基于步态触觉信息的步行速度及能耗建模

摘要

步行运动是最简单且最经济、最有效的健身方法，其速度及能量消耗是运动强度很重要的参数反映，实时监测步行速度与能耗是健康促进服务系统的重要技术环节。Nike联合Apple推出一款利用加速度信息，实现运动速度和能量消耗实时监测的Nike+，但是经其他学者和本文实验验证，Nike+用于步行时误差较大。因此，有必要探究新的速度和能量消耗的估测模型、研制出新的仪器或设备，监测步行运动的速度和能量消耗。
　　 本论文首先建立步行速度和能量消耗两个估测模型，然后将其移植到数字跑鞋中进行实验应用。
　　 (1)步速估测模型的建立。首先验证了电子步道用于测量步态时空参数时具有高可靠性；其次利用电子步道测量步频和步速，建立步速的估测模型，由步频回归步速估测模型的R2值大于0.89可知，可以由步频来估测步行速度；然后在实际步行运动中进行验证，估算速度与实测速度的独立样本检验的P值大于0.05表明：步速估测模型是有效的；最后提出针对个体差异进行校准的方法。由于样本还未分层考虑，因此，在将该模型用于其他人群，如左右不对称或步行速度特别慢的人群时，还需要进一步的研究。
　　 (2)步行运动的能量消耗建模。利用跑步机固定步行速度，利用气体代谢分析法测得步行的能量消耗，与前人研究结果比较发现，本文测得的结果小于前人研究结果，这可能是种族或者样本选择的差异造成的。分析发现：单位质量单位时间的能量消耗和步频及步速存在二次方的关系。由步频和步速回归能量消耗的估测模型R2的值分别为0.86和0.94可知，可以由步频和步速估测能量消耗。由于负重的多少会影响到运动的能量消耗，因此将该模型应用于负重情况下时也需要进一步的研究。
　　 (3)速度估测模型和能量消耗模型的应用。将步行速度和能量消耗两个估测模型移植到数字跑鞋中，并进行实验验证。初步验证结果表明，该方案是可行的。
　　 区别于加速度的能耗评估方式，本论文以压力传感器的计数输出，估算步行运动速度，评估运动能量消耗。本论文研究成果，经过实验验证是客观可行的，建立的估测模型和实验过程也是可以重现和经得起检验的，但还只是初步的探索性的实验，是对整个实验流程的验证和肯定，未来还要进一步的完善。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 研究动机

1.2研究目标

1.3研究意义

1.4本文工作和内容安排

1.4.1本文工作

1.4.2 内容安排

第二章速度估测模型的建立

2.1 电子步道用于测量步行时步态参数的可靠性研究

2.1.1 实验对象

2.1.2实验仪器

2.1.3实验步骤

2.1.4数据处理

2.1.5统计分析

2.1.6实验结果

2.1.7讨论

2.2速度估测模型的线性回归分析

2.2.1 实验对象

2.2.2实验仪器

2.2.3实验步骤

2.2.4数据处理

2.2.5统计分析

2.2.6实验结果

2.2.7讨论

2.3 本章小结

第三章速度估测模型的验证和修正

3.1 自然步行状态下的速度模型验证

3.1.1实验对象

3.1.2实验环境和仪器

3.1.3数据处理和统计分析

3.1.4实验结果

3.1.5 讨论

3.2定距离的速度估测模型验证

3.2.1 实验对象

3.2.2实验环境和仪器

3.2.3实验步骤和统计分析

3.2.4实验结果

3.2.5讨论

3.3速度估测模型的修正

3.3.1 实验对象

3.3.2实验环境和仪器

3.3.3实验步骤和统计分析

3.3.4修正方法

3.3.5实验结果

3.3.6讨论

3.4本章小结

第四章步行运动的能量消耗建模研究

4.1 实验对象

4.2 实验仪器

4.3操作步骤

4.4数据处理和统计分析

4.5实验结果

4.6讨论

4.7本章小结

第五章速度和能量消耗模型的应用

5.1数字跑鞋简介

5.2速度估测模型和能量消耗估测模型的移植

5.3速度估测模型和能量消耗估测模型的应用

5.3.1实验对象

5.3.2实验步骤和统计分析

5.3.3实验结果

5.3.4讨论

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1 讨论

6.2 总结

6.3 展望

附录

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果