CN108236469A - 一种可用于区别人体运动状态的装置 - Google Patents

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王伟
陈曦
李鹏斐
李孟轩
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Abstract

本发明公开一种用于检测人体运动状态的装置，主要用于区别人体是处于走动状态还是跑动状态。该装置采用非接触式测量方法，该探测方法属于静电探测领域。本检测装置的工作原理如下：步骤一：装置上的探测电极检测其前方环境中人体运动产生的静电信号；步骤二：采集其前方人体运动产生的静电信号；步骤三：内部信号处理电路对该静电信号进行处理；步骤四：将处理后的静电信号与预设判据进行对比；步骤五：经过对比得出所检测的人体的运动状态。本发明将非接触式静电探测技术用于运动检测领域，可用于竞走比赛中检测运动员是否违规，也可用于其他运动检测领域，降低了检测的技术难度，提出了不同于利用加速度传感器检测的技术方案。

Description

一种可用于区别人体运动状态的装置
技术领域
本发明设计一种区别人体运动状态的装置，属于电子技术应用领域。
背景技术
目前区分人体运动状态的装置一般采用三轴加速度传感器或测量人体心率的方法来反推得到人体的运动状态。其中利用三位加速度传感器的测量方法能够比较准确的区分人体运动状态，如走路和跑步或者是静止状态，但其采集到的是人体三个方位上的运动加速度，其后续处理算法设计较为复杂。而心率测量的方法能够比较准确的区分人在睡眠或者运动，但是无法区分较为详细的运动状态。
静电探测技术利用运动中物体所带的静电实现对目标的探测识别。“Triboelectrification of houseflies(Musca domestic L.)walking on syntheticdielectric surfaces”Mcgonigle D F,Jackson C W and Davidson J L2002J.Electrostat.54 167-177中首次提出对爬行中的昆虫进行静电探测的方法。受此启发，“Electrification of human body by walking”Ficker T 2006J.Electrostat.6410-16通过安装在人身体上的静电计对运动中人体电势的变化进行了研究。由于一切运动的物体都会带上静电，因此将静电探测方法应用于识别人体运动状态是可行的。
人无论处于何种环境，身体都会因为各种原因带有一定量的静电荷。行走时脚步与地面的摩擦和接触分离是其中非常重要的一个原因。当人在行走过程中，身体所带电荷量会随着步伐而改变，从而导致身体周围电场也会随着步伐节律做相应的变化。这就为静电探测人体运动创造了可能。
步行是人体通过和地面的相互作用，在一定的空间里，经历一定时间的机械运动。在步行过程中，下肢交替运动从而带动人体上肢沿脚步方向运动。步行是周期性的动作，在一个步行周期中根据腿部的运动特征，下肢的运动状态可以分为支撑期与摆动期。支撑期指人体脚部接触地面的时期，即从脚跟触地直至脚尖离地所持续的时间；摆动期指人体脚部位于地面上的时期，即从脚尖离地直至脚跟着地所持续的时间。常速行走时对指定的下肢而言，处于支撑期与摆动期的时间分别占步行周期的60％与40％，其中支撑期分为脚跟着地、脚趾着地、支撑中期、蹬离期及脚指尖离地等动作阶段，而摆动期分为脚尖离地、加速上抬、减速摆动、加速下落、脚跟着地等动作阶段。与其余人体运动状态相比，人体步行过程具有双足支撑的特点，即在运动过程中存在两脚同时接触地面的情况。随着人体的运动速度增加，双足支撑期的时间明显减少，直到人体开始跑步时，双足支撑起消失。支撑期的有无能够明显的反映在其运动的静电探测信号上，所以可以根据静电探测信号来判断支撑期，从而区分出人体运动状态。
附图1与图2分别为人体走路和跑步时的静电信号。由图1可知静电探测装置上获取的静电感应信号波形具有幅值较高的主峰后紧随幅值较低的副峰的特点，且副峰的幅值不超过主峰幅值的一半。这是由于人体步行运动具有的双足支撑期的特点所决定的，在此期间双足分别处于脚掌下落与脚跟上抬的运动状态，因此下肢运动分别产生的静电感应信号的叠加效果使得非接触式静电探测系统获取的信号出现副峰波形。图2中跑步的静电信号由于不存在双足支撑期而没有副峰出现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是利用静电探测方法实现对人体运动状态的区分，主要用于区分人体跑步和走路两种运动状态。本发明通过非接触式静电探测方法获取人体走路或跑步时的静电信号，再经信号处理后得到相关人体运动的电信号图，在与预设判据相比较，从而确定人体的运动状态。本发明公开了一种通过静电探测方法区分人体运动状态的装置，该装置可用于人体运动静电信号的获取和人体运动状态监控中，可降低人体运动状态监测系统的设计复杂程度，降低其设计成本，实现对人体运动状态的测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
本发明公开的一种区分人体运动状态的装置，该装置由探测电极、信号处理电路、控制芯片、液晶显示屏组成，其具体运行步骤如下：
步骤一：装置上的探测电极检测其前方环境中人体运动产生的静电信号；
步骤二：采集其前方人体运动产生的静电信号；
步骤三：内部信号处理电路对该静电信号进行处理，得到能够表征人体运动的电信号；
步骤四：将处理后的静电信号与预设判据进行对比；
步骤五：经过对比得出并显示所检测的人体的运动状态。
所述一种区分人体运动状态的装置，其特征在于：所述信号处理过程包括微电流放大电路、50Hz工频陷波和10Hz低通滤波；探测极板用于获取静电感应电荷量，电荷量的变化会产生静电感应电流，该电流经过T型反馈网络组成的微电流放大电路后得到可被测量的电压值，之后该信号经过50Hz工频陷波和 10Hz低通滤波去除噪声，得到表征人体步伐的电信号。
步骤四中的预设判据为：由于步行中会有双脚同时着地的情况发生，其静电信号会有明显的副峰出现；而跑步中则同时只可能有一只脚着地，其静电信号只有主峰。据此可判断步行与跑步两种运动状态。
其具体判别步骤如下：
根据多次实验的统计结果显示，人在距探测器约2m走路时，探测器输出的最大电压值在3V左右，其副峰在1.2V左右。该副峰幅值明显小于主峰的一半。据此，可利用幅值检测的方式来进行运动方式判定，控制芯片检测步伐信号的峰值，若后一峰值小于前一峰值的一半，就可判定该信号存在副峰，该信号为人走路信号；若不小于，则为跑步信号。
步骤五的的运行过程为：控制芯片根据步骤四得出所检测人体的运动状态，并显示在液晶显示屏上。若其运动状态突然发生改变，如从步行变为跑步或跑步变为步行，则装置给出报警提醒。
由于静电探测原理不会受到遮挡物的影响，且能够低功耗全天候运行，所以通过非接触式静电探测技术进行运动状态区分具有可续航时间长的优点。
有益效果：
1、本发明的一种可区分人体运动状态的装置，可以通过非接触式静电探测方法测量人体走路或跑步时的静电信号，之后对其进行判断并给佩戴者反馈其探测目标的运动状态。非接触式的方法保证了该装置不会对被探测目标产生过多干预与影响。
2、本发明的一种可区分人体运动状态的装置，由于利用了静电感应信号传播过程中受遮挡物阻碍小的特点，具有测量范围大的优点。
3、本发明的一种可区分人体运动状态的装置，由于采用了被动式静电探测方法，其不受光线影响，具有全天候的监测能力。
附图说明
图1人体走路静电信号波形图
图2人体跑步静电信号波形图
图3是一种可区分人体运动状态的装置的原理框图
图4是一种可区分人体运动状态的装置的应用图
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。
本发明的一种基于静电探测的非接触式人体步伐周期监测装置具体运行步骤如下：
步骤一：装置上的探测电极检测其前方环境中人体运动产生的静电信号；
步骤二：采集其前方人体运动产生的静电信号；
步骤三：内部信号处理电路对该静电信号进行处理，得到能够表征人体运动的电信号；
步骤四：将处理后的静电信号与预设判据进行对比；
步骤五：经过对比得出并显示所检测的人体的运动状态。
所述一种区分人体运动状态的装置，其特征在于：所述信号处理过程包括微电流放大电路、50Hz工频陷波和10Hz低通滤波；探测极板用于获取静电感应电荷量，电荷量的变化会产生静电感应电流，该电流经过T型反馈网络组成的微电流放大电路后得到可被测量的电压值，之后该信号经过50Hz工频陷波和 10Hz低通滤波去除噪声，得到表征人体步伐的电信号。
步骤四中的预设判据为：由于步行中会有双脚同时着地的情况发生，其静电信号会有明显的副峰出现；而跑步中则同时只可能有一只脚着地，其静电信号只有主峰。据此可判断步行与跑步两种运动状态。
其具体判别步骤如下：
根据多次实验的统计结果显示，人在距探测器约2m走路时，探测器输出的最大电压值在3V左右，其副峰在1.2V左右。该副峰幅值明显小于主峰的一半。据此，可利用幅值检测的方式来进行运动方式判定，控制芯片检测步伐信号的峰值，若后一峰值小于前一峰值的一半，就可判定该信号存在副峰，该信号为人走路信号；若不小于，则为跑步信号。
步骤五的的运行过程为：控制芯片根据步骤四得出所检测人体的运动状态，并显示在液晶显示屏上。若其运动状态突然发生改变，如从步行变为跑步或跑步变为步行，则装置给出报警提醒。
本发明保护范围不仅局限于本实施例，本实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可用于区分人体运动状态的装置，由静电探测电极、信号处理电路、控制芯片、显示屏组成，其运行原理如下：
步骤一：装置上的探测电极检测其前方环境中人体运动产生的静电信号；
步骤二：采集其前方人体运动产生的静电信号；
步骤三：内部信号处理电路对该静电信号进行处理，得到能够表征人体运动的电信号；
步骤四：将处理后的静电信号与预设判据进行对比；
步骤五：经过对比得出并显示所检测的人体的运动状态。
2.根据权利要求1所述一种区分人体运动状态的装置，其特征在于：所述信号处理过程包括微电流放大电路、50Hz工频陷波和10Hz低通滤波；探测极板用于获取静电感应电荷量，电荷量的变化会产生静电感应电流，该电流经过T型反馈网络组成的微电流放大电路后得到可被测量的电压值，之后该信号经过50Hz工频陷波和10Hz低通滤波去除噪声，得到表征人体步伐的电信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种可用于区分人体运动状态的装置，其特征在于：步骤四中的预设判据为：由于步行中会有双脚同时着地的情况发生，其静电信号会有明显的副峰出现；而跑步中则同时只可能有一只脚着地，其静电信号只有主峰。而根据多次实验的统计结果显示，人在距探测器约2m走路时，探测器输出的最大电压值在3V左右，其副峰在1.2V左右。该副峰幅值明显小于主峰的一半。据此，可利用幅值检测的方式来进行运动方式判定，控制芯片检测步伐信号的峰值，若后一峰值小于前一峰值的一半，就可判定该信号存在副峰，该信号为人走路信号；若不小于，则为跑步信号。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种可用于区分人体运动状态的装置，其特征在于：步骤五的的运行过程为：控制芯片根据步骤四得出所检测人体的运动状态，并显示在液晶显示屏上。若其运动状态突然发生改变，如从步行变为跑步或跑步变为步行，则装置给出报警提醒。
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