專利名稱：用于確定人的步行或跑步速度的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于根據(jù)足部運(yùn)動來確定步行或跑步的人的速度的方法。本發(fā)明還涉及一種用于提供步行或跑步的人的速度的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
測量人的步行或跑步速度對于科學(xué)、治療以及訓(xùn)練是重要的。通過這樣的測量而獲得的信息可以用于例如在運(yùn)動和康復(fù)中改善人的行為表現(xiàn)。存在能夠測量跑步速度的許多技術(shù)，這些技術(shù)包括使用全球定位系統(tǒng)(GPS)、加速度計(jì)慣性設(shè)備、基于加速度計(jì)的計(jì)步器、計(jì)時/計(jì)數(shù)傳感器。這些方法中的每種方法具有變化的準(zhǔn)確度并且每種方法具有其局限性。一般的計(jì)時和計(jì)數(shù)設(shè)備不提供速度或距離的非?？煽康臏y量值，因?yàn)樗鼈円蕾囉谝韵隆ぜ僭O(shè):人的步長保持不變，而不管其速度和環(huán)境。根據(jù)如由GPS所確定的位置，可以通過測量經(jīng)過的時間而以直接的方式導(dǎo)出速度。然而，基于GPS的速度測量要求傳感器一直處在許多衛(wèi)星的視界中。因此，通常不能在高層建筑的城市地區(qū)、樹木繁茂的地區(qū)或山區(qū)、建筑物內(nèi)部如室內(nèi)運(yùn)動建筑、或者隧道和地鐵中測量速度。對于訓(xùn)練和治療，通常不僅對速度感興趣，而且還對表征人的步行或跑步行為的其他參數(shù)感興趣。通常，可能對生物力學(xué)參數(shù)感興趣，例如腳著地位置、內(nèi)旋(pronation)速度、接觸時間以及腳跟離開速度。這些參數(shù)不能使用GPS系統(tǒng)獲得，因?yàn)镚PS只提供關(guān)于人的位置的信息。因而，為了獲得生物力學(xué)參數(shù)，必須使用附加傳感器。這樣的附加傳感器使得系統(tǒng)昂貴且復(fù)雜。美國專利6，360，597公開了一種用于確定步行的人的步法線的系統(tǒng)。步法線是示出腳的平均壓力或者最好是腳的壓力中心在腳與地面接觸的時間期間如何變化的線。該已知系統(tǒng)包括嵌入鞋內(nèi)的力敏傳感器。所述傳感器的空間平均輸出信號提供了二維空間中的步法線。此外，該專利公布公開了一種區(qū)分腳與地面的接觸的不同階段的方法。具體地，該已知方法允許確定腳跟著地、腳趾離地以及中間姿態(tài)(mid-stance)的持續(xù)時間。因而，該已知方法提供了與腳的不同部分與地面的接觸時間有關(guān)的有限數(shù)量的基本參數(shù)。美國專利4，578，769公開了一種用于確定跑步時人的速度的方法。該已知方法包括使用位于鞋底中的傳感器來確定腳是否與地面接觸。腳與地面接觸期間的時間被用于確定人的跑步速度。對于每個具體的跑步者，經(jīng)驗(yàn)性地確定接觸時間與跑步速度之間的線性關(guān)系，該關(guān)系因人而異。該關(guān)系被存儲在微處理器中，并用于計(jì)算跑步速度。然而，接觸時間還依賴于跑步速度本身以外的因素。因此，該方法具有有限的準(zhǔn)確度。美國專利申請2002/0040601公開了一種運(yùn)動分析系統(tǒng),該運(yùn)動分析系統(tǒng)包括安裝在鞋子上的加速度計(jì)和傾斜傳感器。根據(jù)加速度計(jì)測量值和分析所確定的鞋子的平均水平速度對應(yīng)于人的速度。此外，也可以根據(jù)測量值導(dǎo)出諸如步長、腳的離地高度以及內(nèi)旋程度之類的參數(shù)。在使用加速度計(jì)來根據(jù)人的足部運(yùn)動導(dǎo)出步行或跑步速度時所遇到的問題是:如果加速度計(jì)被不正確地安裝或者如果加速度計(jì)在使用期間變得迷失方向，則該方法會變得不太準(zhǔn)確。如果腳以不尋常的取向進(jìn)行擺動，則可能會額外地危及模型的準(zhǔn)確度。腳擺動期間的不尋常的動態(tài)移動也會干擾測量。使用加速度計(jì)的方法的另一問題是:必須使用另外類型的附加傳感器，以導(dǎo)出需要關(guān)于步法線的信息的參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種根據(jù)足部運(yùn)動來確定步行或跑步的人的速度的方法。該方法不昂貴并且可以容易地與用于確定步行或跑步的人的生物力學(xué)參數(shù)的方法進(jìn)行組合或結(jié)合。提供了一種根據(jù)足部運(yùn)動來導(dǎo)出步行或跑步的人的速度的方法，該方法由以下步驟進(jìn)行表征:-在人的第一只腳與支承表面之間設(shè)置至少一個壓力傳感器，以確定壓力中心，壓力傳感器被配置成將壓力數(shù)據(jù)發(fā)送至通信單元，接著-確定壓力中心步法線并根據(jù)該步法線計(jì)算壓力中心速度，以及_檢測人是步行還是跑步，-獲得步行或跑步的人的速度與壓力中心速度之間的相互關(guān)系，接著-根據(jù)相互關(guān)系推斷人的速度。人的速度是人的質(zhì)心移動的速度。該速度必須與例如單只手或者任何其他肢體的速度相區(qū)分。更具體地，必須與腳的速度相區(qū)分。使用壓力傳感器來確定人的速度的優(yōu)點(diǎn)是:通?？梢砸院侠淼膬r(jià)格獲得壓力傳感器，壓力傳感器輕且薄，可以容易地結(jié)合在例如鞋子或鞋墊中；以及信號處理不復(fù)雜。通常使用壓力傳感器來確定人的生物力學(xué)參數(shù)，以用于例如但不限于康復(fù)和實(shí)驗(yàn)室分析。使用該優(yōu)點(diǎn)獲得了上面提到的目的，因?yàn)椴恍枰囟ê蛷?fù)雜的設(shè)備。具體地，可以使用用于確定生物力學(xué)參數(shù)的在用系統(tǒng)來實(shí)施該方法。因此，該方法提供了一種低成本的方法來確定人的速度。另外，壓力傳感器提供了可以用于分析步行或跑步的方式的步法線。另一目的是提供一種用于提供步行或跑步的人的速度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動地檢測人是步行還是跑步，然而，該系統(tǒng)不昂貴并且可以易于被步行或跑步的人使用。提供了一種用于提供步行或跑步的人的速度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于感測人的第一只腳是否與支承表面接觸的傳感器，并且其特征在于:該系統(tǒng)還包括:-用于確定第二只腳的壓力中心的壓力傳感器，該傳感器適于放置于鞋子中(或者放置在腳與跑步表面之間，無論是在鞋子中還是在表面上/中還是在腳與跑步表面之間的任何地方)，-用于存儲步行或跑 步的人的速度與壓力中心速度之間的相互關(guān)系的存儲器，-用于計(jì)算壓力中心速度的處理單元，-用于呈現(xiàn)該速度的人機(jī)接口。使用兩個傳感器——每只腳上一個傳感器——的優(yōu)點(diǎn)是:可以自動檢測人是步行還是跑步。步行與跑步之間的區(qū)別是:在跑步時，兩只腳在某些時間期間同時抬離地面，而在步行期間總有一只腳與地面接觸。使用用于存儲質(zhì)心速度與壓力中心速度之間的相互關(guān)系的存儲器的優(yōu)點(diǎn)是:可以根據(jù)所計(jì)算的壓力中心速度自動地導(dǎo)出質(zhì)心速度，而無需人的介入。使用這些優(yōu)點(diǎn)獲得了上面提到的目的，因?yàn)椴恍枰囟ê蛷?fù)雜的設(shè)備，并且人無需為數(shù)據(jù)分析操心。更具體地，將以明確的方式向人通知其速度，例如，根據(jù)需要在跑步期間實(shí)時地通知。


根據(jù)參照以下附圖對示例性實(shí)施方式的描述，這些和其他方面將變得明顯。圖1a示出了導(dǎo)出步行或跑步的人的速度的方法的流程圖。圖1b示出了用于導(dǎo)出步行或跑步的人的速度的系統(tǒng)。圖1c示出了導(dǎo)出步行或跑步的人的速度的方法。

圖2示出了這樣的方法的另一實(shí)施方式。圖3示出了用于確定壓力中心的壓力傳感器的示例性幾何結(jié)構(gòu)。圖4示出了針對八個不同的人的步行和跑步的相互關(guān)系圖的示例。圖5示出了用于確定步行或跑步的人的速度的系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1a示出了導(dǎo)出步行或跑步的人的速度的方法的流程圖。該方法包括在腳與支承表面(例如人在其上步行或跑步的地板或道路)之間設(shè)置壓力傳感器的第一步驟I。在第二步驟6中，獲得人的速度與壓力中心速度之間的相互關(guān)系。該步驟可以在后面的階段執(zhí)行。在第三步驟13中，壓力傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并且使該數(shù)據(jù)可用于處理。在第四步驟4中，確定壓力中心步法線，并根據(jù)該壓力中心步法線計(jì)算壓力中心速度VCQP。在第五步驟5中，檢測人是步行還是跑步?？梢栽诖_定壓力中心步法線時執(zhí)行該步驟。在第六步驟7中，根據(jù)相互關(guān)系以及壓力中心速度推斷人的速度。如將被理解的，可以在人開始步行或跑步的事件之前執(zhí)行一次第一步驟I和第二步驟6，在人實(shí)際上進(jìn)行步行或跑步的事件期間或以后僅執(zhí)行在虛線框10中示出的第三步驟至第六步驟13、4、5和7。虛線框10中的步驟可以被重復(fù)執(zhí)行，以執(zhí)行不同時間點(diǎn)或時間間隔的速度的確定。圖1b示出了用于確定步行或跑步的人的速度的系統(tǒng)30。該系統(tǒng)包括一個或更多個壓力傳感器32(被示出為一個框)、通信單元9、存儲器33、處理單元34以及人機(jī)接口 35。一個或更多個壓力傳感器32通過通信單元9耦接至處理單元34。此外，處理單元(例如，程序控制計(jì)算機(jī))34耦接至存儲器33以及人機(jī)接口(例如，顯示設(shè)備)35?；谌鐖D1c所示的實(shí)施方式，更生動地示出了根據(jù)足部運(yùn)動來導(dǎo)出步行或跑步的人的速度的方法的不同步驟。該方法的步驟之一是在腳與支承表面(例如人在其上步行或跑步的地板或道路)之間設(shè)置壓力傳感器的步驟I。該壓力傳感器適于測量腳的不同位置2處的壓力。通信單元9使得來自壓力傳感器的數(shù)據(jù)可用于確定壓力中心步法線3，壓力中心速度VroP4是根據(jù)該壓力中心步法線3來計(jì)算的。另一步驟5是檢測人是步行還是跑步。該步驟必須在放置壓力傳感器之后執(zhí)行，并且可以在確定壓力中心步法線時執(zhí)行。然而，該步驟5也可以在以后執(zhí)行(后處理)，但是應(yīng)當(dāng)在推斷人的速度的最后步驟7之前執(zhí)行。另一步驟6是獲得人的速度與壓力中心速度之間的相互關(guān)系。實(shí)際上，該步驟可以在人開始步行或跑步之前執(zhí)行。然而，該步驟也可以在以后執(zhí)行(后處理)，但是在任何情況下，都必須在根據(jù)相互關(guān)系推斷人的速度的最后步驟7之前執(zhí)行，該最后步驟必須在該方法的其他步驟之后執(zhí)行。通過壓力傳感器來測量在不同位置處腳的壓力，壓力傳感器位于腳與支承人的表面之間并使得人的重力將會激勵壓力傳感器。如果在本文中提到多個傳感器，則必須理解這些傳感器不必是物理上獨(dú)立的設(shè)備。也可以是使得能夠測量不同位置處的壓力的一個傳感器，例如，具有矩陣電極的壓電材料片。優(yōu)選地，傳感器被固定至放置在鞋子中的鞋墊中或鞋墊上。在圖3中示出了這樣的鞋墊的示例。鞋墊20的具體示例包括八個壓力傳感器21以及將傳感器的輸出信號發(fā)送至通信或處理單元的連接器22。盡管優(yōu)選的是將傳感器固定至放置在鞋子中的鞋墊中或鞋墊上，但是也可以將傳感器例如附接至或放置在鞋底中或者粘至腳底。甚至可以將傳感器安裝在地板上或地板中，或者安裝在任何其他方便的表面或者腳與人在其上站立、步行或跑步的表面之間的接觸面上。地板上的傳感器的明顯缺點(diǎn)是:僅可以在非常特定的場所例如訓(xùn)練中心確定人的速度，并且傳感器的數(shù)量必須非常高或者面積非常大。適于測量腳在支承表面上的壓力的傳感器的示例是基于電特性例如電容(例如碳層壓板)、電感、壓電或壓電電阻效應(yīng)的傳感器。然而，基于光學(xué)特性例如反射或衍射(例如，多普勒頻移、布拉格光纖)或者色彩變化(例如，壓光)的傳感器也是合適的。傳感器的輸出信號被發(fā)送至通信單元9，該通信單元適于提供用于進(jìn)一步分析和處理的數(shù)據(jù)，以實(shí)時地或在以后確定人的速度。該數(shù)據(jù)包括針對每個傳感器或針對傳感器上的每個位置的壓力以及測量該壓力的時間。通信單元可以存儲傳感器數(shù)據(jù)或者通過有線或無線將數(shù)據(jù)發(fā)送至適于自動處理數(shù)據(jù)的處理單元。處理單元和通信單元可以合并到單個設(shè)備內(nèi)。通信單元也可以適于接收信號，例如用于接通或切斷傳感器的信號。切斷傳感器可以有利于在不需要測量速度的時間期間節(jié)約電池的能量。處理單元可以例如通過使用帶狀物或臂帶附接至人，或者可以位于遠(yuǎn)程位置處。在后者情況中，在通信單元與處理單元之間進(jìn)行無線通信是優(yōu)選的，以在傳感器被附接至人例如附接在鞋墊中的情況下最小化對于人的阻礙。盡管優(yōu)選的是自動地處理數(shù)據(jù)，以允許例如提供關(guān)于速度的實(shí)時信息，但是認(rèn)識到也可以人工地執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)的處理。如果人工地對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，則通信單元可以例如為適于存儲傳感器數(shù)據(jù)的存儲器，該存儲器可以在以后讀出。在其中將壓力傳感器附接至地板的實(shí)施方式中，如果處理單元位于固定的位置，則可以通過線例如玻璃或銅纖維進(jìn)行通信單元與處理單元之間的通信。然而，如果人攜帶了處理單元，則無線通信是優(yōu)選的。 在其中是人攜帶處理單元的方法將有利于向人實(shí)時地提供關(guān)于速度的信息，例如在視覺上，使用顯示器或信號燈，或者在聲學(xué)上，使用已記錄的語音或信號聲。在其中使用處理單元來處理數(shù)據(jù)的優(yōu)選實(shí)施方式中，處理單元被配置成基于壓力傳感器的輸出信號來計(jì)算步法線和壓力中心速度。如之前所提到的，也可以人工地進(jìn)行計(jì)算或部分計(jì)算。用比在步行或跑步期間腳著地的頻率顯著高的采樣頻率來測量腳的不同位置處的壓力。高的采樣頻率使得能夠進(jìn)行壓力中心(COP)位置的半連續(xù)測量。在時間上的給定時刻處的COP位置是在該時刻所有地面反作用力的合成力的作用點(diǎn)。在步行或跑步期間COP位置沿著腳隨時間變化，并且產(chǎn)生通常所說的步法線。通過對每個壓力測量值用其量值和位置進(jìn)行加權(quán)以便能夠?qū)⑺械牧w結(jié)至一個點(diǎn)來計(jì)算COP。更具體地，可以使用以下公式計(jì)算在X方向上的COP (X):
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)足部運(yùn)動來確定步行或跑步的人的速度的方法，包括以下步驟: 在所述人的第一只腳與支承表面之間設(shè)置(I)至少一個壓力傳感器，以確定壓力中心，所述壓力傳感器被配置成將壓力數(shù)據(jù)發(fā)送至通信單元(9)，接著 確定壓力中心步法線(3)并根據(jù)所述步法線計(jì)算壓力中心速度(4)，以及 檢測所述人是步行還是跑步(5 )， 獲得步行或跑步的人的速度與所述壓力中心速度之間的相互關(guān)系(6)，接著 根據(jù)所述相互關(guān)系推斷所述人的速度(J)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一步驟包括在所述人的第二只腳與所述支承表面之間設(shè)置附加傳感器(8)，以用于檢測所述腳與所述支承表面之間的接觸，并且其中，通過比較所述壓力傳感器的信號與所述附加傳感器的信號以檢測兩只腳是否同時抬離所述支承表面，來執(zhí)行所述檢測所述人是步行還是跑步的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述附加傳感器適于確定所述壓力中心。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述壓力傳感器是基于電容的傳感 器。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，向所述人附接處理單元。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，另外還確定距離或預(yù)計(jì)到達(dá)時間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述根據(jù)所述步法線計(jì)算壓力中心速度(4)的步驟包括確定下述起始時間和終止時間:在從腳與地面接觸的時刻起，在所述起始時間處，所述壓力中心開始在所述腳的前進(jìn)方向上移動；在所述終止時間之后，所述壓力中心不再在前進(jìn)方向上移動，其中根據(jù)在所述終止時間處的壓力中心位置與所述起始時間處的壓力中心位置之間的距離與在所述起始時間與所述終止時間之間所經(jīng)過的時間的商來計(jì)算所述壓力中心速度(4)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在軟件產(chǎn)品中實(shí)施所述確定壓力中心步法線(3)并根據(jù)所述步法線計(jì)算壓力中心速度(4)的步驟以及所述根據(jù)所述相互關(guān)系推斷所述人的速度(7)的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在軟件產(chǎn)品中實(shí)施所述獲得步行或跑步的人的速度與所述壓力中心速度之間的相互關(guān)系(6)的步驟。
10.一種用于提供步行或跑步的人的速度的系統(tǒng)(30)，包括用于感測所述人的第一只腳是否與支承表面接觸的傳感器(31)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 用于確定第二只腳的壓力中心的壓力傳感器(32)，所述傳感器適于放置在鞋子中， 用于存儲步行或跑步的人的速度與壓力中心速度之間的相互關(guān)系的存儲器(33)， 用于計(jì)算壓力中心速度的處理單元(34)， 用于呈現(xiàn)所述速度的人機(jī)接口(35)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)(30)，其中，所述處理單元(34)被配置成:確定所述人是步行還是跑步(5)，以及取決于所述人被確定為是步行還是跑步(5)來使用針對步行的人的相互關(guān)系或針對跑步的人的相互關(guān)系。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述人機(jī)接口包括顯示器或揚(yáng)聲器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10、11或12所述的系統(tǒng)，其中，所述人機(jī)接口適于接收用于對處理器單元進(jìn)行編程或用于將數(shù)據(jù)存儲在所述存儲器中的聲學(xué)輸入指令。
全文摘要
一種用于根據(jù)足部運(yùn)動來確定步行或跑步的人的速度的方法和系統(tǒng)。該方法包括在腳與地面之間設(shè)置(1)壓力傳感器，該傳感器可以放置在鞋的鞋墊上或鞋墊中。壓力傳感器被配置成將壓力數(shù)據(jù)發(fā)送至通信單元(9)。該方法還包括確定壓力中心步法線(3)并根據(jù)該步法線計(jì)算壓力中心速度(4)的步驟。此外，該方法包括檢測人是步行還是跑步的步驟(5)。另一步驟(6)是獲得人的速度與壓力中心速度之間的相互關(guān)系。作為該方法的最后步驟(7)，根據(jù)該相互關(guān)系來推斷人的速度。該系統(tǒng)包括用于控制以及通知用戶的人機(jī)接口。
文檔編號A61B5/103GK103153185SQ201180046341
公開日2013年6月12日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者安德魯·斯泰瑟姆 申請人:荷蘭應(yīng)用自然科學(xué)研究組織Tno