专利名称：具步态侦测功能的跑步机结构的制作方法
技术领域：
本实用新型与跑步机的步态侦测结构有关，更详而言之，特指一种通过非接触感应元件于跑步机跑道处形成感应区，当使用者于跑道上的感应区域内运动时，可测得使用者的步幅、步距、步宽及步频等步态分析参数的具步态侦测功能的跑步机结构。
背景技术：
在复健医疗的临床应用上，中风患者、脊髓损伤患者、脑性麻痹患者、巴金森式症患者、关节置换患者及肢体退化患者，由于神经回路受损等因素，会造成行动的缓慢或不便，依据学者专家Grillner(1981)所提出的人类步行理论，刺激无法行走患者产生固定型态的节律性肌肉活动，并于行走的过程中依据功能目标调节脊髓反射，更能达到提高行走速度、距离与耐力，增进行走的协调性、肌肉力量、平衡能力及肢体协调性与动作发展，可有效、安全、迅速的恢复行走能力。
如图1所示，使用跑步机1搭配辅助支架与步态复健用悬吊式体重支撑系统2，可进行部分体重支撑的跑步机步行训练、降低脚部的受力，因此常被使用于病人的医疗复健运动之用，以辅助训练患者重新步行；而同时通过复健医师一旁的协助与辅导，针对病人行走或跑步的步态上错误进行矫正、辅导，可使得复健效果更为有效。
步态分析是研究人类运动的科学，在生物力学中是很重要的一个领域，对于一般人而言，步行是日常生活中最寻常不过的事，但看似如此简单的动作，却必须靠一连串的神经系统、肌肉系统，以及骨胳系统等同时作用的复杂过程才能完成。人的步行动作是规律而呈周期性的动作，一般的步态研究是以一脚触地瞬间作为周期的开始，以同一脚再次触地作为步态周期的结束。
医学界非常重视步态的正常与异常参数，因为一般下肢的病理变化往往会清楚的表现在走路的动作中，因此医疗人员可透过观察步态各参数的变化情形，来代替一些侵犯性的关节摄影或关节镜检查，并且同样能得到正确的诊断，以在病人发生具有特征的病理变化时，便可加以辨认并治疗。
步态分析可通过电脑辅助以有系统测量、描述及评估有关人类行动能力的量化参数。经由步态分析，行走的时空参数、运动学、动力学(kinetics)计算出来并藉以分析步态的基本组成特性并最后可以让临床医师判读成为参考资料。而其临床运用更足以使临床医师有充分能力检量化描述一个因为某一种特殊疾病所造成步态改变或恶化的程度，或甚至去定义该个疾病严重的程度。
当跑步机上设有步态分析的功能时，可自动针对使用者或患者的步态错误进行矫正或提醒，逐步改正使用者的错误步态，对于患者的复健医疗方面而言，于复健的同时自动收集并分析患者步态，可随时注意患者复健状态并即时加以提醒错误，不需复健师随时随侍在旁，可大幅减少所需要耗费的复健师人力，更可助于复健师收集患者的步态分析参数，以了解患者的复健情况。
一般有关步态分析参数(Parameters of Gait)的类型可分做以下三种1.空间与时间参数(Spatial and temporal parameters)以步态周期时间、站立期时间、摆动期时间、站立期百分比、摆动期百分比、跨步步长、步频、步速做为测量及评估的依据。
2.运动学参数(Kinematic parameters)以髋关节、膝关节及踝关节的角度、角速度的变化做为测量及评估的依据。
3.动力学参数(Kinetic parameters)以垂直方向与前后方向的地面反作用力做为测量及评估的依据。
其中，该运动学参数需要测量髋关节、膝关节及踝关节的角度、角速度的变化，测量方式及所需仪器较为复杂，多半只适用于专门医学步态分析检验的用，并不适用于跑步机上使用。
目前跑步机附设有步态分析功能的如Biodex公司美国第6,455,126号专利，其于跑步板与跑步机车体框架间装置有力规，以进行多点力量测，并通过数学演算法计算出左右脚的相对位置，可依据力量的分布间接计算出步态分析参数；再者，其它类似的专利还有美国专利第4,136,682号、第5,474,087号及第5,623,944号，其大多是利用力规或压力板等接触式感应元件作为侦测方式。
但是上述的专利技术采用接触式的测量方式，其所使用的力规或压力板成本较高，若仅设置左右两块或前后两块测量元件，需要先后端处理分析讯号，以分别左右脚的讯号，装置及测量方式复杂，跟本无法精准测量，而设置多组感应元件(如美国专利第5,623,944号)虽可简化分析讯号的麻烦，增加感测的精准度，但成本也会随的大幅增加；再者，接触感应元件容易因为长期使用而耗损，更会增加维修更新的成本。
新性内容本实用新型的主要目的在于提供一种具步态侦测功能的跑步机结构，其使用非接触感应元件于该跑道上形成感应区域，通过该非接触感应元件与感应区域的设置，可轻易测得使用者的步幅、步距、步宽及步频等参数，改善传统跑步机因采用力规或压力板等接触感应元件作为使用者步态侦测的讯号来源依据力量的分布间接计算出步态分析参数，具有装置及后端处理讯号方式复杂、无法精准测量，且接触感应元件容易因为长期使用而耗损，增加维修更新成本等缺点，并以步态周期时间、站立期时间、摆动期时间、站立期百分比、摆动期百分比、跨步步长、步频、步速做为步态分析的依据。
实用新型技术方案一种具步态侦测功能的跑步机结构，其特征在于，包含有一跑步机，其包括一基座，其上具有一可循环转动的跑道，且该跑步机的基座周围具有数个可于该跑步机的跑道上形成感应区域，并用于测得使用者步幅、步距、步宽及步频的步态分析参数的非接触感应元件。
根据上述，该跑步机还包括有一用于处理该非接触感应元件所侦测讯号的跑步机控制器，该跑步机控制器与该非接触感应元件导电连接。
根据上述，该跑步机控制器具有一用于通过声音讯号提醒使用者改正步态的声音模组。
根据上述，该跑步机控制器具有一用于通过画面讯号提醒使用者改正步态画面模组。
根据上述，该跑步机具有一带动跑道的马达，且该跑步机控制器具有一与该马达相连接而调整马达转速进而调整该跑道转动速度的速度控制模组。
根据上述，该非接触感应元件为红外线光电开关。
根据上述，该跑步机基座的左右两侧具有一或多个红外线光电开关。
根据上述，该跑步机基座的前方，且位于该跑道中心线的左右两侧，分别具有一或多个红外线光电开关。
根据上述，该非接触感应元件为CCD摄影镜头。
根据上述，该CCD摄影镜头与跑步机控制器相连接。
实用新型进步效果本实用新型使用非接触感应元件于该跑道上形成感应区域，通过该非接触感应元件与感应区域的设置，可轻易测得使用者的步幅、步距、步宽及步频等参数，以步态周期时间、站立期时间、摆动期时间、站立期百分比、摆动期百分比、跨步步长、步频、步速做为步态分析的依据，不但检测方式简单方便，且非接触感应元件不会因为使用者长期的使用而产生耗损，可增加产品的可靠性与耐用年限；再者，数个非接触感应元件排列于跑道周缘，使得感应区域形成二维的感应矩阵，可增加感应区域的精细度，且不需额外的后端讯号处理，即可分辨左右脚不同的讯号。
图1传统跑步机搭配辅助支架与步态复健用悬吊式支撑系统示意图。
图2本实用新型的跑步机立体外观示意图。
图3本实用新型非接触感应元件组的示意图。
图4本实用新型跑步机控制器的示意图。
图5本实用新型非接触感应元件组的动作示意图。
图6步态周期示意图。
图7本实用新型的实施动作示意图(一)。
图8本实用新型的实施动作示意图(二)。
具体实施方式
请参阅图2～图4所示，本实用新型一种具步态侦测功能的跑步机结构，其主要包含有一跑步机10，该跑步机10于一基座11上设有一可循环转动的跑道12，该跑步机10的跑道12由一马达121带动；该跑步机10前方设有一头座13，该头座13上方设有音效装置14、显示面板15与控制钮等装置；一非接触感应元件组20，该非接触感应元件组20于该跑步机10的基座11周围设有复数的非接触感应元件21，该非接触感应元件21可为一种红外线光电开关22或其它光遮断开关；其中，该跑步机基座11的左右两侧沿该跑道的周缘处，各等距设有一列至少一个的红外线光电开关22，且该跑步机10基座11的前方，于该跑道12中心线的左右两侧亦各设有至少一个红外线光电开关22；藉此，该红外线光电开关22可于该跑步机10的跑道12上形成二维矩阵排列的感应区域23；其中，该跑步机10内更包含有一跑步机控制器30，且该非接触感应元件21电路连接至该跑步机控制器30，以处理该非接触感应元件21所侦测的讯号。其中，该跑步机控制器30具有一声音模组31，该声音模组31可连接至该音效装置14，以发出声音讯号提醒使用者；该跑步机控制器30具有一画面模组32，该画面模组32可连接至该显示面板15，以将画面讯号显示于该显示面板15上；且该跑步机控制器30具有一速度控制模组33，以讯号连结至该马达121，以调整及控制该跑道12转动速度；如图5所示，通过该跑道12的侧边与前方所设置的红外线光电开关22，可发出光源讯号以侦测使用者的左右脚位置，一般市面上所常见的红外线光电开关22一种为个别独立发射及接收的反射型开关(即红外线发射与接收皆在同一光电开关中)，另一种则为需要同时装设发射器及接收器的光遮断型开关，两者皆可达到建立感应区域23的目的，但为求解说明了方便，以下以反射型开关作为实施例说明，但不以其为限，合先说明；该跑道左右两侧的红外线光电开关22其侦测范围约略等于该跑道12的中央线，如此一来除了可直接区分左右侧的脚步讯号外，即使跑道12左右侧于前后同一或相接近的位置被踩到，则左右个别反射型光电开关可各自独立侦测左右踩踏且尚可判别左右踩踏的时间先后顺序；由于该红外线光电开关22为一种光反射型开关，当使用者于该跑道上的感应区域23内运动时，会遮断并回传所在感应区域23红外线光电开关22的光源讯号，即可得知使用者的脚部位置；更进一步，于固定周期内重复扫瞄所有感应区域23，将红外线光电开关22所测得的脚部位置讯号传送至该跑步机控制器30，并记录周期内左右脚位置，即可测得使用者的步幅、步距、步速及步频等步态分析参数；再者，该跑道12的前方所设置的非接触感应元件21，除了可使得跑步机控制器30轻易分辨出何者为左右脚的讯号外，更可以直接测得使用者的步宽参数；如图6所示，其为一正常成年人的步态周期示意图，通过侦测使用者的步幅、步距、步宽及步频等步态分析参数，可计算出使用者的行走步态周期，该跑步机控制器30并可进一步分析使用者行走步态周期与正常步态周期的差异，以即时以声音模组31或画面模组32提醒使用者改正步态；例如，某些患者(如巴金森式症患者)行走时在步频的节奏掌握方面有困难，造成行走时步频越来越快或是越慢，该跑步机控制器30的声音模组31可藉由音效装置14发出一正常频率的音响讯号，以规律的声音刺激患者使其改正步态；或是使用者因为中风等因素，造成单一侧脚部拖行时，该跑步机控制器30亦可通过非接触感应元件21所侦测的讯号，判断出使用者脚部拖行的状态，提醒使用者注意抬高左脚或右脚；当使用者的步幅、步距、步宽不正确时，该跑步机控制器30的画面模组32可于该显示面板15上同时显示出使用者的目前步伐踩踏位置40与正常步伐踩踏位置41，提醒使用者改正其步态(如图7所示)；且该跑步机控制器30的速度控制模组33可直接驱动并控制该马达121的转速，对于行走速度较快或较慢的使用者，可即时侦测并调整该跑道12速度；甚者针对左右脚行走速度不一致的患者，更可调整左右脚不同的行走速度，以刺激使用者双脚的协调性；本实用新型使用非接触感应元件21于该跑道12上形成感应区域23，通过该非接触感应元件21与感应区域23的设置，可轻易测得使用者的步幅、步距、步宽及步频等参数，以步态周期时间、站立期时间、摆动期时间、站立期百分比、摆动期百分比、跨步步长、步频、步速做为步态分析的依据，不但检测方式简单方便，且非接触感应元件21不会因为使用者长期的使用而产生耗损，可增加产品的可靠性与耐用年限；再者，该非接触感应元件21以复数排列于跑道12周缘，使得感应区域23形成二维的感应矩阵，可增加感应区域23的精细度，且不需额外的后端讯号处理，即可分辨左右脚不同的讯号；本实用新型除可应用于患者的复健运动外，亦可应用于一般使用者的运动训练上，例如，马拉松选手于跑部机上运动时，可先设定马拉松赛程的距离或地形等因素，该跑步机控制器30可针对距离或上下坡地形判断出当时最佳的跨步步长、步频、步速等参数，并即时提供给使用者参考，以达到运动训练的目的；通过该感应区域23本实用新型可更进一步的应用于跑步机10的附加互动娱乐效果上，可于该跑步机控制器30内附加跳舞机或俄罗斯方块等娱乐程式，于该显示面板15上显示娱乐画面(如图8所示)，使用者再依显示于该跑道12的感应区域23内进行踩踏动作，以增进本实用新型的附加娱乐功能；再者，该非接触感应元件21亦可为一种CCD摄影镜头，该CCD摄影镜头可装设于该跑步机10的头座13处，并将拍摄到的画面讯号传送至跑步机控制器30，该跑步机控制器30可藉由动态影像处理方式，针对使用者的行走动作作出步态分析；虽然本案是以两个最佳实施例做说明，但精于此技艺者能在不脱离本案精神与范畴下做各种不同形式的改变。以上所举实施仅用以说明本案而已，非用以限制本案的范围。举凡不违本案精神所从事的种种修改或变化，俱属本案申请专利范围。
权利要求1.一种具步态侦测功能的跑步机结构，其特征在于，包含有一跑步机(10)，其包括一基座(11)，其上具有一可循环转动的跑道(12)，且该跑步机(10)的基座(11)周围具有数个可于该跑步机(10)的跑道(12)上形成感应区域(23)，并用于测得使用者步幅、步距、步宽及步频的步态分析参数的非接触感应元件(21)。
2.如权利要求1所述具步态侦测功能的跑步机结构，其特征在于，该跑步机(10)还包括有一用于处理该非接触感应元件(21)所侦测讯号的跑步机控制器(30)，该跑步机控制器(30)与该非接触感应元件(21)导电连接。
3.如权利要求2所述具步态侦测功能的跑步机结构，其特征在于，该跑步机控制器(30)具有一用于通过声音讯号提醒使用者改正步态的声音模组(31)。
4.如权利要求2所述具步态侦测功能的跑步机结构，其特征在于，该跑步机控制器(30)具有一用于通过画面讯号提醒使用者改正步态画面模组(32)。
5.如权利要求2所述具步态侦测功能的跑步机结构，其特征在于，该跑步机(10)具有一带动跑道(12)的马达(121)，且该跑步机控制器(30)具有一与该马达(121)相连接而调整马达转速进而调整该跑道转动速度的速度控制模组(33)。
6.如权利要求1所述具步态侦测功能的跑步机结构，其特征在于，该非接触感应元件(21)为红外线光电开关(22)。
7.如权利要求6所述具步态侦测功能的跑步机结构，其特征在于，该跑步机基座(10)的左右两测具有一或多个红外线光电开关(22)。
8.如权利要求6所述具步态侦测功能的跑步机结构，其特征在于，该跑步机基座(11)的前方，且位于该跑道(12)中心线的左右两侧，分别具有一或多个红外线光电开关(22)。
9.如权利要求1所述具步态侦测功能的跑步机结构，其特征在于，该非接触感应元件(21)为CCD摄影镜头。
10.如权利要求9所述具步态侦测功能的跑步机结构，其特征在于，该CCD摄影镜头与跑步机控制器(30)相连接。
专利摘要一种具步态侦测功能的跑步机结构，其包括一基座(11)，其上具有一可循环转动的跑道(12)，且该跑步机(10)的基座(11)周围具有数个可于该跑步机(10)的跑道(12)上形成感应区域(23)，并用于测得使用者步幅、步距、步宽及步频的步态分析参数的非接触感应元件(21)，通过该非接触感应元件(21)的设置，当使用者于该跑道(12)上的感应区域(23)内运动时，该非接触感应元件(21)可测得使用者的步幅、步距、步宽及步频等步态分析参数。检测方式简单方便，且非接触感应元件不会因为使用者长期的使用而产生耗损，可增加产品的可靠性与耐用年限。
文档编号A63B24/00GK2841073SQ200520127510
公开日2006年11月29日 申请日期2005年11月4日 优先权日2005年11月4日
发明者吴宏生, 陈淳和, 黄裕哲, 徐志宏, 庄佳勋, 廖进荣, 曾仁迪 申请人:财团法人自行车暨健康科技工业研究发展中心