一电子量角器，其通过贴附在该受测者下肢的膝关节处的多个感测器测量该受测者的膝关节在三轴空间的旋转角度变化。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(B)中，该力感测装置是一设置在该自行车上的曲柄力矩感测器，其在该预设时间内感测该自行车的踏板连接的曲柄受力转动产生的形变。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(B)中，该力感测装置是一设置在该自行车的踏板上的三轴测力规，其在该预设时间内，测量施加于踏板的踏力。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(B)中，该力感测装置包括一设置在该自行车上的曲柄力矩感测器及一设置在该自行车的踏板上的三轴测力规，该曲柄力矩感测器在该预设时间内感测该自行车的踏板连接的曲柄受力转动产生的形变并输出一力矩信号，该三轴测力规在该预设时间内测量施加于踏板的踏力并输出一踏力信号，且该力量数据包含该力矩信号及该踏力信号。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(C)中，该角度测量装置是一设置在该自行车上且与链轮连动的一角度编码器，其在该预设时间内测量每个时间点所对应的曲柄角度。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(H)中，该数据分析模块是以如下的一肌肉共缩公式计算该共缩百分比，其中Coactivation为该共缩百分比：在本专利技术的一些实施例中，在步骤(D)中，该表面肌电信号测量装置测量该受测者下肢单侧单脚两条肌肉或双侧双脚各一条肌肉的电位变化，并在对应该受测者的腓骨头处贴上一片电极贴片作为基准值，以去除皮肤表面所造成的噪声，测量频率为1000Hz。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(G)中，该肌肉骨骼模拟模块还对数字化的该受测者下肢至少两条肌肉对应的该等肌电信号以最大等长自主收缩方法做正规化后，再根据正规化的该等肌电信号，将与该受测者下肢除了上述至少两条肌肉以外的其余肌肉对应的该活化数据转换成相对应的该肌电信号。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(A)中，还以该关节量角装置在该预设时间内，测量该受测者的髋关节及踝关节的角度变化，以得到还包含髋关节及踝关节的角度变化的该关节角度数据；且在步骤(F)中，该肌肉骨骼模拟模块还根据数字化的该关节角度数据、该力量数据、该曲柄角度数据及该受测者的该人体计测数据，估算该受测者的髋关节及踝关节的一力矩数据此外，本专利技术实现上述方法的一种估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的系统，包括：一自行车，其设置在一脚踏车训练架上，供一受测者骑乘并连续踩踏一预设时间；一关节量角装置，其在该预设时间内，测量该受测者的膝关节的角度变化，以得到一包含膝关节角度变化的关节角度数据；一力感测装置，其设置在该自行车上，且在该预设时间内感测该自行车的曲柄的形变及/或感测施加于自行车的踏板的踏力，以得到与该受测者下肢施力相关的一力量数据；一角度测量装置，其测量在该预设时间内每个时间点所对应的曲柄角度，以得到一曲柄角度数据；一表面肌电信号测量装置，其在该预设时间内测量该受测者下肢至少两条肌肉的电位变化并对应产生一肌电信号；一数据数字化装置，其收集该关节角度数据、该力量数据、该曲柄角度数据及该肌电信号并将其数字化；及一信号处理装置，其与该数据数字化装置电耦接，以取得数字化的该关节角度数据、该力量数据、该曲柄角度数据及该肌电信号，且该信号处理装置包含一肌肉骨骼模拟模块及一数据分析模块；该肌肉骨骼模拟模块根据数字化的该关节角度数据、该力量数据、该曲柄角度数据以及该受测者的一包括性别、身高、体重的人体计测数据，估算该受测者下肢肌肉的一活化数据，以及估算该受测者的膝关节的一力矩数据；该肌肉骨骼模拟模块还根据数字化的该受测者下肢至少两条肌肉对应的该等肌电信号，将与该受测者下肢除了上述至少两条肌肉以外的其余肌肉对应的该活化数据转换成相对应的该肌电信号；该数据分析模块根据该受测者下肢肌肉对应的该等肌电信号计算该受测者下肢肌肉的一共缩百分比。本专利技术的有益的效果在于：根据受测者踩踏自行车的过程中测得的该关节角度信号、该力矩信号、该踏力信号及该曲柄角度信号求得受测者下肢肌肉的活化数据及关节力矩，且肌肉骨骼模拟模块可根据表面肌电信号测量装置测量受测者下肢两条肌肉的肌电信号及其估算出来的受测者下肢肌肉的活化数据，求得受测者下肢其它肌肉的肌电信号，而无需实际测量受测者下肢全部肌肉的肌电信号，且数据分析模块根据受测者下肢十四条肌肉对应的该等肌电信号求得一共缩(Coactivation)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(A)令受测者骑乘设置在脚踏车训练架上的自行车并连续踩踏预设时间，并以关节量角装置在该预设时间内测量该受测者的膝关节的角度变化，以得到包含膝关节的角度变化的关节角度数据；(B)令设置在该自行车上的力感测装置在该预设时间内感测该自行车的曲柄的形变及/或感测施加于该自行车的踏板的踏力，以得到与该受测者下肢施力相关的力量数据；(C)令角度测量装置测量在该预设时间内每个时间点所对应的曲柄角度，以得到曲柄角度数据；(D)令表面肌电信号测量装置在该预设时间内测量该受测者下肢至少两条肌肉的电位变化并对应产生肌电信号；(E)由数据数字化装置将该关节角度数据、该力量数据、该曲柄角度数据及该肌电信号数字化并输出至信号处理装置；(F)该信号处理装置的肌肉骨骼模拟模块根据数字化的该关节角度数据、该力量数据、该曲柄角度数据及该受测者的包括性别、身高、体重的人体计测数据，估算该受测者下肢肌肉的活化数据，以及估算该受测者的膝关节的力矩数据；(G)该肌肉骨骼模拟模块还根据数字化的该受测者下肢至少两条肌肉对应的肌电信号，将与该受测者下肢除了上述至少两条肌肉以外的其余肌肉对应的活化数据转换成相对应的肌电信号；及(H)该信号处理装置的数据分析模块根据该受测者下肢肌肉对应的肌电信号，计算该受测者下肢肌肉的共缩百分比。...

【技术特征摘要】
2017.03.08 TW 1061075001.一种估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(A)令受测者骑乘设置在脚踏车训练架上的自行车并连续踩踏预设时间，并以关节量角装置在该预设时间内测量该受测者的膝关节的角度变化，以得到包含膝关节的角度变化的关节角度数据；(B)令设置在该自行车上的力感测装置在该预设时间内感测该自行车的曲柄的形变及/或感测施加于该自行车的踏板的踏力，以得到与该受测者下肢施力相关的力量数据；(C)令角度测量装置测量在该预设时间内每个时间点所对应的曲柄角度，以得到曲柄角度数据；(D)令表面肌电信号测量装置在该预设时间内测量该受测者下肢至少两条肌肉的电位变化并对应产生肌电信号；(E)由数据数字化装置将该关节角度数据、该力量数据、该曲柄角度数据及该肌电信号数字化并输出至信号处理装置；(F)该信号处理装置的肌肉骨骼模拟模块根据数字化的该关节角度数据、该力量数据、该曲柄角度数据及该受测者的包括性别、身高、体重的人体计测数据，估算该受测者下肢肌肉的活化数据，以及估算该受测者的膝关节的力矩数据；(G)该肌肉骨骼模拟模块还根据数字化的该受测者下肢至少两条肌肉对应的肌电信号，将与该受测者下肢除了上述至少两条肌肉以外的其余肌肉对应的活化数据转换成相对应的肌电信号；及(H)该信号处理装置的数据分析模块根据该受测者下肢肌肉对应的肌电信号，计算该受测者下肢肌肉的共缩百分比。2.根据权利要求1所述的估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，其特征在于：在步骤(A)中，该关节量角装置是电子量角器，该电子量角器通过贴附在该受测者下肢的膝关节处的多个感测器测量该受测者的膝关节在三轴空间的旋转角度变化。3.根据权利要求1所述的估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，其特征在于：在步骤(B)中，该力感测装置是设置在该自行车上的曲柄力矩感测器，该曲柄力矩感测器在该预设时间内感测该自行车的踏板连接的曲柄受力转动产生的形变。4.根据权利要求1所述的估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，其特征在于：在步骤(B)中，该力感测装置是设置在该自行车的踏板上的三轴测力规，该三轴测力规在该预设时间内测量施加于踏板的踏力。5.根据权利要求1所述的估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，其特征在于：在步骤(B)中，该力感测装置包括设置在该自行车上的曲柄力矩感测器及设置在该自行车的踏板上的三轴测力规，该曲柄力矩感测器在该预设时间内感测该自行车的踏板连接的曲柄受力转动产生的形变并输出力矩信号，该三轴测力规在该预设时间内测量施加于踏板的踏力并输出踏力信号，且该力量数据包含该力矩信号及该踏力信号。6.根据权利要求1所述的估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，其特征在于：在步骤(C)中，该角度测量装置是设置在该自行车上且与链轮连动的角度编码器，该角度编码器在该预设时间内测量每个时间点所对应的曲柄角度。7.根据权利要求1所述的估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，其特征在于：在步骤(H)中，该数据分析模块是以如下的肌肉共缩公式计算该共缩百分比，其中Coactivation为该共缩百分比：8.根据权利要求1所述的估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，其特征在于：在步骤(D)中，该表面肌电信号测量装置测量该受测者下肢单侧单脚两条肌肉或双侧双脚各条肌肉的电位变化，并在对应该受测者的腓骨头处贴上一片电极贴片作为基准值，以去除皮肤表面所造成的噪声，测量频率为1000Hz。9.根据权利要求1所述的估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，其特征在于：在步骤(G)中，该肌肉骨骼模拟模块还对数字化的该受测者下肢至少两条肌肉对应的肌电信号以最大等长自主收缩方法做正规化后，再根据正规化的肌电信号，将与该受测者下肢除了上述至少两条肌肉以外的其余肌肉对应的活化数据转换成相对应的肌电信号。10.根据权利要求1所述的估测骑乘自行车的受测者下肢运动状态的方法，其特征在于：在步骤(A)中，还以该关节量角装置在该预设时间内测量该受测者的髋关节及踝关节的角度变化，以得到还包含髋关节及踝关节的角度变化的该关节角度数据；且在步骤(F)中，该肌肉骨骼模拟模块还根据数字化的该关节角度数据、该力量数据、该曲柄角度数...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨秉祥，温玉瑭，
申请(专利权)人：财团法人交大思源基金会，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71