CN108140295A - 运动检测设备以及对应的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种被配置用于检测身体到地面接近度的可穿戴运动检测设备(12)，并且涉及一种相关的方法。所述运动检测设备(12)包括电容检测单元(70)，所述容检测单元被布置为检测身体到地面电容，所述电容检测单元(70)包括：第一电极(30)，其被布置为当设备(12)被穿戴时接触被监测对象的身体部分(16)；第二电极(32)，其被布置为与所述第一电极(30)分离但能操作地连接；屏蔽电极(34)，其被布置为将所述第二电极(32)与所述第一电极(30)屏蔽开；所述设备(12)还包括控制单元(74)，所述控制单元被布置为在考虑由所述电容检测单元(70)提供的身体到地面电容信号的情况下确定是否发生跌倒事件。本公开还涉及用于实施运动检测方法的对应的计算机程序。

Description

运动检测设备以及对应的方法
技术领域
本公开涉及一种可穿戴运动检测设备，尤其涉及一种跌倒检测设备并且涉及相关的跌倒检测方法。更具体地，本公开涉及身体可穿戴监测运动检测设备的改进以及结合接近度感测的方法。本公开还涉及用于操作运动检测设备的对应的计算机程序。
背景技术
WO 2015/028283 A1公开了一种跌倒检测系统和跌倒检测方法，其中，所述系统包括被配置为由用户穿戴或携带的可穿戴或便携式用户设备，所述用户设备包括用于测量所述用户设备到地面或地板的接近度的接近度传感器；以及用于测量用户的移动的移动传感器；所述跌倒检测系统还包括处理单元，所述处理单元被配置为处理来自所述移动传感器的测量结果以检测潜在的跌倒；如果检测到潜在的跌倒，则激活所述接近度传感器；并处理来自所述接近度传感器的测量结果以确定用户是否已经跌倒。
根据WO 2015/028283 A1的示例性实施例，所述接近度传感器被布置用于测量电容或电感的变化以估计与物体的接近度。电容或电感式接近度传感器的电场或磁场的变化分别能够指示物体是否接近传感器。
跌倒事件每年影响大量人群，并且导致重大伤害，特别是在老年人之中。事实上，据估计，跌倒是老年人死亡的主要原因之一。跌倒可能被定义为突然的、不受控制的并且无意的身体向地面的下移，然后是撞击，之后身体一般停留在地面上。在跌倒者仍然完全清醒的情况下，则他或她可能会推动紧急开关以寻求帮助。然而，很多时候，患者有些迷失方向，或者甚至伤害了其头部和/或手臂，因而不会发起有意的警报呼叫。
因此，已经提出了自动跌倒检测系统。常规的自动运动检测设备是广泛已知的并且在患者护理环境中使用，更具体是在老年护理和老年保健护理的情境下使用。如在本文中所使用的，运动检测设备包括但不限于跌倒检测设备。跌倒检测设备也可以用于儿童护理、动物护理等领域。跌倒检测设备可以用于睡眠监测，但是也可以用于活动监测。
就跌倒检测而言，存在若干种基本技术原理。目前，跌倒检测系统能够被分为三大类：身体穿戴式、基于环境的以及后两者的组合。
例如，已知跌倒检测设备仅在被监测的对象撞击地面或地板时检测到撞击。例如，这些设备可以实施常规的接触开关。此外，基于加速度的设备已知在满足定义的(例如，跌倒加速度或速度)运动阈值时基本上感测到跌倒事件。也可以设想到其组合。
根据一种类型，跌倒检测设备被布置为身体可穿戴设备。然而，也已知可以利用光学感测的静止(远程)跌倒检测设备。此外，也可以设想身体可穿戴单元与静止单元的组合，其当然可能导致相当大的制造和操作努力。此外，标准的跌倒检测设备在区别被监测对象的真实跌倒事件与有意的移动(例如，肢体的快速移动)时往往表现不佳。此外，在检测设备与被监测对象的附着部分(例如，腕部)之间的相对运动也可能对性能、准确性和可靠性产生不利影响。当跌倒检测设备滑出适当位置时，可能会检测到伪移动，这可能会触发错误警报。
身体穿戴式跌倒检测系统通常利用机载惯性传感器，诸如三轴加速度计、陀螺仪等。根据这些信号导出的特征的组合被用于检测在任意给定时刻是否发生跌倒。任选地，能够采用诸如压力传感器的其他传感器来检测高度变化。
对跌倒检测的基于环境的方法通常采用多个传感器，所述多个传感器被放置在相关覆盖区域，诸如对象的房屋或临床环境(诸如医院)。这些传感器包括但不限于摄像机和被动红外(PIR)传感器。
此外，简单的基于束缚的设备是已知的，其被布置为脱离式检测设备并且可以检测到从定义位置或范围的不希望的移除，这触发警报。然而，这些设备常常会经历相当的不舒服、容易出错并且也有些运动受限的情况。此外，基于脱离的跌倒检测设备基本上不能够区分(水平)移动离开事件与(垂直)跌倒事件。
已经观测到，对于基本上接近被监测对象的躯干/躯体和/或头部而穿戴的传感器，可以获得足够高的准确度。这样的位置的优点在于，其是对称的(由于脑功能偏侧性，即右利手/左利手，而没有偏差)，并且主要由较大和较慢的移动(诸如步行和姿态变化)来支配。具体地，基于高度变化和撞击的特征的组合能够表现出更好的区别性能。
当在腕戴式设备中实施这样的跌倒检测系统时可能会出现挑战。对象的腕部/手臂易于更快速的移动，并且在日常生活期间倾向于比对象的躯干经受更大量的推动和撞击(例如，达到扭曲的门把手)。此外，与位于躯干或头部上的传感器不同，由于腕部相对于身体的多个自由度和位置，从单独采用惯性传感器的腕戴式设备常常不能够可靠地检测到人员在潜在跌倒之后的姿态。
因此，跌倒检测的另一种方法是协同惯性(加速度)传感器信号特征来使用关于设备与表面的接近度的信息。在人已经跌倒并且从加速度计信号中检测到撞击之后，或者当人(仍然)在下跌时，能够测量到表面的接近度或接近度的变化，其中，该表面被假定为地面或地板。
仍然需要一种经改进的或备选的运动和跌倒检测设备、算法以及相关的方法，其进一步增强检测可靠性并且其能适用于腕戴式监测系统。
发明内容
鉴于以上内容，本公开的目的是寻求一种可以在各自方法和设备中实施的运动检测和跌倒检测以及相应监测的经改进的或备选的方法。更具体地，本发明的目的是提供一种运动检测设备以及对应的方法，其能够实现增加的跌倒检测可靠性，并且在区分真实跌倒事件与非跌倒相关移动方面表现出经改善的性能。此外，提供增强的运动检测系统和方法将是有利的，其能够根据所检测到的运动相关的信号得出进一步的结论。
在本发明的第一方面中，提出了一种被配置用于检测身体到地面接近度的可穿戴运动检测设备，所述设备包括：
-电容检测单元，其被布置为检测身体到地面电容，所述电容检测单元包括：
-第一电极，其被布置为当所述设备被穿戴时接触被监测对象的身体部分，
-第二电极，其被布置为与所述第一电极分离但能操作地连接，
-屏蔽电极，其被布置为将所述第二电极与所述第一电极屏蔽开，
-控制单元，其被布置为在考虑由所述电容检测单元提供的身体到地面电容信号的情况下检测所述用户的位置变化。
该方面基于以下认识：通过实施被布置为不仅检测碰撞而且也通过检测身体到地面接近度来检测迫近的或即将发生的撞击的电容检测单元，可以增加运动检测准确度(特别是跌倒检测准确度)，并且更一般地，跌倒检测得到强化。因此，控制单元可以被布置为确定是否发生了跌倒事件。
将在本文中特别参考跌倒检测相关的实施例来解释和讨论本公开的各方面和各实施例，然而，这些实施例不应当被解读为限制本公开的范围。因此，根据本公开的运动检测设备也可以被布置为执行额外的功能，诸如穿戴依从性检测或者甚至用户交互。由于电容检测不仅允许(二进制)开关功能(即，接触状态与非接触状态)而且也允许对中间状态(即，接近度状态)的检测，因此，可以在这方面利用所述电容检测单元。因此，所述运动检测设备也可以被称为增强型跌倒检测设备。
例如，所述设备可以检测穿戴依从性，即，用户是否正在穿戴所述设备。在特定的改进中，穿戴依从性可以涉及确定所述设备是否实际上被恰当地穿戴(例如，紧紧缠绕腕部或手臂)。对此，所述电容检测单元可以提供电容指示信号，所述电容指示信号允许评估第一电极是否恰当地接触皮肤。
在另一示例中，可以检测和分析/评估涉及但不限于触摸、敲击、敲打或者甚至摇动的故意的用户移动以用于检测故意的用户输入。以这种方式，例如可以提供虚拟按钮。因此，例如，可以检测可能指示紧急呼叫或护士呼叫的故意的用户动作/用户输入。因此，将该设备附接到用户的上肢(特别是前臂或腕部部分)可能是有益的。
如在本文中所使用的，所述第一电极可以被称为参考电极或参考身体接触电极。如在本文中所使用的，所述第二电极可以被称为传感器电极或者地面接近或地面接触(地板接近或地板接触)电极。在更一般的情境中，所述第一电极可以被称为第一端子，并且所述第二电极可以被称为第二端子。
所述屏蔽电极基本上被布置为将所述第二电极与可能存在于由所述第一电极形成的第一端子与由所述第二电极形成的第二端子之间的另外的(干扰)电容相隔离。在所述第一电极与所述第二电极之间的不期望的电容可以被称为干扰电容或寄生电容。
因此，所述运动检测设备可以使用所述第一电极作为用于电容测量的参考。在所述第一电极与所述第二电极之间，定义第一电容。应当注意，当设备被恰当地穿戴时，所述第一电极被链接到对象的身体。在所述第一电极与地面之间，定义第二电容。在所述第二电极与地面之间，定义第三电容。因此，可以定义电容模型电路，其包括当设备接近地板时对电容的预期行为的估计。典型地，这将引起由所述设备测量的电容信号的特定特性模式或步幅。由于所述屏蔽电极，在所述第二电容与所述第三电容之间的干扰能够减小。
如在本文中所使用的，由所述设备所检测到的位置变化涉及但不限于包括以下项的组中的至少一项：姿态变化、跌倒事件、摔跤事件、翻滚、辗转、前臂移动以及其他特性移动。因此，在所述设备的一个实施例中，所述控制单元将由所述电容检测单元所测量到的电容的变化与阈值进行比较，以检测以下中的至少一项：身体到地面接触、身体到地面接近度以及身体到地面接近。
在一个示例性实施例中，所述设备被布置为手臂可穿戴或腕部可穿戴设备，其包括具有支撑层的带形或环形条带，其中，所述第一电极以面向内的方式来布置，其中，所述第二电极以面向外的方式来布置，并且其中，所述屏蔽电极被布置在所述第一电极与所述第二电极之间。
在另外的示例性实施例中，所述第一电极和所述第二电极被布置为使得所述第二电极包围所述第一电极。例如，所述第一电极和所述第二电极可以以圆周方式来布置。优选地，所述屏蔽电极也以圆周方式被布置在所述第一电极与所述第二电极之间，其中，所述第一电极、所述屏蔽电极和所述第二电极以分层方式来布置，但是彼此(径向)偏移。
在以上实施例的示例性改进中，所述设备还包括被附接到条带的控制外壳，其中，所述控制单元被布置在所述控制外壳中，并且其中，所述控制单元被能操作地耦合到所述第一电极、所述第二电极和所述屏蔽电极。因此，所述设备可以以腕表状方式来布置。
在另外的示例性实施例中，电容检测单元的测量电极由单个第一电极、单个第二电极和单个屏蔽电极组成。换言之，所述设备不包括比第一电极、第二电极和屏蔽电极更多的电极。由于圆形布置，所以基本上不影响所述设备上的圆周或角度方向上的电容测量(除了控制外壳的位置，如果有的话)。所述电极形成同心分层布置，并且优选形成包括三个层的基本上完整的圆。
在又一示例性实施例中，所述第一电极被布置为在所述设备被附接的测量位置处紧贴对象的皮肤。因此，可以实现在对象(用户)的身体(优选在其腕部处)与所述第一电极之间的紧密配合接触，这可以提供相对稳定和稳固的测量条件。
在又一示例性实施例中，所述设备还包括用于以与所述第二电极相同的电位来操作屏蔽电极的电压跟随器单元。因此，在所述第二电极(即，其他传感器板)与屏蔽电极之间的电位差实际上为零。优选地，所述屏蔽电极被放置为紧密接近所述第二电极，这进一步降低了由屏蔽电极下方的物体所引起的电容效应。
在另一示例性实施例中，所述设备还包括加速度计单元，所述加速度计单元被布置为检测感兴趣对象的身体加速度，其中，所述控制单元被布置为基于由所述加速度计单元提供的加速度计信号以及由所述电容检测单元提供的电容信号来检测跌倒事件。因此，可以利用若干不同但有些相关的信号来检测跌倒。所述加速度计单元可以如此检测移动，例如，检测对象的移动的垂直分量。此外，所述加速计可以检测地板上的撞击，其通常由突然的减速或震动来指示。因此，可以在可以与接近度信号相组合的加速度计信号中检测特定的跌倒指示信号模式。
在一个示例性实施例中，在所述第一电极、所述第二电极和所述屏蔽电极之间提供非导电层。优选地，所述非导电层包括电介质材料。
在另外的示例性实施例中，所述屏蔽电极包括比第二电极的区域延伸大至少两倍、优选大四倍的区域延伸，其中，所述屏蔽电极被至少分段地布置为条带，所述条带包括延伸超出所述第二层的轴向延伸的轴向延伸。这改善了屏蔽性能。
在另一示例性实施例中，所述设备还包括计时器模块，所述计时器模块被布置为控制一端由所述第二电极形成的电容器的放电/充电动作，其中，放电/充电频率指示当所述设备被穿戴时的身体到地面接近度，特别是指示地面接触。因此，可以获得能够在控制单元中被进一步处理和计算的中间接近度指示信号。可以简化数字数据处理。此外，接近度指示信号不一定必须表示精确的绝对接近度值(例如，10cm、5cm等)。而是，所述接近度指示信号可以表示定性或相对接近度值。
在以上实施例的示例性改进中，所述计时器模块还被布置为应用定义的触发水平并且应用定义的阈值水平，基于所述触发水平和所述阈值水平来控制所述放电/充电动作。例如，可以利用触发水平来发起充电(或再充电)循环。此外，当达到相应的电容值时，可以利用阈值水平来发起放电操作。换言之，所述触发水平可以表示最小电荷状态，而所述阈值水平可以表示电容器在其之间操作的最大电荷状态。在一些实施例中，所述计时器模块包括被耦合到第二电极的触发器触点和阈值触点两者。
在又一示例性实施例中，所述第二电极被布置为被耦合到移动辅具，所述移动辅具选自包括以下中的至少一项的组：助行器、行走架和轮椅。所述移动辅具可以“扩大”所述第二电极，并且因此，可以扩大在所述第二电极与地面或地板之间所形成的电容。
不用说，根据本公开的至少一个方面的运动检测设备可以形成运动检测或跌倒检测系统的一部分，所述系统实施另外的感测和检测单元以用于实施整合的监测方法。
在本发明的另外的方面中，提出了一种利用身体到地面接近度检测的运动检测方法，所述方法包括以下步骤：
-将电容检测单元应用于感兴趣对象的身体部分，所述电容检测单元被布置为检测身体到地面电容并且包括：
-第一电极，其被布置为接触被监测对象的身体部分，
其中，应用电容检测单元包括布置所述第一电极以建立与所述身体部分的接触，
-第二电极，其被布置为与所述第一电极分离但能操作地连接，
-屏蔽电极，其被布置为将所述第二电极与所述第一电极屏蔽开，
-基于所述第二电极与地面之间的电容测量结果，使所述电容检测单元输出身体到地面接近度电容信号，并且
-在考虑所述身体到地面电容信号的情况下检测用户的位置变化。
检测用户的位置变化可以涉及确定是否发生了跌倒事件。
优选地，根据本公开的运动检测设备可以根据以上方法来操作。
在本发明的又一方面中，提供了一种包括程序代码模块的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上被执行时，所述程序代码模块用于使所述计算机执行在本文中所论述的方法的步骤。
程序代码(或：逻辑)能够被编码在一个或多个非瞬态有形介质中，以供诸如计算机的计算机器执行。在一些示例性实施例中，可以通过网络将所述程序代码通过计算机可读信号介质从另一设备或数据处理系统下载到永久存储器单元或存储设备以供在系统内使用。例如，被存储在服务器数据处理系统中的计算机可读存储器单元或存储介质中的程序代码可以通过网络从服务器下载到所述系统。提供程序代码的所述数据处理设备可以是服务器计算机、客户端计算机或者能够存储和传输程序代码的一些其他设备。
如在本文中所使用的，术语“计算机”可以代表大量处理设备。换言之，具有相当大的计算能力的移动设备也能够被称为计算设备，即使其提供比标准“计算机”更少的处理能力资源。不用说，这样的“计算机”能够是医学设备和/或系统的一部分。此外，术语“计算机”也可以指代可能涉及或利用在云环境中提供的计算能力的分布式计算设备。术语“计算机”也可以涉及通常能够处理数据的医学技术设备、健身器械设备和监测设备。
在从属权利要求中限定了本公开的优选实施例。应当理解，所要求保护的方法和所要求保护的计算机程序可以具有与所要求保护的设备并且如从属设备权利要求中所定义的相似的优选实施例。
附图说明
参考下文所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。在以下附图中：
图1示出了根据本公开的腕戴式运动检测系统的示例性实施例的对象的简化示意图表示，所述对象处于直立或行走取向；
图2示出了根据本公开的腕戴式运动检测系统的对象，其中，所述对象躺在地面或地板上；
图3示出了根据本公开的示例性实施例的可穿戴运动检测设备的简化横截面图；
图4图示了用于电容性接近度感测的示范性模型电路；
图5图示了用于电容接近度感测的扩展示范性模型电路；
图6图示了根据本公开的用于电容性接近度感测的简化示范性模型电路；
图7示出了根据本公开的接近度感测运动检测设备的示例性实施例的示意性框图；
图8示出了根据本公开的用于在接近度感测运动检测设备中使用的控制电路的示例性实施例；
图9示出了根据本公开的用于在接近度感测运动检测设备中使用的控制电路的扩展的示例性实施例；
图10示出了根据本公开的表示接近度感测运动检测方法的示例性实施例的若干步骤的例示性框图；并且
图11示出了例示指示跌倒事件的接近度感测运动检测设备的时间曲线上的示例性电容的图表。
具体实施方式
在下文中，将参考跌倒检测方法和设备的示例性实施例来例示说明并进一步阐明本发明的主要方面和见解。更一般地，本公开涉及运动检测方法，将在本文中特别参考非限制性跌倒检测实施例来更详细地解释运动检测方法。如上文所指示的，可以提供根据本公开的至少一些实施例而布置的运动检测系统、设备和方法。
应当注意，以下示例性实施例和描述不应当被解释为限制性的。相反，本领域技术人员可以容易转移和拓宽相应的具体实施例和部件以及本文公开的处理步骤以达到本公开的一般性概念。
如上文在背景技术部分中所描述的，已经发现，现有的跌倒检测方法常常不提供足够高且可靠的检测率，同时限制由于不会导致对象跌倒的正常日常活动(诸如走路、坐着等)中可能发生的腕部移动和明显撞击而导致的误警报的数量。这些现有的跌倒检测方法根据移动传感器测量结果来导出包括取向改变、高度改变、垂直速度和/或撞击幅度的特征，以确定跌倒检测系统的用户是否经受跌倒。
根据本公开的至少一些实施例，通过为所述设备提供特定的接近度感测能力，可以改善腕戴式跌倒检测设备的可靠性。因此，所述设备能够感测所述跌倒检测设备到地面或地板的接近度。接近度感测可以大大改善设备的准确度和检测可靠性。接近度感测可以增强跌倒检测设备和方法的应用领域。
根据本公开的主要实施例，通过电容测量来执行接近度感测。通常，电磁场的变化能够指示物体是否接近传感器。接近度相关的测量可以提供跌倒检测方法和算法可能从中获益的另外的特征基础。例如，其中接近度信号指示接近并且加速度信号指示快速(向下)移动的状态清楚地指示跌倒事件或即将发生的跌倒。
图1和图2图示了腕戴式运动检测或跌倒检测系统的使用，其利用接近度传感器来确定用户是否已经跌倒。图1和图2示出了待监测对象10(例如，老年人或患者)的示意图。对象10正在携带或穿戴包括基于电容的接近度传感器的运动检测或跌倒检测设备12。值得提及的是，设备12不一定必须被布置为以高精确度的方式来检测设备12与地板18之间的实际(绝对)距离(在图1和图2中由d表示)。
在图1和图2的示例性实施例中，设备12附接到对象的身体14。可以使用身体14的特定部分。例如，设备12可以被附接到身体肢体16，诸如手臂或腕部。当对象10如图1中正常地站立或行走时，由设备12中的接近度传感器测量到的距离将较大，这表明对象10未躺在地面或地板18上。该指示器降低了跌倒检测算法检测到跌倒已经发生的可能性。使用常规的跌倒检测算法，如果对象10不小心用腕部碰撞到一些家具，产生可测量的撞击，并且存在一些方向和高度变化(当然可能在对象的腕部的正常运动中发生的)，则可能会检测到跌倒。然而，根据本公开使用的接近度传感器的测量随后可以指示腕部不与地板或地面紧密接近，这将降低这种(伪跌倒)事件被归类为跌倒的可能性。
然而，如在图2中所示的，如果对象10已经跌倒并躺在地面或地板18上，则由跌倒检测设备12中的接近度传感器测量到的距离将较小，并且对该特征的检测能够增加由跌倒检测算法检测到实际跌倒的可能性。
如在图1中所图示的，对象10可以使用移动辅具20，诸如手杖、拐杖、步行器、轮椅等。与跌倒检测设备12相邻的移动辅具20的存在可能会对电容测量具有影响。这可能被认为是干扰的“杂散电容”。然而，如将在下文进一步讨论的，可以利用移动辅具20的存在以及对与其相关联的测量到的电容的影响来改善测量准确度和跌倒检测可靠性。
如上文所指示的，基于电容的接近度检测可以有助于可靠地检测跌倒事件。在这种情况下，参考图3，图示了腕部可穿戴运动检测或跌倒检测设备12的实施例。不用说，可以存在以下实施例：其中，设备12被布置为腰部可穿戴运动检测或跌倒检测设备。可以设想到另外的备选配置。多个设备12可以在对象10的不同的身体部分16处被附接到对象10。
图3的设备12被布置为环形或带形跌倒检测或跌倒报警设备。根据该实施例，设备12包括布置为环形或圆环形式的条带(腕带)24。条带24包括支撑层26，支撑层26为设备12提供足够的刚性。提供控制壳体或外壳28，其容纳设备12的控制电路。因此，设备12可以具有整体形状的外观。备选实施例可以存在，其中，所述控制电路至少部分地与条带24分开或远离。
为了电容测量，提供了定义第一电极30的第一层。此外，提供了定义第二电极32的第二层。提供了定义第三电极或屏蔽电极34的第三层。屏蔽电极34被布置在第一电极30与第二电极32之间。第一电极30被布置为内部电极。第二电极34被布置为外部电极。屏蔽电极34被布置为在第一电极30与第二电极32之间的中间电极。电极30、32、34是环形或环形节段形状的并且可以以圆形方式布置为圆形堆叠。条带24可以定义包围和界定内部空间36的环，当设备12在使用中时，在内部空间36中放置对象10的身体部分16(例如，腕部)。
优选地，在设备12的附接状态中，第一电极30被布置为邻近于或紧密靠近身体部分16的表面。因此，在本文中第一电极30也可以被称为参考电极或身体电极，并且反之亦然。优选地，第一电极30相对于身体部分16至少稍微地偏置。第一电极30可以说在设备12处快速切断或连接身体和参考端子。
第二电极32与第一电极30被偏移或间隔开，并且因此可以被称为传感器电极，并且反之亦然。优选地，第一电极30和第二电极32不以传导方式彼此直接耦合。因此，可以在第一电极30与第二电极32之间限定电容。然而，希望在第一电极30与第二电极32之间的电容变得不会太大。对此，提供了第三电极34，第三电极34被布置为在第一电极30与第二电极32之间的电磁屏障。第三电极34将第二电极32与第一电极30屏蔽开。
通常，电极30、32、34可以由导电材料形成。然而，优选地，在电极30、32、34中的任意电极之间不存在直接的导电互连。因此，在每对电极30、32、34之间，可以定义相应的电容，其中，电极30、32、34形成相应的相对端子。
在第一电极32与屏蔽电极34之间，以及在屏蔽电极34与第二电极32之间，可以分别存在非导电层38，例如，非导电灌封或密封。任意非导电层进一步加强条带24。电极30、32、34可以被至少部分地嵌入在非导电材料中。所述电极可以被(轴向地)对齐并且以分层方式(径向地)彼此偏移布置。就轴向延伸或宽度延伸而言，屏蔽电极34优选大于第一电极30和第二电极32中的至少一个。因此，屏蔽电极34可以覆盖并轴向地叠加第一电极30和第二电极32中的至少一个，这改善了屏蔽。
不用说，可能存在条带24和电极30、32、34在两个维度上延伸的备选非圆形实施例。因此，条带24可以布置为基本平坦的分层垫或带。
针对利用移动设备的基于电容的接近度感测的潜在问题在于：形成用于接近度测量的参考的物体或表面通常被假定为与测量设备处于相同的参考电位。针对基于腕部的设备，基本上不总是这种情况，因为在测量设备的参考与作为地板或地面18的物体的参考(在此也被称为接地)之间没有直接连接。
通常，电容接近度感测基于测量传感器的电容变化，作为其到物体或表面的变化接近度的表示。这种接近度变化通常取决于物体的大小、距离、材料和成分。典型地，电容器由两个导电板或端子形成，在其之间存在空气或者其他类型的介电材料。在两个导电板之间的电容(法拉(F))由下式给出：
其中，A表示在叠加的导电板或电极之间的区域，并且d是其之间的距离。在两个板之间的材料的真空常数和介电常数的电容率分别由∈0和∈r表示。本领域技术人员将理解，存在其他几何形状，包括球面和圆柱面。以上内容应当被解读为接近度感测原理的例示性描述，而不应当被解读为限制范围。
图4图示了示例性的基于电容的接近度检测系统40(例如，电容按钮或开关)的相当简化的示意性模型表示。系统40包括测量电路42以及可以在其之间定义电容的触点、电极或节点。例如，节点g表示地面或地球。此外，节点p表示传感器板或电极。节点b表示身体部分或肢体，诸如用户的手指。在节点p与g之间，可能存在电容Cpg。在节点p与b之间，可能存在电容Cpb。在节点b与e之间，可能存在电容Cbe。当对象的手指(或肢体)靠近接近度检测系统40的按钮时，在节点p与手指b之间的电容Cpb增加，并且因此可检测到“推”。
测量电路42测量在其测量节点(按钮传感器电极)p与地面g之间的电容Cpg。如果假设在对象身体与地面之间的电容Cbg远高于在按钮传感器p与对象手指(其基本上是他或她身体的一部分)之间的电容Cpb，则后者的电容能够被可靠地测量到并检测到接近度。在按钮传感器节点p与地面g之间的电容Cpg能够经由引入屏蔽电极来降低，所述屏蔽电极在与电极p相同的电位下驱动并且靠近电极p来放置，以将其与地球或地面节点g屏蔽开。
进一步参考示图5，图5图示了实施测量电路52(包括电压电源Vs)的接近度检测系统50。接近度检测系统50被布置为移动(例如，腕戴式或腕部可穿戴)设备的一部分。与图4的图示不同，图5的接近度检测系统50的模型还包括参考电极或节点r。在该实施例中，所述设备的参考节点r与地球节点e处于不同的电位，其可能引入影响Cbe的测量的大量附加电容。在节点p、r、b和e之间，可能存在电容Cre、Cpe、Cbe、Crb、Cpb和Crp。测量到的电容Cm对应于节点p和r之间的电容Crp。
假设可以应用传感器板节点p的恰当屏蔽，在节点p与r以及节点p与b之间的电容可以减小，从而产生测量到的电容，其由下式给出：
即使传感器板节点p与地球或地面节点e直接接触，即，Cpe→∞，测量到的电容Cm仍然包含电容Cre和Crb的影响，这降低了测量的准确度。
因此，有益的方法可以是将设备的参考电极/节点r直接与对象的腕部/身体b相接触，使得所得到的等效电模型基本上能够被精简到图4所示(就节点的数量以及其之间的电容而言)。
图6图示了通过将节点b和r彼此直接连接或耦合而获得的结果的简化的模型。接近度检测系统60包括测量电路62，测量电路62具有传感器(板)节点p以及被布置为被耦合到被监测对象的身体的参考端子或节点b。地球或地面节点由e表示。在节点p与b之间，可能存在对应于测量到的电容Cm的电容Cpb。在节点p与e之间，可能存在电容Cpe。在节点b与e之间，可能存在电容Cbe。
根据本公开的至少一些实施例，在传感器板p和腕部b之间的电容Cpb可以通过恰当的屏蔽而减小，从而导致测量到的电容等于：
对于Cbe>>Cpe，(3)中的以上测量到的电容为Cm<Cpe。当传感器板接近地球时，即，在跌倒期间，Cm的值上升并接近Cbe的值。在传感器板p与地面e紧密接触并且Cpe→∞的极限情况下，Cm＝Cbe。因此，通过将设备参考r耦合到对象的身体b，测量到的电容Cm是在身体与地球之间的电容Cbe的更准确的表示，尤其是在发生跌倒之后。
在图7中示出了根据本公开的运动检测设备12的简化框图表示。系统12被提供有第一电极30(在本文中也被称为参考电极或身体电极)、第二电极32(在本文中也称为传感器板电极)以及屏蔽电极34。电极30、32、34被耦合到在本文中被称为电容检测单元70的测量电路。运动检测设备12还包括控制单元74，控制单元74能操作用于处理从电容检测单元70递送至其的信号以及来自跌倒检测设备12的其他部件的信号。不用说，可以提供电池或相似的能量存储单元来为跌倒检测设备12供电。
在一些实施例中，跌倒检测设备12还包括(补充的)加速度计单元76，加速度计单元76包括至少一个加速度/惯性传感器78。因此，补充的运动指示信号可以被递送到控制单元76。
此外，运动检测设备12可以包括至少一个接口80，特别是数据交换接口。例如，接口80可以是无线接口或非无线(有线)接口。此外，可以提供电池充电接口。在一些实施例中，可以提供警报输出单元82，警报输出单元82例如在穿戴设备12的对象已经跌倒或摔到地面时输出警报声音。此外，设备12可以被布置用于经由接口80输出无声警报(远程传输警报)信号，以向护士、护理提供者或者亲属通知关于跌倒或摔倒事件。
图8图示了根据本公开的被布置用于接近度感测的电容检测单元70的示例性实施例。根据该实施例，电容检测单元70包括计时器模块90。举例来说，计时器模块90包括计时器微控制器，例如TLC555(能从Texas Instruments获得)以及相似的微控制器。
根据图8的布置，计时器模块90被实施为不稳定的多谐振荡器。传感器电极(第二电极)32被耦合到或者被提供在计时器模块90中。计时器模块90具有触发电平和阈值电平，使得当触发输入高于触发电平并且阈值输入高于阈值电平时，输出被设置为低，并且允许电容器放电。一旦触发值下降到触发电平以下，输出就会变高，并且电容器开始充电。
注意，对于图8的实施例，电容性传感器电极32被连接到TRIG(触发)和THRESH(阈值)输入部二者。这就是为什么该电路被命名为非稳态多谐振荡器电路的原因。触发电平和阈值电平分别对应于电源电压Vcc的大约三分之一和三分之二。每当输出为低时，放电端子为模块的参考(地)提供低阻抗路径。因此，在输出为高期间，允许电容器经由电阻器R2和R3充电；并且当输出为低时，电容器通过电阻器R3接地而放电。所得到的信号包括宽度与传感器和附近物体/表面之间的虚拟电容成正比的脉冲。
作为根据图8的示例性实施方案的结果，当在发射器电极与物体之间的虚拟电容大时，电极充电需要更长的时间，并且因此其充电/放电频率是低的。当该电容为低时，充电/放电频率增加。因此，针对给定的时段，传感器的电容与充电/放电循环次数成反比。在本公开的至少一些实施例中使用用于测量相对电容的这种方法。电容和充电/放电频率经由下式相关：
其中，fsens是测量到的充电/放电频率，并且R2/R3对应于图8中的电阻。在这种情况下，值得注意的是，由上述电路测量到的电容C是相对于电路自身的参考或地面电位的。
本领域技术人员将认识到并容易理解，存在其他方式来测量电容，诸如LC谐振器电路，其中，测量到的谐振频率的变化对应于电容C的变化。因此，不应当以限制本公开的范围的方式来解读以上示例性实施例。
参考图9，描述了根据本公开的至少一些方面的电容检测单元70的另外的示例性实施例。如同图8的实施例一样，可以提供计时器模块90。此外，提供屏蔽电极34，屏蔽电极34经由电压跟随器92被耦合到计时器模块90，并且被布置为屏蔽所述传感器电极(第二电极)32。
一般而言，并且与其他接近度传感器(诸如红外和超声)不同，电容感测是全向的。这可能对可穿戴设备造成挑战，其中，对象的腕部或肢体对测量到的电容的不希望的影响应当被尽可能地最小化。对此，可以采用屏蔽电极34，经由电压跟随器电路92以与传感器板电极32相同的电势来驱动屏蔽电极34。当屏蔽电极34被放置得非常接近传感器板电极32时，由于在传感器板电极32与屏蔽电极34之间的电势差有效地为零，因此由屏蔽电极34下方的物体所引起的任何电容效应在一定程度上被最小化。
进一步参考图9和图3。根据在本文中所公开的至少一些实施例，电极30、32和34的尺寸和布置对于改善如在等式(3)中所描述的测量到的电容Cm的整体性能是重要的。在下文中，在腕部可穿戴设备实施方案的情境中提供这些电极30、32和34的放置的推荐。屏蔽电极34相对于传感器板电极32的相对尺寸也影响测量到的电容Cm。已经发现，具有比传感器板电极32的面积大至少2倍、优选大约大4倍的面积的屏蔽足以在一定程度上阻止不想要的物体或身体对电容测量的影响。
因此，本领域技术人员将认识到并容易理解，取决于具体应用(例如，带设备)，其他配置也是可能的。因此，上述内容不应当被解读为限制意义，而是作为对落入本公开的范围之内的诸多示例性实施例之一的例示性阐释。
本领域技术人员还应当认识到并容易理解，在图6和图7中所提出的系统的另一示例性实施例可以是将传感器板电极32放置为接触身体而不是参考。可以设想到关于图6的系统的各种传感器配置。
在更详细地解释了配置以及操作方式之后，再次参考图3，其可以实施设备12中的如在图9所图示的电容检测单元70。如所示的，条带或腕带24的内表面可以包括参考电极30，参考电极30只要在设备被恰当地穿戴时就保持与对象腕部的接触。在该相同的实施例中，在腕带24的外部区域中提供有屏蔽电极34，屏蔽电极34也可以包含控制外壳28，在该控制外壳28中可以容纳设备12的主要控制部件。最后，提供非常薄的不导电材料38，随后是将传感器板电极32放置在该材料顶部上。注意，该实施例被呈现为包括布置在腕部设备的外部和内部面上的板。然而，这些电极也可以在腕部设备和腕带内以相同的次序来放置。
能够理解的是，尽管图3中所示的电极放置成功地将传感器板电极32与腕部影响屏蔽开，但是传感器板电极32仍然能够在接近对象身体(例如，躯干、腿部、头部)时捕捉这些部分的影响。这导致不可忽略的电容Cpb，其能够显著增加测量到的电容Cm。在一些实施例中，例如如果应当检测诸如行走的活动，则这种效果可能是期望的。在跌倒的情况下，这样的传感器配置也导致测量电容下降，因为手臂在支撑运动中远离身体移动，然后在撞击后急剧增加。
在另一示例性实施例中，传感器板电极32可以限制在控制外壳28周围的设备12的区域，使得对象自己的身体14的影响受到限制。这可能会稍微降低跌倒检测准确性，尤其在腕部落地时。尽管如此，在一些应用中，这可能是可行的有益选择。
在另一示例性实施例中，腕戴式设备12包括更宽或更长的传感器板电极32，其能够被卷绕(或缠绕)在下臂上。这可能增加传感器板表面积，并且因此改善针对检测跌倒的身体到地面电容测量。因此，电极30、32、34中的至少一个可以以带状或条带状方式(例如，不是封闭环)来布置。
在另一示例性实施例中，特别是为了增加检测不同姿态和活动的灵敏度，来自设备传感器-板电极32的摇摆或悬挂线保持与地球的直接接触。这可能导致Cpe→∞和Cm＝Cbe。在类似的实施例中，传感器板电极32可以被耦合到助行器20(图1)设备，诸如行走手杖/拐杖或支撑。这大大增加了电容Cpe，从而导致对于跌倒检测的Cbe的非常准确的估计。
同样地，这些实施例可以获益于将第一电极30与第二电极32彼此隔离的屏蔽电极34。
参考图10，图示了例示根据本公开的利用身体到地面接近度检测方法的跌倒检测方法的实施例的简化框图。首先，在步骤S10中，提供电容检测单元，所述电容检测单元可以形成移动(特别是腕部可穿戴)跌倒检测设备的一部分。
在另外的步骤S12中，提供电极的分层布置，并且相对于被监测对象的身体部分(特别是身体肢体，诸如腕部部分)以限定的方式来布置。步骤S12涉及(子)步骤S14、S16、S18。在(子)步骤S14中，第一电极被布置为与身体部分紧密接触。在(子)步骤S16中，第二电极被布置为使得第二电极从所述第一电极偏移。所述第二电极可以从第一电极向外间隔开。在(子)步骤S18中，屏蔽电极可以被布置在第一电极与第二电极之间以将其彼此屏蔽开。所述电极可以形成带状或条带状电极的分层环。
在另外的步骤S20中，操作测量电路以获得身体到地面接近度表示电容信号。在后续步骤S22中，在考虑身体到地面电容信号的情况下确定是否发生跌倒事件。
图11图示了根据本公开的由设备检测到的测量到的电容Cm的示例性时间图108。横坐标轴104表示时间t(以秒为单位)。纵坐标轴106表示电容(以微微法pF为单位)。在大约时间t＝120秒处发生对象跌倒在地的情况，导致测量到的电容图108中增加大约2pF。跌倒由信号图108中的不同步骤表示。
尽管已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求中所记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施的事实并不表示不能有利利用这些措施的组合。
计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供的光存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如经由互联网或者其他有线或无线电信系统。
权利要求中的任何参考符号都不应当被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种被配置用于检测身体到地面接近度的可穿戴运动检测设备(12)，所述设备(12)包括：
-电容检测单元(70)，其被布置为检测身体到地面电容，所述电容检测单元(70)包括：
-第一电极(30)，其被布置为当所述设备(12)被穿戴时接触被监测用户的身体部分(16)，
-第二电极(32)，其被布置为与所述第一电极(30)分离但能操作地连接，
-屏蔽电极(34)，其被布置为将所述第二电极(32)与所述第一电极(30)屏蔽开，
-控制单元(74)，其被布置为在考虑由所述电容检测单元(70)提供的身体到地面电容信号的情况下检测所述用户的位置变化。
2.根据权利要求1所述的设备(12)，其中，所述控制单元(74)将由所述电容检测单元(70)测量到的所述电容的变化与阈值进行比较，以检测以下中的至少一项：身体到地面接触、身体到地面接近度以及身体到地面接近。
3.根据权利要求1所述的设备(12)，其中，所述设备(12)被布置为包括具有支撑层(26)的带形或环形条带(24)的手臂可穿戴或腕部可穿戴设备(12)，其中，所述第一电极(30)被以面向内的方式布置，其中，所述第二电极(32)被以面向外的方式布置，并且其中，所述屏蔽电极(34)被布置在所述第一电极(30)与所述第二电极(32)之间。
4.根据权利要求3所述的设备(12)，其中，所述第一电极(30)和所述第二电极(32)、优选还有所述屏蔽电极(34)被布置为使得所述第二电极(32)包围所述第一电极(30)。
5.根据权利要求4所述的设备(12)，还包括被附接到所述条带(24)的控制外壳(28)，其中，所述控制单元(74)被布置在所述控制外壳(28)中，并且其中，所述控制单元(74)被能操作地耦合到所述第一电极(30)、所述第二电极(32)和所述屏蔽电极(34)。
6.根据权利要求1所述的设备(12)，其中，所述电容检测单元(70)的测量电极由单个第一电极(30)、单个第二电极(32)和单个屏蔽电极(34)组成。
7.根据权利要求1所述的设备(12)，其中，所述第一电极(30)被布置为在所述设备(12)被附接到的测量位置处紧贴对象的皮肤，并且其中，优选地，非导电层(38)被提供在所述第一电极(30)、所述第二电极(32)和所述屏蔽电极(34)之间。
8.根据权利要求1所述的设备(12)，还包括用于以与所述第二电极(32)相同的电位来操作所述屏蔽电极(34)的电压跟随器单元(92)。
9.根据权利要求1所述的设备(12)，还包括加速度计单元(76)，所述加速度计单元被布置为检测感兴趣对象的身体加速度，其中，所述控制单元(74)被布置为基于由所述加速度计单元(76)提供的加速度计信号以及由所述电容检测单元(70)提供的所述电容信号来检测跌倒事件。
10.根据权利要求1所述的设备(12)，其中，所述屏蔽电极(34)包括比所述第二电极(32)的区域延伸大至少两倍、优选大四倍的区域延伸，其中，所述屏蔽电极(34)被至少分段地布置为条带，所述条带包括延伸超出所述第二层的轴向延伸的轴向延伸。
11.根据权利要求1所述的设备(12)，还包括计时器模块(90)，所述计时器模块被布置为控制一端由所述第二电极(32)形成的电容器的放电/充电动作，其中，放电/充电频率指示当所述设备(12)被穿戴时的身体到地面接近度，特别是地面接触。
12.根据权利要求11所述的设备(12)，其中，所述计时器模块(90)还被布置为应用定义的触发水平并且应用定义的阈值水平，基于所述触发水平和所述阈值水平来控制所述放电/充电动作。
13.根据权利要求1所述的设备(12)，其中，所述第二电极(32)被布置为被耦合到移动辅具(20)，所述移动辅具选自包括以下中的至少一个的组：助行器，行走架和轮椅。
14.一种利用身体到地面接近度检测的运动检测方法，所述方法包括以下步骤：
-将电容检测单元(70)应用于感兴趣对象的身体部分(16)，所述电容检测单元(70)被布置为检测身体到地面电容并且包括：
-第一电极(30)，其被布置为接触被监测用户的身体部分(16)，
其中，应用电容检测单元(70)包括布置所述第一电极(30)以建立与所述身体部分(16)的接触，
-第二电极(32)，其被布置为与所述第一电极(30)分离但能操作地连接，
-屏蔽电极(34)，其被布置为将所述第二电极(32)与所述第一电极(30)屏蔽开，
-基于所述第二电极(32)与所述地面(18)之间的电容测量结果，使所述电容检测单元(70)输出身体到地面接近度电容信号，并且
-在考虑所述身体到地面电容信号的情况下检测所述用户的位置变化。
15.一种包括程序代码模块的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上执行时，所述程序代码模块用于使所述计算机执行根据权利要求14所述的方法的步骤。
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