CN102319503B - 一种基于柔性阵列压力传感器的跑步机自适应调速系统 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性阵列压力传感器的跑步机自适应调速系统，包括柔性阵列压力传感器、数据采集传输模块、平板电脑、计算机控制程序、电机驱动模块等，电机驱动模块连接电机，驱动电机转动，电机带动跑步机跑带转动。在本发明中，通过在跑步机的跑板上侧安装柔性阵列压力传感器，实时获取跑步者在跑步过程中，跑步者的步频、步长、支撑时、腾空时、后蹬力等参数，由所建立的加速度与每两步之间步长之差、步频、后蹬力沿跑带运动方向的分力、完成两步的时间(支撑时+腾空时)、跑步者的体重的关系模型计算得出加速度，并根据所得加速度向电机驱动模块发送控制命令，调节电机转速，进而实现跑步机的速度自适应。

Description

一种基于柔性阵列压力传感器的跑步机自适应调速系统

技术领域

本发明涉及健身设备领域，特别涉及一种基于柔性阵列压力传感器的跑步机自适应调速系统。

背景技术

随着经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们越来越重视自身的健康，健身热潮一浪高过一浪，从到公共健身房锻炼逐渐过渡到建立家庭健身房。跑步机由于其运动形式简单常常作为家庭首选器材，其不但屏蔽了场地与环境的限制，排除了锻炼进行的诸多障碍。经过多年的发展，积累丰富了多种跑步场景模式以及强度控制程序，并逐步加载了娱乐、网络通话等数字功能，使之成为了当前跑步运动锻炼的一个重要载体。跑步机通过改变跑台自身的坡度、速度来调整锻炼的强度，同时采集并反馈心率等锻炼信息，从而帮助跑步者完成既定的锻炼目标，达到科学健身的良好效果。

跑是人体水平位移的一种基本运动形式，是单脚支撑与腾空相交替、蹬与摆相配合的周期性运动。跑步机除了作为家庭及健身房的器材之外，也可用于专业运动员的训练过程中，能够增强腿部肌肉的收缩能力，有效提高运动员的步长和步频等等。在专业运动员的训练计划中，变速跑是必不可少的一项训练内容。可是在目前流行的跑步机上都不能实现这一功能。运动员只能在实地上锻炼，并且需要佩戴很多仪器来测试各种数据，往往能够测得的数据并不全面。现在流行的电动跑步机的调速方式都是依据跑步者的心率变化来改变速度。跑步者在跑步的过程中只能跟着跑步机的速度或者自己手动去改变跑步机的速度，很不方便。传统的机械式跑步机，人们可以自由的在上面奔跑，但是为了克服机械系统的摩擦力，人们比平常的跑步要付出更多的蹬力，很多锻炼者遭受了严重的运动损伤(膝盖)，换来的只是小腿肌肉的发达。为了解决机械式跑步机的缺点，诞生了电动式跑步机，它不需要人们克服机械系统的摩擦力，使广大跑步爱好者不再承受不应有的运动损伤。跑步机成为健身设备中市场份额最大的产品。电动跑步机虽然提供了较好的锻炼工具，但是如何科学的使用它，却因人而异。由于跑步者在体质水平及健身知识方面的个体差异，其锻炼效果也各自不同，而且跑步者不能像在路面上一样自由跑动。

经国家知识产权局专利局信息检索中心检索查新，其中接近的现有技术有2009年徐开国申请的公开号为CN101874921A的发明专利“电动跑步机的自动调速方法及装置”，在该发明方法中公开一种电动跑步机依据测距传感器测试跑步者的位置而自动调速的方法，这种方法并没有依据跑步者的真实加减速特征，跑步者的距离并不能作为加减速的意图。其中接近的现有技术还有美国专利申请号为5368532的带有自动调速系统的跑步机(TREADMILL HAVING AN AUTOMATIC SPEED CONTROL SYSTEM)，该发明专利中在跑板的前后方安装有压力传感器，跑步者踩到前方的压力传感器视为加速信号，踩到后方的压力传感器视为减速信号。同样，这种方法也没有真实的提取跑步者的加速特征，跑步者可能只是不小心踩到，这是如果加速或减速，跑步者会有摔倒的危险，不够安全也不智能。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于柔性阵列压力传感器的跑步机自适应调速系统，该方案依据跑步者在跑步过程中的足底压力分布信息来实现对跑步机速度的自适应调节。

本发明的技术方案是：一种基于柔性阵列压力传感器的跑步机自适应调速系统，包括：

柔性阵列压力传感器，实时获取跑步者在跑步过程中的足底压力分布信息，足底压力分布信息包括步频、步长、支撑时、腾空时、后蹬力；

数据采集传输模块，用以实时采集柔性阵列压力传感器检测到的足底压力分布信息，并通过通信接口将采集到的信息传送至平板电脑；

平板电脑，内有计算机控制模块，依据柔性阵列压力传感器获取的跑步者的步频、步长、支撑时、腾空时、后蹬力；通过机器学习，建立加速度与每两步之间步长之差、步频、后蹬力沿跑步机跑带运动方向的分力、完成两步的时间、跑步者的体重的关系模型计算得出加速度，并根据所得加速度向电机驱动模块发送控制命令；同时保存依据个体特征建立的关系模型及锻炼报告，并上传至服务器；所述的两步的时间为支撑时间加上腾空时间；

电机驱动模块，其接受平板电脑中计算机控制模块发送的控制命令，控制电机的转动速度，进而实现动态调节跑步机跑带的速度。

所述的柔性阵列压力传感器安装在跑步机的跑板上侧；在柔性阵列压力传感器之上贴有保护层，保护层之上固定有耐磨层，用于隔离在跑步过程中跑带的摩擦，保护柔性阵列压力传感器。

所述关系模型为加速度

其中m为跑步者的体重，Fx为后蹬力沿跑带运动方向的分力，ΔSL为每两步之间步长之差，t为完成两步的时间，SF为测得的步频，σ为比例因子，取值范围为0～1。

本发明与现有技术相比具有的有益效果在于：

(1)在专业运动员的训练计划中，变速跑是必不可少的一项训练内容。可是在目前流行的电动跑步机上都不能实现这一功能。运动员只能在实地上锻炼，并且需要佩戴很多仪器来测试各种数据，往往能够测得的数据并不全面。本发明中的跑步机自适应调速系统，使得运动员在跑步机上练习变速跑成为可能。首先通过机器学习，建立适合运动员自身的关系模型；然后在跑步过程中，运动员不管是加速或者减速，跑步机都能够动态实时调节跑步机跑带的速度以适应运动员的速度。同时本发明中的跑步机上安装的柔性阵列压力传感器，能够采集运动员在变速跑的过程中的全面数据，如步频、步长、后蹬力、距离、支撑时、腾空时等足底压力分布信息参数，能够很好的帮助教练分析运动员的水平及待改进之处，有利于提高运动员的训练效果。

(2)现在流行的电动跑步机中，跑步者在跑步的过程中只能跟着跑步机的速度跑或者自己手动去改变跑步机的速度，很不方便。传统的家用机械式跑步机，人们比平常的跑步要付出更多的蹬力，很多跑步者遭受了严重的运动损伤(膝盖)，换来的只是小腿肌肉的发达。在本发明中，通过在跑步机的跑板上侧安装柔性阵列压力传感器，建立加速度与每两步之间步长之差、步频、后蹬力沿跑带运动方向的分力、完成两步的时间(支撑时+腾空时)、跑步者的体重的关系模型计算得出加速度，捕获跑步者想加速或减速过程特征变化，通过电机驱动模块来调整跑步机跑带的速度，使得跑步者的意图得以实现。真正做到了机器适应人，跑步者能够在电动跑步机上随心所欲。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原理框图；

图3为本发明的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，柔性阵列压力传感器1固定在跑板7上侧，在柔性阵列压力传感器1之上贴有保护层，保护层之上固定有耐磨层，用于隔离在跑步过程中跑步机的跑带6的摩擦，保护柔性阵列压力传感器1。

如图2所示，平板电脑2中安装有计算机控制模块，实时接收数据采集传输模块3传送来的跑步者的步频、步长、支撑时、腾空时、后蹬力；

所述的机器学习为：静止状态下，跑步者站立于跑步机上，采集体重m，然后跑步者分别在已设定的2个速度值(8km/h，10km/h)跑步3分钟，同时柔性阵列压力传感器会采集不同速度之下的步频、步长、支撑时、腾空时、后蹬力等参数，通过数据采集传输模块将数据传送至计算机控制程序，计算机控制程序依据每两步之间步长之差、步频、后蹬力沿跑带运动方向的分力、完成两步的时间(支撑时+腾空时)，根据公式

计算出适合该跑步者加速度a及比例因子σ，同时依据步频和步长的关系(步频越快，步长越短；步长越大，步频越小)比例因子σ被控制在0～1之间。跑步者在经过训练之后，获取了适合个人的比例因子；在实际跑步的过程中，依据测得的步频、步长、支撑时、腾空时、后蹬力及静态状态下采集的体重，计算得出加速度，并根据所得加速度向电机驱动模块5发送控制命令，调整电机的转动速度。

如图3所示，本发明的工作流程是：计算机控制模块采用以太网通信方式首先获取静止状态下跑步者的体重，然后实时接收柔性阵列压力传感器1传送的跑步者的足底压力分布信息的数据，对接收到的数据进行预处理后，分析数据提取跑步者的步频、步长、支撑时间、腾空时间、后蹬力参数的大小，若该跑步者是首次使用安装了该发明装置的跑步机，则需要注册用户名，同时需要先通过机器学习，计算出关系模型中适合个人的比例因子。若跑步者之前的适合个体的加速度模型已经建立，则依据提取跑步者的步频、步长、支撑时间、腾空时间、后蹬力参数的大小计算ΔSL，SF，t，Fx，同时依据当前采集到的体重m，计算加速度的大小，进而进行自适应控制。若加速度小于0，则依据当前速度及加速度的值发送命令至控制器，通知电机减速到相应速度。若加速度为0，则保持当前速度不变。若加速度大于0，则依据当前速度及加速度的值发送命令至控制器，通知电机加速到相应速度。

上述关系模型为加速度

其中m为跑步者的体重，Fx为后蹬力沿跑带运动方向的分力，ΔSL为每两步之间步长之差，t为完成两步的时间，所述的完成两步的时间为支撑时加上腾空时，SF为测得的步频，σ为比例因子，取值范围为0～1之间。通过机器学习，采集个人体重及不同速度下步频、步长特点，计算出适合个人的比例因子，从而实现在改变速度时计算出加速度的大小，发送至电机驱动模块，改变速度电机的速度去适应个人的速度。电机驱动模块，其接受计算机控制程序发送的控制命令，控制电机的转动速度，进而实现动态调节跑步机跑带的速度。

本发明包括柔性阵列压力传感器1、数据采集传输模块3、平板电脑2、电机驱动模块5等。依据跑步者在跑步过程中的足底压力分布信息来实现对跑步机速度的自适应调节。通过机器学习，捕获个体跑步特征，建立适合个体的加速度关系模型。平板电脑2保存依据个体特征所建立的关系模型及个体基本信息，并上传至服务器。在安装了本发明装的跑步机上，只需进行一次学习，以后输入个人信息后，计算机控制模块即可从服务器下载到对应个人的模型，捕获适合个体特征的加速度信息，动态调节跑步机跑带的速度以适应个体的速度。

跑步者在安装了本发明的装置的跑步机上锻炼时，选择自由跑模式，若是第一次在这样的跑步机上锻炼，则需输入个人基本信息，选择机器学习，经过一定次数的学习后，计算机控制模块依据捕获到个体特征信息，建立适合个体的加速度关系模型，保存并上传至服务器。若之前已经进行过机器学习，建立了适合个体得加速度模型，输入个人信息后，计算机控制模块查找到对应信息，并下载。之后即可进行锻炼，当跑步者速度改变时，柔性阵列压力传感器1实时捕获足底压力分布信息变化，依据加速度关系模型得出加速度值，并根据所得加速度向电机驱动模块5发送控制命令，调整电机的转动速度。实现了跑步机速度的自适应调节。

专业运动员在采用了本发明的装置的跑步机上进行变速跑训练时，输入个人基本信息，选择自由跑模式、通过机器学习建立适合自己个人的加速度模型后即可在跑步机上训练，想加速时就加速，想减速时就减速，跑步机都能够实时自适应运动员的速度，同时通过柔性阵列压力传感器1能够检测到运动员在整个锻炼过程中的各种信息，如步长、步频、距离、速度、压力、腾空时、支撑时等，平板电脑2中安装的计算机控制模块能够对这些数据进行存储、分析，很好的帮助教练分析运动员的水平及待改进之处，有利于提高训练效果。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上通过具体的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于柔性阵列压力传感器的跑步机自适应调速系统，其特征在于包括：

柔性阵列压力传感器，实时获取跑步者在跑步过程中的足底压力分布信息，所述足底压力分布信息包括步频、步长、支撑时、腾空时和后蹬力；

数据采集传输模块，用以实时采集柔性阵列压力传感器检测到的足底压力分布信息，并通过通信接口将采集到的信息传送至平板电脑；

平板电脑，内有计算机控制模块，依据柔性阵列压力传感器获取的跑步者的步频、步长、支撑时、腾空时、后蹬力；通过机器学习，建立加速度与每两步之间步长之差、步频、后蹬力沿跑步机跑带运动方向的分力、完成两步的时间、跑步者的体重的关系模型计算得出加速度，并根据所得加速度向电机驱动模块发送控制命令；同时保存依据个体特征建立的关系模型及锻炼报告，并上传至服务器；所述的两步的时间为支撑时间加上腾空时间；

电机驱动模块，其接受平板电脑中计算机控制模块发送的控制命令，控制电机的转动速度，进而实现动态调节跑步机跑带的速度;

所述关系模型计算得出加速度

其中m为跑步者的体重，Fx为后蹬力沿跑步机跑带运动方向的分力，ΔSL为每两步之间步长之差，t为完成两步的时间，SF为测得的步频，σ为比例因子，取值范围是0～1。

2.根据权利要求1所述的基于柔性阵列压力传感器的跑步机自适应调速系统，其特征在于：所述的柔性阵列压力传感器安装在跑步机的跑板上侧；在柔性阵列压力传感器之上贴有保护层，保护层之上固定有耐磨层，用于隔离在跑步过程中跑带的摩擦，保护柔性阵列压力传感器。

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