穿戴裝置如何偵測上下樓梯?

穿戴裝置偵測動作的原理是透過裝置內慣性感測單元（Inertial Measurement Unit, IMU）的訊號特徵，來辨識人體不同運動型態（走路、跑步、跳躍）與跑步強度（慢跑、快跑）《穿戴裝置的偵測原理》。穿戴裝置除了可監測不同運動型態及跑步強度外，為了能更準確地記錄每日的活動量，現今穿戴裝置也能夠紀錄使用者上下爬升的高度變化，給予每日上下樓層數的估算。他們又是如何偵測的呢?

利用氣壓式高度計偵測上下樓

各大廠牌的智慧手錶透過不同方式進行樓層計算，其中Garmin是使用內建氣壓式高度計進行計算，當高度爬升3公尺或者大於等於8%坡度時，裝置就會認定使用者在爬樓層。然而氣壓式高度計會因為天氣劇烈變化、戶外風大、以及室內外往返（環境氣壓急遽變化）等而受到影響，導致樓層統計功能不準確。為解決這種受到環境氣候的影響，研究者們也致力於開發其它的方法來辨識上下樓梯。

利用慣性感測器偵測上下樓

在2020年運動科學期刊（Journal of Sports Sciences）上發表了一項研究，研究者將IMU放置於鞋子外側，進行平路、上坡、下坡、上樓梯及下樓梯，共五種走路型態的判別。首先他們將訊號區分為腳跟著地期與腳趾離地期《判斷著地型態的方法》，並觀察這兩個分期中反映踝關節背屈與蹠屈的角速度變化，藉此建立出研究者自定義的預測模型（模型I）；此外，研究者也利用人工智慧（AI）方法建立出深度學習（deep learning）的預測模型（模型II）。最後研究者分別評估了這兩個預測模型的準確度。

研究結果顯示，透過自定義預測模型（模型I）可準確判斷上坡（86.7%）、下坡（90.0%）與下樓（96.7%），如下圖A；而深度學習預測模型（模型II）則可準確判別下樓（90.2%）、上樓（90.7%）與平路走（90.6%），如下圖B。因此能夠透過IMU偵測到的足部角速度變化來建立預測模型，透過結合兩種不同預測模型的優勢，可精準的辨別五種不同的走路型態。

結語

IMU可用於辨識上下樓梯或上下坡走路的偵測，將其預測模型導入穿戴裝置後，將使身體活動量的計算更加準確，並且可應用於運動醫學和復健領域，以記錄患者日常活動並促進公共健康。

參考文獻:

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.