训练辅助刺激器及提供电刺激的方法与流程

训练辅助刺激器及提供电刺激的方法
1.本技术是申请日为2017年11月28日、申请号为201780097057.x、发明名称为“利用刺激器的改进运动训练辅助”的申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及训练辅助的领域，即用于帮助人或动物更好地进行该人或动物的某种活动的装置。更具体地，本发明涉及运动训练辅助，即用于提供与用户所进行的运动相关的某种反馈的系统或装置。甚至更具体地，本发明涉及体育运动训练辅助。


背景技术：

3.从wo2003024544中已知运动训练辅助的一个示例。该文献公开了一种设置有用于监视重复运动序列(诸如高尔夫挥杆等)的方面的各种传感器和装置的重复运动反馈系统。所监视的各方面可以包括用户所移动的物体的运动属性、用户的位置属性、以及用户的运动属性。用于接收所监视的各方面的数据的数据处理系统提供反馈数据(该反馈数据被提供给诸如图形显示装置或扬声器等的反馈输出装置)，使得向用户提供与重复运动序列有关的反馈。在一个具体实施例中，将用户的表现与先前表现的模板进行比较，并提供与差异有关的反馈。
4.另一现有技术文献是us6778866，其公开了一种方法和设备，其用于基于如下操作来教导人如何以一致的方式进行特定身体运动：以电子方式测量实际身体运动的一个或多个参数，将一个或多个测量参数与目标身体运动的相应参数进行比较，并基于一个或多个测量参数与相应目标参数之间的对应程度来向用户提供可感觉到的反馈。在具体实施例中，反馈是可听到的。更具体地，反馈是具有特别适合于特定身体运动(诸如高尔夫挥杆等)的特定特征(诸如节奏等)的乐调。反馈可以是以电子方式使乐调与实际身体运动和目标身体运动之间的差异成比例地走调的形式。
5.在wo200518759中公开了另一种用于教导运动员(例如高尔夫球手)的人体工程学运动的现有技术系统和方法。该系统包括用于拍摄高尔夫球手执行(优选为)高尔夫挥杆的连续图像的摄像机、以及允许高尔夫球手限定视频图像的空间区域的阈值定义系统。如果空间区域被侵入，则启动警报，从而提供反馈，使得高尔夫球手可以改变下一次尝试运动的技术。例如，高尔夫球手可以限定区域，使得如果球杆在挥杆期间离开平面，则球座移除系统使球消失。以这种方式，高尔夫球手只能在球杆停留在平面上时击中球。


技术实现要素：

6.发明人旨在提供一种用于向用来训练和完善某种用户行为或动作的训练装置提供快速反馈的装置，其中该行为或动作相对快速地发生。这种行为或动作的示例包括但不限于例如体育运动，如在例如运动场事件(跳高、撑杆跳、掷链球、掷标枪等)、或体操(跳跃、舞蹈、啦啦队动作)、或棒球、或高尔夫(高尔夫挥杆、推杆)等中发生的技术复杂的运动等。
7.本发明人已设计出期望表示效率较低的移动、或“差的”移动、或与参考移动相偏
离的移动的反馈信号应该是瞬时的，或者至少被用户感知为瞬时的。本发明实施例的刺激单元被配置为以非常短的延迟(优选小于50ms、或者更优选小于20ms、或者最优选小于10ms)来传递刺激。刺激也应该是不同的。发明人旨在提供显著且不同的反馈，以指示和指出不期望的运动来阻止用户进行该不期望的运动。
8.在各种实施例中，刺激单元包括充电模块和放电模块以及身体电极。充电模块被配置为对可以包括人的身体固有的“身体电容”的电容器等效物、或者电荷保持电容器进行充电。充电模块被配置为将电容器等效物充电到足以在放电时引起感官感觉(即，对进行活动的人或动物的电击感觉或类似感觉)的充电水平。在检测到电流运动的位置值和预定期望运动的位置值之间的不一致的情况下，应该触发放电。测量电容器等效物的电荷水平或电压，并且在需要维持足以提供电击或类似感觉的水平的情况下，供给更多的电荷。
9.因而，在替代实施例中，可以提供不同的耦接，以利用单独的电容器耦接或者利用用户的固有身体电容。还公开了用以向用户提供高效的刺激信号的电耦接、以及该信号本身。
10.刺激器单元还可设置有用于连接和断开测量模块的特定电路，以通过不让电荷经由测量模块泄漏来节省能量。
附图说明
11.为了容易理解获得本发明的上述的及其它的优点和目的的方式，将通过参考附图中示出的具体实施例来呈现上面简要说明的本发明的更详细的说明。
12.应当理解，这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应被认为是对本发明的范围的限制，本发明将通过使用附图利用附加的特征和详情来进行说明和解释，其中在附图中：
13.图1a示出根据本发明实施例的刺激器装置的框图。
14.图1b示出根据本发明另一实施例的刺激器装置的框图。
15.图1c示出根据本发明又一实施例的刺激器装置的框图。
16.图2a示出刺激器装置的第一基本实施例的主电路图。
17.图2b示出刺激器装置的第二基本实施例的主电路图。
18.图3a示出图2a的刺激器装置的更详细的主电路图。
19.图3b示出图2b的刺激器装置的更详细的主电路图。
20.图4示出提供刺激反馈的方法步骤的流程图。
21.图5是示出根据本发明实施例的刺激器装置中所使用的充电处理期间的作为时间的函数的电压的图。
22.图例
23.100
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刺激器
24.110
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处理器
25.120
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存储器
26.125
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充电模块
27.130
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测量开关
28.135
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第一皮肤电极
29.137
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第二皮肤电极
30.138
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变压器装置
31.139，c1
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电荷保持电容器
32.140
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身体皮肤部分
33.150
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电压测量模块
34.152
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模数转换器
35.155
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阻抗测量模块
36.160
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放电模块
37.161
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放电开关模块
38.165
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第一晶体管(测量开关)
39.167
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第一控制电阻器(测量开关)
40.168
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第二晶体管(放电开关)
41.169
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第二控制电阻器(放电开关)
42.199
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二极管
43.c0
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电容器
44.r1、r2等
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电阻器
具体实施方式
45.定义
46.为了本发明的目的，在下文中，使用具有如下所解释的含义的以下术语。
[0047]“运动表示”：“运动表示”通常是运动的数学表示。运动表示可以包括线性和旋转的运动位置、运动速度和运动加速度的表示。例如，如下所示，运动可以由用户身体上的预定点的当前位置表示，或者运动可以由(运动)轨迹表示。
[0048]“位置”：如这里所使用的术语“位置”被理解为传感器单元或小物体相对于附近参考点的物理局部位置，并且使用合适的坐标系来表达。通常，在本发明的上下文中，位置在距参考点0～5米的量级内。
[0049]“不期望的运动”：术语“不期望的运动”用于表示从用户和/或他或她的教练的角度来看的不期望的或者包括不期望的特征的运动。
[0050]“身体运动跟踪器”：如这里所使用地，术语“身体运动跟踪器”表示在被执行时能够基于处理后的传感器数据来随时间跟踪用户身体的一个或多个预定义点的装置或系统或一段计算机代码。
[0051]“跟踪”：术语“跟踪”被理解为在运动期间收集并存储(记录)用户身体上的一个或多个预定义点的连续位置的活动。
[0052]“运动轨迹”：术语“运动轨迹”是指跟踪活动的结果，即所存储的从起始点或起始时间开始并在结束点或结束时间结束的预定义身体点随时间的连续位置的集合量。
[0053]“参考运动轨迹”：“参考运动轨迹”是可用于创建可以与运动的运动表示进行比较的模型的期望运动轨迹。
[0054]“旋转角”或“旋转角度”：在二维空间中，“旋转角度”是物体围绕固定点旋转的角度量的测量值。在三维空间中，使用关于三个坐标轴的旋转角度来测量和指示旋转。
[0055]“预定义身体点”：术语“预定义身体点”是指用户身体上的点，其中该点被设置了用于促进对该点的跟踪的部件，例如传感器单元。
[0056]“姿态”：在本发明的上下文中，术语“姿态”用于表示物体在空间中的取向(姿态、角位置)。姿态可以由俯仰角、横摆角和横滚角表示，或者可选地由姿态矢量或轴、以及围绕该矢量或轴的旋转角表示(即轴-角度表示，参见欧拉旋转定理)。
[0057]“运动传感器单元”：“运动传感器单元”被理解为可附着到用户身体的单元，其能够传递诸如加速度等的运动信息，该信息使得可以在合适的参考系中确定用户运动期间的传感器的姿态和三维位置或者相同位置的变化。传感器单元被设想为足够小且轻而不会干扰用户的运动。
[0058]“控制单元”：在本发明的上下文中，“控制单元”是包括用于操作装置的人机界面的单元，其通常还包括用以与处理器和/或运动传感器单元进行通信的无线通信部件。
[0059]“样本”：在本发明的上下文中，术语“样本”用于表示所计算出的在特定时刻的运动传感器单元的状态，并且可以包括由处理器基于来自运动传感器单元的运动传感器数据并且还基于参考系(即坐标系)所计算出的线性和/或旋转的运动位置、运动速度和运动加速度的表示。与样本相关联的是样本编号和/或样本时间。
[0060]“处理器”：在本发明的上下文中，如果没有明确提及，则术语“处理器”用于表示处理器系统，而与该处理器系统是否包括一个或多个逻辑或物理处理器无关。
[0061]“存储器”：在本发明的上下文中，如果没有明确提及，则术语“存储器”用于表示存储器系统，而与该存储器系统是否包括一个或多个逻辑或物理存储器无关。
[0062]“刺激器”：在本发明的上下文中，术语“刺激器”用于表示可附着到人或动物的身体、并且在接收到命令时能够引发该人或动物可感知的刺激的装置。
[0063]“运动”：术语“运动”被理解为人所进行的任何(复合的或简单的)身体运动，其可以是他或她的四肢、躯干和重心中的一者或多者的运动。任何可能的歧义都应通过使用该术语的上下文来解决。该术语还用于表示传感器所感测到的运动。示例性运动包括跳高、撑杆跳、掷链球、掷标枪、体操跳、舞蹈动作、啦啦队动作、棒球击球、棒球投球、高尔夫挥杆、推杆中的全部或一部分。
[0064]
刺激单元被配置为以非常短的延迟(优选小于50ms、或者更优选小于20ms、或者最优选小于10ms)来传递刺激。刺激也应该是不同的。
[0065]
为了能够在短时间内传递刺激(即放电)，提供了如图1a所概述的训练辅助刺激器装置。图1a中的框图示出根据本发明的实施例的刺激器装置。处理器110连接至存储器120。此外，处理器连接至用于指示充电模块125进行充电的充电模块125。充电模块125连接至第一身体电极135以提供电荷来对经由第一身体电极135连接的身体电容进行充电。充电模块125可以经由阻抗测量模块155连接至第一身体电极，这将在后面进行论述。
[0066]
此外，处理器110连接至测量开关130。测量开关由处理器控制，以在特定时间将电压测量模块150连接至第一身体电极135以及将测量模块150与第一身体电极135断开。以下将进一步说明分别将测量模块连接至第一身体电极135以及将测量模块与第一身体电极135断开的定时。处理器110还连接至放电模块160，以控制经由第一身体电极135和第二身体电极137连接的身体电容的放电的传递。放电开关模块160被配置为根据来自处理器110的命令，将第二身体电极137连接至接地端，以使用刺激器有效地引起经过对象的皮肤的放
电。
[0067]
图1b的框图示出根据本发明第二实施例的刺激器装置。处理器110连接至存储器120。此外，处理器连接至用于对电荷保持电容器139(c1)进行充电的电容器充电模块125。电荷保持电容器的第一电极连接至电容器充电模块125。电荷保持电容器139(c1)的第二电极连接至接地端。此外，处理器110连接至测量开关130。测量开关由处理器控制，以在特定时间将电压测量模块150连接至电荷保持电容器139(c1)的第一电极以及将电压测量模块150与该第一电极断开。c1的尺寸被设计为能够保持足以在c1被放电时能够引起用户明确可感知的反馈感觉的电荷。
[0068]
以下将进一步说明分别将电压测量模块150连接至电荷保持电容器139的第一电极以及将电压测量模块150与第一电极断开的定时。
[0069]
处理器110进一步连接至放电模块161，以控制经由第二身体电极137、用户的皮肤140和第一身体电极135连接的电荷保持电容器139的放电的传递。放电模块161被布置成根据来自处理器110的命令，可能地经由阻抗测量模块155将第二身体电极连接至电荷保持电容器139的第一电极。本实施例中的第一身体电极135优选连接至接地端。
[0070]
该耦接的优点是，可以保持电荷保持电容器139中所沉积的电荷与身体隔离直至放电为止，由此避免了与生物组织相关联的可能漏电风险。
[0071]
后面将在阻抗测量的上下文中说明图1c。
[0072]
图2a和图3a示出能够向用户的皮肤提供不同的生物反馈电刺激的第一电路和第二电路的可选主布线图。图2a示出刺激器电路，其包括被设计为与用户的皮肤进行接触的第一电极135和第二电极137。所述第一电极和所述第二电极也可称为皮肤电极。在v
supply
处提供低电压水平的电力。低电压通常是由电池提供的dc(直流电)，其中该dc在变压器装置138中升压到更高的水平v
in
。在各种实施例中，变压器装置138包括dc-dc转换器或电力转换器。二极管199设置在变压器装置138之后并且连接至连接点v
in
。测量开关130连接在v
in
和分压器的第一电阻器r1之间。分压器由第一电阻器r1和第二电阻器r2组成。模数转换器adc连接在电阻器r1和r2之间，并且可被认为与这些电阻器一起构成电压测量模块150。测量开关130连接至处理器110，并且受来自处理器110的信号measure的控制。已经设计了如附着至人类皮肤那样的刺激器电路的电气模型。该模型包括身体电容c
body
、以及所述第一电极135和所述第二电极137之间的皮肤的电阻r
body
。
[0073]
刺激器电路还包括放电开关161，其用于控制也被称为生物反馈电刺激的反馈放电。放电开关161连接在第二皮肤电极137和接地之间，以在被来自处理器的触发输出trg的触发信号触发时提供放电漏极。当在v
supply
处施加电压并在变压器装置138中使该电压增加时，身体电容c
body
将被充电至预定水平。通过施加信号measure并在adc处读取分压器中的电压信号来测量实际水平。模数转换器可以用于向处理器110提供电压水平的实际读数。当达到预定水平时，处理器110准备好在trg处提供信号以闭合放电开关161。作为结果，电容c
body
被放电，并且携带所述第一电极135和所述第二电极137的人经受脉冲。
[0074]
trg信号被延迟，直到存在特定条件为止。在图2a所示的实施例中，通过断开测量开关130来避免通过第一电阻器r1和第二电阻器r2的持续放电。在图3a所示的实施例中，测量开关130的实现包括第一晶体管165，该第一晶体管165的控制输入连接至用于接收measure信号的第一控制电阻器167。同样，放电开关161包括第二晶体管168，该第二晶体管
168的控制输入连接至被设置用于接收来自处理器的trg信号的第二控制电阻器169。此外，这将存在来自c
body
的一些较小的持续放电，但是通过以下参照图4和图5所述的维持或支持充电，可以避免这一问题。
[0075]
在块205中开始维持充电(支持充电或满充电)的处理，并在块210中开始充电。然后，处理器110将信号measure施加到测量开关，并且在块215中测量第二电阻器r2两端的电压。在块220中，检查是否达到预定义的第一电压水平。如果未达到预定义的第一电压水平，则继续进行块210中的充电。如果达到预定义的第一电压水平，则处理器在块225中持续等待反馈放电的条件。当放电条件到来时，在块230中激活放电模块160。然后在块232中使装置停止。如果不存在放电条件，则处理器在块235中进入预定时间段的等待条件。
[0076]
然后，处理器在块240中检查整个处理是否结束。如果该处理结束，则使身体电容的电荷缓慢耗散，然后在块232中使装置停止。如果处理仍在运行(运动继续)，则在块242中激活电压测量模块150，并且在块245中检查分压器r1、r2的电压是否已降至预定的第二水平以下(见图5)。如果电压没有降至所述预定的第二水平以下，则在块246中关断测量模块，并且处理返回至块235。
[0077]
如果电压已经降至所述预定的第二水平以下，则在块248中关断测量模块以保存电荷。然后在块250中激活维持充电。将维持充电维持预定时间段，此后在块252中激活电压测量模块150。在块254中检查是否达到预定义的第一电压水平。如果未达到预定义的第一电压水平，则在块248中断开测量模块，并且继续块250中的维持充电。如果达到预定义的第一电压水平，则在块246中断开测量模块，并且处理返回至块235。
[0078]
图2b和图3b示出实施例的相应主布线图，其中放电开关模块161被布置成以电气方式靠近第一电极135，由此有效地将身体与充电电压和电荷保持电容器139(c1)隔离。
[0079]
图5的图示出以上参考图4所述的充电和维持充电处理期间的电压相对于时间的图。在时间t1开始与充电块210相对应的主充电处理。当达到预定的第一电压水平时，开始放电处理。虚线表示如果省略测量开关130则将会发生的放电。在这种情况下，电压水平很快将达到用户预期将不会感受到受控放电的水平。作为电压测量模块150测量低电压水平的结果，当电压水平降至第二水平以下时，作为替代将开始支持充电或维持充电。一旦再次达到第一电压水平，就停止充电。第一水平和第二水平之间的压降处于不会损害反馈放电的水平。当电压水平达到第二水平时，将重复开始支持充电或维持充电。
[0080]
充电模块
[0081]
充电模块125和电容器充电模块125的内部结构可以优选包括电压变换电路，以将几伏的电池电压升高至可能高达几百伏的合适充电电压。
[0082]
刺激信号结构
[0083]
刺激器被配置为将刺激信号提供为一个或多个脉冲的脉冲序列。处理器和/或放电开关模块160、161可被配置为仅以一个脉冲方式释放放电。然而，发明人惊喜地发现，二到四个脉冲的刺激信号可以产生更适合其目的的感觉，其中这些脉冲各自的长度为1～10毫秒并且在这些脉冲之间的零电压的时间段为5～20毫秒。因而，刺激器可被配置为提供优选2v～450v的间隔并且更优选200～450v的间隔的放电电压。刺激器可被配置为提供不违反医疗设备的法定条件的刺激信号。
[0084]
身体阻抗测量
[0085]
刺激器还可设置有身体阻抗测量模块，以测量两个皮肤电极135、137之间的身体阻抗。身体阻抗测量模块155耦接至处理器，并且还耦接至第一身体电极和第二身体电极，或者耦接至一个电极和接地端。在图1a、图1b和图1c中示出优选的拓扑配置。
[0086]
图1a示出如下的刺激器的框图，其中在该刺激器中，阻抗测量模块155以电气方式布置在充电模块125和第一身体电极135之间。处理器被配置为控制充电模块125以提供可用于测量的脉冲电压。处理器优选被配置为控制连接至接地端的放电开关模块160以允许电流在这种情况下流动。
[0087]
图1b示出如下的刺激器的框图，其中在该刺激器中，阻抗测量模块155以电气方式布置在放电模块161和身体电极137之间。该装置被配置成使得充电模块提供低电压(通常约5伏)以允许阻抗测量模块测量阻抗。该装置被配置成使得放电模块连接充电模块和阻抗测量模块以允许电流流动。
[0088]
图1c示出如下的刺激器的框图，其中在该刺激器中，阻抗测量模块155以电气方式布置在充电模块125和放电模块161之间。在这种情况下，刺激器装置被配置为使放电开关模块161将阻抗测量模块155连接至电极137，并且电流经由开关从充电模块和电荷保持电容器139流出并经由身体皮肤部分流向身体电极137且流向电极135和接地端。
[0089]
处理器优选被配置为基于来自身体阻抗测量模块的身体阻抗的测量值来调整刺激信号的电压。例如，处理器可以使用更高的阻抗测量值来指示电容器充电模块125提供更高的电压，以产生相当于更低身体阻抗和更低电压的情况的刺激电流。身体阻抗测量模块可被实现为单独的模块，或者可以通过使用电压测量模块150并经由电容器充电模块提供测量信号来实现。在这种情况下的电容器充电模块125被配置为提供这样的测量信号。
[0090]
虽然已经特别地描述了本发明的特定说明性实施例，但是应当理解，各种其它修改对于本领域技术人员将是显而易见的，而不会脱离本发明的精神和范围。因此，所附权利要求书的范围在此并不旨在被限于此处阐述的描述，而是该权利要求书旨在被解释为包含对于本发明所属领域的技术人员显而易见的本发明的所有等同项。