CN103153185B

CN103153185B - 用于确定人的步行或跑步速度的方法和系统

Info

Publication number: CN103153185B
Application number: CN201180046341.7A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·斯泰瑟姆
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: WO2012026818A1; JP2013536040A; EP2608716A1; EP2422698A1; US20130211775A1; US9470705B2; EP2608716C0; EP2608716B1; CN103153185A; JP5955845B2

Abstract

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。

Description

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V_COP。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V_COP4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）：

COP (x) = \frac{\underset{i}{Σ} x_{i} . F_{i}}{\underset{i}{Σ} F_{i}}

其中F_i是在x方向上与基准点相距距离x_i处的压力。总和是建立在传感器的整体离散测量位置i上的。必须理解：步法线不必是连接空间中的点的线。词语“步法线”用于描述在脚与支承表面接触时间期间不同压力中心的空间分布。

当通过以二维表示的线来连接连续的COP位置时，获得如图1c所示的步法线3。COP速度被定义为压力中心移动的速度。可以容易地根据两个压力中心之间的距离和经过的时间来导出COP速度。为了确定人的速度，观察到：优选地基于起点和终点来计算COP速度，起点与脚最初着地的时间和地点的点有关，终点与脚抬离地面的时间和地点的点有关。实际上，在脚着地期间，COP可能会短时间向后移动（相对于身体的运动方向）。因此，可以将从最初着地起COP在脚的前进方向上移动的时刻和位置分别定义为起始时间和起始位置。可以以相似的方式确定终止时间和终止位置，即，例如由于脚从地板上抬起时是静止的或略向后移动的事实，COP不再在前进方向上移动的时间和位置。可以将COP速度定义为起点与终点之间的距离与在这些点之间经过的时间的商。

在一个实施方式中，COP速度的确定包括确定起始时间和终止时间的步骤。在该实施方式的第一步骤中，处理单元34确定根据时间（例如针对一系列的时间点）的COP位置。在第二步骤中，处理单元34确定从最初着地起COP开始在脚的前进方向上移动的起始时间。在第三步骤中，处理单元34确定在其后COP不再在前进方向上移动的终止时间。在第四步骤中，处理单元34根据在终止时间处的COP位置与在起始时间处的COP位置之间的距离与在起始时间与终止时间之间经过的时间的商来计算COP速度。代替计算该商，处理单元34可以计算COP位置与时间之间的拟合线性关系的系数，该拟合线性关系拟合了所计算的根据时间的COP位置。拟合技术本身是已知的。使用这样的起止时间和终止时间提高了COP速度与步行或跑步速度之间的相互关系的准确度。可以消除对跑步风格等的依赖性。在每种情况下，处理单元34然后根据所计算的COP速度使用相互关系来确定步行或跑步速度。

可以注意到：在很多情况下，在起始时间与终止时间之间的大部分时间间隔上，COP位置根据时间基本上线性地变化。因此，处理单元34可以根据该时间间隔中的任意第一时间和第二时间处的COP位置之间的距离与在该第一时间与该第二时间的间隔之间经过的时间的商来获得近似的COP速度。在一个实施方式中，处理单元34选择在前进方向上瞬时COP速度开始超过大于零的阈值的第一时间点。可以根据在连续采样时间点之间COP位置的变化来确定瞬时COP速度，或者根据在确定瞬时COP速度的时间点处、作为时间的函数的COP位置之间的线性关系的拟合来确定瞬时COP速度。可以对阈值进行选择，以将在最初接触之后COP速度显著小于平均COP速度（例如，小于平均COP速度的一半）的阶段排除在外。例如，可以使用固定的阈值，或者可以根据所观察到的平均峰值COP速度导出该阈值。使用这样的第一时间点提高了COP速度与步行或跑步速度之间的相互关系的准确度。这可以消除对跑步风格等的依赖性。

此外，处理单元34可以选择瞬时COP速度停止超过大于零的另外的阈值（其可以与用于获得第一时间点的阈值相同）的第二时间点。如可以注意到的，其中使用与前进运动的起点和终点相对应的起点和终点的方法与使用零阈值相对应。根据在第一时间点处的COP位置与第二时间点处的COP位置之间的距离与在第一时间点与第二时间点之间经过的时间的商，或者根据拟合关系的系数，处理单元34可以计算COP速度。

本发明尤其提供了以下观点：主要通过人是步行还是跑步来确定人的速度与压力中心速度之间的相互关系。本发明人已经意外地发现：质心速度与压力中心速度之间的关系对于跑步或步行存在很大程度上的一致性，但是该关系对于步行和跑步是不同的。换句话说，在跑步的人的速度与压力中心速度之间存在一般关系。在步行的人的速度与压力中心速度之间也存在一般关系，但是该关系不同于对于跑步的人的关系。由于所述一般关系，在知道人是步行还是跑步的情况下，对于步行或跑步速度与COP速度之间的相互关系，可以使用普遍适用的主曲线（mastercurve）。相互关系或者用于相互关系的主曲线表示质心速度与压力中心速度之间的关系，或者至少表示该关系的平均值。必须认识到：速度本身不能充分地辨别跑步与步行，因为一定速度范围内，例如在4至10km/h的范围内，人可能是跑步也可能是步行。

在本方法的有利实施方式中，主曲线包括针对步行的数据和针对跑步的数据两者。然而，如果预先确定人将仅进行跑步或者如果仅对跑步速度感兴趣，则可以省略用于步行的主曲线。为了确定跑步速度，仅需检测人是跑步还是步行。将仅对于人正在跑步或过去正在跑步的时间来计算速度。加以必要的变更，以上也适用于步行。

人的速度与压力中心速度之间的相互关系尤其有利于训练课程期间的人（即产生非常小的不准确度），但是也有利于不同的训练课程期间的同一个人。本发明人甚至观察到（参见图4）：能够以非常合理的准确度获得不同人的这种相互关系的主曲线。该观察承认：一旦已经建立了这样的主曲线，则这样的主曲线可以用在许多情况下，而无需针对每个具体的人、应用或情况来确定质心速度与压力中心速度之间的相互关系。该主曲线可以是人的速度与COP速度之间的线性关系、高阶多项式或者任何其他类型的关系，例如由对应的质心速度与压力中心速度的表格所限定的关系。

如果仅对跑步的人的速度感兴趣，则主曲线可以仅包括COP速度与跑步速度之间的相互关系。另一方面，如果仅对步行的人的速度感兴趣，则主曲线可以仅包括COP速度与步行速度之间的相互关系。然而，优选地，主曲线将包括针对步行和跑步两者的关系。在这种情况下，曲线通常可以具有两个部分，一个部分针对步行61，一个部分针对跑步62，如图1c所示。尽管在文中使用了词语“曲线”，但是应当理解：存储相互关系的方式不限于图形表示法。可以存储人的速度与COP速度之间的线性关系的系数以表示主曲线，也可以存储表示关系的高阶多项式的系数，或者例如可以存储对应的质心速度值与压力中心速度值的表格。优选地，将主曲线存储在数据存储介质中，该数据存储介质允许进一步的处理易于访问与COP速度和人的速度有关的数据。该存储介质优选地被包括在处理单元中。

步行与跑步之间的区别为：在步行期间总有一只脚在地面上，而在跑步期间存在其中两只脚均从地面抬离的一定时间间隔。因而，人本身或者陪伴的人例如教练员可以容易地观察到人是步行还是跑步。该信息可以用于选择合适的相互关系曲线，即，针对步行的人的曲线或针对跑步的人的曲线。然而，确定人是步行还是跑步的优选方式是自动的，如图2所示。在一个实施方式中，用于确定压力中心的压力传感器10位于两只脚下方。实际上，根据传感器的输出信号，可以确定脚是否从地面抬离。当总有至少一只脚在地面上时，检测到步行，而当检测到存在两只脚均从地面抬离的时间间隔时，检测到跑步。在两只脚下方使用压力传感器的另外的优点可以是增加的准确度。

在图2中示出的另一实施方式中，仅针对一只脚使用这样的压力传感器2，而针对另一只脚使用不同类型的传感器8以确定在某一时刻该脚是否与地面接触。不同类型的传感器可以是例如与用于第一只脚的传感器同步的非常简单的压力传感器。然而，也可以是与第一传感器相同类型的传感器，但是仅用于检测与地面的接触的模式。无论将什么样的附加传感器用于第二只脚，该方法的这样的实施方式允许自动地选择用于确定速度7的合适的相互关系曲线61、62。

可以通过以下方法来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例如主曲线：确定步行或跑步期间的压力中心速度；以及使用公知的运动分析系统、通过人所携带的GPS接收器而获得的测量值、或者已知的距离和行进该距离所耗费的时间来测量所述步行或跑步的速度，所述公知的运动分析系统例如为跑步机、或相机系统、速度计。最后的方法，即，使用已知时间和距离，对于无权使用先进的运动分析系统的个人可能是优选的。为此目的，适用于该方法的设备可以包括例如能够测量时间和存储距离的功能。因为发现相互关系是稳定的，所以可以令人满意地针对给定的产品仅确定一次这样的相互关系。然而，公认的是：逐个标定可以产生较高的准确度。

可以以不同的顺序执行某些步骤，只要根据相互关系推断人的速度是最后步骤即可，即，在所有其他步骤之后执行步骤7。明显的是：必须在确定COP步法线并根据该步法线计算COP速度的步骤以及确定人是步行还是跑步的步骤两者之前放置传感器。因而，可以首先获得人的速度与COP速度之间的相互关系6（主曲线）。作为第二步骤，可以在脚底与表面之间设置压力传感器10。在第二步骤之后，确定压力中心步法线，根据步法线计算压力中心速度4，并检测人是步行还是跑步5。在该方法的另一实施方式中，在以后，即在已经确定了COP速度之后，确定COP速度与步行或跑步速度之间的相互关系。当然，该实施方式不能够实时地提供关于人的速度的信息，它只能用于分析。

在已经推断出人的速度之后，可以计算人已经步行或跑步的距离。如果知道要步行或跑步的总距离，则当然也可以确定仍需进行的时间或距离。通常，人的速度不会始终保持不变，但是这可以通过在时间上对速度进行积分或者通过以充分高的频率对速度进行采样来加以考虑。同样地，可以预测人到达预定位置将耗费的时间。

上述许多步骤可以被实施在具有指令程序的软件产品中，所述指令程序使得可编程处理单元执行速度的推导，软件产品可以是有形产品，例如DVD，或者是无形的，例如经由互联网。

这样的软件产品可以尤其适于使可编程处理单元执行以下步骤：

-确定压力中心步法线3并根据步法线计算压力中心速度4，以及

-根据步行或跑步的人的速度与压力中心速度之间的相互关系6推断人的速度7。

软件产品可以适于获得如本文中其他地方所描述的步行或跑步的人的速度与压力中心速度之间的相互关系6（例如，主曲线）。该软件产品可以甚至或者另外地适于检测人是步行还是跑步，并且/或者适于计算距离和/或时间。

示例

使用运动分析系统来捕获沿着装有压电晶体测力板的跑道执行各种步态风格和速度的运动员的运动。针对根据数据所计算的对应质心位置（假设是盆骨的中心），绘制根据测力板数据所计算的压力中心位置。数据示出：在各种跑步速度下，对于一步期间的一定时间段，压力中心速度确实与质心速度互有关联。

实验使用基于压力鞋垫的系统连续地监测跑步机上的处于一定步行和跑步速度范围的八个人。该鞋垫包括如图3所示配置的八个传感器。该系统包括来自ZephyrTechnologies公司的电容性压力感测鞋垫、处理器和无线发射器电子单元、以及接收器和数据采集单元。这些人被要求在每个增加的跑步机速度下——从4.5km/h开始起以1.5km/h的增量增至9km/h——步行一分钟，直至速度使得他们自然而然地不得不开始跑步为止。在每分钟的步行之后，参与者被允许休息直至准备好再次步行为止。

从10km/h往上，速度按1km/h的增量增加，直至跑步机上的速度使得参与者开始难以跟上为止。记录参与者最初开始使用跑步步态时的速度。每个人以每个跑步机速度跑步30秒至60秒。将COP从起点开始朝向终点向前移动的时刻定义为起始时间。将COP从该时刻起直至COP到达终点的时刻的移动所耗费的时间用作总位移时间。在30秒至60秒的一次测试期间，每个参与者花费了许多步。在每种情况下，不考虑将前十步和后十步用于计算，这是因为以下因素的影响：对跑步机速度的熟悉、步态的选择、以及在这些时间段期间发生的加速和减速。剩余步被认为以相对稳定的状态执行。

针对每个参与者的跑步机速度，绘制根据鞋垫压力测量所计算的COP速度。

图4示出了跑步数据的曲线图，该图显示了COP与跑步机速度之间的明确相互关系，即使对于八个不同的人的组也如此。

在测试期间，人也可以以较慢的速度步行，仅当其觉得速度足以舒适地进行跑步时才开始跑步。图3示出了包括针对步行步态的跑步机速度的结果的图。在该图中，可以观察到两种独立的相互关系，一种针对步行步态，而另一种针对跑步步态。三个人被要求以其先前步行的速度进行跑步。图3示出了这种关系对于甚至在更通常地与步行相关联的非常低的速度下的跑步步态是如何保持的。

人在跑道上跑步的实验也示出了COP速度与跑步速度之间的系统关系。不局限于本发明，可以事后建立以下理论：可以解释COP速度与跑步速度之间的关系，因为COP位置的变化与人的质心（COM，通常位于躯干中）的位置相对于支承脚的变化有关。最初，当在步行或跑步期间脚最初接触地面时，脚在COM的前面。最后，当在步行或跑步期间脚从地面抬起时，脚在COM的后面。在全部该时间期间，COM向前移动。在这些时间点之间，存在COP也向前移动的时间间隔。在最初接触和抬起附近，可能存在依赖于跑步风格、步长、步调（步频）等的不同移动。这些移动可能不具有与COM移动的一致关系，但是至少在向前的COP移动的核心时间间隔中，在COP移动与COM移动之间存在一致关系，当然，COP速度低于COM速度，因为COP在保持在基本上固定的位置处的足部区域内移动，而COM相对于足部区域在脚上方的COM的高度所允许的距离范围内移动。

在任何环境下，无论是在跑步机上还是在道路上，针对步行和跑步发生COP运动期间的COM运动。以此方式，产生了人的速度与COP速度之间的相互关系。实验证实：至少平均来说，这产生了所计算的COP速度与质心速度之间的一致关系。针对步行的关系不同于针对跑步的关系，因为在部分步行时间期间，两只脚均在地面上，使得一只脚施加的力会影响到另一只脚的COP位置。

当然，单步期间的不寻常身体运动会具有以下影响：在该单步中的COP速度不产生人的速度的准确确定（一步被定义为一时间间隔，在该时间间隔期间，针对其来确定COP速度的脚位于地面上）。但是，对于大部分的步，将产生人的速度的准确确定。在一个实施方式中，可以通过对针对多步所确定的COP速度进行合成来降低单步的不准确度的影响，例如通过对多步的COP速度求平均值或取中值并使用该合成值通过使用相互关系来查找人的速度。或者，可以通过使用各步的COP速度来查找人的速度值并通过对人的这些速度值进行组合（例如通过求平均值或取中值），来合并针对所述多步所确定的COP速度。

确定人的速度的最后步骤是通过使用主曲线将所测压力中心速度与人的速度进行相关（即，例如将COP速度转变为人的速度）。优选地，这可以通过处理单元自动完成，但是也可以通过根据印刷的或显示的主曲线来获得速度从而人工地确定速度。

本方法的所有实施方式，不论在上面讨论与否，都可以实施在用于提供步行或跑步的人的速度的系统中。本发明人发现对其中用户——更具体地，跑步或步行的人——在其活动期间被通知其速度的系统尤其有兴趣。图5中示出了系统的示例性实施方式。系统30的实施方式包括：用于感测人的第一只脚是否与支承表面接触的传感器31；用于确定第二只脚的压力中心的压力传感器32，该压力传感器32适于放置在鞋子中。如之前在本方法的描述中所提到过的，这样的传感器具有特定优点，并且非常适合于确定步法线以及进而确定压力中心速度。在具体实施方式中，两个传感器31，32都是适合于确定步法线的压力传感器。系统还包括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。该存储器可以被预先编程有合适的数据，更具体地，由系统的提供者对该存储器预先进行编程，或者将如下面所描述的，可以由用户将数据存储在存储器中。

系统还包括用于从所测压力数据中计算压力中心速度的处理单元34。合适的人机接口35例如显示器将速度的信息呈现给用户。然而，用户接口也可以是或包括扬声器例如耳机41。声学表示法会是优选的，因为在跑步期间阅读比收听麻烦。对于声学表示法，系统可以包括用于将所计算的速度转换为人类语言的文本的电子语音单元。如果用户对速度的准确值不感兴趣，则视觉表示法可以是例如许多发光二极管（LED）的形式，发光LED的数量表示速度。以类似方式，声学表示法可以是频率随着速度增加的声脉冲的形式。

如之前所述，可以由系统的提供者将相互关系数据永久地或暂时地存储在存储器中，例如存储在数字记录设备上。甚至可以通过无线或经由互联网来提供相互关系数据。然而，系统也可以被配置成由用户进行编程。为此目的，系统将会包括例如键42或者录音装置，以允许用户将数据输入存储器或处理单元，或者另外地指示系统。用户可以例如输入已知距离，处理单元根据该已知距离来计算速度。通过对不同的跑步和步行速度重复该过程，用户可以制成其本身的针对质心速度与压力中心速度之间的关系的主曲线。

此外，处理单元和人机接口可以被配置成计算并呈现已经跑过或步行的距离，或者在例如已经输入总距离的情况下仍要进行的距离。

存储器、处理单元和人机接口可以合并在一个装置45中，该装置45可以通过带状物或臂带43而附接至人。该装置可以包括用于供电的电池或者例如太阳能电池。

总之，本发明的实施方式提供一种使用在人的第一只脚与支承表面之间的至少一个压力传感器以及进一步使用在步行或跑步速度与压力中心速度之间的相互关系6，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，

-根据压力中心速度4以及与压力中心速度之间的相互关系导出人的速度7。

压力中心步法线可以是一系列的所计算的压力中心位置，例如，在脚上或鞋底上的位置的加权平均值，其中权值与在这些位置处测得的各自压力成比例。在另外的实施方式中，该方法还包括：

-检测人是步行还是跑步5，

-根据压力中心速度4以及压力中心速度与已经检测到的人的步行或跑步之一的速度之间的相互关系来导出人的速度7。

在这些实施方式中的每一个实施方式中，可以计算压力中心速度4，例如在从第一时间点至第二时间点的时间间隔中压力中心的位移，其中第一时间点是在脚的前进方向上压力中心速度4开始超过第一阈值的时间点，第二时间点是在脚的前进方向上压力中心速度4停止超过第二阈值的时间点。该第一阈值和第二阈值可以为零，使得第一时间点和第二时间点可以是向前的COP运动的起始时间点和终止时间点。也可以根据例如拟合为根据时间的压力中心的函数的系数来计算压力中心速度4。可以提供包括用于可编程计算机的指令程序的计算机程序产品，当计算机执行该指令程序时，将致使计算机执行该方法的步骤。

可以使用所导出的速度经由例如人类用户接口（例如，显示器）来生成向用户表示速度的信号。在另外的实施方式中，仅提供与步行速度或跑步速度中的一种之间的相互关系（例如，仅对于跑步），并且仅在检测到步行和跑步之一的情况下，才使用相互关系导出速度（或者用于生成信号）。

在另一其他实施方式中，提供了步行速度与压力中心速度之间的第一相互关系以及步行速度与压力中心速度之间的第二相互关系，并且在已经检测到用户是步行的情况下使用第一相互关系以及在已经检测到用户是跑步的情况下使用第二相互关系来导出人的速度7。

可以例如通过分别检测是否存在其中人的两只脚均在地面上的时间间隔或者并非均在地面上的时间间隔来执行人是步行还是跑步的检测5。可以提供相互关系，例如所存储的表示主曲线的数据，该主曲线与人的步行或跑步的速度以及压力中心速度相关。在一个实施方式中，该方法包括通过使用预定的相互关系来获得该相互关系。在另一实施方式中，该方法包括具有以下步骤的标定阶段：通过在标定阶段期间确定人（例如，在后面将针对其使用相互关系以导出步行或跑步速度的人，或者不同的人）的压力中心速度4以及在标定阶段期间测量该人的速度来获得相互关系。

在实施方式中，可以使用相互关系将针对多步（脚在地面上的时间间隔，例如多于三步或更多步）所确定的压力中心速度的组合用于确定人的速度。以此方式，可以降低单步的干扰的影响。

此外，实施方式提供了用于确定步行或跑步的人的速度的系统30，该系统包括：

-用于测量压力以确定人的第一只脚的压力中心的压力传感器32，

-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，

-处理单元34，该处理单元34被配置成：根据压力传感器32的感测结果来计算压力中心速度，以及根据所计算的压力中心速度以及相互关系导出步行或跑步的人的速度。该处理系统可以被配置成执行所描述的该方法的实施方式中的任一实施方式或更多个实施方式。如本文所使用的，“配置成”意味着处理单元34具有将使其执行其所被配置的要执行的行为的程序，或者意味着其具有将使其这样做的电路，或者两者的混合。处理单元可以包括执行功能的一个或多个处理器。在另一实施方式中，处理单元可以被配置成根据针对多步所确定的压力中心速度的组合来计算速度。该系统可以包括在其上或在其中设置有压力传感器32的鞋子。

在另一实施方式中，系统可以包括人机接口，例如用于呈现所导出的速度35的显示器或音频输出装置。在另一实施方式中，系统可以包括用于感测人的第二只脚是否与支承表面接触的另外的传感器31。处理单元34可以被配置成依赖于另外的传感器31的输出来检测人是步行还是跑步，例如依赖于是否分别存在其中人的两只脚均在地面上或者并非均在地面上的时间间隔（由通过另外的传感器的输出以及由压力传感器32感测到的压力来表明）。

在另一实施方式中，仅提供与步行或跑步速度之一之间的相互关系（例如，仅针对跑步），并且仅在检测到步行和跑步之一的情况下使用相互关系导出速度（或者用于生成信号）。在另一其他实施方式中，提供步行速度与压力中心速度之间的第一相互关系以及步行速度与压力中心速度之间的第二相互关系，并且在已经检测到用户是步行的情况下使用第一相互关系以及在已经检测到用户是跑步的情况下使用第二相互关系来导出人的速度7。

Claims

1.一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，以确定所述第一只脚的压力中心，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)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，设置(1)至少一个压力传感器的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)，以用于检测所述第二只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。

3.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第二只脚的压力中心。

4.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。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，向所述人附接处理单元。

6.根据权利要求1至3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。

7.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：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)。

8.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。

9.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。

10.一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第一传感器(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)，所述压力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)，所述处理单元(34)被配置成通过比较所述压力传感器的信号与用于感测所述人的第一只脚是否与支承表面接触的第一传感器(31)的信号来确定人是步行还是跑步(5)，以检测两只脚是否同时抬离所述支承表面，并且取决于确定的所述人是步行还是跑步使用针对步行的人或针对跑步的人的相互关系来提供所述人的速度，

用于呈现所述步行或跑步的人的速度的人机接口(35)。

11.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。

12.根据权利要求10或11所述的系统，其中，所述人机接口适于接收用于对所述处理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。