专利名称：一种人体能量消耗测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种日常健身辅助器械，尤其是一种利用热释电元件实现对人体运动
消耗能量进行测量的装置及方法。
背景技术：
随着生活水平的提高，健身活动的重要性已经为越来越多的人所认可，对健身类 的辅助器具的需求也呈现快速上升的趋势。从健身效果来看，如能知道具体的运动所导致 人体能量消耗的值，并将其用于健身活动的指导与控制，要比单纯的健身活动更好。因此， 人体运动能量消耗的测试与估算，对于指导科学健身非常重要。 人体能量消耗的精确测试非常复杂，且往往需要昂贵的测试仪器、复杂的测试流 程，才能得到比较准确的结果，一般主要用在如运动员训练等专业性很强的场合。对于普通 人群而言缺乏实际意义。所以，在实际应用中，主要采用一些简单的测试方法及仪器，或者 简单的计算公式进行估算。目前常用的估算方式是一些统计得到的经验公式，如常见的跑 步运动、游泳、羽毛球运动等，可将持续运动的时间长度乘以一个经验系数，得到消耗能量 的估算值。这种方式操作简单，但精度不高，且需要知道具体的运动形式。另一种常见的测 试仪器是有人体消耗能量计算功能的计步器，通过测量人体步行运动的步数，估算所消耗 的能量。然而，这种计步器仅用行走步数的总合来计算能量信号，而人体步行速度的快慢， 实际上对人体消耗能量值有很大影响。此外，这种装置必须在运动时垂直佩带在人体之上， 不仅使用起来不是很方便，并且无法感知人体上肢运动，如转身、扭腰等同样可以消耗人体 能量的运动情况。 针对上述现有技术的不足，本发明采用红外测量方式，通过测量与人体运动所对 应的红外信号变化，感知人体运动信息，实现人体运动消耗能量的估算。 利用热释电元件结合覆盖于其上的菲涅耳透镜，组成红外探测器，可将探测范围 内的人体辐射出的红外能量转换为电信号。当人体在探测范围内静止时，传感器无输出。 当人体在探测范围内运动时，传感器输出与人体运动规律相对应的、动态变化的电信号。因 此，这种传感器也称为人体运动传感器。 这种人体运动传感器的制作成本低廉，在防盗报警、公共场所的自动照明等方面 有广泛的应用。 图1给出了目前已有技术中，这种人体运动探测装置的典型构成方式。在探测范 围内的人体1辐射出的红外线，经菲涅耳透镜2后，入射到热释电元件3的表面。所产生的 电信号经放大电路4放大后，得到模拟电压信号5。模拟电压信号5进入比较器电路7。比 较器电路7将输入的电信号与阈值电压电路6所给出的阈值电压相比较，如电信号的幅值 超出阈值电压范围，则比较器电路7给出二值化信号8，经信号保持电路9后，转换为开关信 号IO，驱动后续的被控装置11产生如开关、报警等动作。 这种应用方式的最大特点在于比较器电路7的采用。探测装置通过阈值电压比 较，给出探测范围内运动人体有或无的开关信号，触发后级的报警电路或其他执行机构工作。
发明内容
测量人体运动能量消耗，现有技术有很多不足。本发明利用成本低廉的热释电红 外传感器，采用红外测量方式，通过测量与人体运动所对应的红外信号变化，感知人体运动 信息，实现人体运动消耗能量的估算。
本发明的技术方案如下 —种人体能量消耗测量装置，其特征在于，该装置包括菲涅耳透镜、热释电元件、 放大电路、数据采集电路、数字信号处理单元、人体参数输入单元、人体消耗能量计算单元 以及显示记录单元；所述的菲涅耳透镜覆盖在热释电元件上面，热释电元件的输出端口与 放大电路的输入端口相连接，放大电路的输出端口与数据采集电路的输入端口相连接，数 据采集电路的输出端口与数字信号处理单元的输入端口相连接，数字信号处理单元的输出 端口 、人体参数输入单元的输出端口与人体消耗能量计算单元的输入端口相连接，能量消 耗计算单元的输出端口和显示记录单元相连接。 本发明提供的一种人体能量消耗测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤
1)人体辐射出的红外线依次经过由菲涅耳透镜和热释电元件组成的探测系统，输 出电信号，电信号经过放大电路放大后，得到模拟电压信号；
2)模拟电压信号经过数据采集电路，转换为数字信号； 3)数字信号经过数字信号处理电路进行寻峰和频域分析，实现动作计数和频率计 数； 4)将动作计数和频率计数，以及人体的性别、身高和体重参数输入人体消耗能量
计算单元，人体消耗能量计算单元根据以下经验公式估算出人体运动所消耗的能量数值； 男性步行能量消耗/kcal = 0. 53H+0. 58W+0. 37F+1. 51T-145. 03 ; 女性步行能量消耗/kcal = 0. 003H+0. 45W+0. 16F+0. 39T-12. 93 ;其中H表示身高/cm;W表示体重/kg ;F表示步频/步数每分钟；T表示时间/min。 5)将人体运动所消耗的能量数值传送到显示记录单元进行数据显示与记录。 本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果利用本发明装置测量人体运
动过程中的能量消耗，人体不需要佩带任何装置，只要在传感器的探测范围内自由运动即
可，使用起来更方便，且非常适合室内的即兴运动。而且，本发明装置成本极低、功耗极小，
算法也非常简单。
图1为已有的人体运动探测装置的典型构成方式。 图2为本发明装置的工作原理图。 图3为人体运动时的典型信号。 图4为寻峰算法流程图。 图5为实例中的踏步信号。 图6为实例中踏步信号的傅里叶频谱分析图。 图中1-人体；2_菲涅耳透镜；3_热释电元件；4_放大电路；5_模拟电压信号；CN 101703403 A 6_阈值电压电路；7-比较器电路；8-二值化信号；9-信号保持电路；10_开关信号；ll-被 控装置；12-数据采集电路；13-数字信号处理电路；14-人体参数输入单元；15_人体消耗 能量计算；16-显示记录单元；17-人体静止时的信号；18-信号峰；19-信号谷。
具体实施例方式
下面结合说明图对本发明的工作原理、具体实施过程进行详细说明。 图2为本发明装置的工作原理图，该装置包括菲涅耳透镜、热释电元件、放大电
路、数据采集电路、数字信号处理单元、人体参数输入单元、人体消耗能量计算单元以及显
示记录单元；所述的菲涅耳透镜覆盖在热释电元件上面，热释电元件的输出端口与放大电
路的输入端口相连接，放大电路的输出端口与数据采集电路的输入端口相连接，数据采集
电路的输出端口与数字信号处理单元的输入端口相连接，数字信号处理单元的输出端口 、
人体参数输入单元的输出端口与人体消耗能量计算单元的输入端口相连接，能量消耗计算
单元的输出端口和显示记录单元相连接。 本发明利用热释电传感器探测人体运动的信息，通过寻峰算法进行动作计数，通 过傅里叶分析进行频率计数，再利用已有的人体运动能量消耗经验公式，估算出人体运动 所消耗的能量。 人体1辐射出的红外线经菲涅耳透镜2、热释电元件3、放大电路4放大后，输出的 电压信号5经数据采集电路12后，转换为数字信号。实际探测到的典型运动信号如图3所 示，动作峰的信息为主要信息。图4是寻峰算法的流程图。该寻峰算法是本发明方法的核 心算法，可以实现对人体运动过程中的动作计数。利用数字信号处理单元13通过寻峰和频 率分析，进行动作计数与频率计数，得到动作次数N以及动作频率F，传入人体消耗能量计 算单元15，同时将人体的性别、身高和体重参数通过人体参数输入单元14输入人体消耗能 量计算单元15，人体消耗能量计算单元根据以下经验公式估算出人体运动所消耗的能量数 值 男性步行能量消耗/kcal = 0. 53H+0. 58W+0. 37F+1. 51T-145. 03 ;
女性步行能量消耗/kcal = 0. 003H+0. 45W+0. 16F+0. 39T-12. 93 ; 其中H表示身高/cm ;W表示体重/kg ;F表示步频/步数每分钟；T表示时间/min。
最后将人体运动所消耗的能量数值传送到显示记录单元进行数据显示与记录。
实施例 作为一个说明例，图5为一名志愿者正面朝向菲涅耳透镜2以步行速度踏步时采 集到的信号。图5中，信号曲线段17为人体静止时的信号，信号峰18以及信号谷19则分 别对应人体步行1、2步时的信号。利用寻峰算法，得到动作次数N = 20 ;图6是对图5时域 信号进行傅里叶分析得到的信号频谱图，从图6可以看出信号频率为0. 8Hz，得到步频为F =60*0. 8*2 = 96步/min。运动时间为T = 20/96 = 0. 21min ;志愿者为男性，体重70kg， 身高185cm ;将这些参数输入计算单元，根据经验公式
步行能量消耗/kcal = 0. 53H+0. 58W+0. 37F+1. 51T-145. 03
= 0. 53 X 185+0. 58 X 70+0. 37 X 96+1. 51X0. 21-145. 03
= 29.46/kcal
权利要求
一种人体能量消耗测量装置，其特征在于，该装置包括菲涅耳透镜(2)、热释电元件(3)、放大电路(4)、数据采集电路(12)、数字信号处理单元(13)、人体参数输入单元(14)、人体消耗能量计算单元(15)以及显示记录单元(16)；所述的菲涅耳透镜覆盖在热释电元件上面，热释电元件的输出端口与放大电路的输入端口相连接，放大电路的输出端口与数据采集电路的输入端口相连接，数据采集电路的输出端口与数字信号处理单元的输入端口相连接，数字信号处理单元的输出端口、人体参数输入单元的输出端口与人体消耗能量计算单元的输入端口相连接，能量消耗计算单元的输出端口和显示记录单元相连接。
2. 如权利要求1所述的一种人体能量消耗测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤1) 人体(1)辐射出的红外线依次经过由菲涅耳透镜和热释电元件组成的探测系统，输出电信号，电信号经过放大电路放大后，得到模拟电压信号(5);2) 模拟电压信号(5)经过数据采集电路，转换为数字信号；3) 数字信号经过数字信号处理电路进行寻峰和频域分析，实现动作计数和频率计数；4) 将动作计数和频率计数，以及人体的性别、身高和体重参数输入人体消耗能量计算单元，人体消耗能量计算单元根据以下经验公式估算出人体运动所消耗的能量数值；男性步行能量消耗/kcal = 0. 53H+0. 58W+0. 37F+1. 51T-145. 03 ;女性步行能量消耗/kcal = 0. 003H+0. 45W+0. 16F+0. 39T-12. 93 ;其中H表示身高/cm ;W表示体重/kg ;F表示步频/步数每分钟；T表示时间/min。5) 将人体运动所消耗的能量数值传送到显示记录单元进行数据显示与记录。
全文摘要
一种人体能量消耗测量装置及方法，属于日常健身辅助器械技术领域。本发明由热释电元件以及覆盖于其上的菲涅耳透镜组成红外探测器，探测范围内人体所辐射出的红外线经菲涅耳透镜，入射到热释电元件上，热释电元件产生与人体运动形态相应的电信号，该电信号经放大电路放大后得到模拟电压信号，该模拟电压信号进入数据采集电路转换为数字信号，该数字信号再经过数字信号处理电路对信号进行分析处理，实现人体运动动作计数和频率计数并将数据输入人体消耗能量计算单元，同时将运动人体参数通过人体参数输入单元输入到人体消耗能量计算单元，利用经验公式计算得到人体运动所导致的能量消耗值。本装置及方法可用做日常健身活动的辅助器械。
文档编号G01J5/12GK101703403SQ20091023772
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者杨靖, 王东生, 董永贵 申请人:清华大学