CN111712154A - 步伐分析设备 - Google Patents

Abstract

一种步伐分析设备，包括至少一个运动传感器，用于测量在走动活动期间用户的瞬时特定方向移动；至少一个偏离指示器，用于在确定偏离运动时，在走动活动期间警告用户；以及处理器，用于处理由至少一个运动传感器生成的指示瞬时特定方向移动的信号，并且用于将瞬时特定方向移动与标准特定方向移动进行比较。该处理器可操作以在确定瞬时特定方向移动和标准特定方向移动之间的偏离大于预定阈值水平时，命令至少一个偏离指示器生成预定的生物反馈警报。

Description

步伐分析设备

技术领域

本发明涉及保健领域。更具体地说，本发明涉及适合于校正不良行走(诸如内八字(in-toeing)或外八字(out-toeing))的步伐(step)分析设备。

背景技术

在正常的行走方式中，人们走路时脚趾基本指向前方。偏离正常的行走方式，诸如内八字的步态或外八字的步态，会对人的脚踝、脚、膝盖、臀部和背部造成伤害。

通常，偏离正常行走方式的人是由于不良的行走习惯、肌肉力量不平衡或遗传造成的。很多时候，通过养成良好和健康的行走习惯可以纠正行走。

本发明的目的是提供紧凑的步伐分析设备，该设备帮助用户纠正不良的行走习惯。

本发明的另一目的是提供独立的(self-contained)步伐分析设备，该设备能够在走动活动期间监测脚位置、以及能够独立地指示何时需要校正脚位置两者。

随着描述的进行，本发明的其他目的和优点将变得显而易见。

发明内容

一种步伐分析设备，包括至少一个运动传感器，用于测量在走动活动期间用户的瞬时特定方向移动；至少一个偏离指示器，用于在确定偏离运动时，在走动活动期间警告用户；以及处理器，用于处理由至少一个运动传感器生成的指示瞬时特定方向移动的信号，并且用于将瞬时特定方向移动与标准特定方向移动进行比较，其中处理器可操作以在确定瞬时特定方向移动和标准特定方向移动之间的偏离大于预定阈值水平时，命令至少一个偏离指示器生成预定的生物反馈警报。

即使生物反馈警报的生成是脚特定的，也可以在用户的每只鞋中安装步伐分析设备，使得第一和第二步伐分析设备的相应处理器在主从布置中被同步，以促进比较相应的测量信号。

本发明还涉及一种包括该步伐分析设备的鞋。

在一个方面，至少一个运动传感器、至少一个偏离指示器和处理器被容纳在可与单只鞋的鞋部件耦合的整体外壳中。

在一个方面，处理器可在非活动、测量和校准模式下操作，并且可操作以在校准模式下生成标准特定方向移动。

在一个方面，步伐分析设备是行走校正设备，并且处理器可操作以在确定瞬时脚取向和标准向前移动方向之间的角度差大于预定阈值时命令生成生物反馈警报。

在一个方面，处理器可操作以在确定瞬时跑步模式和参考跑步模式之间的偏离时命令生成生物反馈警报。

附图说明

在附图中：

图1是当相对于鞋部件从上方示意性地示出时的步伐分析设备的实施例的框图，该步伐分析设备被安装在鞋部件内；

图2是步伐分析设备的实施例的框图；

图3是用于确定行走校正是否必要的流程图；和

图4是步伐分析设备的另一实施例的部分框图，以及与之进行无线通信的其他设备。

具体实施方式

本发明的步伐分析设备适配于帮助校正在行走、慢跑或跑步(以下称为“走动活动”)时做出的偏离运动，例如由不良的行走习惯引起的偏离运动。脚在下垫表面上的每一个放置都被称为“步伐”。该设备安装在用户的单只鞋内，或者安装在与该单只鞋相关联的任何合适的部件上，并且能够检测偏离运动并警告用户需要校正。步伐分析设备的一个实施方式是行走校正设备，其被配置为提醒用户以正常的行走方式行走，由此脚趾基本指向前方。由于步伐分析设备安装在单只鞋中，所以警报是脚特定的，而不考虑另一只脚的脚位置。

该设备包括至少一个运动传感器，诸如加速度计，用于测量用户的瞬时脚位置；至少一个偏离指示器，诸如LED、振动元件或发声器，用于在检测到偏离运动时警告用户；以及处理器，用于处理来自每个运动传感器的测量，以使能生成警报。该设备可以安装在鞋垫上或穿在用户脚上的任何其他鞋部件上。在一些实施例中，至少一个取向传感器，诸如数字罗盘，可以用于确定用户的脚指向的方向。

图1示意性地示出了步伐分析设备1的实施例，该步伐分析设备1安装在鞋部件5上并被配置为帮助行走校正。运动/取向传感器11测量行走时的瞬时脚取向。一个或多个被传输到处理器12。处理器12处理指示测量的一个或多个信号，并将该测量的取向与标准向前移动方向进行比较。如果瞬时脚取向和标准向前移动方向之间的差异大于预定阈值或预定角度范围(诸如大于几度，例如10-15度，当脚向内或向外指向而不是直接指向前方时)，处理器12激活偏离指示器13以警告用户偏离。设备1的组件可以是分布式的，或者可以是整体安装的。

用户可以个性化定制该设备，例如通过确定警报的类型和持续时间，以及通过确定设备灵敏度(即由处理器进行的测量之间的最小差异)。

在一些实施例中，设备可以收集关于用户的行走习惯和行为的数据(例如，步态期间当脚指向中线或远离中线时下肢旋转变化的水平，以及警报之间的间隔)。收集的数据可以用于几个应用，例如，用来显示用户获得健康行走习惯的进展。

虽然描述涉及向前移动，但是步伐分析设备同样能够在向后或横向移动期间确定偏离运动。

图2示意性地示出了根据另一实施例的行走校正设备20。行走校正设备20包括用于确定瞬时脚取向的三轴加速度计21、与加速度计21进行数据通信的处理器22、与处理器22进行数据通信的偏离指示器23、以及与电池充电和电源管理电路一起的电池26或其他合适的电源，用于给加速度计21、处理器22和偏离指示器23供电。处理器23通常配置有选择器24，用于选择操作地模式，无论是非活动模式、用于测量瞬时脚取向的测量模式、还是校准模式。选择器24可以由输入设备激活，诸如用户可接近的小的可按压开关，或者通过遥控设备激活，诸如配置有与合适的通信设备28(诸如短程收发器)进行无线数据通信的用户界面的遥控设备。

加速度计21适配于连续地、周期性地或间歇地测量用户在走动活动期间的瞬时脚取向。通常由受应力的微观晶体结构产生的所生成的电压指示速度矢量，因此指示脚取向。如果瞬时脚取向和标准向前移动方向之间的角度差大于预定阈值，处理器22激活偏离指示器23，使得在走动活动过程期间向用户提供警报。偏离指示器23可以由各种部件具体体现，诸如生成可感知光束的LED灯、发出预先录制的消息或蜂鸣声的发声器或振动元件。

滤波器27，通常是低通滤波器，其与处理器22进行数据通信，或者可以是处理器的模块，可以用于在测量模式和校准模式下改善处理器的计算输出。在正常的行走方式中，每条腿都参与不同类型的运动，诸如脚后跟摇摆、将脚从地板上抬起、伸展膝盖和臀部、弯曲膝盖和臀部、用脚撞击地板。每种不同类型的运动都有助于推动身体向前，并且与施加到地板上的不同大小的力相关联，并且通过与加速度计21的相互作用，与不同水平的振动相关联。滤波器27被配置为过滤掉在腿部运动期间执行的瞬时脚取向的那些测量，这些测量与例如由于伸展的膝盖的震动吸收或相对于地板降低的脚的过度噪声相关。当z轴上相应的脚位移大于预定阈值时，或者当相应的信噪比小于预定阈值时，滤波器27可操作以在将加速度计21生成的信号传输到处理器22之前滤除该信号。例如，滤波器27可以衰减大于100Hz的信号。典型的滤波器可以是采样速率为200Hz、并且截止频率为60Hz的滤波器。

由加速度计21测量或由处理器22处理的数据可以存储在存储器设备25中，以便在以后的时间检索，用于将来的分析。

所有这些部件可以容纳在整体外壳29中，该外壳通常是刚性的，以最小化外壳移动并优化测量精度。通常具有手表大小的薄设备外壳29连接到合适的鞋部件，诸如鞋垫、鞋外底、鞋舌或鞋跟。如果需要，外壳29可以安装在设有鞋垫的专用空腔内。

图3示出了用于确定行走校正是否必要的流程图。该描述涉及用户的向前运动，但是它同样适用于向后运动。

无论何时需要，例如在第一次使用之前，在步骤33中，处理器被设置为校准模式，然后在步骤35中，用户向前走几步。运动传感器检测每一步伐的脚取向，并且在步骤37中，处理器在处理由运动传感器生成的、定义相应的力矢量的信号之后，通过根据预定指令组合相应的力矢量来计算运动的标准向前方向。基于所计算的标准向前移动方向，处理器在步骤39中生成对应于所计算的标准向前移动方向的假想参考线，如果表现出正确的行走习惯，则预期用户沿着该参考线继续行走。

在处理器随后在步骤41中被设置为测量模式之后，用户在步骤43中自然且不受限制地行走，同时运动传感器检测每一步伐的瞬时脚取向。在步骤45中，处理器处理由运动传感器生成的、指示瞬时脚取向的信号，并将瞬时脚取向与标准向前移动方向进行比较。如果瞬时脚取向和标准向前移动方向之间的角度差大于预定阈值，则在步骤47中，处理器命令偏离指示器生成预定报警信号。该警报促使用户在步骤49中有意识地或本能地调整脚取向。如果在每次尝试调整脚取向后重复生成警报信号，则用户意识到设备外壳已经移动，并且必须再次执行校准。

图4示意性地示出了步伐分析设备50。步伐分析设备50被配置为类似于图2的设备20，但是除了加速度计之外或者代替加速度计，诸如结合MEMS，添加了陀螺仪53，用于在走动活动期间测量三维空间运动。

借助于精确和可靠地测量空间运动的能力，步伐分析设备50能够确定用户在跑步或慢跑时是否偏离了正常的向前移动。

由于跑步运动不同于行走运动，因此需要不同的校准过程。与步行相比，跑步者的两条腿与地面分开，并在着地阶段在脚的中心与地面接触。此外，跑步时对地面的冲击大约是身体重量的三倍，而行走时的冲击大约是身体重量的90％。此外，跑步者的两条腿在跑步时遵循同一条线，并且具有相对较长的步幅。

因此，在设置校准模式之后，指示穿戴步伐分析设备50的用户执行跑步运动。在跑步运动期间，一个或多个运动传感器能够检测每一步伐的各种下半身部分(诸如膝盖、脚踝和脚)的空间取向，并区分跑步周期的运动。处理器接收由一个或多个运动传感器生成的、定义相应的力矢量的信号，并通过根据预定指令组合相应的力矢量来计算标准向前移动。所计算的标准向前移动代表参考模式，该参考模式与在随后的测量模式中检测到的用户的跑步风格进行比较。当检测到偏离参考跑步模式时，处理器通过偏离指示器生成生物反馈警报。

步伐分析设备50能够与诸如移动设备、膝上型计算机和服务器的计算机化设备58无线通信，使得所获取和分析的数据能够被存储在相关联的数据库59中，用于以后的分析。

专用应用可以在步伐分析设备50的处理器上运行，并且用户界面55可以通过通信设备28与应用接口。用户界面55可用于启动操作的模式之一，定义各种设置，诸如偏离指示器和一个或多个运动传感器的设置，向分析时间段(session)添加标识符，以及将期望的参考跑步模式从数据库59上载到处理器。

参考跑步模式可以集中在需要改进或期望被模仿的跑步模式的单个运动上，诸如在起跳阶段脚从地面抬起的高度、跑步步幅的长度、或者脚接触地面并与地面分离的方式，使得只有当发现单个运动偏离时才会生成警报。可替代地，参考跑步模式的所有运动可以是与用户的瞬时跑步模式进行比较的基础。根据存储的指令，可以根据参考跑步模式和瞬时跑步模式的相应运动之间的比较来计算分数，并且如果分数小于预定阈值，则将生成警报。

训练专家或医生也可以上载参考跑步模式，以防止跑步时受伤。这种参考跑步模式可以定义用户的限制，使得每当超过设定的用户特定最大值时，将生成生物反馈警报。示例性限制包括最大跑步速度或加速度。

步伐分析设备50也可以用作诊断工具，以分析运动员在运动活动过程中的表现，或者收集与跑步时间段相关的统计数据或其他预定义特征。从步伐分析设备50接收的数据可用于将运动员在运动活动的特定时间或事件的表现与存储的数据进行比较，使得可以监测运动员的表现进展。

应当理解，步伐分析设备50的任何前述特征也适用于行走校正设备。

在一个实施例中，步伐分析设备50安装在用户的每只鞋中。即使每个步伐分析设备50是脚特定的，两个相同的步伐分析设备也可以通过相应的通信设备28彼此无线通信，从而允许相应的处理器在主从布置中被同步，以比较相应的测量信号。因此，如果发现相应的脚进行偏离运动，诸如相对于另一只脚不对称，则步伐分析设备之一可以生成生物反馈警报。

虽然已经通过举例说明的方式描述了本发明的一些实施例，但是显而易见的是，在不超出权利要求的范围的情况下，本发明可以在本领域技术人员的范围内进行许多修改、变化和调整，以及使用许多等同物或替代解决方案。

Claims (8)

1.一种步伐分析设备，包括：

a)至少一个运动传感器，用于测量用户在走动活动期间进行的瞬时特定方向移动；

b)至少一个偏离指示器，用于在确定偏离运动时，在走动活动期间警告用户；以及

c)处理器，用于处理由至少一个运动传感器生成的指示瞬时特定方向移动的信号，并且用于将瞬时特定方向移动与标准特定方向移动进行比较，

其中，处理器可操作以在确定瞬时特定方向移动和标准特定方向移动之间的偏离大于预定阈值水平时，命令至少一个偏离指示器生成预定的生物反馈警报。

2.根据权利要求1所述的步伐分析设备，其中，至少一个运动传感器、至少一个偏离指示器和处理器被容纳在可与单只鞋的鞋部件耦合的整体外壳中。

3.根据权利要求1所述的步伐分析设备，其中，处理器可在非活动、测量和校准模式下操作，并且可操作以在校准模式下生成标准特定方向移动。

4.根据权利要求1所述的步伐分析设备，所述步伐分析设备是行走校正设备，并且处理器可操作以在确定瞬时脚取向和标准向前移动方向之间的角度差大于预定阈值时，命令生成生物反馈警报。

5.根据权利要求1所述的步伐分析设备，其中，处理器可操作以在确定瞬时跑步模式和参考跑步模式之间的偏离时，命令生成生物反馈警报。

6.根据权利要求1所述的步伐分析设备，其中，处理器可操作以命令生成脚特定的生物反馈警报。

7.根据权利要求6所述的步伐分析设备，所述步伐分析设备可安装在用户的每只鞋中，使得第一步伐分析设备和第二步伐分析设备的相应处理器在主从布置中被同步，以促进相应的测量信号的比较。

8.一种鞋，包括根据权利要求1所述的步伐分析设备。

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