CN101287524A - 用于获取、处理和传送人体能耗数据的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于获取、处理和传送与人体能耗相关的数据的方法的技术领域。一设备包括至少一个加速度传感器元件和至少一个温度传感器元件以及微控制器元件，该设备的第一启动阶段(1a)至少跟有用于检测与远程设备相连的有效连接的一个阶段(3)，接着校准阶段(5)，接着检测运动的阶段(6)，接着检测用户脚部运动的阶段(6b)，接着检测运动类型的阶段(9)和计算并存储速度、运动和能量的阶段(11)。

Description

用于获取、处理和传送人体能耗数据的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于获取、处理和传送与日常活动和/或运动锻炼过程中人体能耗相关的数据的方法及为此的设备。
背景技术
一开始应当注意的是，简单来讲，术语“新陈代谢”可被用来定义在每个有生命的有机体中进行的化学反应的总和，这些反应导致产生一定能量以热能或机械能形式向外到达所述有机体，向前述有机体提供进行包括身体活动在内的各种类型活动所必需的能量。但是，众所周知的是，通过消耗营养物质引入人体的能量不必与各种身体活动过程中消耗的能量数量一致，且在引入的能量超过消耗的能量的情况下，能量会在所述人体内积累，而这样造成的结果和窘迫尽人皆知。因此，显然，与人体能量消耗相关的信息是非常重要的，不管是在以数值形式产生的所述信息直接为有关人员利用的情况还是使用因特网将所述信息送给营养专家(在这种情况下，营养专家呈现为虚拟形象)的情况下。
迄今为止，已经在使与人体能耗相关的信息数值化和提供虚拟营养专家形象方面进行了很多的尝试。
从事实上能测量能耗的唯一设备由一套计量器构成和能传送感兴趣数据的唯一方法为以某些形式填写在网页的情况开始，之前由所谓“计步器”的发明给出了非常重要的一步。与加速度传感器结合的这种设备被设计成计算步数并成功地做到了这一点，且考虑到在人走动时他们的骨盆进行有节奏的升降运动，因此应用了钟摆的算法；和计步器安装在一起的加速度传感器用于“感受”所述运动并随后计算完成的步数；因此，这是一种间接估算方法。“计步器”的主要缺点在于难以从完成的步数回算出有效行进的距离，因为所述距离很大程度上取决于走路“风格”；由于完成某一过程的人可以例如跳跃、跑动或旋转地完成该过程，因此易于理解这种方法是多么地容易被误导。
从上面的解释可以明显看出“计步器”的缺点，也可被看作是难以根据步数回算出所消耗的能量。
实际上，加速度传感器(其可以在一个、二个或三个轴上)的实现是重要的，因为它允许实现基于加速度、速度的测量结果与运动之间的数学联系的惯性导航系统；因此很自然地在利用加速度传感器来检测人体运动方面进行了各种尝试。
不过应当注意，所述传感器的应用总还有一定的缺陷，其中最重要的缺陷是检测数据的低精确度。
为了理解这种缺陷，下面给出了一个从由Harvey Weinberg撰写的、在“模拟装置(Analogue Device 2002)”杂志上发表的文章“ADXL202在计步器和个人导航应用中的使用(Using the ADXL202 in Pedometer and Personal NavigationApplications)”中推论出的一个简单例子。
通过使用公式：
Figure A20068002344100051
(其中位置(0)指起始位置)
如果人们希望测量以5Km/h的速度运动5分钟的人员的运动。运动速度约等于1.39m/sec，运动距离约等于416m；通过使用所述公式，此人的平均加速度为：
其对应于平均加速度值约等于0.944mg。
因此容易看出，首先，该数值如此之低以致于它甚至存在不能被检测到的风险，除非使用特别敏感的加速度传感器，即那些被称为“低-g”的传感器。
其次，应注意到，由于所述加速度传感器的温度系数通常等于2mg/℃，那么温度仅变化1℃就会造成可用的信号甚至不到信号的一半。此外，应注意：在不是特别精确地知道加速度传感器的取向的情况下，得到的误差特别大，所述事实为迄今为止所实现的设备的另一个严重的缺陷。至于速度传感器的取向，应注意：所述传感器的输出类型通常为其电压正比于加速度、或其具有固定频率数字信号和正比于加速度的操作周期。
当加速度发生在所指示的方向上时，得到的结果为正数，而如果加速度发生在与指示方向相反的方向上，就得到负数。
当然，为了补偿检测精度的不足至少采取了两种途径：第一种方案是在短暂时间间隔之后将加速度传感器操作清零，连同依靠外部设备给出的信号精确了解所述传感器取向，其中外部设备例如为周期性提供新“位置(0)”值的GPS。
第二个方案是利用设计成计算正在作运动的人体骨盆竖向运动的加速器传感器。
还应注意到：迄今为止所提出的用于获取与人体能耗有关的数据的方法具有采用间接方法计算运动的现有方法的缺陷，因为所计算的实际上是某一时期内的步数。
发明内容
本发明的第一个目标为开发一种方法，其适于能够将与正常日常活动过程和运动锻炼过程中的能耗有关的信息精确地提供给有关人员和提供在因特网上。
另一个目标在于提供一种利用由位于解剖点附近的传感器给出的信号的方法，其中解剖点远离用户躯干部分。
特别地，用于获取、处理和传送(其中包括通过因特网进行传送)与日常活动和/或运动锻炼期间人体能耗有关的数据的方法，其利用了由至少一个在本发明中论及的加速度传感器给出的数据，该方法的特征在于依次由以下几个阶段组成：
一启动设备，该设备包括至少一个加速度传感器和至少一个温度传感器和微控制器；
-检查与远程设备的有效连接；
-所述设备的适当校准；
-检测至少一个加速度传感器元件的运动，校正所获取的采样，并存储该采样和温度；
-用户脚部运动检测；
-运动类型的检测；
-速度、运动和身体能量的计算和存储。
附图说明
这些和其它特征将能更好地显现在由仅仅以所公开附图中的非限制性实例的形式进行说明的下列本发明优选实施例给出的详细说明中，其中：
图1说明了该方法的阶段顺序的方框图；
图2以图表的形式说明了在加速度传感器置于鞋底内的情况下，作为时间t函数的重力加速度g的过程；
图3以图表的形式说明了由加速度传感器输出的、作为时间t函数的重力加速度g的过程，其中重要的是观察间隔+/-1.5g，在高于这个值时加速度传感器会达到饱和；
图4用g为t的函数的图表说明在人已经走过26米的情况下，从加速度传感器中获取的数据的趋势；
图5用g为t的函数的图表，结合单位时间上的加速度变化的密度说明了上图中的内容；
图6用v为t的函数的图表，说明了在检测到运动不为零的时间间隔中速度和运动的趋势；
图7说明了一种设备，该设备用于启动获取、处理和传送(其中包括通过因特网传送)与日常活动和/或运动锻炼过程中的人体能耗相关的数据的方法；
图8示出了插入鞋中的这种设备。
具体实施方式
参见图1，数字1指示数据检测的初始阶段，数字1a指示该方法真正开始的阶段，其对应于将鞋穿在用户脚上的时候。
紧接着阶段1的是阶段2，其对应于微控制器元件16的初始化，接着是显示远程访问设备是否被连接上的阶段3。
在所述连接有效的情况下，接着到阶段1b，其涉及计算参数下载方法或新程序的下载。该方法会从阶段1b返回到前面的阶段1。在没连接上远程访问设备的情况下，该方法将继续进行到阶段3和进行到检查校准元件是否有效的阶段4；如果结果是肯定的，那么接着到关于该校准过程的阶段5，然后该方法返回到所述阶段4，然而在结果是否定的情况下，该方法进入与用于检测加速度传感器元件运动的过程相关的下一阶段6，以对所获取的数据进行校正以及存储所述数据，且最后存储关于身体温度的数据。
前述阶段6可引发随后两个阶段：返回到阶段6的等待阶段6a以及出现对应于缺乏运动的状态7的阶段6b。当状态8出现时，即，存在运动的情况下，接着是关于检测所述运动类型的阶段9。关于这一点，本发明所讨论的方法考虑了4种不同的运动类型，且更精确地：类型9a为慢跑，类型9b为快跑，类型9c被定义为扰动(用这个术语表示不能被微控制器16正确指出的所有运动类型，诸如小步或踢球)，类型9d为跳动。
所有这四种所述运动类型可被划分成三种活动：登高完成的活动10a，下坡完成的活动10b以及在平地上完成的活动10c。
该方法从所述三种活动中任一种转到最后阶段11，其具有计算和存储用户完成动作的速度和运动以及计算和存储所消耗的能量两种功能。
在阶段11结束时，返回到阶段3。
由于如先前强调的那样，有必要使用具有低g数的加速度传感器元件，因此存在这样的风险，即在脚加速太快的情况下(例如在跑动时)所述传感器会达到饱和。另一方面，在低速运动时，由于人走动时脚趋向于转动这一事实，也存在所述的饱和风险。
如在下文中所解释和图2、3所说明的那样，所述饱和问题可以被克服。
首先假定在±1.5g时达到饱和的加速度传感器元件15被固定在鞋12的下部，使得在所述鞋子不发生任何转动的情况下水平向前运动、然后减速并停止时，该加速度传感器元件15产生由图2中的g为t函数的图表中的曲线所说明的过程。在如前所述那样放置和定向所述加速度传感器元件的情况和在鞋不带加速度地简单转动的情况下，发生如图3所示的过程，其中由黑点示出的位置表示了水平加速度开始增加的时刻，且从这刻开始，重力加速度开始使由加速度传感器15给出的信号变大，从而防止引起饱和现象。
重力加速度的影响还使由所述加速度传感器元件给出的信号失真，且这使得为了在人体运动测量中具有较好的精确度，必须对加速度传感器进行校准，且这发生在上述方法的阶段5中。所述校准阶段正好以阶段1a开始，在进行该阶段1a时，用户穿上鞋12且在穿鞋时将启动元件19压在地面上；在完成该第一操作后，用户走动一设定距离并在此过程后停下，这样，当微控制器元件16在某一固定时间段内都没有检测到任何类型的运动时它会退出校准阶段5。在结束所述校准阶段之前，微控制器元件更新并保存那些被指定用来计算能量的算法所使用的参数。
就重新校准操作而言，应注意到这对于实现精确测量来说是一个非常好的习惯；换句话说并且显而易见的是，得到的数据越好，插入鞋中的设备就得到更好的更新。
图4的内容构成了在人走动26米的情况下，由加速度传感器15获取的数据的过程，该过程以重力加速度图表示出，g为用秒表示的时间t的函数。所述微控制器转换器140每秒采样一次。
阶段6在穿着安装有加速度传感器元件15的鞋的脚放在地面上时分析所述传感器的运动，所述运动是指由脚与地面不完全对齐造成的运动。在所述运动显示不为零的情况下，在阶段6中对其进行存储且将其从随后的数据中减去；逐步分析所述运动，记住量级为几十分之一秒的缓慢变化意味着该运动是由温度变化引起的，而如果该变化比较快而且还不连续，那意味着所述运动是由地面倾斜(其可以是上升或下降的)造成的；所述检测是在已经在图1中得到描述和说明的阶段9-10c中进行的。应注意：在使用双轴加速度传感器的情况下，由温度引起的运动变化和由地面倾斜引起的运动变化之间的区别变得普通。
通过将方形过程叠加在图4所示的图形上，在图5中示出了对单位时间的加速度变化的密度进行分析的运动检测函数过程。
图6显示了对从图5中得到的、运动检测函数不为零的时间间隔内的加速度曲线进行分析的速度和运动过程。
本发明中讨论的方法的第一优点在于：开发了一种方法，其适于以精确的方式给出与正常日常活动和运动锻炼过程中的人体能耗相关的有用信息。
另一个优点在于给出了一种可以利用由位于解剖点附近的传感器给出的信号的方法，其中该解剖点远离用户躯干。
根据本发明，一种用于获取、处理与日常活动和/或运动锻炼期间人体能耗相关的数据的设备，其包括至少一体固定在其上的印刷电路支撑件、至少一个加速度传感器元件、电压发生元件、启动元件和至少一个温度传感器元件，其特征在于：所述设备放置在鞋内并装配有至少一个微控制器元件。
本发明的第一目标在于实现利用由传感器给出的信号的设备，该传感器位于鞋内以获得显然优于由放置在其它解剖区域的传感器给出的信号的信号。
另一个目标是实现一种允许进行直接运动计算方法的设备。
本发明的另一个目标在于能够将与正常日常活动过程和运动锻炼过程中的能耗有关的信息精确地直接提供给有关人员和提供在因特网上。
参见图7说明了一种用于获取、处理和传送与日常活动和/或运动锻炼期间人体能耗相关的数据的设备，数字12指示鞋和数字13指示放置在鞋底14内的印刷电路。加速度传感器元件15、微控制器元件16、电压发生器17和温度传感器元件18在印刷电路13表面上并固定在其上。
在所述印刷电路的表面上固定有启动元件19，其在该说明例子中为按钮元件。由印刷电路13和固定在其上的所有元件15-19构成的组件构成了设备20。
在用户穿上鞋12且使所述鞋压靠地面时，会形成对启动元件19的压迫，且随后设备20开始工作。由电压发生器元件17供电的加速度传感器元件15和温度传感器元件18产生的数据都由微控制器元件16进行转换和处理。
应注意：所指示的解剖位置改善了加速度传感器元件的信号/噪声关系，且由于脚运动的不连续性，可以消除热漂移和机械漂移。
此外，该设备还安装有接口元件，其用途可以在有用于数据传送的射频装置的情况下被认识到；为了简化，该接口元件已经和所述图7中的参考数字18集在一起了。
第一个优点是实现了一种利用由至少一个加速度传感器和至少一个温度传感器给出的信号的设备，其中这些传感器都整体地放置在脚部以获得显然优于由放置在其它解剖区域上的传感器给出的信号的信号。
另一个优点在于实现了允许进行直接运动计算方法的设备。
再另一个优点在于能够将与正常日常活动过程和运动锻炼过程中的能耗有关的信息精确地直接提供给有关人员和提供在因特网上。

Claims (10)

1、一种用于获取、处理与日常活动和/或运动锻炼期间人体能耗有关的数据的方法，该方法利用由至少一个加速度传感器提供的数据，其特征在于，所述方法至少包括以下连续阶段：
-启动(1a)设备(20)，该设备包括至少一个加速度传感器元件(15)和至少一个温度传感器元件(18)和微控制器元件(16)；
-检查(3)与远程设备的有效连接；
-所述设备的最终校准(5)；
-检测(6)至少一个加速度传感器(15)的运动，校正所获取的采样，并存储该采样和温度；
-用户脚部运动的检测(6b)；
-运动类型的检测(9)；
-身体运动、速度和能量的计算和存储(11)。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：该校准阶段(5)包括以下连续阶段：
-压下启动元件(19)；
-走动设定距离；
-走动结束。
3、如权利要求1和2所述的方法，其特征在于：在至少一个加速度传感器(15)停止检测任何运动时，该校准阶段(5)结束。
4、如权利要求1和3所述的方法，其特征在于：在退出该校准阶段(5)之前，微控制器元件(16)更新和保存算法运行所需的所有常数。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法利用由加速度传感器元件(15)中的一个或多个给出的包括和来自所述一个或多个温度传感器元件(18)的数据，所有的所述传感器都被放置在鞋内。
6、如前述权利要求所述的方法，其特征在于：由至少一个加速度传感器元件(15)和至少一个温度传感器(18)检测到的数据可通过因特网传送。
7、一种用于获取和处理与日常活动和/或运动锻炼期间人体能耗有关的数据的设备(20)，包括至少一个印刷电路(13)支撑件以及整体地固定在其上的至少一个加速度传感器元件(15)、电压发生元件(17)、启动元件(19)和至少一个温度传感器元件(18)，其特征在于：
所述设备放置在鞋(12)内且装配有至少一个微控制器元件(16)；所述微控制器元件适合于转换和处理由至少一个加速度传感器(15)给出的信号。
8、如权利要求7所述的设备，其特征在于：该设备定位在鞋底(14)内部，所述定位能够在运动过程中减少振动以及脚的转动影响。
9、如权利要求7所述的设备，其特征在于：该启动元件(19)可通过由穿有鞋(12)的脚施加在地面上的压力来启动。
10、如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述设备装配有接口元件。
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