CN102564448B - 具有鞋装传感器和发射机的计步器 - Google Patents

Abstract

一种计步器具有沿第一鞋的内缘安装并隔开固定距离的第一和第二信号发生器。传感器和发射机组件沿第二鞋的内缘安装。传感器和发射机组件包括传感器、微控制器单元以及无线发射机。每当鞋彼此接近时则由微控制器单元接收一对脉冲。微控制器单元基于这些脉冲产生各种步行者成绩数据。步行者成绩数据以无线方式发送给步行者携带的显示单元。

Description

具有鞋装传感器和发射机的计步器

发明背景

本发明涉及用来测量步行者的步数并计算步行距离的计步器。更具体地，本发明涉及具有获取步行者成绩数据并将计算的结果传给独立显示单元的鞋装系统的计步器。

计步器正越来越多地被专业和业余健康爱好者用作监视和评价锻炼例程的辅助工具。使用计步器，人们能够测量和记录多个数据参数，例如：步数、行走距离、速度和燃烧掉的卡路里，这只是例举出的一些。这些参数对确定特定健康计划的效果和效率是有益的。另外，计步器可通过向人们提供一种跟踪其日常身体活动程度并相应地建立越来越高的活动程度目标的方式而用作诱导性设备。在许多情形下，计步器的使用已促使人们大量提高其身体活动程度，这导致血压降低、体重下降和更好的全身健康性。

目前已知有若干不同类型的计步器。这些已知的计步器利用多种技术来确定步数和距离。一种经典类型的已知计步器是使用摆锤检测身体运动再将该运动转化成步数的机械设备。人们通常将该机械计步器沿基本垂直方向佩戴在皮带上。当人们行走时，其臀部将摆动运动引入计步器中，这进而造成受力的摆锤在计步器壳体内运动。摆锤的惯性是通过棘轮机构或机械止动件检测出的。这因此推动了机械计数器。尽管一定程度上是有用的，然而使用摆锤检测步数的计步器经常记录“假步”或例如弯腰和倾斜的错误运动。此外，摆锤作用的计步器对正常的垂直校准很敏感并经常需要对使用者的步态/步幅作机械调整以精确地记录步子并将步数转化成距离值。

其它类型的已知计步器使用机电系统来检测和记录步数。这类计步器曾经借助内置在鞋内的一个或多个机电开关来计步。当人们行走时，开关要么断开要么闭合而形成用来递增电子计数器的电信号。尽管这种计步器通常比摆锤式计步器更精确，然而例如当人们将重心从一只脚移至另一只脚时仍然经常记录假步。另外，将开关纳入到鞋中以使开关可靠地检测出每一步是一项更繁重的任务。此外，开关容易在原位置弄脏并在它们所处的恶劣环境中易于磨损。

更复杂的机电计步器使用被正确编程以检测步行者步子的一个或多个加速度计和微处理器。这些计步器通常具有1-、2-或3-轴加速度计以测量加速度并生成与身体移动对应的电子信号。微处理器中的软件则处理电子加速信号以确定步数、步频和步幅长度。尽管这种类型的计步器是有益的并在高频率计步时可能比基于摆锤和基于开关的计步器更为精确，然而在低速运动过程中可能产生假步和错误距离。另外，在使用中加速度计不正确的轴向校准可能会不利地影响这些计步器的精确性。

在Ebeling等人2000年11月14日授权的美国专利No.6,145,389(其内容援引包含于此)中记载的一种已知的加速度计式计步器中，加速度计附连于鞋并且微处理器使用由加速度计产生的信号以计算步幅长度。该计步器要求仔细地校准加速度计以使加速度测量的轴线与步行者步行的方向基本对准。相应地，如果在使用中发生加速度计的不正确轴向校准，则可能导致不完整和不精确的测量。

在Pyles等人在2001年1月16日授权的美国专利No.6,175,608(其全部内容援引包含于此)中记载的另一种已知加速度计式计步器中，将惯性装置安装于使用者的手腕、胸口或腿上以确定步数。这种计步器的惯性装置与摆锤式计步器同样检测总的身体运动。尽管这种计步器是有益的，但可能错误地将假步或例如弯腰与倾斜的无关运动记录为步子。此外，由于惯性装置基于加速度确定步数，因此可能无法精确地检测出低速步子。另外，在使用中惯性装置不正确的对准可能会不利地影响这些计步器的精确性。

提供克服前述缺陷的计步器的尝试至今未能成功。

发明内容

本发明包括克服前述缺陷的计步器，该计步器显著地减少了假步数读出并在低速下提供高的精确性，并且该计步器能相对简单地实现在已有的脚饰物上。

在最宽的方面，本发明包括计步器，该计步器具有：由第一鞋的第一部分承载的第一信号发生器；由第一鞋的第二部分承载的第二信号发生器，该第一和第二信号发生器隔开固定距离；以及耦合于第二鞋的传感器组件，该传感器组件包括：传感器，该传感器用于检测由第一和第二信号发生器产生的信号并生成对应的电信号；以及微控制器单元，该微控制器单元具有耦合于传感器以接收相应电信号并将相应电信号转化成步行者成绩数据的输入。当第一和第二鞋被使用者穿上时，第一和第二信号发生器以及传感器优选地在第一和第二鞋上以面对面关系对准，使传感器从第一和第二信号发生器检测信号的发生率增至最大。

优选地，第一和第二信号发生器被安装在第一鞋的内缘附近，而传感器安装在第二鞋的内缘附近。在第一和第二信号发生器之间的固定间距基本上优先沿第一鞋的纵向延伸。

第一和第二信号发生器以及传感器是分别使用多种技术实现的。在磁技术实现中，第一和第二信号发生器包括永磁体；而传感器包括例如霍尔效应传感器或MR传感器等装置，用以将永磁体产生的磁场转化成相应的电信号。在一种光学技术实现中，第一和第二信号发生器包括例如发光二极管的光辐射源；而传感器包括将由光辐射源产生的光辐射转化成相应电信号的装置。在一种射频技术实现中，第一和第二信号发生器包括用于产生已知频率的射频信号的RFID标签；而传感器包括用于将从RFID标签接收的射频信号转化成相应电信号的RFID读出器装置。RFID信号发生器标签可包括有源或无源RFID标签。

计步器可进一步包括发射机，该发射机耦合于微控制器单元，用于将步行者成绩数据发送至接收机/显示单元以提供实时用户反馈。

根据本发明内容制造的计步器能在制造时直接装入脚饰物中或作为较廉价的市售产品。这类计步器能提供准确的步行者成绩数据，例如步速、步数、走过距离、步调和用户可能感兴趣的许多其它成绩参数。

为更完全理解本发明的本质和优点，应当参考以下结合附图进行的详细描述。

附图简述

在附图中，相同附图标记在所有附图中通常指相同的部分。另外，附图不一定是按比例绘制的，相反侧重点在于示出本发明的原理。在下面的说明中，参考附图描述本发明的各个实施例，在附图中：

图1是双足行走循环的示意图；

图2是示出根据本发明的鞋装计步器的正视图；

图3是具有鞋装信号发生器、传感器和发射机以及关联的独立步行者参数显示单元的计步器的方框图；

图4是典型双足行走循环的放大示意图；

图5是示出传感器信号相对于时间的曲线图；以及

图6是示出步速相对于时间的曲线图。

具体实施方式

现在参照附图，图1是典型的双足行走循环100的示意图。如图所示，一般人类或双足直线前进的行走循环100包括右脚迂回路径101和左脚迂回路径102。当将右脚和左脚迂回路径101、102组合时，获得产生一般前进直线运动的双足行走循环100。为了开始行走循环100，在前的脚104承受人的大部分重量。然后抬起在后的脚106并沿大致向前方向移动，如方向箭头所示那样。随着在后的脚106向在前的脚104移动，在后的脚106的运动朝向在前的脚104向内侧弯曲以形成弧形路径。当最初在前的脚104和最初在后的脚106达到最小间距时，则限定了两脚104、106之间的最小空间距离108。在行走循环100的这个时间，最初在后的脚106一般不承受体重而最初在前的脚104承受人的全部体重。接着，最初在后的脚106从最初在前的脚104弯离并在最初在前的脚104的一般向前的位置110接触地面并获得最大空间距离112。由于最初在后的脚106与地面作出支撑性接触，人的重量被分布在最初在前和在后的两脚104、106之间。

如图1所示，以与之前描述的相同方式对最初在前的脚104重复行走循环100，但脚的作用相反。因此，用脚106承受绝大部分的人体重量，然后抬起脚104并基本沿向前方向移动，如方向箭头所示。随着脚104向脚106移动，脚104的路径朝向脚106向内弯曲以形成弧形路径。当脚104和脚106达到最小间距时，限定了两脚104、106之间的最小空间距离108。在行走循环100的这个时间，脚104一般不承受体重而脚106承受人的全部体重。接着，脚104从脚106弯离并在脚106的一般向前的位置接触地面并达到最大空间距离112。由于脚104与地面作出支撑性接触，人的重量被分布在两脚104、106之间。

左、右迂回路径101、102的准确形式通常是例如扭臀的人体构造、重心移动和双足运动所需的多种其它姿势校准的产物。最小空间距离108可小于0.5英寸，通常与身体构造和人行走的其它特征有关。最大空间距离112通常大约为人的肩宽，但可能根据人的步态和步幅而变化。

由于处于最小空间距离108时双脚的接近，因此可采用鞋装信号发生器和接近传感器以检测双脚在行走循环中何时越过对方。后面将参照图4进一步详细地阐述越过脚的检测。

现在参见图2，图2是示出一般用附图标记200指示的计步器的正视图，该计步器包括能在步行者步行运动期间获取实时步行者成绩数据的鞋装系统。如图2所示，计步器200被纳入右鞋204和相应的左鞋206。右鞋204和左鞋206两者通常构成适于穿上并用在例如步行、跑动和慢跑的移动运动中的一对相配的鞋。右鞋204在其上安装有第一信号发生器208和第二信号发生器210。第一信号发生器208位于右鞋204的相对前部212附近而第二信号发生器210位于右鞋204的相对后部214附近。第一和第二信号发生器208、210两者优选地沿右鞋204的内缘定位以使其最接近相应的左鞋206并靠近右鞋204的足弓区213。在示例性实施例中，第一和第二信号发生器208、210各自由永磁材料制成，该永磁材料产生足以到达左鞋206中传感器202所在区域的磁场。如本领域内技术人员所清楚知道的那样，可采用许多种不同的磁性材料，例如铁磁材料(例如钴和镍)和亚铁磁材料以及例如铝镍钴合金、镍铁铝磁合金的复合物，还有粉状氧化铁和钡/锶碳酸盐陶瓷的烧结复合物。信号发生器纵向间距216限定了第一和第二信号发生器208、210之间沿右鞋204的基本纵轴的固定距离。在一示例性实施例中，纵向间距216大约为5英寸；然而，根据鞋的相对尺寸和结构，预期可对纵向间距216采用其它固定尺寸。在一示例性实施例中，信号发生器208、210内置在构成右鞋204的一部分的鞋底内(未示出)。要理解，信号发生器208、210可通过模制或粘合而纳入右鞋204的其它部分中，或通过例如以商号Velcro销售的搭钩紧固材料的任何合适的附连技术机械地附连于右鞋204的适当部分。

左鞋206上安装有位于左鞋206固定位置的传感器和发射机组件202。在一示例性实施例中，传感器和发射机组件202包括能检测安装在右鞋204上的发生器208、210产生的磁场信号的至少一个接近传感器(例如霍尔效应传感器)、微控制器单元和发射机。这些单元将在下文中参照图3予以更详尽的说明。预期将传感器和发射机组件202内置于构成左鞋206一部分的鞋底(未示出)。在又一实施例中，传感器和发射机组件202可耦合于左鞋204的其它部分和区域。尽管已对照右鞋描述了信号发生器208、210并对照左鞋206描述了传感器和发射机组件202，然而本领域内技术人员很容易理解相反的右、左鞋形式也是可行的。

图3是图2的计步器的方框图，该计步器具有鞋装信号发生器208、210和鞋装传感器和发射机组件202以及关联的独立显示单元300。如图3所示，接近传感器302被定位在第一和第二信号发生器208、210的工作范围内以当右鞋和左鞋204、206之间以信号发生器208、210经过接近传感器302工作范围内的左鞋206区域的方式存在相对运动时，在传感器302中感应出磁脉冲信号。在所述磁场应用中，接近传感器302优选为可从AllegroMicrosystems公司购得的霍尔效应传感器，其零件编号为A1395SEHLT。替代地，接近传感器302可以是从HoneywellMicroelectronics购得的MR传感器，其零件编号为HMC1001。

接近传感器302可工作地耦合于微控制器单元(MCU)304，将接近传感器302接收的磁脉冲信号转化成电信号而耦合于用来实现多种信号处理功能的MCU304(这将在下文中结合图5和图6予以说明)。MCU304可工作地耦合于发射机306以将经处理的步行者成绩数据无线传输给显示单元300。成绩数据可包括：总步数、每分钟步数、瞬时步速、平均步速、步调、总行走距离、每步幅距离、燃烧的卡路里以及由MCU304产生的其它参量数据。MCU304和发射机306优选地整合在从加拿大阿尔伯达省的哥奇兰的ANT购得的SensRcore零件号nRF24L01的AT3型芯片集内。发射机306通过要么单向要么双向地传递成绩数据和步子信息而与显示单元300无线地通信。预期显示单元300作为第三方成绩监视设备或健康计算机，例如从GarminLtd购得的零件编号010-00555-20的Edge705单元。在一替代实施例中，发射机306可配置成将成绩数据传输至其它电子设备，例如蜂窝电话、MP3播放器或其它便携式显示设备。

在示例性实施例中，在发射机306和显示单元300之间使用的无线通信协议是从加拿大阿尔伯达省的哥奇兰的DynastreamInnovations公司购得的通常被称为“ANT”的无线传感器网络通信协议。ANT协议的一些特征包括低功耗、低成本开销以及多个收发机在其它相似收发机附近共存的能力。由于多种编程配置减少了待机状态的功耗，因此ANT协议具有大约47％的估算效率。然而，本领域内技术人员很容易理解，可采用例如蓝牙或ZigBee的其它种类无线通信协议(基于IEEE标准802.15.4)来促进发射机306和显示单元300之间的数据传输。

例如电池(未示出)等合适的DC电源用来向图3所示的系统部件302、304和306供电。替代地，当与包含在组件202中的线圈和DC整流器电路整合时，由磁体208、210产生的磁场可发挥能源的作用。这种结构在电池耗尽了有用能量时不必调换该电池。显示单元300设有独立的电源，例如电池。

现在参见图4和图5，其中图4是双足行走循环100的代表部分的放大示意图，而图5是示出传感器信号相对于时间的曲线图。当一只鞋越过另一只鞋时，本发明的计步器产生步数和步时。例如，在图4中，随着右鞋204遵循右脚迂回路径101移动，第一和第二信号发生器208、210依此与传感器和发射机组件202接近。在最小空间距离108并且当第一信号发生器208经过组件202内的接近传感器时，由传感器302(图3)产生第一脉冲信号500(图5)，其最大值发生在发生器208和传感器302之间最接近的点上。该第一脉冲信号耦合于传感器和发射机组件202中的MCU304(图3)。随着右鞋204向前移动与固定纵向间距216相等的额外距离，第二信号发生器210越过组件202中的接近传感器并产生由MCU304接收的第二脉冲信号502。这对第一和第二脉冲信号500、502由第一时间间隔“t”分隔，给定信号发生器208、210之间的已知间距的话，可由MCU304确定该第一时间间隔“t”。随着左鞋206前进至行走循环100的下一步，当包含在传感器和发射机组件202内的接近传感器302移动过第二信号发生器210时，在第二时间间隔产生第三脉冲信号504。一旦产生第三脉冲信号504，则可通过MCU304确定命名为步时“T”的参数值。

一旦如前所述地获得实时步行者数据“t”和“T”，就可计算例如步调、步速和总行走距离等其它成绩参数。计步器步调是通过将总步数除以步时总和来计算的。然后可通过应用标准时间转化而将步调值转化成不同单位，例如步子/分钟。对于总行走距离并参见图6，首先，平均步速V1是在第一时间间隔“t”确定的。通过使用第一和第二信号发生器208、210之间的固定间距以及第一时间间隔“t”来计算平均步速。在一示例性实施例中，第一和第二信号发生器208、210相隔的纵向距离为5英寸并将第一时间间隔“t”内的结果步速定义为V1＝5/t英寸/秒。其次，系数“K”用来成比例地将平均步速V1换算至平均步速V2。可通过基于实际使用者步幅长度作校正或通过基于使步幅长度关联于人身高的标准身体特征列出平均步幅长度表来确定系数K。一旦确定了“K”，则步速的公式被定义为V2＝KV1。再者，通过将V2乘以“T”来确定步长“d”，d＝V2T。总步数“N”是通过累加步时“T”的总数来确定的。最后，为了获得总行走距离“D”，可将步长“d”乘以总步数“N”，D＝Nd。所有前述算法可使用标准技术轻易地在MCU204中实现。

MCU304确定的结果成绩数据可存储在MCU304存储器中以供后续分析，并通过发射机306发送至显示单元300以向用户提供实时成绩数据反馈。

尽管如前所述工作在磁领域，然而信号发生器208、210和传感器302可使用其它技术来实现，例如光学和射频技术。例如，对使用光学技术的场合而言，信号发生器208、210可包括产生已知波长光束的发光二极管(LED)，而传感器302可包括在LED波长下检测光辐射的光学传感器。在这种场合下，必须提供例如电池的电能源以向LED信号发生器208、210供电。同样，对于使用射频技术的场合而言，信号发生器208、210可包括在已知频率下产生射频信号的RFID标签，而传感器302可包括能在已知频率下检测射频信号的RFID读出/盘查单元。RFID标签包括有源或无源RFID标签。如果采用有源RFID标签，则必须提供例如电池的电能源向RFID标签供电。如果采用无源RFID标签，则通过来自传感器302的射频盘查信号对其供电并且信号发生器208、210不需要独立的电能源。无源RFID标签的一种适当选择是从加利福尼亚圣何塞的Atmel公司购得的Atmel型ATA5577RFID标签。RFID读出器/盘查器的一种适当选择是同样从加利福尼亚圣何塞的Atmel公司购得的Atmel型ATA5577设备。

如清楚知道的那样，根据本发明的教义制造的计步器提供优于已知计步器的精确和方便的优点。首先，使用鞋装接近传感器和信号发生器为确定步数提供更高的精确性。该提高的精确性来源自每当双脚彼此越过时产生脉冲信号。另外，根据本发明的教义制造的计步器通过消除对机械运动和加速度计的轴向校准的依赖而减少记录“假步”的次数。此外，通过利用与独立显示器无线通信的鞋装传感器和发射机，能获得比具有整体式显示单元的计步器更大的用户便利性。最后，通过利用图2-5所示的接近传感器和信号发生器配置，可在非常低的行走速度下获得很高水平的计步精确性。

虽然已经参考特定实施例描述了本发明，但在不背离本发明的精神的情况下可使用各种修改、替代构造以及等效物。例如，尽管已披露了某些电路组件，然而也可根据需要采用其它等效单元。因此，上述内容不应当被解释为限制由所附权利要求限定的本发明。

Claims (13)

1.一种计步器，包括：

由第一鞋的第一部分承载的第一信号发生器,所述第一信号发生器用于产生第一信号，所述第一信号主要向所述第一鞋外辐射；

由所述第一鞋的第二部分承载的第二信号发生器，所述第二信号发生器用于产生第二信号，所述第二信号主要向所述第一鞋外辐射，所述第一和第二信号发生器隔开固定距离，所述固定距离大致沿所述第一鞋的纵向延伸；以及

耦合于第二鞋的单个传感器组件，所述单个传感器组件包括：传感器，所述传感器用于直接地感测主要向所述第一鞋外辐射的所述第一信号和所述第二信号，并用于产生相应的电信号；以及微控制器单元，所述微控制器单元具有耦合于所述传感器以接收所述相应的电信号的输入并使用所述相应的电信号和所述固定距离的值来产生步行者表现数据。

2.如权利要求1所述的计步器，其特征在于，当用户穿上所述第一和第二鞋时，所述第一和第二信号发生器与所述传感器以面对面关系在所述第一和第二鞋上对准。

3.如权利要求1所述的计步器，其特征在于，所述第一鞋具有内缘，并且其中所述第一和第二信号发生器安装在毗邻所述第一鞋的所述内缘处。

4.如权利要求3所述的计步器，其特征在于，所述第二鞋具有内缘，并且所述传感器安装在毗邻所述第二鞋的所述内缘处。

5.如权利要求1所述的计步器，其特征在于，所述第一和第二信号发生器包括永磁体；并且其中所述传感器包括用于将所述永磁体产生的向外辐射的磁场转化成相应电信号的装置。

6.如权利要求5所述的计步器，其特征在于，所述传感器包括霍尔效应传感器装置。

7.如权利要求5所述的计步器，其特征在于，所述传感器包括MR传感器装置。

8.如权利要求1所述的计步器，其特征在于，所述第一和第二信号发生器包括光辐射源；并且其中所述传感器包括用于将所述光辐射源产生的向外辐射的光辐射转化成相应电信号的装置。

9.如权利要求8所述的计步器，其特征在于，所述光辐射源是发光二极管。

10.如权利要求1所述的计步器，其特征在于，所述第一和第二信号发生器包括用于产生向外辐射的已知频率的射频信号的RFID标签；并且其中所述传感器包括用于将从所述RFID标签接收的射频信号转化成相应电信号的RFID读出器装置。

11.如权利要求10所述的计步器，其特征在于，所述RFID标签是有源RFID装置。

12.如权利要求10所述的计步器，其特征在于，所述RFID标签是无源RFID装置。

13.如权利要求1所述的计步器，其特征在于，进一步包括发射机，所述发射机耦合于所述微控制器单元，用于将所述步行者表现数据传送至显示器单元以提供实时用户反馈。