穿戴装置如何检测上下楼梯？

穿戴装置如何检测上下楼梯？

穿戴装置检测动作的原理是通过装置内的惯性感测单元（Inertial Measurement Unit, IMU）的信号特征，来识别人体不同的运动形态（走路、跑步、跳跃）与跑步强度（慢跑、快跑）。穿戴装置除了可以监测不同的运动形态及跑步强度外，为了能更准确地记录每日的活动量，现今的穿戴装置也能记录使用者上下爬升的高度变化，给予每日上下楼层数的估算。它们又是如何检测的呢？

利用气压式高度计检测上下楼

各大厂牌的智能手表通过不同方式来进行楼层计算，其中Garmin是使用内建气压式高度计进行计算，当高度爬升3米或者大于等于8%坡度时，装置就会认定使用者在爬楼层。然而气压式高度计会因为天气剧烈变化、户外风大、以及室内外往返（环境气压急剧变化）等而受到影响，导致楼层统计功能不准确。为了解决这种受到环境气候的影响，研究者们也致力于开发其他的方法来识别上下楼梯。

利用惯性感测器检测上下楼

在2020年《运动科学期刊》（Journal of Sports Sciences）上发表了一项研究，研究者将IMU放置于鞋子外侧，进行平路、上坡、下坡、上楼梯及下楼梯，共五种走路形态的判别。首先他们将信号区分为脚跟着地期与脚趾离地期，并观察这两个分期中反映踝关节背屈与跖屈的角速度变化，借此建立出研究者自定义的预测模型（模型I）；此外，研究者也利用人工智能（AI）方法建立出深度学习（deep learning）的预测模型（模型II）。最后研究者分别评估了这两个预测模型的准确性。

研究结果显示，通过自定义预测模型（模型I）可以准确判断上坡（86.7%）、下坡（90.0%）与下楼梯（96.7%），如下图A；而深度学习预测模型（模型II）则可以准确辨别下楼梯（90.2%）、上楼梯（90.7%）与平路走（90.6%），如下图B。因此可以通过IMU检测到的足部角速度变化来建立预测模型，通过结合两种不同预测模型的优势，可以精准地辨别五种不同的走路形态。

不同预测模型辨别真实走路形态的准确性

结语

IMU可用于识别上下楼梯或上下坡走路的检测，将其预测模型导入穿戴装置后，将使身体活动量的计算更加准确，并且可应用于运动医学和康复领域，以记录患者日常活动并促进公共健康。

参考文献：
Chen, W. H., Lee, Y. S., Yang, C. J., Chang, S. Y., Shih, Y., Sui, J. D., ... & Shiang, T. Y. (2020). Determining motions with an IMU during level walking and slope and stair walking. Journal of Sports Sciences, 38(1), 62-69.