用于确定人的步行或跑步速度的方法和系统.pdf

一种用于根据足部运动来确定步行或跑步的人的速度的方法和系统。该方法包括在脚与地面之间设置（1）压力传感器，该传感器可以放置在鞋的鞋垫上或鞋垫中。压力传感器被配置成将压力数据发送至通信单元（9）。该方法还包括确定压力中心步法线（3）并根据该步法线计算压力中心速度（4）的步骤。此外，该方法包括检测人是步行还是跑步的步骤（5）。另一步骤（6）是获得人的速度与压力中心速度之间的相互关系。作为该方法的最后步骤（7），根据该相互关系来推断人的速度。该系统包括用于控制以及通知用户的人机接口。

权利要求书一种根据足部运动来确定步行或跑步的人的速度的方法，包括以下步骤：
在所述人的第一只脚与支承表面之间设置（1）至少一个压力传感器，以确定压力中心，所述压力传感器被配置成将压力数据发送至通信单元（9），接着
确定压力中心步法线（3）并根据所述步法线计算压力中心速度（4），以及
检测所述人是步行还是跑步（5），
获得步行或跑步的人的速度与所述压力中心速度之间的相互关系（6），接着
根据所述相互关系推断所述人的速度（7）。
根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤包括在所述人的第二只脚与所述支承表面之间设置附加传感器（8），以用于检测所述脚与所述支承表面之间的接触，并且其中，通过比较所述压力传感器的信号与所述附加传感器的信号以检测两只脚是否同时抬离所述支承表面，来执行所述检测所述人是步行还是跑步的步骤。
根据权利要求2所述的方法，其中，所述附加传感器适于确定所述压力中心。
根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述压力传感器是基于电容的传感器。
根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，向所述人附接处理单元。
根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，另外还确定距离或预计到达时间。
根据权利要求1所述的方法，其中，所述根据所述步法线计算压力中心速度（4）的步骤包括确定下述起始时间和终止时间：在从脚与地面接触的时刻起，在所述起始时间处，所述压力中心开始在所述脚的前进方向上移动；在所述终止时间之后，所述压力中心不再在前进方向上移动，其中根据在所述终止时间处的压力中心位置与所述起始时间处的压力中心位置之间的距离与在所述起始时间与所述终止时间之间所经过的时间的商来计算所述压力中心速度（4）。
根据权利要求1所述的方法，其中，在软件产品中实施所述确定压力中心步法线（3）并根据所述步法线计算压力中心速度（4）的步骤以及所述根据所述相互关系推断所述人的速度（7）的步骤。
根据权利要求1所述的方法，其中，在软件产品中实施所述获得步行或跑步的人的速度与所述压力中心速度之间的相互关系（6）的步骤。
一种用于提供步行或跑步的人的速度的系统（30），包括用于感测所述人的第一只脚是否与支承表面接触的传感器（31），其特征在于，所述系统还包括：
用于确定第二只脚的压力中心的压力传感器（32），所述传感器适于放置在鞋子中，
用于存储步行或跑步的人的速度与压力中心速度之间的相互关系的存储器（33），
用于计算压力中心速度的处理单元（34），
用于呈现所述速度的人机接口（35）。
根据权利要求10所述的系统（30），其中，所述处理单元（34）被配置成：确定所述人是步行还是跑步（5），以及取决于所述人被确定为是步行还是跑步（5）来使用针对步行的人的相互关系或针对跑步的人的相互关系。
根据权利要求10所述的系统，其中，所述人机接口包括显示器或扬声器。
根据权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述人机接口适于接收用于对处理器单元进行编程或用于将数据存储在所述存储器中的声学输入指令。

说明书用于确定人的步行或跑步速度的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于根据足部运动来确定步行或跑步的人的速度的方法。本发明还涉及一种用于提供步行或跑步的人的速度的系统。
背景技术
测量人的步行或跑步速度对于科学、治疗以及训练是重要的。通过这样的测量而获得的信息可以用于例如在运动和康复中改善人的行为表现。
存在能够测量跑步速度的许多技术，这些技术包括使用全球定位系统（GPS）、加速度计惯性设备、基于加速度计的计步器、计时/计数传感器。这些方法中的每种方法具有变化的准确度并且每种方法具有其局限性。一般的计时和计数设备不提供速度或距离的非常可靠的测量值，因为它们依赖于以下假设：人的步长保持不变，而不管其速度和环境。根据如由GPS所确定的位置，可以通过测量经过的时间而以直接的方式导出速度。然而，基于GPS的速度测量要求传感器一直处在许多卫星的视界中。因此，通常不能在高层建筑的城市地区、树木繁茂的地区或山区、建筑物内部如室内运动建筑、或者隧道和地铁中测量速度。
对于训练和治疗，通常不仅对速度感兴趣，而且还对表征人的步行或跑步行为的其他参数感兴趣。通常，可能对生物力学参数感兴趣，例如脚着地位置、内旋（pronation）速度、接触时间以及脚跟离开速度。这些参数不能使用GPS系统获得，因为GPS只提供关于人的位置的信息。因而，为了获得生物力学参数，必须使用附加传感器。这样的附加传感器使得系统昂贵且复杂。
美国专利6,360,597公开了一种用于确定步行的人的步法线的系统。步法线是示出脚的平均压力或者最好是脚的压力中心在脚与地面接触的时间期间如何变化的线。该已知系统包括嵌入鞋内的力敏传感器。所述传感器的空间平均输出信号提供了二维空间中的步法线。此外，该专利公布公开了一种区分脚与地面的接触的不同阶段的方法。具体地，该已知方法允许确定脚跟着地、脚趾离地以及中间姿态（mid‑stance）的持续时间。因而，该已知方法提供了与脚的不同部分与地面的接触时间有关的有限数量的基本参数。
美国专利4,578,769公开了一种用于确定跑步时人的速度的方法。该已知方法包括使用位于鞋底中的传感器来确定脚是否与地面接触。脚与地面接触期间的时间被用于确定人的跑步速度。对于每个具体的跑步者，经验性地确定接触时间与跑步速度之间的线性关系，该关系因人而异。该关系被存储在微处理器中，并用于计算跑步速度。
然而，接触时间还依赖于跑步速度本身以外的因素。因此，该方法具有有限的准确度。
美国专利申请2002/0040601公开了一种运动分析系统，该运动分析系统包括安装在鞋子上的加速度计和倾斜传感器。根据加速度计测量值和分析所确定的鞋子的平均水平速度对应于人的速度。此外，也可以根据测量值导出诸如步长、脚的离地高度以及内旋程度之类的参数。
在使用加速度计来根据人的足部运动导出步行或跑步速度时所遇到的问题是：如果加速度计被不正确地安装或者如果加速度计在使用期间变得迷失方向，则该方法会变得不太准确。如果脚以不寻常的取向进行摆动，则可能会额外地危及模型的准确度。脚摆动期间的不寻常的动态移动也会干扰测量。使用加速度计的方法的另一问题是：必须使用另外类型的附加传感器，以导出需要关于步法线的信息的参数。
发明内容
本发明的目的是提供一种根据足部运动来确定步行或跑步的人的速度的方法。该方法不昂贵并且可以容易地与用于确定步行或跑步的人的生物力学参数的方法进行组合或结合。
提供了一种根据足部运动来导出步行或跑步的人的速度的方法，该方法由以下步骤进行表征：
‑在人的第一只脚与支承表面之间设置至少一个压力传感器，以确定压力中心，压力传感器被配置成将压力数据发送至通信单元，接着
‑确定压力中心步法线并根据该步法线计算压力中心速度，以及
‑检测人是步行还是跑步，
‑获得步行或跑步的人的速度与压力中心速度之间的相互关系，
接着
‑根据相互关系推断人的速度。
人的速度是人的质心移动的速度。该速度必须与例如单只手或者任何其他肢体的速度相区分。更具体地，必须与脚的速度相区分。
使用压力传感器来确定人的速度的优点是：通常可以以合理的价格获得压力传感器，压力传感器轻且薄，可以容易地结合在例如鞋子或鞋垫中；以及信号处理不复杂。通常使用压力传感器来确定人的生物力学参数，以用于例如但不限于康复和实验室分析。
使用该优点获得了上面提到的目的，因为不需要特定和复杂的设备。具体地，可以使用用于确定生物力学参数的在用系统来实施该方法。因此，该方法提供了一种低成本的方法来确定人的速度。另外，压力传感器提供了可以用于分析步行或跑步的方式的步法线。
另一目的是提供一种用于提供步行或跑步的人的速度的系统，该系统自动地检测人是步行还是跑步，然而，该系统不昂贵并且可以易于被步行或跑步的人使用。
提供了一种用于提供步行或跑步的人的速度的系统，该系统包括用于感测人的第一只脚是否与支承表面接触的传感器，并且其特征在于：该系统还包括：
‑用于确定第二只脚的压力中心的压力传感器，该传感器适于放置于鞋子中（或者放置在脚与跑步表面之间，无论是在鞋子中还是在表面上/中还是在脚与跑步表面之间的任何地方），
‑用于存储步行或跑步的人的速度与压力中心速度之间的相互关系的存储器，
‑用于计算压力中心速度的处理单元，
‑用于呈现该速度的人机接口。
使用两个传感器——每只脚上一个传感器——的优点是：可以自动检测人是步行还是跑步。步行与跑步之间的区别是：在跑步时，两只脚在某些时间期间同时抬离地面，而在步行期间总有一只脚与地面接触。使用用于存储质心速度与压力中心速度之间的相互关系的存储器的优点是：可以根据所计算的压力中心速度自动地导出质心速度，而无需人的介入。
使用这些优点获得了上面提到的目的，因为不需要特定和复杂的设备，并且人无需为数据分析操心。更具体地，将以明确的方式向人通知其速度，例如，根据需要在跑步期间实时地通知。
附图说明
根据参照以下附图对示例性实施方式的描述，这些和其他方面将变得明显。
图1a示出了导出步行或跑步的人的速度的方法的流程图。
图1b示出了用于导出步行或跑步的人的速度的系统。
图1c示出了导出步行或跑步的人的速度的方法。
图2示出了这样的方法的另一实施方式。
图3示出了用于确定压力中心的压力传感器的示例性几何结构。
图4示出了针对八个不同的人的步行和跑步的相互关系图的示例。
图5示出了用于确定步行或跑步的人的速度的系统的示意图。
具体实施方式
图1a示出了导出步行或跑步的人的速度的方法的流程图。该方法包括在脚与支承表面（例如人在其上步行或跑步的地板或道路）之间设置压力传感器的第一步骤1。在第二步骤6中，获得人的速度与压力中心速度之间的相互关系。该步骤可以在后面的阶段执行。在第三步骤13中，压力传感器对数据进行测量，并且使该数据可用于处理。在第四步骤4中，确定压力中心步法线，并根据该压力中心步法线计算压力中心速度VCOP。在第五步骤5中，检测人是步行还是跑步。可以在确定压力中心步法线时执行该步骤。在第六步骤7中，根据相互关系以及压力中心速度推断人的速度。如将被理解的，可以在人开始步行或跑步的事件之前执行一次第一步骤1和第二步骤6，在人实际上进行步行或跑步的事件期间或以后仅执行在虚线框10中示出的第三步骤至第六步骤13、4、5和7。虚线框10中的步骤可以被重复执行，以执行不同时间点或时间间隔的速度的确定。
图1b示出了用于确定步行或跑步的人的速度的系统30。该系统包括一个或更多个压力传感器32（被示出为一个框）、通信单元9、存储器33、处理单元34以及人机接口35。一个或更多个压力传感器32通过通信单元9耦接至处理单元34。此外，处理单元（例如，程序控制计算机）34耦接至存储器33以及人机接口（例如，显示设备）35。
基于如图1c所示的实施方式，更生动地示出了根据足部运动来导出步行或跑步的人的速度的方法的不同步骤。该方法的步骤之一是在脚与支承表面（例如人在其上步行或跑步的地板或道路）之间设置压力传感器的步骤1。该压力传感器适于测量脚的不同位置2处的压力。通信单元9使得来自压力传感器的数据可用于确定压力中心步法线3，压力中心速度VCOP4是根据该压力中心步法线3来计算的。另一步骤5是检测人是步行还是跑步。该步骤必须在放置压力传感器之后执行，并且可以在确定压力中心步法线时执行。然而，该步骤5也可以在以后执行（后处理），但是应当在推断人的速度的最后步骤7之前执行。另一步骤6是获得人的速度与压力中心速度之间的相互关系。实际上，该步骤可以在人开始步行或跑步之前执行。然而，该步骤也可以在以后执行（后处理），但是在任何情况下，都必须在根据相互关系推断人的速度的最后步骤7之前执行，该最后步骤必须在该方法的其他步骤之后执行。
通过压力传感器来测量在不同位置处脚的压力，压力传感器位于脚与支承人的表面之间并使得人的重力将会激励压力传感器。如果在本文中提到多个传感器，则必须理解这些传感器不必是物理上独立的设备。也可以是使得能够测量不同位置处的压力的一个传感器，例如，具有矩阵电极的压电材料片。优选地，传感器被固定至放置在鞋子中的鞋垫中或鞋垫上。在图3中示出了这样的鞋垫的示例。鞋垫20的具体示例包括八个压力传感器21以及将传感器的输出信号发送至通信或处理单元的连接器22。
尽管优选的是将传感器固定至放置在鞋子中的鞋垫中或鞋垫上，但是也可以将传感器例如附接至或放置在鞋底中或者粘至脚底。甚至可以将传感器安装在地板上或地板中，或者安装在任何其他方便的表面或者脚与人在其上站立、步行或跑步的表面之间的接触面上。地板上的传感器的明显缺点是：仅可以在非常特定的场所例如训练中心确定人的速度，并且传感器的数量必须非常高或者面积非常大。适于测量脚在支承表面上的压力的传感器的示例是基于电特性例如电容（例如碳层压板）、电感、压电或压电电阻效应的传感器。然而，基于光学特性例如反射或衍射（例如，多普勒频移、布拉格光纤）或者色彩变化（例如，压光）的传感器也是合适的。
传感器的输出信号被发送至通信单元9，该通信单元适于提供用于进一步分析和处理的数据，以实时地或在以后确定人的速度。该数据包括针对每个传感器或针对传感器上的每个位置的压力以及测量该压力的时间。通信单元可以存储传感器数据或者通过有线或无线将数据发送至适于自动处理数据的处理单元。处理单元和通信单元可以合并到单个设备内。通信单元也可以适于接收信号，例如用于接通或切断传感器的信号。切断传感器可以有利于在不需要测量速度的时间期间节约电池的能量。处理单元可以例如通过使用带状物或臂带附接至人，或者可以位于远程位置处。在后者情况中，在通信单元与处理单元之间进行无线通信是优选的，以在传感器被附接至人例如附接在鞋垫中的情况下最小化对于人的阻碍。尽管优选的是自动地处理数据，以允许例如提供关于速度的实时信息，但是认识到也可以人工地执行传感器数据的处理。如果人工地对数据进行分析，则通信单元可以例如为适于存储传感器数据的存储器，该存储器可以在以后读出。
在其中将压力传感器附接至地板的实施方式中，如果处理单元位于固定的位置，则可以通过线例如玻璃或铜纤维进行通信单元与处理单元之间的通信。然而，如果人携带了处理单元，则无线通信是优选的。
在其中是人携带处理单元的方法将有利于向人实时地提供关于速度的信息，例如在视觉上，使用显示器或信号灯，或者在声学上，使用已记录的语音或信号声。
在其中使用处理单元来处理数据的优选实施方式中，处理单元被配置成基于压力传感器的输出信号来计算步法线和压力中心速度。如之前所提到的，也可以人工地进行计算或部分计算。用比在步行或跑步期间脚着地的频率显著高的采样频率来测量脚的不同位置处的压力。高的采样频率使得能够进行压力中心（COP）位置的半连续测量。在时间上的给定时刻处的COP位置是在该时刻所有地面反作用力的合成力的作用点。在步行或跑步期间COP位置沿着脚随时间变化，并且产生通常所说的步法线。通过对每个压力测量值用其量值和位置进行加权以便能够将所有的力归结至一个点来计算COP。更具体地，可以使用以下公式计算在x方向上的COP（x）：