能量消耗是人们生活方式和运动情况一个很重要的生理参数反应,也是临床上判断一些疾病病理状况的重要依据。运动能量消耗较精确的测量方法有双标水法和代谢气体成分分析法,双标水法更是被称为能量代谢测定方法的“金标准”,其结果适合作为建模所需的真实能量消耗,但两者均不适合运动现场测试。随着传感器的发展,不少学者研究发现加速度信号与能量消耗之间存在线性关系,即三维加速度三轴信号绝对值对时间的积分与运动能量消耗成正比。也有不少学者得出结论:运动能量消耗与速度的平方成线性关系。因此,可以确定的是,运动能量消耗可以通过回归建模估算得到。在实验室已有的技术基础上,本文基于柔性阵列压力传感器检测足底压力分布来实时获得使用者的步姿步态信息,并建立步行运动过程中的速度估测模型和能量消耗估测模型,旨在研发出一套可以实时监测步行运动能量消耗的原理系统,主要完成的工作如下:⑴基于步态触觉参量的步速估测模型研究步行运动的能量消耗与步态触觉参量相关,也跟表征运动强度的运动速度相关,本论文研究中,步态触觉参量可通过压力传感器鞋垫直接测量,但无法直接获得运动速度信息,需要开展基于人体属性参数(年龄、性别、身高、下肢长度等)、步频等已知或可测样本信息的实验,建立步速的估测模型。⑵步行运动的能量消耗建模研究基于身体加速度信息的运动能量消耗模型,是估算日常运动能耗一种常用的手段和方式。本论文选择步态触觉参数和人体属性参数作为模型的自变量,利用气体代谢分析法,对步行运动能量消耗量建模分析,从而获得步行模式下,兼顾运动参数、个体属性参数等因素综合作用的运动能量消耗模型,实现对大多数人步行运动的实时能耗测评。为全民健康工程、生物医学、运动人体科学等领域的应用研究提供运动能耗信息支持。⑶研制基于柔性阵列压力传感器鞋垫的嵌入式运动能耗监测原理系统在生物力学参数获取、基于实时数据的运动能耗建模问题解决以后,本论文还将构建一套步行模式实时能耗监测的原理系统,该系统将利用本实验室自主研发的成本低廉的柔性阵列压力传感器,将步态生物力学参数采集电路与运动鞋有机集成,通过无线射频链路将实测参数发送至存储了运动能耗估测模型的腕表,腕表上可实时显示、存储和管理运动能量消耗信息,需要时可将历史数据上传到更大的服务系统以获取更精准的运动与健身指导。