TWM470639U - 步態監控系統 - Google Patents

Description

步態監控系統

本創作係關於一種監控裝置，且特別是有關於一種步態監控系統。

步態分析係為一種用於描述與評估關於人體行動之分析參數。其根據步態分析，使用者的運動學、動力學及個人行動資訊被計算並分析其特性可供於應用於健康照護、運動分析等應用。

而步態分析通常使用動作感測器，以訊號分析的方式來達到偵測的目的，好處在於場所較不受限制，缺點是需要佩帶感測器在身上難免有不方便的地方。隨著科技的發展，其感測器裝置也逐漸趨向於薄型化與可穿戴化，可穿戴式之感測技術主要藉由著感測器可偵測身體資訊，在透過無線傳輸將身體活動的訊息發送給接收器來進行監測或控制。

承前，本創作之目的就是在提供一種步態感測系統，其中步態感測裝置採用可穿戴式附件掛載於使用者的鞋部外側。因此，使用者可隨意將其步態感測裝置置換到其他鞋子或物件上，而非只能限定應用於特定鞋子，因而有效地提升其步態感測裝置之應用性，增加使用者使用意願及降低其經濟負擔。

本創作之另一目的在於將步態感測裝置、步態分析裝置及應用服務系統整合於步態感測系統內，因此，可即時分析所感測到之步態資訊，並判斷使用者之運動狀態，來提供使用者所需之應用服務，達到將生理資訊感測裝置與生活做整合的效果。

根據上述目的，本創作提供一種步態監控系統，包括有一步態感測裝置、一步態分析裝置以及一應用服務系統，步態感測裝置係感測並輸出一使用者之至少一生理資訊，步態分析裝置電性連接於步態感測裝置，步態分析裝置係接收生理資訊，並依據生理資訊對應判斷使用者之一步態特徵；以及應用服務系統電性連接接於步態分析裝置，應用服務系統係依據步態特徵，針對使用者對應執行一作動。

在一較佳實施例中，前述的步態監控系統，其中步態感測裝置更包括有一感測模組、一系統管理模組以及一訊息傳遞模組，步態感測裝置係透過感測模組感測並輸出包含有一行動資訊之生理資訊，系統管理模組電性連接接於感測模組，系統管理模組更包括有一定時單元以及一動作視窗擷取單元，定時單元係設定有一時間片段，系統管理模組係透過動作視窗擷取單元執行一取樣作動，以擷取各時間片段內之行動資訊為一步伐資訊；以及，訊息傳遞模組電性連接於系統管理模組，訊息傳遞模組係接收步伐資訊，並對應傳送步伐資訊至步態分析裝置。

在一較佳實施例中，前述的步態監控系統，其中系統管理模組具有一門檻值，系統管理模組執行之取樣作動係分別依據各時間片段內之行動資訊對應計算一加速度標準差，系統管理模組比對加速度標準差及門檻值，並對應擷取加速度標準差大於門檻值之各時間片段內之行動資訊為步伐資訊。

在一較佳實施例中，前述的步態監控系統，其中系統管理模組更具有一訊號轉換單元，以執行行動資訊之一類比/數位轉換作動。

在一較佳實施例中，前述的步態監控系統，其中步態感測裝置更包括有一電源供應模組，分別電性連接於感測模組、系統管理模組以及訊息傳遞模組。

在一較佳實施例中，前述的步態監控系統，其中步態分析裝置依據生理資訊，對應判斷使用者之步態特徵係分析訊息傳遞模組的步伐資訊，以判斷使用者之一動作狀態以及一方向狀態。

在一較佳實施例中，前述的步態監控系統，其中步態感測裝置更包括有一外裝，感測模組、系統管理模組以及訊息傳遞模組係設置於外裝內。

在一較佳實施例中，前述的步態監控系統，其中步態感測裝置更包括有一連接件，選擇性設置於外裝內，步態感測裝置係經由連接件接合於使用者身上之一物件。

在一較佳實施例中，前述的步態監控系統，其中生理資訊係包括三軸加速度值、步伐頻率、壓力值以及(或)角加速度值。

在一較佳實施例中，前述的步態監控系統，其中應用服務系統係為一健康照護系統，根據使用者之步態移動狀態來作為卡洛里消耗計算。

在一較佳實施例中，前述的步態監控系統，其中應用服務系統係為一人機介面控制系統，根據使用者之步態移動方向來做為對於行動裝置之控制方式，其上述控制方式至少包含於上、下、左、 右、換頁與確定命令等。

有關本創作的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

100‧‧‧步態監控系統

102‧‧‧步態感測裝置

104‧‧‧步態分析裝置

106‧‧‧應用服務系統

108‧‧‧感測模組

110‧‧‧系統管理模組

112‧‧‧訊息傳遞模組

114‧‧‧電源供應模組

116‧‧‧定時單元

118‧‧‧訊號轉換單元

120‧‧‧動作視窗擷取單元

122‧‧‧外裝

124‧‧‧連接件

126‧‧‧鞋子

第1圖為本創作所揭露的步態監控系統之元件方塊圖。

第2圖為本創作所揭露之步態感測裝設置於物件上之示意圖。

第3圖為本創作所揭露一實施例的步態監控系統之元件方塊圖。

第4圖為本創作所揭露一實施例的步態監控系統之角度與方向示意圖。

請參照第1圖，本創作之步態監控系統100主要包含步態感測裝置102、步態分析裝置104與應用服務系統106，步態感測裝置102用以感測使用者之生理資訊。步態分析系統104用以分析步態感測裝置102所感測之生理資訊，並根據分析結果判斷使用者之步態特徵。而應用服務系統106則根據使用者之步態特徵對應提供使用者所需之服務。

請一併參照第2圖與第3圖，在一實施例中，如第2圖及第3圖所示，步態感測裝置102主要包含感測模組108、系統管理模組110與訊息傳遞模組112，如第3圖所示，感測模組108、系統管理模組110與訊息傳遞模組112均設置於外裝122內。透過外裝122的包覆，可保護感測模組108、系統管理模組110與訊息傳遞模組112免於受損，值得注意的是，感測模組108、系統管理模組110與訊息傳遞模組112於外裝122內的設置位置並不以 第3圖所揭露的為限，本領域者可依據使用需求及設計理念調整外裝122的形狀、位置及感測模組108、系統管理模組110與訊息傳遞模組112於外裝內的設置位置。

在一實施例中，根據使用需求，步態資訊感測裝置102更可選擇性地包含連接件124，如第2圖所示，此連接件124可設置在外裝122之內側面上。透過此連接件124，可將外裝122接合於使用者鞋子上。在一實施例中，連接件124可例如為可重複黏貼之雙面膠帶或者為一鉤環裝置。因此，透過此雙面膠帶的連接，步態感測裝置102可根據使用者的不同使用需求而設置在其他裝置上，增加使用的便利性。

承前，感測模組108用以感測使用者之生理資訊係包括至少一種行動資訊，例如使用者之加速度、角加速度及足部壓力。系統管理模組110用以收集感測模組108所感測到之行動資訊等資料，並將所收集到之行動資訊等資料傳送至訊息傳遞模組112。如第3圖所示，在一實施例中，系統管理模組110可進一步包含定時單元116與動作視窗擷取單元120。透過定時單元116，系統管理模組110可定時地要求感測模組108進行行動資訊的感測，並向感測模組108擷取其所感測到之行動資訊，動作視窗擷取單元120則根據擷取到之資料進行判斷為一個步伐資訊，並將此筆步伐資訊傳送至訊息傳遞模組112。

進一步說明，在此實施例中，定時單元116設定有一時間片段，動作視窗擷取單元120以此時間片段作為資料區間進行一取樣作動，例如，於此實施例中採用0.2S作為一資料區間，而動作視窗擷取單元120對其感測模組108所量測到之加速度值計算其平均值及標準差值，其標準差計算方式為：

其中μ為其平均值。

除此之外，動作視窗擷取單元120設定有一門檻值，例如0.03，因此，假設當其時間片段中之標準差值大於0.03，動作視窗擷取單元120便設定此時間區間為開始時間片段，而持續記錄後續時間片段之值，直至一結束時間片段才完成一個腳步視窗的取樣。結束片段的判斷則須符合於下述兩項條件：|A-μ|<σ(A)；以及σ(A')<D _T

在一實施例中，系統管理模組110更可根據所收集到之行動資訊的資料格式，例如類比訊號模式，而選擇性地包含訊號轉換單元118。訊號轉換單元118用以將系統管理模組110所收集到之生理資訊(行動資訊)從類比模式轉換成數位模式，以利訊號傳遞模組112進行資料訊號的傳輸。在此實施例中，訊號轉換單元118先將系統管理模組110所收集到之資訊從類比模式轉換成數位模式，動作視窗擷取單元120再對此經轉換後之資訊進行比對及取樣。

此外，訊息傳遞模組112可接收系統管理模組110所傳來之步伐資訊，然後利用例如有線或無線傳輸方式，將所接收包含步伐資訊之生理資訊傳送至步態分析裝置104。在一實施例中，訊息傳遞模組112可透過無線傳輸器，例如藍牙無線發送器，將所接收之步伐資訊傳送至步態分析裝置104。

在一實施例中，步態感測裝置102更可根據電力需求，而選擇性地包含電源供應模組114。電源供應模組114可分別與感測模組108、訊息傳遞模組112與系統管理模組110電性連接，以供電予感測模組108、訊息傳遞模組112與系統管理模組110，以維持上述模組之正常運作。在一些例子中，電源供應模組114可由一般電池所構成。

承前，步態分析裝置104可分析所接收到之步伐資訊等資料，並可根據分析這些資料的結果來判斷使用者之步態特徵，例如判斷使用者目前為行走、跑步或上下樓梯等之一動作狀態或者作為步伐前進、後退、向左、向右、左前、左後、右前及右後等之一方向狀態。

在一實施例中，步態分析裝置104可為電腦、行動裝置、處理器、微控制器、可執行運算及/或控制的晶片組或可進行數據管理計算之儀器。請再次參照第1圖，步態分析裝置104可進一步將分析之步態特徵傳送至應用服務系統106。應用服務提供系統106可接收步態分析裝置104分析後之步態資訊，並顯示使用者之相關行動資訊、或根據使用者之步態狀態而對使用者提供相對應之控制方式。在另一實施例中，步態分析裝置104亦可具有顯示使用者之相關步態資訊的功能。

承前所述，本創作所揭露的步態監控系統100可搭配不同類型的應用服務系統106。在一實施例中，應用服務系統106可為行動照護系統，且可根據步態分析裝置104所提供之使用者的行動狀態(步態特徵)來監測使用者行動情況。於此實例中，步態感測裝置102可量測使用者之加速度、角加速度以及壓力等生理資訊。然而，本示範實施例可不限定於這些特定之生理資訊， 而可透過變更感測模組108來進行不同資訊的量測。

在另一實施例中，應用服務系統106可為人機介面控制系統，且可根據步態分析裝置104所提供之使用者的行動狀態來做為控制服務。於此實例中，感測裝置102可量測使用者之加速度資訊，而判斷其對應於應用服務系統對應之控制命令，例如確認、向左、向右等控制函式。然而，本示範實施例可不限定於這些特定之生理資訊，而可透過變更感測模組108來進行不同生理資訊的量測。

以下創作人簡述前述步態監控系統100的實施方式，請參照第1至3圖。在此實施方式中，可利用例如連接件124，將步態感測裝置102設置在使用者在使用之物件上，例如第3圖所示之鞋子上。於此步驟中，當使用者欲使用某物件時，其可藉由連接件124而將步態感測裝置102設置在此物件上，以啟動步態感測裝置102感測使用者行動資訊的功能。

接下來，如前所述，利用步態感測裝置102來感測使用者之一或多種行動資訊，例如加速度、角加速度與壓力等。隨後，步態感測裝置102之系統管理模組110則藉由其定時單元116定時傳送命令要求感測模組108進行使用者之生理資訊感測，並向感測模組108擷取其所感測到之生理資訊等資料。

接著，當系統管理模組110所收集到之行動資訊的資料格式為類比格式時，系統管理模組110更可選擇性地包含訊號轉換單元118。並且，可選擇性地利用訊號轉換單元118對系統管理模組110所收集到之行動資訊進行數位化轉換處理，以將這些類比資料轉換成數位模式，以利訊號傳遞模組112進行資料訊號的傳輸。

接下來，承前所述，利用步態感測裝置102之系統管理模組110中的動作視窗擷取單元120進行資料的處理，找尋其開始時間片段與結束時間片段，最後紀錄在兩時間片段之資料值作為步伐資訊。

值得注意的是，訊息傳遞模組112可透過無線傳輸器(例如是藍牙無線發送器)將上述步伐資訊等資料傳送至步態分析裝置104。

接著，利用步態分析裝置104分析步態感測裝置102傳來之步伐資訊，並對此步伐資訊進行確認，以判斷此步伐資訊為其對應之動作資訊。

在步態監控系統100之應用服務系統106為行動照護系統的實施例中，步態分析裝置104可記錄及儲存使用者之步態資訊，並分析所接收到之使用者的各種步態資訊群，例如加速度、角加速度及壓力等，並依據這些資訊群，而計算出對應各種生理資訊群的資料特徵，例如最大值、最小值、平均值、均方根值、標準差與頻率等。而根據其資訊資料群之特徵進行行動方式比對，其中此比對方式具體實施方式可採用SVM(Support Vector Machines)或者K-means進行比對為現今動作因該為何種，其例如為走路、跑步、上下樓梯或發生跌倒意外，其優點在於可對於使用者作姿態監測並進行安全防護。步態分析裝置104接著將推論之結果傳送至應用服務系統106，以告知使用者其行動狀態事件，或者可透過網路或簡訊通知此使用者之相關人員或醫護人員進行危急狀態事件的處置。

在步態監控系統100之應用服務系統106為人機介面控制系統的實施例中，如第3圖所示，此實施例係將步態感測 裝置102接合在鞋子126之外側面，且係採用加速度資訊來進行分析。此學習分析方法係將依據所判斷的腳步資訊，判斷使用者腳步移動事件進而對應到控制方式。該移動狀態事件包括：前進、後退、向左、向右、左前、左後、右前及右後狀態。而其應用服務系統106則根據其移動狀態事件進行對應控制動作，例如左鍵、右鍵、上、下、確認、返回等控制動作，而此實施例之具體應用則將不限於上述之控制動作命令。

在上述實施例中，則採用其感測資訊為加速度值與角加速度，其中取其特徵值為平均值及標準差，一個完整之步伐可分為啟動時所接受之初始加速度及動作結束時反向之終止加速度。其二維之分量恰好為Y分量及Z分量。根據特徵值AvgFHAy與AvgSHAy及AvgFHAvz與AvgSHAz之差距可得知加速度分向量之大小與方向，同時可計算合向量之長度MT與旋轉角度Θ。以步伐向前為例，其YZ分量波形、MT與Θ之轉換。依據不同之旋轉角度Θ可推得腳步移動之方向，方位之分類可大致分為八種，其角度Θ與方位之對應關係如第4圖所示。就以上層應用服務之需求，所需細分之步伐變化過程又包含12種，伐變化過程之分類以起始點及終點作為區分。步伐變化過程以左右腳之差所與方位之對應關係也有些微差異。以左腳為例，其與方位之對應如表1所示：

根據此對應關係既可得知左右腳之步伐移動方向及其最後座落之方位。比較特別的情況為當方位判定為OTF及OTB，於此狀況仍不利於判斷腳步最後終止於何處。由於就以左腳為例，由後方至原點、後方至前方及原點至前方，所對應至方位都相同。為解決此判斷上之疑慮，必須參考其他特徵值之表現如DevAy、DevAz、Ry與Rz等。雖然方位相同但由於位移量之不同會導致Ry與Rz有明顯之差異。此外透過前一筆步伐資訊既可得知出發點為何以利詳加判定。完成主要腳步移位之方向及坐落點分析後，尚可依據特徵值Length計算所經歷之時間、速度及頻率等資訊，完成使用者動態資訊之分析。

步態分析裝置104接著將推論之結果傳送至應用服務系統106，以告知其應用程式其步態資訊等，而其應用程式則可根據其步態資訊進行相對應控制命令。

在此實施例中，其應用程式可為行動裝置上之應用程式，當使用者藉由步態感測裝置進行行動時，則其應用程式則可做對應控制動作，讓使用者可以不用藉由手部或外部遙控器便可進行控制方式。

由上述之實施方式可知，本創作之一優點就是因為本創作之步態感測裝置可透過連接件而附設於使用者正使用之裝置的外側面上。因此，步態感測裝置可依使用者需求而應用在不同鞋子上，因而可大幅提高資訊感測裝置的應用性，降低使用者 的負擔。

由上述之實施方式可知，本創作之另一優點就是因為本創作之步態監控系統可將步態感測裝置、步態分析裝置及應用服務系統有效整合。因此，可即時分析所感測到之行動資訊，並判斷使用者之行動狀態，來提供使用者所需之應用服務或者監測服務，達到將資訊感測裝置與生活做整合的效果。

雖然本創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧步態監控系統

102‧‧‧步態感測裝置

104‧‧‧步態分析裝置

106‧‧‧應用服務系統

Claims (12)

1. 一種步態監控系統，包括有：一步態感測裝置，係感測並輸出一使用者之至少一生理資訊；一步態分析裝置，電性連接於該步態感測裝置，該步態分析裝置係接收該生理資訊，並依據該生理資訊對應判斷該使用者之一步態特徵；以及一應用服務系統，電性連接接於該步態分析裝置，該應用服務系統係依據該步態特徵，針對該使用者對應執行一作動。
2. 如請求項第1項所述的步態監控系統，其中該步態感測裝置更包括有：一感測模組，該步態感測裝置係透過該感測模組感測並輸出包含有一行動資訊之該生理資訊；一系統管理模組，電性連接接於該感測模組，該系統管理模組更包括有一定時單元以及一動作視窗擷取單元，該定時單元係設定有一時間片段，該系統管理模組係透過該動作視窗擷取單元執行一取樣作動，以擷取各該時間片段內之該行動資訊為一步伐資訊；以及一訊息傳遞模組，耦接於該系統管理模組，該訊息傳遞模組係接收該步伐資訊，並對應傳送該步伐資訊至該步態分析裝置。
3. 如請求項第2項所述的步態監控系統，其中該系統管理模組具有一門檻值，該系統管理模組執行之該取樣作動係分別依據各該時間片段內之該行動資訊對應計算一加速度標準差，該系統管理模組比對該加速度標準差及該門檻值，並對應擷取該加速度標準差大於該門檻值之各該時間片段內之該行動資訊為該步伐資訊。
4. 如請求項第2項所述的步態監控系統，其中該系統管理模組更具有一訊號轉換單元，以執行該行動資訊之類比/數位轉換作動。
5. 如請求項第2項所述的步態監控系統，其中該步態感測裝置更包括有一電源供應模組，分別電性連接於該感測模組、該系統管理模組以及該訊息傳遞模組。
6. 如請求項第2項所述的步態監控系統，其中該步態分析裝置依據該生理資訊，對應判斷該使用者之該步態特徵係分析該生理資訊中的該步伐資訊，以判斷該使用者之一動作狀態以及一方向狀態。
7. 如請求項第2項所述之步態監控系統，其中該步態感測裝置更包括有一外裝，該感測模組、該系統管理模組以及該訊息傳遞模組係設置於該外裝內。
8. 如請求項第7項所述之步態監控系統，其中該步態感測裝置更包括有一連接件，選擇性設置於該外裝內，該步態感測裝置係經由該連接件接合於該使用者之一物件。
9. 如請求項第6項所述之步態監控系統，其中該生理資訊係包括三軸加速度值、頻率、壓力值以及(或)角加速度值。
10. 如請求項第1項所述的步態監控系統，其中該應用服務系統係為一健康照護系統。
11. 如請求項第1項所述的步態監控系統，其中該應用服務系統係為一人機介面控制系統。
12. 如請求項第1項所述的步態監控系統，其中該應用服務系統係為一行動照護控制系統。