跑步姿势判定方法、系统、智能穿戴设备及存储介质与流程

本发明涉及智能穿戴设备技术领域，特别涉及一种跑步姿势判定方法、系统、一种计算机可读存储介质及一种智能穿戴设备。

背景技术

当今社会，工作节奏过快，越来越多的人承受巨大的工作压力和拥有不规律的生活，使更多的人通过运动来调节自己的体质，保持健康状态。在各项运动中，更多的人选择跑步锻炼身体，正确的跑步姿势，增强人体体质、延缓人体衰老。但是，如果跑步姿势不正确，将会导致膝盖受损、扭伤等问题，因此需要避免错误跑步姿势带来的损伤。

现有技术中，主要通过具有矫正跑姿功能的运动跑鞋来进行跑步姿势的矫正，该运动跑鞋的内部集成多个传感器，通过监测人体跑步时脚部触地范围和运动频率，将采集到的数据通过无线蓝牙通信发送至手机端，从而纠正错误的跑步姿势。但是在跑步过程中若足部的姿态不正确同样会对人体带来损伤，而现有技术中具有矫正跑姿功能的运动跑鞋检测的触地范围和运动频率只能够对足部及腿部的运动状态进行矫正，无法判断脚踝姿态是否正确。

因此，如何准确的判断跑步过程中脚踝的姿态是否正确，帮助用户在跑步过程中维持正确的跑步姿势是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种跑步姿势判定方法、系统、一种计算机可读存储介质及一种智能穿戴设备，能够准确的判断跑步过程中脚踝的姿态是否正确，帮助用户在跑步过程中维持正确的跑步姿势。

为解决上述技术问题，本申请提供一种跑步姿势判定方法，该方法包括：

接收六轴传感器检测的脚踝运动数据，并将脚踝运动数据进行分离处理得到加速度计信号和陀螺仪信号；其中，六轴传感器设置于脚踝部位；

根据加速度计信号判断六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态；

若处于支撑状态，则根据陀螺仪信号确定脚踝部位的摆动角度，并判断摆动角度是否在预设范围内；

若否，则判定跑步姿势错误。

可选的，根据陀螺仪信号确定脚踝部位的摆动角度包括：

对陀螺仪信号进行模/数转换得到第一数字信号并利用卡尔曼滤波器对第一数字信号进行滤波处理得到脚踝部位的摆动角度。

可选的，对陀螺仪信号进行模/数转换得到第一数字信号并利用卡尔曼滤波器对第一数字信号进行滤波处理得到脚踝部位的摆动角度包括：

对所述陀螺仪信号进行模/数转换得到第一数字信号并对第一数字信号进行滤波处理得到角速度实际测量值

根据补偿公式对角速度实际测量值进行偏移补偿得到角速度真实测量值w，并根据角速度真实测量值w计算摆动角度；其中，补偿公式为为六轴传感器的陀螺仪的交叉耦合效应参数，b为陀螺仪的偏移量。

可选的，根据加速度计信号判断六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态包括：

对加速度计信号进行模/数转换得到第二数字信号并利用卡尔曼滤波器对第二数字信号进行滤波处理得到脚踝部位的加速度数据；

判断加速度数据在重力方向上的分量是否等于重力加速度；

若是，则六轴传感器对应的足部处于支撑状态。

可选的，还包括：

判断足部持续处于支撑状态的时间是否大于预设值；

若是，则判定跑步频率过低并提示用户提高跑步频率。

可选的，在判定跑步姿势错误之后，还包括：

生成提示用户矫正所述跑步姿势的提示信息，并将所述提示信息传输至用户端。

本申请还提供了一种跑步姿势判定系统，该系统包括：

数据处理模块，用于接收六轴传感器检测的脚踝运动数据，并将脚踝运动数据进行分离处理得到加速度计信号和陀螺仪信号；其中，六轴传感器设置于脚踝部位；

足部状态判断模块，用于根据加速度计信号判断六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态；

脚踝角度确定模块，用于当足部处于支撑状态时，根据陀螺仪信号确定脚踝部位的摆动角度，并判断摆动角度是否在预设范围内；

评价模块，用于当摆动角度不在预设范围内时，判定跑步姿势错误。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序执行时实现上述跑步姿势判定方法执行的步骤。

本申请还提供了一种智能穿戴设备，该智能穿戴设备包括：

设置于脚踝部位的六轴传感器，用于获取脚踝部位的脚踝运动数据；

与六轴传感器连接的滤波电路，用于将脚踝运动数据分离为加速度计信号和陀螺仪信号；

与滤波电路连接的处理器，用于根据加速度计信号判断六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态；若处于支撑状态，则根据陀螺仪信号确定脚踝部位的摆动角度，并判断摆动角度是否在预设范围内；若否，则判定跑步姿势错误。

可选的，处理器包括：

与滤波电路连接的a/d采样电路，用于分别对加速度计信号和陀螺仪信号进行模/数转换得到第一数字信号和第二数字信号；

与a/d采样模块连接的卡尔曼滤波器，用于分别对第一数字信号和第二数字信号进行滤波处理得到脚踝部位的摆动角度和重力方向加速度值；

与卡尔曼滤波器连接的处理电路，用于根据重力方向加速度值判断六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态；若处于支撑状态，则判断摆动角度是否在预设范围内；若否，则判定跑步姿势错误。

本发明提供了一种跑步姿势判定方法，包括接收六轴传感器检测的脚踝运动数据，并将脚踝运动数据进行分离处理得到加速度计信号和陀螺仪信号；其中，六轴传感器设置于脚踝部位；根据加速度计信号判断六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态；若处于支撑状态，则根据陀螺仪信号确定脚踝部位的摆动角度，并判断摆动角度是否在预设范围内；若否，则判定跑步姿势错误。

跑步运动主要通过足部完成整个跑步姿势，在跑步过程中双脚轮换支撑时支撑脚的脚踝的摆动角度过大会损害人体健康。基于此，本发明通过在脚踝部位设置六轴传感器，通过六轴传感器能够获取加速度计信号和陀螺仪信号。根据加速度计信号能够确定足部处于支撑状态的时刻，进而通过陀螺仪信号获得检测在跑步过程中支撑脚脚踝的摆动角度，若摆动角度过大说明跑步姿势不正确提示用户矫正跑步姿势。本方案能够准确的判断跑步过程中脚踝的姿态是否正确，帮助用户在跑步过程中维持正确的跑步姿势。本申请同时还提供了一种跑步姿势判定系统、一种计算机可读存储介质和一种智能穿戴设备，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种跑步姿势判定方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的一种跑步速度调整的流程图；

图3为本申请实施例所提供的另一种跑步姿势判定方法的流程图；

图4为本申请实施例所提供的一种跑步姿势判定系统的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种智能穿戴设备结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种跑步姿势判定方法的流程图。

具体步骤可以包括：

s101：接收六轴传感器检测的脚踝运动数据，并将脚踝运动数据进行分离处理得到加速度计信号和陀螺仪信号；

其中，六轴传感器设置于脚踝部位，六轴传感器可以与脚踝部位直接接触，也可以与脚踝部位间接接触，总之在使用过程中六轴传感器与脚踝部位的相对位置保持不变，即六轴传感器与脚踝部位的运动状态时刻保持一致，六轴传感器检测的脚踝运动数据能够真实反映脚踝部位的运动状态。本实施例并不限定六轴传感器的数量，可以仅在左脚脚踝或右脚脚踝上设置六轴传感器，也可以在双脚的脚踝上都设置六轴传感器，只不过仅在一只脚的脚踝上设置六轴传感器仅仅能够检测一只脚的运动状态，而在双脚的脚踝上均设置六轴传感器能够更加全面的评价用户的跑步姿态。六轴传感器又叫六轴运动传感器。

六轴传感器可以包括加速计与螺旋仪，因此可以通过分离处理将用于描述脚踝运动状况的脚踝运动数据分离得到加速度计信号和陀螺仪信号。加速度计信号是感应立体空间三个方向的轴向上的加速度状态的信号，根据加速度信号可以确定脚踝的运动加速度、运动方向以及运动速率。陀螺仪信号是描述脚踝部位在立体空间全方位的角速度变化情况的信号，根据陀螺仪信号能够确定脚踝的在运动过程中的转动角速度，进而得到脚踝部位的转动角度。

需要说明的是，本实施例中的六轴传感器是设置在脚踝部位的，默认六轴传感器与脚踝部位的运动状态是完全一致的，因此得到的加速度计信号和陀螺仪信号都是用来表示脚踝部位的运动状态的信号。

s102：根据加速度计信号判断六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态；若是，则进入s103；若否，则结束流程；

其中，本步骤的目的在于根据加速度计信号判断六轴传感器对应的足部(即设置有六轴传感器的脚踝对应的足部)是处于支撑状态还是处于悬空状态。根据加速度计信号可以确定脚踝部位的加速度，当脚踝部位的足部处于支撑状态时，脚踝部位的加速度在重力方向(竖直方向)上的分量为重力加速度；当脚踝部位的足部处于悬空状态(非支撑状态)时，脚踝部位的加速度在重力方向(竖直方向)上的分量为大于或小于重力加速度。因此可以根据加速度计信号确定脚踝部位的加速度，再判断脚踝部位的加速度是否符合足部支撑时脚踝部位的加速度要求，来分析六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态。

具体的，判断足部是否处于支撑状态的过程如下：

当六轴传感器不随脚踝部位运动处于平面位置时，根据加速度计信号可以得到加速度初始值ax＝0，ay＝0，az＝g；ax、ay、az分别为脚踝部位在x轴、y轴和z轴三个方向上的加速度分量，由于六轴传感器不随脚踝部位运动处于平面位置因此六轴传感器只受重力的作用，只能在竖直方向(z轴方向)检测到加速度——重力加速度g，其他方向没有加速度。当脚踝部位处于运动状态时，x轴、y轴和z轴三个方向上的加速度分量都可以有所改变，此时根据加速度计信号可以得到加速度的真实测量值若加速度的真实测量值在竖直方向的分量等于加速度初始值在竖直方向的分量时，即说明六轴传感器对应的足部处于支撑状态。

由于在跑步过程中支撑脚的脚踝的摆动角度是评价跑步姿态是否正确的标准，因此在本实施例中先判断六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态再分析脚踝部位的摆动角度。若六轴传感器对应的足部未处于支撑状态，那么再根据陀螺仪信号确定摆动角度获取的摆动角度不具备参考价值。

s103：根据陀螺仪信号确定脚踝部位的摆动角度；

其中，本步骤是建立在s102已经判断六轴传感器对应的足部处于支撑状态的基础上，根据前面的论述可以知道本实施例所要确定的脚踝部位的摆动角度是脚踝部位对应的足部处于支撑状态时的摆动角度，因此本步骤默认此处提到的陀螺仪信号与s102中的加速计信号为六轴传感器在同一时刻测得的两个信号。

具体的，计算脚踝部位的摆动角度过程如下：

根据陀螺仪信号可以得到角速度实际测量值其中分别为脚踝部位在x轴、y轴和z轴三个方向上角速度的分量。需要说明的是，三个方向上角速度的实际测量值均是没有考虑陀螺仪偏移量的初步的测量值并不能真实反映脚踝部位的转动角度。在陀螺仪中会通过交叉耦合效应能够使具有相同频率的水平加速度和垂直加速度同时作用于陀螺仪的摆，因此在计算角速度真实测量值时还需要考虑交叉耦合效应参数kij。在当地球自转的角速度大于陀螺仪的灵敏度时，可忽略当地经纬度对陀螺仪的影响，可以对角速度实际测量值进行偏移量补偿得到角速度真实测量值wx、wy、wz，其中最后可以根据角速度的真实测量值可以得到脚踝部位的摆动角度。

其中，kij中的i，j分别可以取x,y,z中的任意值，x代表横轴，y代表纵轴，z代表高度，若选取i＝x，j＝y，就说明现在在xy平面，kij为陀螺仪在xy平面的交叉耦合效应参数，依次类推。

s104：判断摆动角度是否在预设范围内；若是，则结束流程；若否，则进入s105；

其中，本步骤是建立在已经确定支撑脚的脚踝部位的摆动角度的基础上，判断脚踝部位处于该摆动角度时用户是否处于正确的跑步姿态。根据运动学分析，人类最理想的跑步姿态是支撑脚的脚踝部位和臀部处于同一条直线上，当然也可以设置一个适当的范围作为支撑脚的脚踝部位正确的旋转角度。最为一种优选的实施方案，可以先设定支撑脚的脚踝部位处于正确的跑步姿势时脚踝部位的旋转角度，如80°～100°(当旋转角度为90°时脚踝部位与臀部处于同一条直线上)，在s103得到脚踝部位的摆动角度后判断该摆动角度是否在80°～100°的范围内；若是，则说明跑步姿势正确；若否，则说明跑步姿势错误。

s105：判定跑步姿势错误。

其中，在判定跑步姿势错误的基础上，还可以通过生成提示信息的方式提示用户矫正跑步姿势，将提示信息通过无线蓝牙通信发送至手机端进行显示或语音播报，从而纠正错误的跑步姿势。当然，作为一种优选的实施方法，还可以根据摆动角度与预设范围之间的偏差量确定用户跑步姿势错误的程度，根据不同程度生成对应的提示信息以便提示用户更好的矫正跑步姿势。

跑步运动主要通过足部完成整个跑步姿势，在跑步过程中双脚轮换支撑时支撑脚的脚踝的摆动角度过大会损害人体健康。基于此，本实施例通过在脚踝部位设置六轴传感器，通过六轴传感器能够加速度计信号和陀螺仪信号。根据加速度计信号能够确定足部处于支撑状态的时刻，进而通过陀螺仪信号获得检测在跑步过程中支撑脚脚踝的摆动角度，若摆动角度过大说明跑步姿势不正确。本实施例能够判断跑步过程中脚踝的姿态是否正确，帮助用户在跑步过程中维持正确的跑步姿势。

下面请参见图2，图2为本申请实施例所提供的一种跑步速度调整的流程图；本实施例可以作为上一实施例s102之后的增加的操作，能够提醒用户加快跑步频率。

具体步骤可以包括：

s201：判断足部持续处于支撑状态的时间是否大于预设值；若是，则进入s202；若否，则结束流程；

在人类跑步的过程中足部持续处于支撑状态的时间与跑步频率相关，因此可以根据持续处于支撑状态的时间是否大于某个预设值来确定用户在目标时间段内的步数。例如，正常人类的最佳跑步速度是70步-90步/min，通过六轴传感器的加速度计检测人体落地时的az＝g的时间t，当人体脚部落地时间t>1s时，则说明用户跑步频率过低。

s202：判定跑步频率过低并提示用户提高跑步频率。

与上一实施例中s105基本相同，在本步骤中可以通过生成提示信息的方式提示用户提高跑步频率，提示信息可以通过无线蓝牙通信发送至手机端进行显示或语音播报。当然，作为一种优选的实施方法，还可以根据足部持续处于支撑状态的时间长度确定用户跑步频率低于标准值的程度，根据不同程度生成对应的提示信息以便提示用户更好的矫正跑步姿势，提高跑步频率。

下面请参见图3，图3为本申请实施例所提供的另一种跑步姿势判定方法的流程图；本实施例是在前面两个实施例的基础上进行结合得到的，在本实施例中既能对用户跑步过程中脚踝的摆动角度进行检测进而判断跑步姿势是否正确，还能够根据脚踝部位的加速度信息变化情况判断跑步频率是否过慢。本实施例能够从脚踝摆动角度和跑步频率两个角度评价用户的跑步姿势，是基于图1和图2的实施例的一种更为优选的实施方式。

具体步骤可以包括：

s301：接收六轴传感器检测的脚踝运动数据；

其中，可以预先对六轴传感器进行基本设置，其中包括设置采样频率和设置测量范围。采样频率为每秒从六轴传感器提取的离散信号的个数，本实施例可以选用100hz的采样频率；设置范围为六轴传感器选用加速计acc和陀螺仪gyro，本专利选用六轴传感器，测量范围选择-6g-6g(g为重力加速度)进行测量。

还可以预先对六轴传感器进行基本数据补偿，提高数据采集的准确性，也可以对六轴传感器进行系统的阈值和检测的时间确定，以便完善数据检测设置。

s302：将脚踝运动数据进行分离处理得到加速度计信号和陀螺仪信号，并对加速度计信号和陀螺仪信号进行降噪处理。

其中，滤波电路具有分离出陀螺仪和加速度计的不同信号功能，可以通过滤波电路将脚踝运动数据进行分离处理得到加速度计信号和陀螺仪信号，并对加速度计信号和陀螺仪信号进行滤波噪声处理，得到较为准确的运动信息。

s303：对加速度计信号进行模/数转换得到第二数字信号并利用卡尔曼滤波器对第二数字信号进行滤波处理得到脚踝部位的加速度数据；

具体的本步骤就是将加速度信号进行a/d数据采样，将模拟信号转换为数字信号。

s304：判断加速度数据在重力方向上的分量是否等于重力加速度；若是，则进入s305和s309；若否，则结束流程；

s305：对所述陀螺仪信号进行模/数转换得到第一数字信号并利用卡尔曼滤波器对所述第一数字信号进行滤波处理得到角速度实际测量值

s306：根据补偿公式对所述角速度实际测量值进行偏移补偿得到角速度真实测量值w，并根据所述角速度真实测量值w计算所述摆动角度；

其中，摆动角度计算公式为kij为陀螺仪的交叉耦合效应参数，b为陀螺仪的偏移量。kij中的i，j分别可以取x,y,z中的任意值，x代表横轴，y代表纵轴，z代表高度，若选取i＝x，j＝y，就说明现在在xy平面，kij为陀螺仪在xy平面的交叉耦合效应参数，依次类推。

s307：判断摆动角度是否在预设范围内；若是，则结束流程；若否，则进入s308；

s308：判定跑步姿势错误，结束流程。

s309：判断足部持续处于支撑状态的时间是否大于预设值；若是，则进入s310；若否，则结束流程；

s310：判定跑步频率过低并提示用户提高跑步频率，结束流程。

请参见图4，图4为本申请实施例所提供的一种跑步姿势判定系统的结构示意图；

该系统可以包括：

数据处理模块100，用于接收六轴传感器检测的脚踝运动数据，并将脚踝运动数据进行分离处理得到加速度计信号和陀螺仪信号；其中，六轴传感器设置于脚踝部位；

足部状态判断模块200，用于根据加速度计信号判断六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态；

脚踝角度确定模块300，用于当足部处于支撑状态时，根据陀螺仪信号确定脚踝部位的摆动角度，并判断摆动角度是否在预设范围内；

评价模块400，用于当摆动角度不在预设范围内时，判定跑步姿势错误。

进一步的，脚踝角度确定模块300包括：

角度计算单元，用于对陀螺仪信号进行模/数转换得到第一数字信号并利用卡尔曼滤波器对第一数字信号进行滤波处理得到脚踝部位的摆动角度；

判断单元，用于判断摆动角度是否在预设范围内；

进一步的，角度计算单元包括：

角速度计算子单元，用于对所述陀螺仪信号进行模/数转换得到第一数字信号并对所述第一数字信号进行滤波处理得到角速度实际测量值

角度计算子单元，用于根据补偿公式对所述角速度实际测量值进行偏移补偿得到角速度真实测量值w，并根据所述角速度真实测量值w计算所述摆动角度；其中，所述补偿公式为kij为六轴传感器的陀螺仪的交叉耦合效应参数，b为所述陀螺仪的偏移量。

足部状态判断模块200包括：

加速度计算单元，用于对加速度计信号进行模/数转换得到第二数字信号并利用卡尔曼滤波器对第二数字信号进行滤波处理得到脚踝部位的加速度数据；

加速度判断单元，用于判断加速度数据在重力方向上的分量是否等于重力加速度；若是，则六轴传感器对应的足部处于支撑状态。

进一步的，该系统还包括：

判断足部持续处于支撑状态的时间是否大于预设值；

若是，则判定跑步频率过低并提示用户提高跑步频率。

进一步的，数据处理模块100包括：

数据接收单元，用于接收六轴传感器检测的脚踝运动数据

数据分离单元，用于将脚踝运动数据进行分离处理得到加速度计信号和陀螺仪信号，并对加速度计信号和陀螺仪信号进行降噪处理。

进一步的，该系统还包括：

提示模块，用于生成提示用户矫正所述跑步姿势的提示信息，并将所述提示信息传输至用户端。

由于系统部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此系统部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

请参见图5，图5为本申请实施例提供的一种智能穿戴设备结构示意图。本申请还提供了一种智能穿戴设备，可以包括设置于脚踝部位的六轴传感器，用于获取脚踝部位的脚踝运动数据；与六轴传感器连接的滤波电路，用于将脚踝运动数据分离为加速度计信号和陀螺仪信号；与滤波电路连接的处理器，用于根据加速度计信号判断六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态；若处于支撑状态，则根据陀螺仪信号确定脚踝部位的摆动角度，并判断摆动角度是否在预设范围内；若否，则判定跑步姿势错误。

可选的，处理器包括：

与滤波电路连接的a/d采样电路，用于分别对加速度计信号和陀螺仪信号进行模/数转换得到第一数字信号和第二数字信号；

与a/d采样模块连接的卡尔曼滤波器，用于分别对第一数字信号和第二数字信号进行滤波处理得到脚踝部位的摆动角度和重力方向加速度值；

与卡尔曼滤波器连接的处理电路，用于根据重力方向加速度值判断六轴传感器对应的足部是否处于支撑状态；若处于支撑状态，则判断摆动角度是否在预设范围内；若否，则判定跑步姿势错误。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。