用于确定运动感测装置的附着位置的方法和装置的制作方法

专利名称：用于确定运动感测装置的附着位置的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及用于确定运动感测装置的附着位置的方法和装置。更特别 地，本发明的各种实施例提供可操作为通过使用由运动感测装置感测的加速度测量确定运 动感测装置的附着位置的方法和装置。
背景技术：
运动感测装置常常被用于感测物体、动物或人的运动。例如，可以在运动员和动物 的训练和评价、伤残人员的康复和各种休养活动中利用感测和计算的诸如加速度、平均速 度、步幅距离、总距离和步态效率等的运动参数。运动感测装置常常必须被附着到诸如用户的鞋子、臂或手腕的特定的部位上，以 正确地感测和计算运动参数。因此，如果运动感测装置被附着到不正确的部件上，那么它会 不正确地起作用。并且，必须对于不同的附着部件使用不同地配置的运动感测装置，由此防 止用户在多于一个的附着配置中使用相同的运动感测装置。

发明内容
在各种实施例中，本发明提供一种运动感测装置，该运动感测装置一般包含可操 作为在附着位置上被附着到对象上的外壳单元；可操作为提供与加速度测量对应的信号的 加速计；和处理系统。处理系统可操作为获取与加速度测量对应的信号并分析获取的加速 度测量以识别外壳单元的附着位置。应当理解，以上的一般描述和以下的详细描述均是示例性的和解释性的，并且未 必限制要求保护的本发明。被包含于说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的实施 例，并与一般的描述一起用于解释本发明的原理。


以下参照附图详细描述本发明的各种实施例，其中，图1是示出使用根据本发明的各种实施例配置的传感器单元和用户界面单元的 用户的示意图；图2是示出鞋子内或上的各种传感器的示例性取向的示意图；图3是示出可操作为被本发明的各种实施例利用的部件中的一些的框图；图4是更详细地示出图3的部件中的一些的框图；图5是示出与图1的传感器单元和用户界面单元通信的外部系统单元的框图；图6是示出与GPS接收器通信的图5的用户界面单元和传感器单元的框图；图7是示出图5的用户界面单元和GPS接收器的另一配置的框图；图8是示出图5的传感器单元和GPS接收器的另一配置的框图；图9是示出图5的GPS接收器、用户界面单元和传感器单元的另一配置的框图；图10是表示根据本发明的各种实施例配置的多个装置的交互作用的示意图11是脚部安装的传感器单元的示例性加速度特征(signature)；图12是臂部安装的传感器单元的示例性加速度特征；图13是胸部安装的传感器单元的示例性加速度特征；图14是示出示例性处理方法的框图；图15是示出运动角度的示例性示图；图16是表示运动角度和上行或下行表面之间的关系的示例性示图；图17是表示运动参数度量和跨步速度之间的示例性相关性的示图。附图不将本发明限于这里公开和描述的特定的实施例。附图未必按比例，而是强 调清楚地示出本发明的各种实施例。
具体实施例方式本发明的各种实施例的以下的详细描述参照示出可实现本发明的特定实施例的 附图。实施例的意图在于充分详细地描述本发明的各方面以使得本领域技术人员能够实现 本发明。可以利用其它的实施例并且可进行改变，而不背离本发明的范围。因此，以下的详 细的描述不是以限制的方式进行的。连同赋予这些权利要求的等同物的整个范围一起，本 发明的范围仅由所附的权利要求限定。本发明的各种实施例提供可操作为基于一个或更多个加速度测量确定其附着位 置的运动感测装置10。装置10可基于识别的附着位置选择运动分析算法并通过使用选择 的运动分析算法确定运动参数。在各种实施例中，装置10可包含一个或更多个加速计12、过滤元件14和处理系统 16。加速计12、过滤元件14和处理系统16可被集成在一起以形成可相互关联的离散元件。 处理系统16 —般可操作为分析由一个或更多个加速计12提供的测量以确定装置10的附
着位置。一个或更多个加速计12分别可操作为测量加速度并产生与测量的加速度对应的 加速度测量。加速度测量可被体现为可操作为被过滤元件14和/或处理系统16利用的信 号。在一些实施例中，加速计12中的一个或更多个可操作为输出与加速度测量对应的模拟 信号。例如，各加速计12可输出与测量的加速度成比例的模拟电压信号。在一些实施例中， 加速计12中的一个或更多个可包含由Norwood，MA的ANALOG DEVICES制造的ADXL321加 速计。但是，一个或更多个加速计12可包含可操作为产生与测量的加速度对应的信号的任 何数字和模拟部件。因此，在一些实施例中，加速计12中的一个或更多个可操作为输出代 表测量的加速度的数字信号。在一些实施例中，多于一个的加速计12可被集成到同一集成电路封装中，以允许 单一封装提供沿多于一个的轴的加速度测量。例如，如图2所示，装置10可包含分别可操 作为输出与测量的加速度对应的信号的两个或更多个加速计12。在一些实施例中，装置10 包含适于沿被大于零度的角度分开的两个方向测量加速度并且分别提供与测量的加速度 对应的信号的至少两个加速计12。并且，装置10可包含适于沿分别被大于零度的角度分 开的三个方向测量加速度并且分别提供与测量的加速度对应的信号的至少三个加速计12。 在一些实施例中，三个加速计12可在相互垂直的配置中取向。但是，装置10可包含任意数 量的加速计12，包括位于任意配置中以提供供过滤元件14和/或处理系统16使用的加速度测量的单一加速计12。加速计12中的一个或更多个可操作为通过有线或无线连接与装置10中的其它元 件或装置10外面的元件通信。因此，加速计12可通过导线等与过滤元件14和/或处理系 统16耦合。加速计12中的一个或更多个还可被配置为以无线的方式向其它的装置10元 件和装置10外面的器件传送数据。例如，一个或更多个加速计12可被配置为用于使用诸 如蓝牙、Zigbee、ANT 和/或任何其它的无线协议的各种RF协议的无线通信。过滤元件14可操作为与一个或更多个加速计12耦合并过滤加速度测量和与加速 度测量对应的信号。在一些实施例中，装置10不包含过滤元件14并且处理系统16可操作 为使用未过滤的加速度测量和相应的信号。在其它的实施例中，过滤元件14可与加速计12 中的一个或更多个、处理系统16或加速计12和处理系统16 —体化。例如，过滤元件14的 第一部分可与加速计12中的一个或更多个一体化，并且，过滤元件14的第二部分可与处理 系统16 —体化。在其它的实施例中，过滤元件14可与加速计12和处理系统16分开。过滤元件14可包含可操作为过滤并且/或者提供其它的预处理功能的模拟和数 字部件，以有利于处理系统16对于运动参数的估计。在图4所示的各种实施例中，过滤元 件14可操作为过滤由一个或更多个加速计12提供的信号或从中得出的信号，以使垂直加 速度衰减、补偿重力和/或使混叠(aliasing)最小化。过滤元件14可包含用于执行这些 过滤功能中的每一个的离散的部件或使用用于这些和其它过滤功能的相同的部件和硬件。过滤元件14可包含用于过滤信号和测量的模拟和数字部件，包括无源和有源电 子部件、处理器、控制器、可编程逻辑器件、数字信号处理元件和它们的组合等。在一些实施 例中，过滤元件14可包含诸如由TEXAS INSTRUMENTS制造的MSP430F149微控制器的数字 微控制器以提供各种静态和/或自适应过滤器。过滤元件14还可包含用于转换由一个或 更多个加速计12提供的模拟信号以使处理系统16使用的信号数字化的模拟数字转换器。 过滤元件14还可包含常规的预采样过滤器。在一些实施例中，低通滤波器18可以为可操作为使用静态和/或约0. 5Hz IOHz 之间的变化的截止频率的自适应过滤器。在估计与人步幅对应的参数的一些实施例中，低 通滤波器18可使用约IHz 3Hz之间的截止频率。过滤元件14可基于由处理系统16执 行的计算从处理系统16获取与主体要素S的特定的步幅频率对应的截止频率。低通滤波 器18可另外或替代性地被调整以使用与由处理系统16识别的步态类型对应的截止频率。在其它的实施例中，低通滤波器18的截止频率可以是基于奔跑或行走的人的典 型的步幅频率的静态值。例如，截止频率可与诸如IHz 3Hz之间的静态频率的奔跑和/ 或行走的人的典型的步幅频率的1 2倍之间的频率对应。特别地，在一些实施例中，截止 频率对于行走的人可以为约1. 45Hz，并且对于慢跑的人可以为约2. IHz0由过滤元件14提供的重力补偿一般补偿可被加速计12中的一个或更多个感测的 由重力提供的恒定加速度。在一些实施例中，过滤元件14包含可操作为滤除或衰减与给定 的截止频率以下的测量的加速度对应的信号的成分。高通滤波器20的截止频率可与诸如 0. IHz的接近OHz的频率对应，以适当地对于与重力相关的加速度提供补偿。由过滤元件14提供的抗混叠一般减少或防止由由一个或更多个加速计12提供或 导出的信号的采样导致的混叠。在一些实施例中，过滤元件14包含被设计为衰减超过在由 处理系统16或与装置10相关的其它器件提供的任何随后的模数转换中使用的采样频率的一半的信号频率的相对宽带滤波器22。在一些实施例中，除了用于补偿混叠的宽带滤波器 22以外或作为其替代，过滤元件14可提供其它的过滤部件。例如，过滤元件14可包含用于 执行这里讨论的各种过滤功能的任意组合的一个或更多个模拟和/或数字过滤器。在一些 实施例中，信号过滤元件可被用于执行上面讨论的过滤功能中的每一种，使得不必对于不 同的过滤功能使用单独或离散的过滤器。处理系统16 —般可操作为与一个或更多个加速计12和/或过滤元件14耦合以 识别运动感测装置10的附着位置，更特别地，识别一个或更多个加速计12的附着位置。处 理系统16可包含可操作为执行这里讨论的各种功能的各种模拟和数字部件。在一些实施 例中，处理系统16可包含微处理器、微控制器、可编程逻辑器件、数字和模拟逻辑器件、诸 如个人计算机的计算元件、服务器、便携式计算器件或它们的组合等。处理系统16、过滤元件14、加速计12和/或装置10的其它部分可限制或扩展用 于产生运动参数度量和/或识别附着位置的加速度测量的动态范围。例如，诸如士8g的特 定动态范围外面的加速度测量可能在动态范围极限处饱和，以进一步限制垂直加速度的影 响。作为替代方案，可以使用线性或非线性的放大器以增加或减小动态范围。可基于被估 计的特定的运动参数或根据其它感测或产生的测量由处理系统16改变动态范围。处理系统16还可包含存储器或可操作为与存储器耦合。存储器可包含可操作为 存储供处理系统16使用的数据的任何计算机可读存储器或计算机可读存储器的组合。例 如，存储器可操作为存储加速度数据、运动参数度量数据、统计数据、运动参数数据、过滤数 据、配置数据和它们的组合等。处理系统16可与上面讨论的各种加速计12和过滤元件14分开。在其它的实施 例中，处理系统16可与装置10的其它部分一体化。例如，可以利用同一微控制器或微处理 器以实现过滤元件14和处理系统16。在一些实施例中，由加速计12、过滤元件14和/或处理系统16产生的数据和信息 可被存储在与处理系统16相关的存储器或任何其它的计算机可读存储器中，以允许在以 后被处理系统16或与其相关的其它器件分析。存储的信息可与时间相关联以有利于分析 并可被压缩以减少需要的存储器容量。处理系统16可另外或替代性地利用从一个或更多个加速计12以外的传感器获取 的信息。例如，在一些实施例中，处理系统16可与心率监视器耦合、从心率监视器获取心率 信息、并且通过使用心率信息和/或加速度测量识别装置10的附着位置并且/或者产生运 动参数。类似地，处理系统16可与其它的传感器耦合以获取诸如速度的非加速度运动学变 量和/或诸如环境温度和海拔高度的环境变量。例如，为了获取附加的信息，处理系统16 可包含射频收发器、温度计、高度计、罗盘、磁倾仪、压力传感器、血压监视器、光传感器、大 气传感器、角速度传感器和其它的惯性传感器、麦克风、诸如个人计算机、蜂窝式电话和个 人数字助理的计算器件、其它类似地配置的装置和它们的组合等，并且/或者与它们耦合。在一些实施例中，如图6 9所示，装置10可操作为从至少一个导航器件24接收 信息。导航器件24可适于向装置10和装置10的用户提供地理位置信息。导航器件24可 包含非常类似于在美国专利No. 6434485中公开的GPS接收器的GPS接收器，这里并入该专 利作为具体的参考。但是，除了 GPS以外或作为其替代，导航器件24可使用蜂窝式或其它 定位信号，以有利于地理位置的确定。导航器件24可操作为产生诸如导航器件24的速度、导航器件24的当前和先前位置、导航器件24的方位和航向、导航器件24的海拔高度、以及 它们的组合等的导航信息。处理系统16可使用从导航器件24得到的信息以产生运动参数度量和/或识别装 置10的附着位置。处理系统16还可使用并呈现获取的与度量和估计的参数无关的导航信 息。另外，或者，作为替代方案，处理系统16可使用从导航器件24获取的信息以校正和/或 调整计算的信息。例如，处理系统16可比较从由一个或更多个加速计12提供的加速度产 生的距离和速度与由导航器件24提供的距离和速度，并且校正计算的测量以使得从测量 的加速度产生的距离和速度如由导航器件24提供的那些那样精确。因此，处理系统16可 周期性地与导航器件24耦合以校正信息以保证装置10即使当不与导航器件24耦合时也 精确地估计运动参数。过滤元件14和处理系统16可另外地可操作为补偿在一个或更多个加速计12中 存在的零件间制造变化，包括Og偏置点的温度、灵敏度、横轴灵敏度、非线性、输出阻抗和 它们的组合等上的表征。在一些实施例中，如图5所示，装置10可包含通信元件26以使得装置10能够通 过诸如因特网、局域网、广域网、专设或对等网络、它们的组合等的通信网络与其它的计算 器件、练习器件、导航器件、传感器和任何其它的启用器件通信。类似地，通信元件26可被 配置为允许通过使用USB、ANT 、蓝牙、Zigbee、固件和其它的连接在类似地配置的装置 之间进行直接通信，使得装置10不需要利用通信网络以获取并交换信息。在各种实施例中，通信元件26可使得装置10能够通过利用诸如WiFi (802. 11)、 Wi-Max、蓝牙、超宽带、红外、蜂窝式电话和射频等的无线数据传送方法与通信网络无线通 信。但是，通信元件26可通过利用诸如以太网电缆的有线连接与通信网络耦合，并且不限 于无线方法。通信元件26可被配置为使得装置10能够与外部计算器件交换数据以有利于信息 的产生和/或分析。例如，处理系统16可在识别装置10的附着位置时、在产生运动参数度 量时和/或在估计运动参数时使用通过通信元件26获取的信息。处理系统16还可通过通 信元件26提供产生的供外部器件使用的运动参数度量和估计的运动参数。例如，外部器件 可被配置为在多个用户和/或被附着到一个或多个用户身上的多个器件之间存储、分析和 交换信息。因此，通信元件26 —般使得能够实现由装置10和其它的器件产生的信息的实时 比较。通信元件26还使得装置10能够在外部器件中的一个或更多个上存储用于以后的检 索、分析和集合等的数据。数据可被个人、他们的训练员或其它人使用以捕获历史、评价成 绩(performance)、修改训练程序以及与其它的个人比较等。还可以以集合的形式使用数 据。装置10可另外包含用户界面28，以使得用户能够访问由装置10产生和获取的各 种信息，诸如附着参数、加速度测量、运动参数度量、估计的运动参数、从导航器件24获取 的导航信息、通过通信元件26获取的信息和数据、配置信息和它们的组合等。用户界面28 有利于例如打开/关闭装置10、选择显示哪些内容、以及提供诸如主体要素S的属性的配置 fn息ο用户界面28可包含用于在视觉上呈现用户的消耗量信息的一个或更多个显示器
8和用于在听觉上向用户呈现信息的一个或更多个扬声器。用户界面28还可包含诸如蜂鸣 器和振动器的机械元件，以通过机械搅动将事件通知到用户。在一些实施例中，如图1所 示，可以在可操作为配戴于用户的手腕、前臂和/或臂上的手表内实现用户界面28。因此， 用户界面28的位置可与加速计12中的一个或更多个分开，以使得用户能够很容易地与装 置10交互作用。但是，在一些实施例中，用户界面28和加速计12可一体化。用户界面28还可操作为从用户接收输入以控制处理系统16和/或与其相关的器 件和元件的功能。用户界面28可包含诸如开关和按钮、触摸屏显示器、光传感器、磁传感 器、热传感器、惯性传感器、麦克风和声音识别能力、它们的组合等的各种功能输入。用户界 面28还可包含有利于其功能的各种处理和存储器设备。用户界面28使得用户能够接收关于估计的运动参数和相关的信息的实时反馈。 例如，用户界面28可呈现诸如当前的步幅速度和距离的当前估计的运动参数和/或诸如总 距离、消耗的卡路里、总速度、它们的组合等的与其或与其它的运动参数相关的信息。通过利用通信元件26，用户界面28还使得用户能够接收实时的反馈和与其它用 户和器件的比较。例如，如图10所示，多个装置10可被多个跑步者使用以使得能够对于用 户共享和呈现与各跑步者对应的数据、度量和参数。因此，例如，用户可通过用户界面28确 认其它用户的速度和位置。并且，用户界面28可通过通信元件26从处理系统16和/或从其它的器件获取比 较信息，以使得用户能够通过使用比较信息比较他或她的成绩。例如，用户界面28可呈现 用户的当前成绩与用户的先前成绩、与训练模型和/或与另一个人的比较。在各种实施例中，用户可通过利用用户界面28配置装置10，以监视估计的运动参 数，并且，当一个或更多个估计的运动参数与诸如可接受的参数范围、阈值和/或变化的用 户定义的条件冲突时通过用户界面28警告用户。用户还可通过利用用户界面28配置装置 10，以监视诸如时间限制、运动参数最大值等的各种用户定义的目标。如上面讨论的那样，可以以任何的组合一体化或单独地容纳装置10的各种部件。 在一些实施例中，装置10包含用于容纳用户界面28和相关的部件的接口单元30和用于 容纳一个或更多个加速计12和通信元件26的传感器单元32。在这些实施例中，处理系统 16(容纳于单元30、32中的两个或任一个内)可操作为确定传感器单元32的附着位置。在 一些实施例中，如图9所示，单元30、32可被容纳于同一外壳内。但是，在其它的实施例中， 单元30、32可以是分离的，使得传感器单元32可位于诸如用户的鞋子上的第一位置，并且 接口单元30可位于诸如用户的手腕上的第二位置。接口单元30还可包含以与上面讨论的通信元件26类似的方式配置的接口通信元 件34，以使得接口单元30能够与传感器单元32、装置10的其它部分和/或与装置10外面 的器件交换信息。在单元30、32的位置相互分开的实施例中，通信元件26、34可通过利用 上面讨论的各种无线方法通信。但是，通信元件26、34也可通过利用有线连接或通过外部 设备和系统通信。单元30、32还可分别包含用于诸如通过使用电池或诸如压电、机电、热电和光电 元件的发电元件为装置10的各种部件供电的电源。在一些实施例中，用户界面28的多个 部分可包含于单元30、32内，使得用户可使各单元30、32及其各部件单独地起作用。如图5所示，装置10可另外包含使得接口单元30和传感器单元32能够容易地与外部系统和器件通信的外部系统单元36。例如，外部系统单元36可包含与其它的通信元件 26,34通信的通信元件、用于处理信息的微控制器和可操作为容易地与诸如蜂窝式电话、便 携式媒体播放器、个人数字助理、导航器件、个人和便携式计算器件、它们的组合等的器件 接口连接的诸如WiFi、蓝牙、ANT 、USB或Zigbee接口的标准接口。因此，在一些实施 例中，如图10所示，外部系统单元36可与附着的个人计算机连接，并且，接口单元30和传 感器单元32可位于移动的用户身上。如图6 9所示，接口单元30和传感器单元32可分别可操作为与导航器件24通 信以接收和利用导航信息。如图6所示，导航器件24可与单元30、32分开，如图7所示，导 航器件24可与接口单元30 —体化，如图8所示，导航器件24可与传感器单元32 —体化，并 且/或者，如图9所示，导航器件24可与单元30、32两者一体化。并且，在一些实施例中， 单元30、32、36和导航器件24中的任一个或更多个可在不被使用时被自动去能(disable)， 以实现最佳的系统功率消耗和功能。在一些实施例中，传感器单元32可在与手表类似的封装中被附着到用户的手腕 上并与诸如计时的其它功能或与诸如导航器件24的其它传感器组合。在其它的实施例中， 传感器单元32可通过使用与臂带类似的封装被附着到用户的臂上并与诸如蜂窝式电话、 音频器件和/或导航器件24的其它器件组合。在各种其它的实施例中，传感器单元32可 通过使用胸带在可包含诸如心率监视器(HRM)的其它传感器的封装中被附着到用户身上。 在另外的实施例中，传感器单元32可通过使用例如带夹被附着到用户的手腕上。在另外的 实施例中，传感器单元32可通过诸如夹子的可去除的紧固件被附着到用户的鞋子的顶部。 在其它的实施例中，传感器单元32可被插入用户的鞋子内，诸如被插入在鞋子的鞋底中形 成的凹陷内。在一些实施例中，传感器单元32和/或更一般的装置10可操作为附着到用户的 多于一个的部位上。例如，传感器单元32可适于附着到上面讨论的各种位置中的任一个 上，包括但不限于用户的手腕、臂、腰部、胸部、口袋、帽子、手套、鞋子(内部)和鞋子(外 部)。这种配置使得用户能够容易地在各种位置上使用同一传感器单元32或装置10，以产 生希望的运动参数并且/或者有利于使用的便利性。在一些实施例中，装置10可被配置为识别其在用户身体上的位置，由此允许用户 在以上识别的任何位置中或在任何其它任意的位置中携带或附着装置10或特别是传感器 单元32，包括与诸如蜂窝式电话的其它电子器件组合。为了识别传感器单元32的附着位置，处理系统16可分析由一个或更多个加速计 12产生的一个或更多个加速度测量。对于诸如阔步走的特定的运动类型，根据如何和/或 在哪里容纳加速计12，各附着位置和/或取向将呈现可被处理系统16识别以确定加速计 12或装置10的其它部分的附着位置和/或运动类型的一般唯一的加速度特征。例如，图11示出阔步走时的与安装到用户的脚上的传感器单元32对应的示例性 加速度特征；图12示出阔步走时的与安装到用户的臂上的传感器单元32对应的示例性加 速度特征；以及图13示出阔步走时的与安装到用户的胸部(躯干)上的传感器单元32对 应的示例性加速度特征。通过利用各种信号处理算法，处理系统16可分析由一个或更多个 加速计12提供的测量并且确定测量是否与脚、臂、胸部或其它的阔步走加速度特征对应。 例如，通过识别最小值、最大值、周期、频率、波形、变化速度、它们的组合等，处理系统16可识别加速度特征，并由此识别传感器单元32的附着位置和/或运动类型。在一些实施例中，处理系统16可通过确定装置10或者更特别是传感器单元32的 取向确定装置10的附着位置。例如，如果传感器单元32被配置为沿例如为用于在鞋子内安 装的直立取向和用于在鞋子的顶部安装的颠倒取向的两个取向被安装，那么，处理系统16 可分析来自一个或更多个加速计12的加速度测量以确定传感器单元32的例如为直立或颠 倒的取向并由此确定传感器单元32被附着到哪里。在一些实施例中，如上所述，装置10的取向不与任何特定的附着位置相关。相反， 不同的取向可与不同的活动类型相关，或者，可以指示诸如不同的地形类型和不同的用户 的使用等的其它条件。例如，如果传感器单元32被配置为沿例如用于安装在鞋子内或上的 任何位置的直立取向或颠倒取向的两个取向安装，那么，处理系统16可分析来自一个或更 多个加速计12的加速度测量以确定传感器单元32的例如直立或颠倒的取向并由此确定活 动类型为慢跑或骑车中的一个。作为替代方案，例如，如果传感器单元32被配置为沿例如用于安装在鞋子内或上 的任何位置的朝前取向和朝后取向的两个取向安装，那么，处理系统16可分析来自一个或 更多个加速计12的加速度测量以确定传感器单元32的例如朝前或朝后的取向并由此确定 参与活动的用户是两个用户中的特定的一个。在另一实施例中，传感器单元32被配置为例如在胸带上或在腰带上沿一特定的 取向安装，并且，例如慢跑或游泳的活动类型确定传感器单元32相对于重力的取向。处理 系统16可然后分析来自一个或更多个加速计12的加速度测量以确定传感器单元32的例 如与重力平行或垂直的取向并由此确定活动类型是慢跑或游泳中的一种。处理系统16可动态地(例如，在飞行中)识别装置10和/或传感器单元32的附 着位置、取向和/或运动类型，并且/或者在存储器中存在与加速度测量对应的数据以用于 以后的分析和使用。但是，附着位置、取向和/或运动类型的动态识别使得处理系统16能 够对于估计和/或计算的运动参数的实时用户反馈选择适当的运动分析算法。在一些实施例中，处理系统16可被训练以识别新的附着位置。例如，用户可在诸 如他或她的头顶的任意位置中附着传感器单元32，并指示处理系统16在游泳中进入训练 模式以在新的运动类型中掌握新的附着位置的加速度特征。在装置10的随后的使用中，处 理系统16可在不需要用户的附加的训练的情况下基于新的位置和/或新的运动类型的加 速度特征自动识别传感器单元32什么时候处于新的附着位置和/或新的运动类型何时被 执行。在一些实施例中，处理系统16还可基于由一个或更多个加速计12提供的一个或 更多个加速度测量将当前被用户执行的运动分类。除了基于上面讨论的加速度特征的附着 位置和运动类型识别以外或作为其替代，处理系统16可执行运动分类分析。运动分类分析 可识别不同的类型的步态，诸如平坦或倾斜表面上的行走或奔跑、上楼梯、下楼梯、爬梯子、 它们的组合等。在各种实施例中，装置10包含提供供处理系统16使用以确定跨步运动角度的信 号的至少两个加速计12。两个加速计12可以以基本上相互垂直的取向并在用户的弧矢面 中被安装到脚上，并产生加速度测量ajt)和 (0。旋转传感器可被用于沿弧矢面测量 角度θ (t)的变化。在各种实施例中，旋转传感器是可被用于基于信号的差异计算角度加
11速度的一对于分开的基本上平行的加速计12。在另一实施例中，旋转传感器是陀螺仪。如在图14的示例性框图中详细示出的那样，对于各跨步T的持续过程采样和存储 并且处理加速度和旋转信号。测量的加速度向弧矢面内的任意步幅基准帧的变换可被处理 系统16计算如下a0' (t) =ao(t)cos(0 (t))-B1 (t) sin ( θ (t))(1)B1 ‘ (t) = a0(t)sin( θ (t))+ai(t)cos( θ ⑴)(2)关于步幅基准帧的平均加速度和速度可被处理系统处理系统16计算如下 跨步速率(speed)可被处理系统16作为跨步速度(velocity)的大小计算如下
(9)在各跨步的开始，可通过装置10或特别是传感器单元32的弧矢面中的任意取向 定义基准帧。对于各跨步选择基准时间点，使得传感器单元32是基本上静止的并且基准帧 在跨步之间是基本上一致的。通过从各跨步的开始到结束计算平均加速度矢量，产生基本 上由重力限定的矢量测量。这允许将测量的加速度矢量、速度和位移从任意的基准帧变换 为由重力限定的基准帧。可由处理系统16从跨步相对于水平线的角度将运动的角度计算如下Φ =Z v-( Z a-90° )(10)这里，φ =运动相对于水平线的角度Zv =跨步速度相对于基准帧的角度Z a =跨步加速度相对于基准帧的角度Zv = tan"1 (ν/ mean, V0' mean)(11)Za = tan"1 (a/ mean, a0' mean)(12)可对于特定的主体的步态和传感器单元32在用户的身体上的安装校准运动的角 度。一种校准方法是，当主体在平面上行走时，去除运动角度到零的平均偏移。在一些实施例中，如图15 16所示，运动的角度可被用于区分当前正在穿过的表面是上斜还是下斜。在一个实施例中，除了上面讨论的沿基本上相互垂直的取向并在弧矢面中安装的 两个加速计以外，包括第三加速计。沿与其它的两个加速计基本上垂直的方向安装第三加 速计。由第三加速计测量的加速度被用于估计与弧矢面垂直的运动的量。该估计可被用于 补偿与弧矢面垂直的运动的运动角度测量。在一些实施例中，可通过使用平均加速度确定运动角度。由一个或更多个加速计 12提供的加速度测量可被平均化，以至少部分提取加速度的DC(OHz)分量。在足够长的时 间段上，DC加速度主要可归因于由于重力导致的加速度。因此，重力矢量的测量被用于确 定传感器单元32相对于重力方向(垂直)的平均取向。如果基准的测量帧的取向关于运 动的方向(即，身体上的单元安装取向)是已知的，那么可由此估计运动的方向。在一个实施例中，可以使用单一的加速计。该配置可假定代表运动的方向的矢量 处于诸如用户的弧矢面的已知的面中。在这些约束下，由加速计测量的平均加速度随着基 准的测量帧与垂线之间的角度以正弦的方式改变。如果基准的测量帧的取向相对于运动的 方向是已知的，那么由此可由处理系统16计算运动角度。在另一实施例中，可以使用两个加速计以在上述的单一加速计配置上提高精度。 两个加速计沿均基本上处于诸如用户的弧矢面的已知面内的两个基本上垂直的方向测量 加速度。通过将两个加速度测量组合成加速度矢量并在足够长的时间段上取均勻值，测量 基准的测量帧中的重力加速度矢量。与基准的测量帧相对于运动的方向的已知的取向组合 的测量的重力加速度矢量的角度测量运动角度。在另一实施例中，可以在代表运动的方向的矢量不在已知的面中的情况下使用三 个加速计。三个加速计沿三个基本上相互垂直的方向测量加速度。通过将三个加速度测量 组合成加速度矢量并在足够长的时间段上取平均值，测量基准的测量帧中的重力加速度矢 量。与基准的测量帧相对于运动的方向的已知的取向组合的测量的重力加速度矢量的角度 测量运动角度。由处理系统16确定的运动角度可被用于诸如通过将用户的步态分类将用户的运 动分类。在下表1中提供示例性的步态分类表表 1 运动角度还可被处理系统16利用以确定输出力量。运动员常常关心在活动中由 身体输出的功率的量。身体功率输出以几种方式被消耗，其中的一种是克服重力。身体功 率输出可被计算为消耗功率的方式的和。对于特定的速度，随着上行角度的增加，克服重力 所需要的功率增加。对于特定的速度，随着下行角度的增加，重力对运动所贡献的功率的量 增加。对于平面上的运动，重力不影响输出的功率。因此，关于运动角度的信息可被处理系 统16利用以确定输出的功率。加速度测量也可被处理系统16使用以区分用户的运动是否是循环的。为了识别 传感器单元32的循环运动，处理系统16可分析由一个或更多个加速计12产生的一个或更 多个加速度测量。可以使用诸如FFT、数字过滤、模拟过滤、峰值计数等的许多已知的频谱 分析技术中的一种或几种以识别加速度测量的主导频率分量，或测量特定的频带中的信号 功率。如果主导频率分量在特定的频带内，那么运动可被归类为循环。作为替代方案，如果 在特定的频带内存在足够的信号功率，那么运动可被归类为循环。例如，特定的频带可以为 0.25Hz 5Hz。通过将用户的运动归类为循环，使得处理系统16能够计算节奏。例如，可 以在例如行走、慢跑、奔跑、骑车、椭圆训练器上的练习、划船等中找到循环分量。还可使用由一个或更多个加速计12提供的加速度测量以区分诸如慢跑、骑车等 的活动中的地形类型。在诸如慢跑或骑车的活动中，与平整的地形类似相比，崎岖的地形类 型在加速度测量的高频分量中产生更多的能量。为了识别传感器单元32的运动地形类型， 处理系统16可分析由一个或更多个加速计12产生的一个或更多个加速度测量。可以使用 诸如FFT、数字过滤、模拟过滤、峰值计数等的许多已知的频谱分析技术中的一种或几种以 测量特定的频带中的信号功率。如果在特定的频带内或在特定的频率上存在足够的信号功 率，那么运动地形类型可被归类为崎岖。例如，特定的频率可以为10Hz。还可将崎岖地形类 型再分类。例如，基于特定频率上的特定频带中的相对信号功率，在页岩或砂砾上骑车会与 在玻璃或泥土和岩石上骑车不同。地形分类可被用于例如自行车上的暂停控制或主动修复 (active-prosthetic)控制。处理系统16可另外利用加速度测量以将跨步运动分类。在一个方面中，通过观察 “静止周期”，跨步运动被分类为步态类型。静止周期是在行走时保持基本上静止的时间量。 可通过检查由一个或更多个加速计12测量的脚加速度确定静止周期。行走的静止周期明 显比慢跑或奔跑长。一般地，随着运动的速度增加，静止周期减小。静止周期可以是但未必 等于站姿阶段的持续时间。加速度测量可由此被处理系统16使用以通过利用包括加速度特征识别、运动角 度的确定、输出功率的确定、循环运动的识别、地形类型分类、步态类型分类等的各种技术 的组合将活动的整个范围分类。可例如被处理系统16分类或另外识别的活动包括行走； 慢跑；奔跑；游泳；骑车；球拍运动；划船、滑雪滑冰、砂壶(shuffling)；驾驶；静止自行车 或诸如椭圆训练器的其它静止装置上的练习；徒步旅行；滑旱冰；滑板运动；诸如办公室活 动和看电视的低能量活动；睡觉；跳舞；诸如篮球、橄榄球、足球或高尔夫的运动；它们的组 合等。因此，装置10可在不需要用户的手动重新配置或编程的情况下自动提供多种活动的 fn息ο
处理系统16可另外或替代性基于由一个或更多个加速计12提供的测量将用户的 跨步运动分为健康或异常。例如，处理系统16可通过比较诸如运动角度或确定的运动参 数的实时确定的特性与已知的、正常的存储值检测用户的步态的不规则；例如，异常摇摆特 性、足下垂条件的开始(onset)等。在另一实现中，例如，传感器单元32可被配戴于各脚/ 腿上，以观察步态不对称性。可以在康复和训练成绩优化中使用这种配置。在一个实施例中，用诸如容纳于传感器单元32内的陀螺仪的陀螺仪测量内旋 (pronation)/外旋(supination)条件。通过求角速度的积分测量与运动的方向基本上垂 直的面中的脚起落(foot roll)的量。在另一实施例中，用诸如上面讨论的加速计12中的两个的分开附着的距离的基 本上平行的两个加速计测量内旋/外旋条件。在这一方面，可以使用测量的平移加速度以 计算可被双重积分的角加速度以获得与行进方向基本上垂直的面中的脚起落量。在另一实施例中，可通过估计脚落地(strike)前后的重力矢量相对于脚的取向 的方向，由加速计12中的一个测量内旋/外旋条件。可以用加速计12中的一个、两个或三 个完成这一点。一个和两个加速计的实施例假定加速计仅在与运动方向基本上垂直的面中 是可自由旋转的。可以在脚上的任意的位置中安装三轴的实施例。处理系统16还可基于与运动相关的冲击的激烈度将运动分类。例如，以较差的技 术在路面上奔跑可与实质性的冲击相关并可由此导致实质性的关节应力和磨损。另一方 面，椭圆训练仪上的练习与最小的冲击相关或与无冲击相关。可以使用加速计测量以识别 可被处理系统16使用以估计冲击力和/或与冲击相关的关节应力的冲击特性。用户可能 关心知道特定的运动类型的瞬时的冲击水平或关节应力在活动期间或更长的时间段上的 累积量。因此，用户界面28可向用户通知确定的运动角度、运动分类、冲击功率、它们的组
口寸ο在一个实施例中，处理系统16可基于冲击水平测量对于特定的用户或特定的活 动确定鞋袜的合适性。在另一实施例中，可以用冲击水平测量随时间监视鞋袜的质量以确 定鞋袜应在什么时候被更换。随着用户的落脚开始变得较不连贯和较不规则(这表明不一致的加速度模式)， 处理系统16还可通过在练习活动中识别随时间的冲击水平的变化估计用户的疲劳或效 率。通过利用用户界面28，处理系统16还可例如通过表示与建立的规范相比较的脚冲击的 水平和方向关于用户从打击或事故的康复提供实时生物反馈。通过利用识别的附着位置和/或分类的运动，处理系统16可选择可用于确定一个 或更多个运动参数的一种或更多种运动分析算法。存储器可包含与各种附着位置和运动分 类的各种组合对应的运动分析算法的数据库。例如，存储器可包含用于脚、胸和臂附着位 置的运动分析算法；行走、跑步、游泳和骑车算法；和/或用于脚、胸和臂附着位置中的每一 个的行走、跑步、游泳和骑车算法。应当理解，处理系统16可对于任何识别的附着位置或分 类的运动从存储器或其它的来源(包括外部来源)选择适当的运动分析算法。与识别的附 着位置和/或分类运动对应的运动分析算法的选择有利于运动参数的精确确定。处理系统16可另外或替代性地基于诸如年龄、性别、体重、身高、配置、形状等的 一个或更多个用户特性选择运动分析算法。处理系统16还可基于诸如利用的加速计12的 数量和类型、接收的加速度测量的数量、它们的组合等选择运动分析算法。
在一些实施例中，选择的运动分析算法可包含统计模型，诸如选自包含线性回归 模型、多项式回归模型、多次回归模型、分段线性回归模型、它们的组合等的回归模型。通过利用一种或更多种选择的运动分析算法和由一个或更多个加速计12提供的 加速度信号，处理系统16可估计、计算、识别或另外确定一个或更多个运动参数。运动参数 可与跨步速度、加速度、速度、跨步距离、总距离、步态效率、功率、能量、最大冲击、平均卡路 里消耗、最大速度变化、速度变化性、打击功率(stroke power)、一圈时间(lap time)、击打 时间(strike time)、步幅、步调、它们的组合等对应。但是，由处理系统16确定的运动参数 可与与用户的运动相关的任何参数对应。在一些实施例中，处理系统16可通过使用由一个或更多个加速计12提供的测量 和选择的运动分析算法估计人或动物的跨步持续时间。例如，基于由一个或更多个加速计 12测量的加速度的各种变化，处理系统16能够诸如通过确定跑步者的脚什么时候冲击地 面、跑步者的脚什么时候离开地面、跑步者的脚什么时候相对于地面静止、它们的组合等确 定跨步的开始和结束时间。因此，通过分析测量加速度中的各种变化，处理系统16可计算 跨步持续时间和诸如跨步频率的与其对应的信息。跨步频率可代表每秒的跨步次数或跨步 速度的其它表示。在一些实施例中，处理系统16可向上面讨论的用于确定各种截止频率的过滤元 件14提供跨步持续时间和/或跨步频率。因此，处理系统16可动态地基于接收的加速度 测量确定跨步持续时间和跨步频率，并且，过滤元件14可适于基于用户的特定的成绩提供 精确的过滤。例如，过滤元件14可基于由处理系统16计算的跨步频率过滤垂直的加速度 以有利于运动参数的精确估计。处理系统16可利用任何运动分析算法，包括在共同未决的美国专利申请 No. 11/681032中公开的运动参数度量和统计模型，在此通过引用并入该专利申请。例如，处 理系统16可如图17的回归模型所示的那样使产生的运动参数度量与跨步速度相关。由处理系统16执行的估计/计算/确定可一般与选择的运动分析算法和一个或 更多个运动参数之间的任何相关性对应，并且，未必是基于用户运动学的直接计算。因此， 即使当难以或不可能执行运动参数的直接计算时，处理系统16也可通过利用统计和/或其 它的经验信息估计运动参数。在一些实施例中，处理系统16可利用存储于存储器或任何其它计算机可读介质 内的数据库、查找表或其它的信息，以通过利用选择的运动分析算法估计运动参数。例如， 给定特定的一组加速度测量、附着位置和/或分类的运动，处理系统16可访问存储器以获 取相应的运动参数。在各种实施例中，处理系统16可操作为对于各检测的跨步计算运动参数度量和/ 或估计运动参数，以有利于运动的精确分析。因此，对于上面讨论的每次跨步，或者对于跨 步的任意组合，处理系统16可估计运动参数。并且，在一些实施例中，处理系统16可通过 利用与多次跨步对应的算法估计运动参数。例如，估计的运动参数可与从几次跨步得到的 总的或平均的跨步速度对应。装置10可操作为仅通过使用从一个或更多个加速计12获取的加速度测量、通过 使用与通过通信元件26从导航单元24或其它的器件获取的其它信息组合的加速度测量、 通过使用加速度测量以外的信息、它们的组合等估计运动参数。
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在一些实施例中，处理系统16可利用加速度测量和/或诸如识别的附着位置或分 类的运动的其它信息，以在不需要用户输入的情况下自动地基于识别的活动提供适当的内 容。例如，如果用户从行走变为慢跑，那么处理系统16可识别变化，计算与慢跑相关的度量 和运动参数，并且，通过使用用户界面28显示与慢跑相关的信息。作为另一例子，处理系统 16可基于加速度测量识别用户正在游泳以及传感器单元32被安装在用户的臂上，并且产 生并显示诸如节奏、划水功率、一圈时间等的与游泳相关的信息。在一些实施例中，处理系统16可被配置为在存储与感测的测量和活动相关的信 息和数据时利用多重解析(resolution)方法。例如，在最低的解析上，可以保存各活动的 时间、日期、类别、持续时间和总能量消耗。另一解析可允许例如对于慢跑存储与平均步幅、 平均步调、总距离和总海拔变化等对应的数据。另一解析可允许同样例如对于慢跑存储与 单独的跨步参数和/或心率的频率测量、海拔、步幅和/或相关的GPS坐标对应的数据。可 基于可用的存储空间的量由用户预先选择或由处理系统16自动选择各种类型的活动的历 史解析深度。在一些实施例中，首先以最高的可用的解析记录所有的活动；随后，如果存储 空间变得受限，那么最早的活动的最高解析记录可被擦除以允许以至少如最早的记录的解 析那样好的历史解析存储最近的活动。并且，处理系统16可通过利用测量的加速度、识别的附着位置、分类的运动、选择 的算法、估计的运动参数、通过用户界面28获取的信息、通过通信元件26或诸如导航器件 24的其它器件获取的信息、它们的组合等提供背景获知功能。例如，处理系统16可检测 装置10是否被用于估计运动参数或监视用户成绩；装置10是否没有被使用；装置10是否 正被充电；装置10是否接近兼容的外部系统或器件；装置10是否接近诸如蜂窝式电话、个 人数字助理、计算机、音频器件、头戴式显示器、手表、它们的组合等的显示器件。基于使用环境的确定并且通过最小的用户干涉或者在没有用户干涉的情况下，装 置10可提供任何适当的功能组。例如，当接近兼容的外部系统时，装置10可自动建立通信 信道并与兼容的外部系统交换信息。类似地，当监视用户活动时，装置10可记录运动历史 和相关的运动参数。在处于未使用状态时，装置10可去能其大多数的传感器以节省能量， 并以仅足以维持背景获知的频率启用诸如一个或更多个加速计12的传感器的子集。当接 近显示器件时，装置10可确定器件的能力并向显示器件传送适当的信息。使用背景未必是 相互排斥的。例如，装置10可正在充电并且同时接近兼容的外部系统。因此，在充电时，装 置10可继续感测附近的兼容外部系统，并且，一旦检测到兼容的外部系统，就建立通信信 道并与兼容的外部系统交换信息。用户由此觉察并期望装置10总是被启用并且装置10需 要最少的用户输入或不需要用户输入以执行其所有功能。装置10可利用上面讨论的活动监视和/或背景获知以维持用户活动的一般连续 的记录。例如，用户可连续或重复地配戴装置10以监视诸如趋势、目标等的长期活动。如 果处理系统16检测到异常的活动，那么装置10对于用户活动的一般连续的监视还使得能 够发出警告。例如，如果用户长时间段一般保持不运动，那么处理系统16可发出警告以通 过用户界面28通知用户和/或通过利用通信元件26警告第三方。可以相信，通过上述的描述，将理解本发明的实施例及其许多伴随的优点，并且， 显然，可以对于其部件的形式、构成和配置进行各种变化，而不背离本发明的范围和精神或 不牺牲其实质性优点。由于以上描述的形式仅是其解释性的实施例，因此以下的权利要求意欲包含和包括这些变化。
权利要求
一种用于确定运动感测装置的附着位置的方法，该方法包括从运动感测装置获取加速度测量；和分析获取的加速度测量以识别运动感测装置的附着位置。
2.根据权利要求1的方法，还包括基于识别的附着位置选择运动分析算法并且通过利 用选择的运动分析算法确定运动参数。
3.根据权利要求2的方法，还包括分析获取的加速度测量以将装置的运动分类并且基 于识别的附着位置和运动分类选择运动分析算法。
4.根据权利要求1的方法，其中，从包含运动感测装置的一部分的加速计获取加速度 测量，并且，通过包含运动感测装置的一部分的处理系统执行获取的加速度测量的分析。
5.根据权利要求1的方法，其中，所述附着位置是与人身体对应的位置。
6.根据权利要求5的方法，其中，识别的附着位置是鞋子或非鞋子位置。
7.根据权利要求6的方法，其中，识别的附着位置是鞋子内的位置和鞋子顶部的位置 中的一个。
8.一种运动感测装置，包括外壳单元，可操作为在附着位置处被附着到对象上；加速计，与外壳单元耦合并可操作为提供与加速度测量对应的信号；和处理系统，可操作为获取与加速度测量对应的信号并分析获取的加速度测量以识别外 壳单元的附着位置。
9.根据权利要求8的运动感测装置，其中，处理系统还可操作为基于识别的附着位置 选择运动分析算法并且通过利用选择的运动分析算法确定运动参数。
10.根据权利要求9的运动感测装置，还包括可操作为向用户呈现确定的运动参数的 视觉指示的用户界面。
11.根据权利要求9的运动感测装置，其中，处理系统还可操作为分析获取的加速度测 量以将对象的运动分类并且基于识别的附着位置和运动分类选择运动分析算法。
12.根据权利要求8的运动感测装置，其中，所述对象是人并且附着位置是与人的身体 对应的位置。
13.根据权利要求12的运动感测装置，其中，附着位置是鞋子或非鞋子位置。
14.根据权利要求12的运动感测装置，其中，附着位置是鞋子内的位置和鞋子顶部的 位置中的一个。
15.根据权利要求8的运动感测装置，还包括与外壳单元耦合并且可操作为提供与加 速度测量对应的多个信号的多个加速计，该处理系统可操作为获取所述信号并且通过利用 加速度测量识别运动感测装置的附着位置。
16.一种运动感测装置，包括外壳单元，可操作为在附着位置处被附着到人的身体上；多个加速计，与外壳单元耦合并可操作为提供与加速度测量对应的多个信号；和处理系统，可操作为获取与加速度测量对应的信号、分析获取的加速度测量以识别外 壳单元的附着位置、基于识别的附着位置选择运动分析算法并且通过利用选择的运动分析 算法确定运动参数。
17.根据权利要求16的运动感测装置，还包括可操作为向用户呈现确定的运动参数的视觉指示的用户界面。
18.根据权利要求16的运动感测装置，其中，附着位置是鞋子或非鞋子位置。
19.根据权利要求16的运动感测装置，其中，外壳单元容纳加速计和处理系统。
20.根据权利要求19的运动感测装置，其中，处理系统还可操作为分析获取的加速度 测量以将人的运动分类并且基于识别的附着位置和运动分类选择运动分析算法。
21.—种运动感测装置，包括外壳单元，可操作为沿附着取向被附着到对象上； 加速计，与外壳单元耦合并可操作为提供与加速度测量对应的信号；和 处理系统，可操作为获取与加速度测量对应的信号、分析获取的加速度测量以识别外 壳单元的附着取向、基于识别的附着取向选择运动分析算法并且通过利用选择的运动分析 算法确定运动参数。
22.根据权利要求21的运动感测装置，其中，处理系统还可操作为分析获取的加速度 测量以将对象的运动分类并且基于识别的附着取向和运动分类选择运动分析算法。
23.一种用于确定运动感测装置的附着取向的方法，该方法包括 从运动感测装置获取加速度测量；分析获取的加速度测量以识别运动感测装置的附着取向； 基于识别的附着取向选择运动分析算法；和 通过利用选择的运动分析算法确定运动参数。
24.根据权利要求23的方法，还包括分析获取的加速度测量以将装置的运动分类并且 基于识别的附着取向和运动分类选择运动分析算法。
全文摘要
提供一种运动感测装置，该运动感测装置一般包含可操作为在附着位置处被附着到对象上的外壳单元；可操作为提供与加速度测量对应的信号的加速计；和处理系统。处理系统可操作为获取与加速度测量对应的信号并分析获取的加速度测量以识别外壳单元的附着位置。
文档编号G01C22/00GK101910846SQ200980101562
公开日2010年12月8日 申请日期2009年1月15日 优先权日2008年1月28日
发明者C·J·库拉奇, J·K·鲁尼, P·R·麦克唐纳德, R·G·斯特尔灵 申请人:佳明有限公司