張擁軍+王興

摘 要：以Web of Science為數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源，運(yùn)用CiteSpaceⅢ軟件對(duì)2010—2015年國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究領(lǐng)域的5 752條文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量分析，在科學(xué)知識(shí)圖譜的視角下，探測(cè)國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究的前沿?zé)狳c(diǎn)與研究力量布局情況。結(jié)果顯示：近6年國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)；研究國(guó)家和機(jī)構(gòu)集中在美國(guó)佐治亞理工學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院；高產(chǎn)作者集聚明顯，以王中林領(lǐng)銜的納米科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)為主；研究焦點(diǎn)關(guān)注于運(yùn)動(dòng)傳感器的性能表現(xiàn)、對(duì)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)立體測(cè)量的開發(fā)應(yīng)用和運(yùn)動(dòng)傳感器定位跟蹤系統(tǒng)的創(chuàng)新性；未來(lái)的研究趨勢(shì)傾向于對(duì)發(fā)電機(jī)材料優(yōu)化促進(jìn)運(yùn)動(dòng)傳感器通透性改善、智能化的人體運(yùn)動(dòng)傳感識(shí)別、種類多樣且愈發(fā)人性化的可穿戴運(yùn)動(dòng)傳感器設(shè)備開發(fā)應(yīng)用和多樣化的運(yùn)動(dòng)傳感壓感模型方法等。

關(guān)鍵詞：國(guó)際；運(yùn)動(dòng)傳感器；熱點(diǎn)與趨勢(shì)；科學(xué)知識(shí)圖譜

中圖分類號(hào)：G 804 文章編號(hào)：1009-783X（2017）03-0280-09 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Taking Web of Science database sources and using CiteSpaceⅢ software to analyze 5752 documents on international motion sensor research during 2010-2015 in the field of quantitative analysis from the perspective of scientific knowledge map， the present study sets to probe international motion sensor forefront of research focus and research efforts layout of. The results show that in the past six years the research on international motion sensor exhibits a rising trend， that the research focus of countries and institutions are at the Georgia Institute of Technology， China Academy of Sciences， that are some obviously high-producing researchers， e.g. Nanoscience of Research Group research team which is led by Wang Zhonglin， that the research focus is on the innovative development and application of the motion sensor positioning performance and the motion sensor on the human body kinematics index of stereo measurement and tracking system， and that the future research trends tend to promote the optimization of material generator motion sensor permeability and intelligent human motion sensing recognition， diversity and more humanized wearable motion sensor device development and application of various motion sensing pressure model method etc.

Keywords： international； motion sensor； hot spot and trend； scientific knowledge map

傳感器是一種能感受規(guī)定的被測(cè)量件，并按照一定的規(guī)律（數(shù)學(xué)函數(shù)法則）轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件2部分組成。而運(yùn)動(dòng)傳感器是固定在運(yùn)動(dòng)物體特定部位的一種跟蹤裝置，它能向運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)提供物體運(yùn)動(dòng)的位置信息，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的重要電子設(shè)備，在健康監(jiān)控與運(yùn)動(dòng)監(jiān)控領(lǐng)域?qū)θ梭w進(jìn)行生理信息和運(yùn)動(dòng)信息的監(jiān)測(cè)，為測(cè)試者提供許多重要的量化指標(biāo)信息，可廣泛應(yīng)用于生物康復(fù)醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、日常活動(dòng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[1-2]。

運(yùn)動(dòng)傳感器作為人體日?；顒?dòng)的監(jiān)測(cè)裝置，在運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、康復(fù)治療等多個(gè)領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息的感知、處理和傳輸，它和計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的3大支柱，日益成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行研究和梳理將具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

鑒于此，本文嘗試性地對(duì)近6年國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究的動(dòng)態(tài)進(jìn)行梳理，為未來(lái)的進(jìn)一步研究提供思路和參考。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文獻(xiàn)數(shù)據(jù)均來(lái)源于美國(guó)科學(xué)情報(bào)所（ISI）出版的Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定高級(jí)檢索，主題詞檢索欄輸入TS=“Motion Sensor”，語(yǔ)種為English，文獻(xiàn)類型為Article，共檢索出相關(guān)索引文獻(xiàn)5 752篇，數(shù)據(jù)下載類型格式為純文本，檢索數(shù)據(jù)及下載日期為2016年1月16日。

1.2 研究方法

本研究以Web of Science平臺(tái)的WOS核心文集數(shù)據(jù)庫(kù)科學(xué)引文索引數(shù)據(jù)庫(kù)中2010—2015年有關(guān)運(yùn)動(dòng)傳感器方面的5 752條文獻(xiàn)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，采用CiteSpaceⅢ軟件對(duì)當(dāng)前國(guó)際有關(guān)運(yùn)動(dòng)傳感器研究的時(shí)間分布特征、研究國(guó)家和機(jī)構(gòu)分布、高產(chǎn)作者特征、研究熱點(diǎn)與趨勢(shì)進(jìn)行探析。endprint

1.3 研究指標(biāo)

1）近6年發(fā)文量。在Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)搜索平臺(tái)中通過(guò)分析檢索結(jié)果得出近6年的發(fā)文量。

2）研究國(guó)家（地區(qū)）、機(jī)構(gòu)和作者分布。年份設(shè)置為2010—2015年，時(shí)間跨度為1，節(jié)點(diǎn)類型分別選擇國(guó)家（地區(qū)）、機(jī)構(gòu)和作者，數(shù)據(jù)選取為Top50，閾值為（2，2，20）（4，3，20）（4，3，20），其他均為軟件默認(rèn)，運(yùn)行CitespaceⅢ軟件，顯示可視化聚類圖譜。

3）高頻關(guān)鍵詞。時(shí)間間隔設(shè)為1年，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選關(guān)鍵詞，數(shù)據(jù)選取為Top50，其他均按默認(rèn)選擇運(yùn)行軟件，得到節(jié)點(diǎn)N=88，連線E=83，密集度Density=0.021 7，Q值=0.688 9，M=0.204 4，生成關(guān)鍵詞熱點(diǎn)及趨勢(shì)共現(xiàn)圖譜。

2 研究結(jié)果

2.1 國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究的時(shí)間分布

一個(gè)領(lǐng)域年度發(fā)文量的變化趨勢(shì)能反映出該領(lǐng)域的受關(guān)注程度和發(fā)展速度。由圖1可知，近6年國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器發(fā)文量整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，總量不斷增加，2015發(fā)文量為2010年的2倍有余。近6年的發(fā)文量呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，說(shuō)明國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究的發(fā)展速度較快，受關(guān)注程度較高。

2.2 國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器國(guó)家（地區(qū)）和機(jī)構(gòu)分布

對(duì)國(guó)家或地區(qū)在運(yùn)動(dòng)傳感器研究領(lǐng)域發(fā)文量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得出此研究領(lǐng)域的研究力量國(guó)家布局情況，可以了解相關(guān)國(guó)家及地區(qū)或機(jī)構(gòu)在此研究領(lǐng)域的科研比重，對(duì)了解各國(guó)家（地區(qū)）在此領(lǐng)域科研貢獻(xiàn)具有意義，為進(jìn)一步分析各個(gè)國(guó)家（地區(qū)）間的合作領(lǐng)域及合作強(qiáng)度做好鋪墊[4]。由表1可知：美國(guó)和中國(guó)在發(fā)文量上遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家及地區(qū)，分別為1 678篇和848篇，共占43.91%。在空間分布上，美國(guó)和中國(guó)這2個(gè)國(guó)家對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器領(lǐng)域的關(guān)注度大于其他國(guó)家及地區(qū)，也從側(cè)面反映了2個(gè)國(guó)家在此研究領(lǐng)域的科研成果較高。由表2可知：10所主要研究機(jī)構(gòu)中，美國(guó)占有3所，中國(guó)占有2所，英國(guó)、瑞士、韓國(guó)、日本、新加坡各占1所，主要的研究機(jī)構(gòu)也集中在歐美的高校科研院所，例如美國(guó)的佐治亞理工學(xué)院、麻省理工大學(xué)等，中國(guó)科學(xué)院和清華大學(xué)作為中國(guó)代表為這一領(lǐng)域貢獻(xiàn)著力量。

2.3 主要高產(chǎn)作者分布

由表3可以看出，主要高產(chǎn)作者大部分都來(lái)自于佐治亞理工學(xué)院，研究領(lǐng)域也集中于納米技術(shù)和壓電光電電子方面。林龍、陳軍、井慶深、朱光和Simiao Niu都以王中林為中心聚類輻射，之間的連線比較緊密，如圖3所示。

林龍、陳軍等幾位專家都曾在王中林所領(lǐng)導(dǎo)的納米科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)（Nanoscience Research Group）中學(xué)習(xí)或工作，為其科研密切合作奠定了基礎(chǔ)。這一團(tuán)隊(duì)主要的研究成果有如下：將壓電效應(yīng)和半導(dǎo)體效應(yīng)進(jìn)行獨(dú)特結(jié)合，通過(guò)納米材料構(gòu)成的元器件來(lái)收集人體運(yùn)動(dòng)、肌肉收縮和血液流動(dòng)等所產(chǎn)生的能量，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件，從而讓納米器件或納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)能量的自供；基于納米級(jí)壓電和半導(dǎo)體性能的巧妙耦合提出了納米壓電電子學(xué)（nanopiezotronics）的概念，即利用壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)調(diào)制和控制載流子運(yùn)動(dòng)的原理來(lái)制造新型的器件，首次制造出壓電場(chǎng)效應(yīng)三極管、壓電二極管、壓電調(diào)控的邏輯運(yùn)算電路。新型納米壓電邏輯器件適用于低頻應(yīng)用領(lǐng)域，可廣泛應(yīng)用于納米機(jī)器人、納米機(jī)電系統(tǒng)、微機(jī)電系統(tǒng)、微流體器件中。調(diào)控這類邏輯器件的信號(hào)應(yīng)力可以是簡(jiǎn)單的按鈕動(dòng)作，也可由液體流動(dòng)、肌肉的伸縮或機(jī)器人部件的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生[5]。

Kamiar的LMAM實(shí)驗(yàn)室側(cè)重多學(xué)科綜合研究的運(yùn)動(dòng)分析和測(cè)量，研究涉及生物力學(xué)儀器測(cè)量和模擬人類生物力學(xué)在日常條件下的自發(fā)活動(dòng)或體育鍛煉?；谏眢w磨損傳感器來(lái)設(shè)計(jì)可穿戴式系統(tǒng)和算法，推測(cè)三維關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的指標(biāo)參數(shù)，評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)性能并實(shí)現(xiàn)對(duì)體力活動(dòng)和步態(tài)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析。在現(xiàn)實(shí)世界中主要是基于可穿戴式技術(shù)和慣性傳感器，重點(diǎn)是步態(tài)、身體活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)。他的研究目標(biāo)是對(duì)骨科進(jìn)行評(píng)價(jià)，改善老化、運(yùn)動(dòng)障礙和疼痛患者的運(yùn)動(dòng)功能，在運(yùn)動(dòng)科學(xué)當(dāng)中確定性能指標(biāo)和進(jìn)行干預(yù)計(jì)劃，以期將生物工程成果轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用。

李長(zhǎng)治及他的研究團(tuán)隊(duì)使用Lab VIEW與PXI打造出生物雷達(dá)系統(tǒng)，針對(duì)人體生命跡象，構(gòu)建非接觸式遠(yuǎn)端偵測(cè)系統(tǒng)原型，引領(lǐng)了新的信號(hào)處理方式和結(jié)構(gòu)理念，并表現(xiàn)出較大的靈活性能。他們選用了NI PXI硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)，無(wú)需零散的微波元件，也可以通過(guò)Lab VIEW實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理信號(hào)，同時(shí)采集收集數(shù)據(jù)。智能生物雷達(dá)系統(tǒng)搭載了強(qiáng)大的PXI與Lab VIEW工具，將在信號(hào)處理、雷達(dá)搜尋和生物醫(yī)藥健康領(lǐng)域發(fā)揮極大作用[6]。

此外，高產(chǎn)作者楊進(jìn)，來(lái)自于重慶大學(xué)，主要研究?jī)?nèi)容為信息獲取與處理、傳感技術(shù)、自供能技術(shù)、儀器系統(tǒng)、測(cè)量與控制、智能結(jié)構(gòu)等，在“分布式無(wú)源無(wú)線聲表面波傳感器陣列研究”中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的傳感器系統(tǒng)可以在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，且首次提出諧振延遲線型無(wú)源無(wú)線聲表面波傳感器，建立了通用的無(wú)源無(wú)線聲表面波傳感虛擬儀器系統(tǒng)，提出了新的提高信噪比的回波中心頻率檢測(cè)和估計(jì)方法，有效地改進(jìn)了現(xiàn)有無(wú)源無(wú)線傳感器測(cè)量距離近的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，也可用于陣列傳感器的檢測(cè)[7]。

2.4 國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究的熱點(diǎn)

關(guān)鍵詞作為文章主題的概括和作者研究重點(diǎn)的提煉，是從文獻(xiàn)的題名、摘要中提煉出來(lái)的，對(duì)其進(jìn)行共現(xiàn)分析，對(duì)于把握一個(gè)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題是非常有意義的?；诳茖W(xué)知識(shí)圖譜詞頻分析法的原理統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次及不同關(guān)鍵詞之間共現(xiàn)的頻次，并以可視化的形式將關(guān)鍵詞的頻次高低和聚類關(guān)系清晰地展示出來(lái)，從中分析得出國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[8]；因此，以關(guān)鍵詞為節(jié)點(diǎn)對(duì)國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器進(jìn)行共現(xiàn)聚類分析時(shí)，共生成88個(gè)節(jié)點(diǎn)，83條連線的關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類圖譜，圖譜中圓形節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)關(guān)鍵詞，圓圈大小代表該關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次的高低，不同顏色代表不同的年份，集聚的模塊代表該關(guān)鍵詞的研究主題切近，連線的多少則說(shuō)明其共現(xiàn)的系數(shù)。endprint

由圖4和表4可知，目前研究熱點(diǎn)主要集中于6大共現(xiàn)聚類標(biāo)簽，分別為成年人、鉸鏈、屈曲、步態(tài)、同步定位、整流器和內(nèi)張力。結(jié)合表4和表5可知：加速度計(jì)、設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等以較高的頻次和中心性聚類共現(xiàn)，凸顯主題為運(yùn)動(dòng)傳感器性能的表現(xiàn)；柔性鉸鏈、生物力學(xué)、步態(tài)評(píng)定與分析、肩膀運(yùn)動(dòng)學(xué)仿生學(xué)和無(wú)慣性立體測(cè)量單元等也以人體運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)的測(cè)量聚類凸顯；定位、導(dǎo)航、跟蹤發(fā)展到2013年的電磁跟蹤裝置聚類共現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)傳感器定位跟蹤系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新。綜上所述，近年來(lái)，聚焦于運(yùn)動(dòng)傳感器的性能表現(xiàn)、對(duì)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)測(cè)量的開發(fā)應(yīng)用和運(yùn)動(dòng)傳感器定位跟蹤系統(tǒng)創(chuàng)新性的研究。

2.5 國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究的趨勢(shì)

通過(guò)探究關(guān)鍵詞詞頻的時(shí)間分布，將其中頻次變化率高的詞，從大量的詞中探測(cè)出來(lái)，依靠詞頻的變化趨勢(shì)可以預(yù)測(cè)國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究的發(fā)展趨勢(shì)[8]。由圖5可知，未來(lái)的研究趨勢(shì)傾向于發(fā)電機(jī)的通透性（generator-transparent）、運(yùn)動(dòng)捕捉（motion capture）、薄膜壓力（films-pressure）、可穿戴傳感器設(shè)備的生產(chǎn)和制造（wearable sensors-fabrication）及快速運(yùn)動(dòng)的識(shí)別（velocity-activity recognition）等。

3 分析與討論

3.1 研究熱點(diǎn)的特征分析

3.1.1 運(yùn)動(dòng)傳感器的性能表現(xiàn)愈顯優(yōu)化

運(yùn)動(dòng)傳感器性能的優(yōu)化主要體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)傳感器類型、感測(cè)材料、數(shù)據(jù)的識(shí)別及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用等方面。在傳感器的類型范圍上從單軸加速度計(jì)到三軸加速度計(jì)、陀螺儀和磁性傳感器到可穿戴式慣性運(yùn)動(dòng)傳感器，運(yùn)動(dòng)傳感器的類型變化越來(lái)越傾向于高度的可移動(dòng)性和便捷性[9]。石墨烯織物（GWF）被探索為高度敏感的感測(cè)材料進(jìn)行應(yīng)用，其所具有的高靈敏度和可逆延伸性的獨(dú)特性能，大大地促進(jìn)了尺寸和功率消耗問題的解決，使小尺寸和低生產(chǎn)成本的運(yùn)動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)成為可能。開發(fā)傳感器導(dǎo)出的活動(dòng)模式識(shí)別算法，以識(shí)別有目的的運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量、類型和數(shù)量等方面，例如步行速度、距離、持續(xù)時(shí)間和步態(tài)不對(duì)稱性以及鍛煉的數(shù)據(jù)等，還可用于提供關(guān)于在家庭和社區(qū)的背景下的練習(xí)和技能學(xué)習(xí)的遠(yuǎn)程反饋，使運(yùn)動(dòng)傳感器成為一種非常好的人類運(yùn)動(dòng)分析工具，例如佩戴在手臂、軀干或腿上的無(wú)線慣性運(yùn)動(dòng)傳感器裝置可以通過(guò)因特網(wǎng)發(fā)送原始數(shù)據(jù)以顯示日常的活動(dòng)[10]。

3.1.2 人體運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)測(cè)量的開發(fā)應(yīng)用呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)立體化

人體運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)的測(cè)量主要體現(xiàn)在通過(guò)固定方法的優(yōu)化和加速計(jì)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)性的立體測(cè)量應(yīng)用。運(yùn)用加速度計(jì)技術(shù)的PA監(jiān)測(cè)能夠在自由生活環(huán)境中對(duì)受試者進(jìn)行自動(dòng)、連續(xù)和長(zhǎng)期的活動(dòng)測(cè)量，使運(yùn)動(dòng)傳感器在人類活動(dòng)的測(cè)量中實(shí)現(xiàn)定量評(píng)估[11]。對(duì)于人體上部運(yùn)動(dòng)的跟蹤測(cè)量，采用低成本可穿戴慣性傳感器在3D空間中實(shí)時(shí)地跟蹤上身運(yùn)動(dòng)，即建立由軀干和兩肢組成的人體上部運(yùn)動(dòng)鏈，使用6個(gè)慣性測(cè)量單位測(cè)量的身體部分的給定旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算關(guān)節(jié)變量[12]。人體下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析參數(shù)的獲得，大多數(shù)研究是通過(guò)將踝關(guān)節(jié)、膝蓋和髖關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的鉸鏈關(guān)節(jié)所進(jìn)行的三維描述。例如運(yùn)動(dòng)員或患者的技能水平和運(yùn)動(dòng)性能分析，動(dòng)態(tài)測(cè)量監(jiān)測(cè)患者的日?；顒?dòng)、臨床評(píng)估，步態(tài)事件檢測(cè)分析和識(shí)別不同的日常活動(dòng)，例如樓梯攀登、步行、跑步、劃船、騎自行車等。目前主要應(yīng)用的固定方法也得到了優(yōu)化，如Velcro帶、雙面膠帶、彈性帶和neoprene帶等通常用于固定運(yùn)動(dòng)傳感器在受試者的身體上，以減少不正確的解剖軸所造成的測(cè)量誤差[11-12]。將來(lái)，基于可穿戴運(yùn)動(dòng)傳感器的活動(dòng)監(jiān)測(cè)器的應(yīng)用將與所謂的“健康智能家庭”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相集成，從可佩戴加速度計(jì)獲得的加速度測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)與這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的日常生活（ADL）數(shù)據(jù)的同步，以便更好地描述人類移動(dòng)性、身體活動(dòng)、行為模式和功能能力的信息，還可惠及整體個(gè)人的健康狀況[11-12]。

3.1.3 運(yùn)動(dòng)傳感器定位跟蹤系統(tǒng)凸顯多維空間的創(chuàng)新性

運(yùn)動(dòng)傳感器定位跟蹤系統(tǒng)的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在通過(guò)信號(hào)與距離路徑鏈接方面的研究，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外的多維空間跟蹤定位。大多數(shù)運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)通常用于戶外的定位應(yīng)用，例如車輛或?qū)椄櫍S著運(yùn)動(dòng)傳感器的迅速發(fā)展，定位跟蹤系統(tǒng)也傾向?yàn)橹圃鞓I(yè)、人類輔助支持和健康康復(fù)等領(lǐng)域服務(wù)。目前已存在一種定位跟蹤系統(tǒng)，即使用由一個(gè)慣性測(cè)量單元（IMU）和一個(gè)位置傳感器組成的混合硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的位置和方向的估計(jì)[13]。

在解決距離和通信跳躍之間鏈接的問題上，提出一種分布式網(wǎng)絡(luò)形成算法，增加傳感器在集群樹中的定位概率，使用參數(shù)估計(jì)的軟信息解決聯(lián)合通信和定位系統(tǒng)的信道問題，強(qiáng)調(diào)NLOS鏈路來(lái)解決位置感知路由的本地化和鏈路檢測(cè)問題。在室內(nèi)環(huán)境的定位上，提出了一種基于接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）的新技術(shù)，強(qiáng)調(diào)路徑損耗模型和數(shù)字地圖對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，用于路徑損耗模型的校準(zhǔn)和測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理，以便優(yōu)化定位性能的自動(dòng)化方法[14]。

3.2 研究趨勢(shì)的分析

3.2.1 發(fā)電機(jī)材料優(yōu)化促進(jìn)運(yùn)動(dòng)傳感器通透性改善

對(duì)于運(yùn)動(dòng)傳感器的通透性研究，主要體現(xiàn)為發(fā)電機(jī)材料的優(yōu)化，如單摩擦表面摩擦發(fā)生器（STEG）的發(fā)明，該STEG是透明和靈活的，使得摩擦電發(fā)生器中的應(yīng)用得以擴(kuò)展范圍。該裝置以簡(jiǎn)單和非常低成本的制造特性，在自供電觸摸面板和人造皮膚的應(yīng)用上展現(xiàn)廣闊前景[15]。此外，提出一種創(chuàng)新的透明微熱電發(fā)電機(jī)（μ-TEG），通過(guò)使用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的表面微加工技術(shù)，透明微熱電發(fā)電機(jī)與懸浮橋型多晶硅珀?duì)柼屯该鲗?dǎo)電的銦錫氧化物（ITO）薄膜作為熱側(cè)和冷側(cè)電極可以用來(lái)制造玻璃或石英晶片，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、仿真和制造[16]。選取的材料目前主要有絲纖蛋白、小于10 nm厚度的氧化鋅納米片和大孔的石墨烯材料及透明高分子聚合物材料。絲纖蛋白被證明是有前途的材料來(lái)構(gòu)造TEG，并且所制造的TEG表現(xiàn)出穩(wěn)定的高輸出性能[17]。小于10 nm厚度的氧化鋅納米片組成的新型納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了使用涉及一個(gè)淺顯的合成路線和合理設(shè)計(jì)的新方法制造的。這些是迄今為止在ZnO系納米發(fā)電機(jī)文獻(xiàn)報(bào)道中的最佳值。有研究證明納米發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)可以瞬時(shí)提升功率，發(fā)光二極管無(wú)需任何額外的能量?jī)?chǔ)存過(guò)程，既可以作為氧化鋅納米片的簡(jiǎn)便合成路線和簡(jiǎn)單的器件制造工藝提供借鑒，也可以應(yīng)用在智能可穿戴系統(tǒng)、透明和靈活的設(shè)備、植入式遙測(cè)能量接收器、電子應(yīng)急設(shè)備等自供電納米/微米器件上[18]。近年來(lái)，大孔的石墨烯整料（MGMS），具有超低密度和良好的導(dǎo)電性，已被認(rèn)為是優(yōu)異的壓力傳感器，由于它們恢復(fù)的快速率、優(yōu)異的彈性、高靈敏度、低工作電壓、長(zhǎng)循環(huán)壽命，使之有可能被選用于制造低成本的人造皮膚[19]。endprint

3.2.2 人體運(yùn)動(dòng)傳感識(shí)別趨向智能化

運(yùn)動(dòng)傳感器識(shí)別和信息捕捉方面日趨智能化，目前涉及主要研究領(lǐng)域一方面為老年人醫(yī)療康復(fù)、日常健康生活行為模式（步態(tài)、跌倒等緊急事件）的檢測(cè)，另一方面為身體姿勢(shì)測(cè)量和運(yùn)動(dòng)識(shí)別，例如對(duì)人造運(yùn)動(dòng)傳感器和穿戴式傳感器系統(tǒng)的開發(fā)和驗(yàn)證。在使用方法上主要以時(shí)空混合動(dòng)力人體跟蹤和行為識(shí)別、利用3D傳感器的唯一深度信息的人類活動(dòng)識(shí)別、開發(fā)擬合人體骨骼模型定位坐標(biāo)、按活動(dòng)模式識(shí)別算法分析、多維語(yǔ)義屬性的動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整方法、身體活動(dòng)和手勢(shì)使用貝葉斯濾波器和短時(shí)Viterbi算法、動(dòng)作/姿勢(shì)性震顫評(píng)估的自動(dòng)化方法以及步態(tài)健康監(jiān)測(cè)法等。

在具體操作平臺(tái)或系統(tǒng)上主要有使用可穿戴式和手持設(shè)備跌倒檢測(cè)和鑒定活動(dòng)。例如：智能手表與Android設(shè)備（例如智能手機(jī)）一起對(duì)穿戴設(shè)備拍攝的人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效捕獲、傳輸，為運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理提供新的應(yīng)用思路[20]；運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)與場(chǎng)景信息結(jié)合起來(lái)，使用單一的微軟Kinect深度傳感器捕捉老年人活動(dòng)特征[21]；以社會(huì)和環(huán)境感知多傳感器集成平臺(tái)，收集老年人在家中跌倒檢測(cè)系統(tǒng)和傳感器的信息，通過(guò)使用基于云的解決方案，利用本體論，捕獲靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，對(duì)一個(gè)特定的患者的情況進(jìn)行建模，以便于自動(dòng)和連續(xù)地評(píng)估老年人的跌倒風(fēng)險(xiǎn)，更準(zhǔn)確地檢測(cè)跌倒，確定誤報(bào)和自動(dòng)通知適當(dāng)?shù)目醋o(hù)者[22]；多模態(tài)多傳感器普羅米修斯數(shù)據(jù)庫(kù)，旨在建立一個(gè)監(jiān)測(cè)框架和在不受限制的室內(nèi)和室外環(huán)境的人類行為的解釋，該數(shù)據(jù)庫(kù)包含來(lái)自異構(gòu)傳感器（一個(gè)紅外運(yùn)動(dòng)探測(cè)傳感器、熱成像儀、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、特寫視圖視頻攝像機(jī)、三維相機(jī)、立體相機(jī)、普通同步錄音超過(guò)4 h的攝錄一體機(jī)、麥克風(fēng)陣列以及動(dòng)作捕捉設(shè)備）共同設(shè)置收集數(shù)據(jù)，模擬智能家居環(huán)境、機(jī)場(chǎng)和ATM的安全環(huán)境。數(shù)據(jù)庫(kù)選定的場(chǎng)景被注解為人體檢測(cè)和跟蹤的需求。數(shù)據(jù)庫(kù)的整個(gè)音頻部分被注解為聲音事件檢測(cè)、聲源枚舉、情感識(shí)別等的需要[23]；傳感環(huán)境人類行為體系結(jié)構(gòu)認(rèn)知手機(jī)平臺(tái)，最新的定位技術(shù)和手機(jī)傳感器被用來(lái)捕捉在自然環(huán)境和運(yùn)動(dòng)中的人類活動(dòng)行為，包括6個(gè)級(jí)別——原始傳感器數(shù)據(jù)、物理參數(shù)、特性/模式、簡(jiǎn)單的上下文描述符、活動(dòng)程度描述符和豐富的上下文，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上下文的金字塔式認(rèn)知機(jī)。其利用3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：無(wú)處不在的定位、運(yùn)動(dòng)識(shí)別和人類行為建模；但這一平臺(tái)對(duì)定位空間環(huán)境有局限性，需定位精度空間環(huán)境中是1.9 m×1.9 m的露天場(chǎng)所[24]。熱釋電紅外（PIR）傳感器在人類活動(dòng)中的使用，用于捕獲人類正常和異?；顒?dòng)的特性，對(duì)方向具有敏感性，使用分布式傳感結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是頭部、上肢和下肢的協(xié)同運(yùn)動(dòng)模式可以被有效地編碼，這為構(gòu)建一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)使用傳感器PIR提供新的思考[25]。

3.2.3 可穿戴運(yùn)動(dòng)傳感器設(shè)備種類多樣且日顯人性化應(yīng)用

在現(xiàn)代日常生活中可穿戴運(yùn)動(dòng)傳感器設(shè)備種類日益多樣化，例如廣泛應(yīng)用于可穿戴電子產(chǎn)品的柔軟易彎曲的壓力傳感器、用于測(cè)量脈率和血壓的手腕可佩戴式cuffless脈博計(jì)、新型智能服裝人體測(cè)溫的可穿戴式傳感器、用于人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的光纖傳感器、可穿戴式電化學(xué)傳感器、柔性納米傳感器、動(dòng)力學(xué)步態(tài)分析使用的低成本鞋墊、對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)耐磨且高靈敏度的石墨烯應(yīng)變傳感器、光纖的可穿戴式電子產(chǎn)品、新的聚苯乙烯基離子聚合物/納米復(fù)合材料碳納米管可穿皮膚溫度傳感器、用于測(cè)試腦電圖和情緒的可穿戴式EEG頭帶、用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的大型組件高度敏感性的硅基彈性應(yīng)變傳感器以及在能源、電子、傳感和醫(yī)療保健產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的混合納米結(jié)構(gòu)性棉導(dǎo)電材料穿戴設(shè)備等[26-35]。

3.3 高被引文獻(xiàn)知識(shí)基礎(chǔ)的簡(jiǎn)析

Bland等[36]對(duì)臨床測(cè)量方法評(píng)估協(xié)議統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證性研究，提出通常調(diào)查分析使用相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法時(shí)存在誤導(dǎo)性，在基于圖形技術(shù)和簡(jiǎn)單的計(jì)算、描述和分析時(shí)，要保證所使用的方法具有可重復(fù)性。Fischler等[37]提出了一種新的模式，隨機(jī)抽樣一致（RANSAC），擬合模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹，描述了RANSAC定位問題中的應(yīng)用（LDP）：給定一個(gè)形象刻畫與已知位置的一組坐標(biāo)，確定空間點(diǎn)的圖像。基于易錯(cuò)的特征檢測(cè)器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，非常適合應(yīng)用在自動(dòng)圖像分析方面。Lowe [38]介紹從可用于執(zhí)行對(duì)象或場(chǎng)景的不同視圖之間可靠匹配圖像中提取鮮明不變特征的方法，還介紹了使用這些功能的物體識(shí)別的方法。由單獨(dú)的特征相匹配的使用快速最近鄰算法從已知對(duì)象特征的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)霍夫識(shí)別前進(jìn)變換來(lái)識(shí)別屬于單個(gè)對(duì)象集群，并最終執(zhí)行用于一致姿勢(shì)參數(shù)驗(yàn)證通過(guò)最小二乘解。這種方法可以識(shí)別強(qiáng)勁雜波和閉塞中的對(duì)象，同時(shí)實(shí)現(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的性能。Yamada等[39]提出可拉伸電子材料如硅可以結(jié)合到衣物或直接附著到身體傳感器制造的器件，具有高耐用性，反應(yīng)迅速的單壁碳納米管薄膜可用于可穿戴的和可伸縮設(shè)備的制造，設(shè)計(jì)組裝了碳納米管傳感器長(zhǎng)襪、繃帶和手套設(shè)備，可以檢測(cè)不同類型的人類運(yùn)動(dòng)，包括運(yùn)動(dòng)、打字、呼吸和演講等。Fan等[40]基于摩擦起電過(guò)程中易引起能量浪費(fèi)的負(fù)效果現(xiàn)象出發(fā)，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單、成本低，使用摩擦充電過(guò)程將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電力，用于驅(qū)動(dòng)小型電子的有效途徑。即摩擦發(fā)電機(jī)（TEG）通過(guò)堆疊由具有明顯不同的摩擦電特性的材料的2個(gè)聚合物片材，與沉積在組裝結(jié)構(gòu)的頂部和底部的金屬膜制成。一旦經(jīng)受機(jī)械變形，在2個(gè)膜之間的摩擦，由于納米級(jí)表面粗糙度，產(chǎn)生等量但在兩側(cè)電荷符號(hào)相反，因此，在界面區(qū)域，其用電荷“泵”驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載的電子的流動(dòng)，如果系統(tǒng)中有電容變化，則形成一個(gè)摩擦潛在層，從而收集產(chǎn)生的巨大能量，這將在個(gè)人電子產(chǎn)品、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)甚至大型電力自供電系統(tǒng)中發(fā)揮極大的應(yīng)用潛力。Besl等[41]提出了一種通用的用于三維形狀的精確和高效的計(jì)算方法，包括注冊(cè)自由形式的曲線和曲面表示獨(dú)立的方法。該方法處理的完整的六自由度，并且是基于迭代最近點(diǎn)（ICP）算法，它僅需要一個(gè)過(guò)程來(lái)找到一個(gè)幾何實(shí)體的最近點(diǎn)到指定的點(diǎn)；因此，給定一個(gè)適當(dāng)組初始旋轉(zhuǎn)和平移的特定類的對(duì)象與“形狀復(fù)雜”一定水平時(shí)，可以在全球范圍內(nèi)測(cè)試每個(gè)初始登記最小化均方距離在所有6個(gè)自由度度量，這將在傳感定位系統(tǒng)應(yīng)用中發(fā)揮潛力。由于當(dāng)前的方法對(duì)身體動(dòng)作動(dòng)態(tài)測(cè)量和定位精度方面存在有限，Luinge等[42]開發(fā)和驗(yàn)證使用一個(gè)慣性測(cè)量單元（IMU）來(lái)精確測(cè)量人體部分的方法。IMU由3個(gè)單軸加速度計(jì)和3個(gè)單軸微型機(jī)械陀螺儀聚集在一個(gè)矩形框（大小20 mm×20 mm×30 mm）。方位估計(jì)算法不斷修正方向，使用陀螺儀角速度測(cè)量估計(jì)得到的數(shù)據(jù)，修正了使用一個(gè)傾向估計(jì)連續(xù)獲得使用3D加速計(jì)的信號(hào)，這減少了集成漂移角速度導(dǎo)致的錯(cuò)誤信號(hào)。此外，陀螺儀抵消是不斷調(diào)整的，使用卡爾曼濾波方法實(shí)現(xiàn)對(duì)所涉及的信號(hào)光譜以及波動(dòng)陀螺儀偏移量的控制。該方法可用于動(dòng)態(tài)動(dòng)作的檢測(cè)和記錄，如檢測(cè)運(yùn)動(dòng)骨盆、軀干和前臂等。Foxlin[43]開發(fā)出一個(gè)名為NavShoe定位跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于慣性檢測(cè)位置跟蹤的新方法。這種無(wú)線的慣性傳感器小到足以方便地塞進(jìn)鞋帶，可以采用較低的功率的小電池全天運(yùn)行。雖然不能單獨(dú)用于近距離物體的精確定位，但該裝置提供了一個(gè)強(qiáng)大的大致位置，可以大大減少為計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)搜索空間，使得它更簡(jiǎn)單可靠。這一系統(tǒng)將在消防應(yīng)急救援、個(gè)人導(dǎo)航等方面具有巨大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。Wang等[44]通過(guò)壓電的氧化鋅納米線（凈重）陣列，在氧化鋅的壓電和半導(dǎo)體特性的耦合下創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)變場(chǎng)和電荷分離，由于其彎曲的結(jié)果，金屬針尖與北西向電流產(chǎn)生的肖特基勢(shì)壘的整流特性，可有效將納米機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，這種方法將機(jī)械振動(dòng)或液壓能轉(zhuǎn)化為電能，可對(duì)自供電設(shè)備的供電難題提供有益思路。endprint

綜上所述，以上9篇文獻(xiàn)作為國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，被后繼研究者在測(cè)量方法應(yīng)用、能量轉(zhuǎn)化與供應(yīng)、精準(zhǔn)定位與識(shí)別等方面奉為經(jīng)典文獻(xiàn)，并被高頻次引用。

4 結(jié)束語(yǔ)

近6年國(guó)際運(yùn)動(dòng)傳感器研究呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。其中，研究國(guó)家（地區(qū)）和機(jī)構(gòu)集中在美國(guó)佐治亞理工學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院。高產(chǎn)作者集聚趨勢(shì)明顯，以王中林領(lǐng)銜的納米科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)為主。研究焦點(diǎn)關(guān)注于運(yùn)動(dòng)傳感器的性能表現(xiàn)、對(duì)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)立體測(cè)量的開發(fā)應(yīng)用和運(yùn)動(dòng)傳感器定位跟蹤系統(tǒng)的創(chuàng)新性。未來(lái)的研究趨勢(shì)傾向于對(duì)發(fā)電機(jī)材料優(yōu)化促進(jìn)運(yùn)動(dòng)傳感器通透性改善、智能化的人體運(yùn)動(dòng)傳感識(shí)別、種類多樣且愈發(fā)人性化的可穿戴運(yùn)動(dòng)傳感器設(shè)備開發(fā)應(yīng)用和多樣化的運(yùn)動(dòng)傳感壓感模型方法等。

本研究對(duì)結(jié)果的解釋是建立在文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘分析的基礎(chǔ)之上，研究結(jié)果仍有待進(jìn)一步深入探索。

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