手腳擺動感測之設計與製作應用於復健者跑步機運動

手腳擺動感測之設計與製作應用於復健者跑步機運動

The Design and Implementation of Hands and Feet Motion Sensing for Treadmill Exercise of Rehabilitation

陳昌廷 Chang-Ting Chen¹, 廖紹傑 Shao-Chieh Liao ¹, 湯士滄 Shih-Tsang Tang ², 周偉倪 Willy Chou^3,4, 林俊宏 Jiun-Hung Lin ^1*

1崑山科技大學 電子工程學系 Department of Electronic Engineering, Kun Shan University

2銘傳大學 生物醫學工程學系 Department of Biomedical Engineering, Ming Chuan University

3財團法人奇美醫院復健科 Rehabilitation, Chi Mei Medical Center

4嘉南藥理科技大學休閒保健管理系 Department of Recreation and Health-Care Management, Chia Nan University of Pharmacy and Science

Email:s5188@mail.ksu.edu.tw ^*

一、中文摘要

生活中難免會有無法抗拒的因素導致身體平 衡感失調，如運動傷害、交通意外、身體機能老 化等等，因此常需要以復健或運動的方式來恢復 身體的平衡感，本論文以復健平衡感失調為目 的，提出以跑步機結合手腳擺動感測，來感知運 動過程中的手腳擺動變化，並進行運動協調分 析，以增進平衡感失調者的復健效能，同時該系 統也能提供醫療人員對於臨床復健過程的最佳評 估，更明確瞭解復健者的復原狀況。

關鍵詞： 跑步機、感測器、復健

Abstract

Some irresistible factors in physical unbalance, such as exercise injury, traffic accident, and ageing functional capacity, often require rehabilitation or exercise to recover. Aiming at the rehabilitation of unbalance, a treadmill integrated with limb swing sensors was proposed to perceive the limb swing in the exercise as well as to analyze the motor coordination in order to enhance the rehabilitation efficacy. The system also provided medical personnel with the optimal evaluation for clinical rehabilitation so as to clearly understand the situation of the patients with rehabilitation.

Keywords: Treadmill, sensor, rehabilitation 二、緣由與目的

人體姿勢平衡是以視覺、前庭覺、本體感覺，

以上知覺再經由中樞神經系統協調，將訊息傳至 足踝、膝、髖等關節來控制協調下肢及軀幹的活 動，判斷重心位置，以維持平衡[1, 2]。

人體的平衡感對於生活上的許多動作都有著 相當重要的關聯性[1]。人一出生後，就開始不斷

的進行著平衡感的相關訓練，如一開始的爬行，

慢慢的以雙腳步行，達到平衡穩定階段後，再進 階一點就是騎腳踏車的能力…等等。在生活中難 免會有無法抗拒的因素導致身體平衡感失調，如 運動傷害、交通意外、身體機能老化…等等，因 此常需要以復健或運動的方式來恢復身體的平衡 感[3-5]。

因此本論文以復健平衡感失調為目的，提出 以跑步機結合感測手腳之感測器，來感知運動過 程中的手腳擺動變化，進行運動諧調分析。此架 構可提供給平衡感失調的復健者來進行平衡感訓 練，訓練過程中手腳感知器會把使用者的手腳擺 動變化的數據以無線的方式傳送給主控板，主控 板上由 LCD 顯示出一個虛擬人物，虛擬人物會即 時的跟著使用者的動作做變化，即時模擬使用者 的跑步姿勢，讓使用者可以看著虛擬人物來自我 調整跑步姿勢，來達到更高的復健效果。除此之 外本架構中還加入了記錄訓練過程資訊功能，來 提供訓練結束後的離線式協調分析，記錄方式是 以隨身碟來記錄資訊，記錄內容有手腳擺動變化 的數據、訓練時數、生理數據。上述功能可提供 醫療人員對於臨床平衡失調的部分，有著更高效 率的復健方式，對於患者的復健過程也能在事後 進行數據分析，也能更明朗的瞭解復健者的復原 狀況。

三、材料與方法

(一) 系統架構

本系統架構功能有手腳感知器結合 RF 無線 傳輸、USB 隨身碟儲存裝置、POLAR 公司的無線 心律帶心跳量測、LCD 虛擬人物顯示、訓練時數 記錄…等等，下圖一為本系統架構示意圖。

本文規劃之感知手腳擺動變化於運動過程中 的協調分析，手腳感知器結合 RF 無線傳輸主要提 供平衡感失調者復健用，是以手腳感知器來偵測 手腳擺動的變化，再透過 RF 無線傳送回主控板，

主控板再將接收到的數據傳送到 LCD 上做虛擬人 物的運動姿勢變化，讓復健者可以利用 LCD 虛擬 人物來立即性的調整跑步姿勢，來達到更高的復 健效率;USB 隨身碟儲存裝置用於儲存訓練過程 中的相關歷史資訊，有手腳擺動變化的數據、訓 練時數、生理數據…等等，提供使用者或醫療人 員可以在訓練結束後來進行資料分析，調整出更 好的訓練方式。

圖一、系統架構示意圖

(二) 手腳感知器結合 RF 無線傳輸

手腳感知器是以 ADXL330 三軸加速度規來 做手腳擺動變化的感測，三軸加速度規的每一個 軸都會有類比電壓輸出，當有角度變化的時候每 個軸的電壓輸出都會隨著改變，電壓的輸出範圍 介於 0.3~5 伏特之間。

因此本架構利用加速規電壓變化的原理來 設定手腳擺動的電壓變化點，每 0.1 伏特設定為一 個點，總共設定為 50 個點，再利用 RF 無線傳送 回主控板，主控板上的虛擬人物將會隨著復健者 手腳擺動做變化。

(三) USB 隨身碟儲存裝置

USB 隨身碟技術不斷更新突破的情況下，儲 存容量越來越大，傳輸速度也越來越快，嬌小的 體積使得攜帶方便，成為時下使用率最高的隨身 資料儲存硬體[6]。本裝置使用偉詮電子股份有限 公司推出的 Etrend FMC_2U1S 嵌入式 USB 微控 制器，透過單晶片驅動 FMC_2U1S，FMC_2U1S 具備八位元的控制器，可支援全速（12Mbps）USB 傳輸，並同時支援 SD / SDHC/ MMC 三種儲存介 面，單晶片與 FMC_2U1S 溝通介面需利用 8 隻腳 位加以驅動，驅動後將會在隨身碟內尋找專用資 料夾，若隨身碟內無此資料夾將會創建一個專用 資料夾，創建或尋找成功後會在資料夾內建立文 字檔，並且在文字檔內寫入運動過程的生理資訊 以及運動資訊，其包含手腳擺動變化的數據、訓 練時數、生理數據。

(四)心電圖介紹

心臟是人體之重要器官，心臟搏動提供全身血 液的流動。在正常情況下心臟的收縮機制是由竇

房結接受中樞神經的節律訊號並產生動作電位，

此動作電位產生後分兩條路徑傳遞，一條經由 gap junction 傳給左、右心房，使其收縮。另一條路徑，

則經由結間心房路徑傳到房室結。心跳衝動由此 處經由心室間的希氏束分左、右兩支分別傳給 左、右的浦金氏纖維，再傳給心室的心肌纖維，

引起心室肌肉收縮後，完成整個興奮週期。正常 心臟的活動節律，實際上是自由律性最高的竇房 結所控制。竇房結是心臟興奮和搏動的起源。在 一般之情況下心臟的跳動大約為 70 次/分鐘，人 體靜止時時若心率超過 100 次/分鐘則稱為心率過 速。由於人體之體液是良導體，當衝動通過心臟 時，電流會擴散至心臟周圍的組織，也會擴散到 體表，在體表可測得微弱的訊號。如將電極置於 心臟兩側的體表即能量測到心臟之電位變化，而 所記錄之圖形就稱為心電圖(ECG)[7.8.9]。

四、結果

(一) 手腳感知器結合 RF 無線傳輸準確性測試 為求手腳感知器的電壓變化搭配角度變化的 準確性，以加速規配合水平儀來量測角度，再以 每 0.1 伏特來對應變化的角度，總共有 50 段變化，

角度範圍為 0 度~50 度。

實際測試情形我們找了三名受試者，身高介 於 167~178 公分之間，在左右手腕與左右腳踝處 皆配帶上手腳感知器 RF 無線傳輸裝置，測試方式 為取五個手腳擺動角度變化點的電壓值平均誤差 值，每個角度分別獨立測試，並在量測角度點放 置一組紅外線光遮斷器，當腳或手部經過紅外線 光遮斷器時，會自動記錄一次電壓變化值，每個 人共進行五次量測，每次量測以一個固定角度做 測試，五個角度分別為 10 度、15 度、20 度、25 度、30 度，量測示意圖如圖二所示。測試結果如 下表一、表二，由測試結果可見左右手腕最大誤 差值為±0.04 伏特，左右腳踝最大誤差值為±0.05 伏特，上述誤差值皆不超過 0.1 伏特，皆在可接受 範圍內。

表一、左右手腕電壓誤差值

甲生 乙生 丙生

左 右 左 右 左 右

10 度

±0.01v ±0.02v ±0.01v ±0.01v ±0.01v

± 0.02v 15

度

±0.03v ±0.01v ±0.02v ±0.01v ±0.03v

± 0.01v 20

度

±0.01v ±0.01v ±0.01v ±0.02v ±0.01v

± 0.02v

25 度

±0.04v ±0.02v ±0.02v ±0.01v ±0.03v

± 0.02v 30

度

±0.01v ±0.02v ±0.01v ±0.03v ±0.03v

± 0.02v

表二、左右腳踝電壓誤差值

甲生 乙生 丙生

左 右 左 右 左 右

10 度

±0.04v ±0.02v ±0.04v ±0.03v ±0.03v

± 0.02v 15

度

±0.03v ±0.03v ±0.04v ±0.04v ±0.04v

± 0.03v 20

度

±0.03v ±0.02v ±0.03v ±0.02v ±0.02v

± 0.03v 25

度

±0.04v ±0.03v ±0.03v ±0.02v ±0.02v

± 0.02v 30

度

±0.03v ±0.03v ±0.05v ±0.03v ±0.03v

± 0.03v

圖二、量測示意圖

(二) USB 隨身碟儲存裝置穩定測試

本 架 構 中 的 USB 隨 身 碟 儲 存 裝 置 採 用 FMC_2U1S 嵌入式 USB 微控制器，其建立專用資 料夾以及資訊記錄文字檔的功能皆已經完成，為 表示其結果，在此以圖片的方式呈現其建立專用 資料夾以及資訊記錄文字檔結果，如圖三所示。

為了準確的記錄資料，確定資料不會有流失 的情況，我們在此做了儲存資料的穩定性測試，

測試方式為每秒儲存一筆資料，總共做五次測 試，分別為 2 分鐘、4 分鐘、6 分鐘、8 分鐘、10

分鐘。下表三為資料儲存實驗數據，由實驗數據 可見五次測試都沒有資料流失的狀況發生，儲存 功能已經為很穩定。

表三、儲存資料穩定性測試

應儲存資料 實際儲存資料 2 分鐘測試 120 筆 120 筆 4 分鐘測試 240 筆 240 筆 6 分鐘測試 360 筆 360 筆 8 分鐘測試 480 筆 480 筆 10 分鐘測試 600 筆 600 筆

圖三、USB 隨身碟儲存裝置於電腦上結果圖

(三) 整體實體圖

下圖四為虛擬人物面板實體圖，面板中央畫 面為虛擬顯示人物，圖五為手腳感知器結合無線 傳輸裝置，其中包含了 RF 模組以及加速規。

圖四、虛擬人物面板實體圖

圖五、手腳感知器結合無線傳輸裝置

五、討論

在本論文提出的架構所有功能皆已經完成，

其中手腳感知器結合 RF 無線傳輸裝置在一連串 的測試後，已經具備相當水準的穩定性，但其中 還是有著些微的誤差值，為達到更加精準的目 的，這些微的誤差值在日後還需要再探討下去，

還需精益求精，將誤差值縮到最小。在 USB 隨身 碟儲存裝置的部分，儲存資料的穩定性是非常重 要的，在儲存資料的過程中有資料流失是不可被 允許的，因此在這個部分我們做過許多程式部分 的調整，調整過後再進一步進行測試，測試結果 顯示出儲存功能相當穩定，沒有資料流失的狀況 發生。

由上述討論結果可見，本論文架構中的功能 經反覆修正及測試後，在手腳感知器結合 RF 無線 傳輸裝置的部分雖然有些微的誤差值，但已經達 到相當水準的準確性，在實際操作中並沒有發現 因為誤差值而導致系統錯誤的情況發生，而在 USB 隨身碟儲存裝置的部分，並沒有發現有錯誤 的發生，可說是非常的穩定。本架構已經能夠提 供復健者一個具備高穩定性的平台，在復健的過 程中能更精確對照虛擬顯示人物調整自己跑步姿 勢，在復健結束後醫療人員也能夠以復健過程記 錄的歷史資訊來進行諧調分析，能夠使復健者更 有效率達到最佳的復健效果。

六、參考文獻

[1]. 陳 人 華 ， “ 大 拇 趾 對 人 體 平 衡 能 力 的 影 響”，國立體育學院，運動傷害防護研究所，

碩士論文， 2005。

[2]. 張燕明，“老年人不同休閒運動型態之平衡 控制效果”，國立台灣體育學院，體育研究 所，碩士論文，2002。

[3]. 廖尹翎，“下肢復健系統設計：上下階梯之

訓練”，國立中山大學，機械與機電工程學 系研究所，碩士論文，2010。

[4]. 韋子祈，“復健訓練系統之特殊人機介面設 計研究”，逢甲大學，自動控制工程所，碩 士論文，2010。

[5]. 鄭朝駿，“全人工髖關節術後病患脫位防 止、運動控制及本體感覺訓練之復健系統開 發與驗證”，長庚大學，醫療機電工程研究 所，碩士論文，2010。

[6]. 蔡廷鴻、“ USB 介面韌體及驅動程式之自動 產生”、國立台灣科技大學、電子工程系、碩 士論文、2010。

[7]. 莊東霖，“低功率不整脈事件記錄器”，醫 學工程學系，中原大學，碩士論文，2006。

[8]. 蔡信宸，“以系統建模方法分析心電圖訊號”，

長庚大學，資訊工程學系，碩士論文，2010。

[9]. 林培堯，“心電圖量測系統設計”，南台科技 大學，電子工程系，碩士論文，2009。