一種人體能量消耗測量裝置及方法

2023-11-09 01:39:47

專利名稱：一種人體能量消耗測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種日常健身輔助器械，尤其是一種利用熱釋電元件實現對人體運動
消耗能量進行測量的裝置及方法。
背景技術：
隨著生活水平的提高，健身活動的重要性已經為越來越多的人所認可，對健身類 的輔助器具的需求也呈現快速上升的趨勢。從健身效果來看，如能知道具體的運動所導致 人體能量消耗的值，並將其用於健身活動的指導與控制，要比單純的健身活動更好。因此， 人體運動能量消耗的測試與估算，對於指導科學健身非常重要。 人體能量消耗的精確測試非常複雜，且往往需要昂貴的測試儀器、複雜的測試流 程，才能得到比較準確的結果，一般主要用在如運動員訓練等專業性很強的場合。對於普通 人群而言缺乏實際意義。所以，在實際應用中，主要採用一些簡單的測試方法及儀器，或者 簡單的計算公式進行估算。目前常用的估算方式是一些統計得到的經驗公式，如常見的跑 步運動、遊泳、羽毛球運動等，可將持續運動的時間長度乘以一個經驗係數，得到消耗能量 的估算值。這種方式操作簡單，但精度不高，且需要知道具體的運動形式。另一種常見的測 試儀器是有人體消耗能量計算功能的計步器，通過測量人體步行運動的步數，估算所消耗 的能量。然而，這種計步器僅用行走步數的總合來計算能量信號，而人體步行速度的快慢， 實際上對人體消耗能量值有很大影響。此外，這種裝置必須在運動時垂直佩帶在人體之上， 不僅使用起來不是很方便，並且無法感知人體上肢運動，如轉身、扭腰等同樣可以消耗人體 能量的運動情況。 針對上述現有技術的不足，本發明採用紅外測量方式，通過測量與人體運動所對 應的紅外信號變化，感知人體運動信息，實現人體運動消耗能量的估算。 利用熱釋電元件結合覆蓋於其上的菲涅耳透鏡，組成紅外探測器，可將探測範圍 內的人體輻射出的紅外能量轉換為電信號。當人體在探測範圍內靜止時，傳感器無輸出。 當人體在探測範圍內運動時，傳感器輸出與人體運動規律相對應的、動態變化的電信號。因 此，這種傳感器也稱為人體運動傳感器。 這種人體運動傳感器的製作成本低廉，在防盜報警、公共場所的自動照明等方面 有廣泛的應用。 圖1給出了目前已有技術中，這種人體運動探測裝置的典型構成方式。在探測範 圍內的人體1輻射出的紅外線，經菲涅耳透鏡2後，入射到熱釋電元件3的表面。所產生的 電信號經放大電路4放大後，得到模擬電壓信號5。模擬電壓信號5進入比較器電路7。比 較器電路7將輸入的電信號與閾值電壓電路6所給出的閾值電壓相比較，如電信號的幅值 超出閾值電壓範圍，則比較器電路7給出二值化信號8，經信號保持電路9後，轉換為開關信 號IO，驅動後續的被控裝置11產生如開關、報警等動作。 這種應用方式的最大特點在於比較器電路7的採用。探測裝置通過閾值電壓比 較，給出探測範圍內運動人體有或無的開關信號，觸發後級的報警電路或其他執行機構工作。

發明內容
測量人體運動能量消耗，現有技術有很多不足。本發明利用成本低廉的熱釋電紅 外傳感器，採用紅外測量方式，通過測量與人體運動所對應的紅外信號變化，感知人體運動 信息，實現人體運動消耗能量的估算。
本發明的技術方案如下 —種人體能量消耗測量裝置，其特徵在於，該裝置包括菲涅耳透鏡、熱釋電元件、 放大電路、數據採集電路、數位訊號處理單元、人體參數輸入單元、人體消耗能量計算單元 以及顯示記錄單元；所述的菲涅耳透鏡覆蓋在熱釋電元件上面，熱釋電元件的輸出埠與 放大電路的輸入埠相連接，放大電路的輸出埠與數據採集電路的輸入埠相連接，數 據採集電路的輸出埠與數位訊號處理單元的輸入埠相連接，數位訊號處理單元的輸出 埠 、人體參數輸入單元的輸出埠與人體消耗能量計算單元的輸入埠相連接，能量消 耗計算單元的輸出埠和顯示記錄單元相連接。 本發明提供的一種人體能量消耗測量方法，其特徵在於該方法包括如下步驟
1)人體輻射出的紅外線依次經過由菲涅耳透鏡和熱釋電元件組成的探測系統，輸 出電信號，電信號經過放大電路放大後，得到模擬電壓信號；
2)模擬電壓信號經過數據採集電路，轉換為數位訊號； 3)數位訊號經過數位訊號處理電路進行尋峰和頻域分析，實現動作計數和頻率計 數； 4)將動作計數和頻率計數，以及人體的性別、身高和體重參數輸入人體消耗能量
計算單元，人體消耗能量計算單元根據以下經驗公式估算出人體運動所消耗的能量數值； 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表示體重/kg ;F表示步頻/步數每分鐘；T表示時間/min。 5)將人體運動所消耗的能量數值傳送到顯示記錄單元進行數據顯示與記錄。 本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出效果利用本發明裝置測量人體運
動過程中的能量消耗，人體不需要佩帶任何裝置，只要在傳感器的探測範圍內自由運動即
可，使用起來更方便，且非常適合室內的即興運動。而且，本發明裝置成本極低、功耗極小，
算法也非常簡單。


圖1為已有的人體運動探測裝置的典型構成方式。 圖2為本發明裝置的工作原理圖。 圖3為人體運動時的典型信號。 圖4為尋峰算法流程圖。 圖5為實例中的踏步信號。 圖6為實例中踏步信號的傅立葉頻譜分析圖。 圖中1-人體；2_菲涅耳透鏡；3_熱釋電元件；4_放大電路；5_模擬電壓信號；CN 101703403 A 6_閾值電壓電路；7-比較器電路；8-二值化信號；9-信號保持電路；10_開關信號；ll-被 控裝置；12-數據採集電路；13-數位訊號處理電路；14-人體參數輸入單元；15_人體消耗 能量計算；16-顯示記錄單元；17-人體靜止時的信號；18-信號峰；19-信號谷。
具體實施例方式
下面結合說明圖對本發明的工作原理、具體實施過程進行詳細說明。 圖2為本發明裝置的工作原理圖，該裝置包括菲涅耳透鏡、熱釋電元件、放大電
路、數據採集電路、數位訊號處理單元、人體參數輸入單元、人體消耗能量計算單元以及顯
示記錄單元；所述的菲涅耳透鏡覆蓋在熱釋電元件上面，熱釋電元件的輸出埠與放大電
路的輸入埠相連接，放大電路的輸出埠與數據採集電路的輸入埠相連接，數據採集
電路的輸出埠與數位訊號處理單元的輸入埠相連接，數位訊號處理單元的輸出埠 、
人體參數輸入單元的輸出埠與人體消耗能量計算單元的輸入埠相連接，能量消耗計算
單元的輸出埠和顯示記錄單元相連接。 本發明利用熱釋電傳感器探測人體運動的信息，通過尋峰算法進行動作計數，通 過傅立葉分析進行頻率計數，再利用已有的人體運動能量消耗經驗公式，估算出人體運動 所消耗的能量。 人體1輻射出的紅外線經菲涅耳透鏡2、熱釋電元件3、放大電路4放大後，輸出的 電壓信號5經數據採集電路12後，轉換為數位訊號。實際探測到的典型運動信號如圖3所 示，動作峰的信息為主要信息。圖4是尋峰算法的流程圖。該尋峰算法是本發明方法的核 心算法，可以實現對人體運動過程中的動作計數。利用數位訊號處理單元13通過尋峰和頻 率分析，進行動作計數與頻率計數，得到動作次數N以及動作頻率F，傳入人體消耗能量計 算單元15，同時將人體的性別、身高和體重參數通過人體參數輸入單元14輸入人體消耗能 量計算單元15，人體消耗能量計算單元根據以下經驗公式估算出人體運動所消耗的能量數 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表示體重/kg ;F表示步頻/步數每分鐘；T表示時間/min。
最後將人體運動所消耗的能量數值傳送到顯示記錄單元進行數據顯示與記錄。
實施例 作為一個說明例，圖5為一名志願者正面朝向菲涅耳透鏡2以步行速度踏步時採 集到的信號。圖5中，信號曲線段17為人體靜止時的信號，信號峰18以及信號谷19則分 別對應人體步行1、2步時的信號。利用尋峰算法，得到動作次數N = 20 ;圖6是對圖5時域 信號進行傅立葉分析得到的信號頻譜圖，從圖6可以看出信號頻率為0. 8Hz，得到步頻為F =60*0. 8*2 = 96步/min。運動時間為T = 20/96 = 0. 21min ;志願者為男性，體重70kg， 身高185cm ;將這些參數輸入計算單元，根據經驗公式
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
權利要求
一種人體能量消耗測量裝置，其特徵在於，該裝置包括菲涅耳透鏡(2)、熱釋電元件(3)、放大電路(4)、數據採集電路(12)、數位訊號處理單元(13)、人體參數輸入單元(14)、人體消耗能量計算單元(15)以及顯示記錄單元(16)；所述的菲涅耳透鏡覆蓋在熱釋電元件上面，熱釋電元件的輸出埠與放大電路的輸入埠相連接，放大電路的輸出埠與數據採集電路的輸入埠相連接，數據採集電路的輸出埠與數位訊號處理單元的輸入埠相連接，數位訊號處理單元的輸出埠、人體參數輸入單元的輸出埠與人體消耗能量計算單元的輸入埠相連接，能量消耗計算單元的輸出埠和顯示記錄單元相連接。
2. 如權利要求1所述的一種人體能量消耗測量方法，其特徵在於該方法包括如下步驟1) 人體(1)輻射出的紅外線依次經過由菲涅耳透鏡和熱釋電元件組成的探測系統，輸出電信號，電信號經過放大電路放大後，得到模擬電壓信號(5);2) 模擬電壓信號(5)經過數據採集電路，轉換為數位訊號；3) 數位訊號經過數位訊號處理電路進行尋峰和頻域分析，實現動作計數和頻率計數；4) 將動作計數和頻率計數，以及人體的性別、身高和體重參數輸入人體消耗能量計算單元，人體消耗能量計算單元根據以下經驗公式估算出人體運動所消耗的能量數值；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表示體重/kg ;F表示步頻/步數每分鐘；T表示時間/min。5) 將人體運動所消耗的能量數值傳送到顯示記錄單元進行數據顯示與記錄。
全文摘要
一種人體能量消耗測量裝置及方法，屬於日常健身輔助器械技術領域。本發明由熱釋電元件以及覆蓋於其上的菲涅耳透鏡組成紅外探測器，探測範圍內人體所輻射出的紅外線經菲涅耳透鏡，入射到熱釋電元件上，熱釋電元件產生與人體運動形態相應的電信號，該電信號經放大電路放大後得到模擬電壓信號，該模擬電壓信號進入數據採集電路轉換為數位訊號，該數位訊號再經過數位訊號處理電路對信號進行分析處理，實現人體運動動作計數和頻率計數並將數據輸入人體消耗能量計算單元，同時將運動人體參數通過人體參數輸入單元輸入到人體消耗能量計算單元，利用經驗公式計算得到人體運動所導致的能量消耗值。本裝置及方法可用做日常健身活動的輔助器械。
文檔編號G01J5/12GK101703403SQ20091023772
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者楊靖, 王東生, 董永貴 申請人:清華大學