一種基于紅外對(duì)發(fā)陣列的跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及模式識(shí)別與健身設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種基于紅外對(duì)發(fā)陣列的跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)，包括安裝在跑步機(jī)跑帶兩側(cè)的紅外對(duì)發(fā)陣列模塊、安裝在跑步機(jī)前端支架上的數(shù)據(jù)處理模塊和位于跑步機(jī)前端的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。在本發(fā)明中，紅外對(duì)發(fā)陣列由兩兩成對(duì)的紅外光發(fā)射器和接收器組成，啟動(dòng)后紅外發(fā)射器始終發(fā)出直射接收器的平行光束；通過判斷跑步者身體對(duì)光束陣列的遮擋情況，來處理并分析跑步者當(dāng)前所處的陣列區(qū)域；紅外光陣列從跑帶中心位置開始，以跑步方向?yàn)檎?，反方向?yàn)樨?fù)，均勻劃分區(qū)域，分級(jí)設(shè)定加速度，每當(dāng)跑步者離開中心區(qū)域后，調(diào)速系統(tǒng)將通過分級(jí)變速使跑步者身體重新回到中心區(qū)域，使跑步機(jī)與跑步者速度相等，從而實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速。
【專利說明】
一種基于紅外對(duì)發(fā)陣列的跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及模式識(shí)別和健身設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種基于紅外對(duì)發(fā)陣列的跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們的健康意識(shí)逐漸增強(qiáng)，體育鍛煉以及健身運(yùn)動(dòng)已經(jīng)融入到了人們的日常生活當(dāng)中。跑步作為一種簡單有效、老少皆宜的有氧運(yùn)動(dòng)方式，在增加肌肉、保持體重以及提高心肺功能等方面效果良好，成為人們?nèi)粘＝∩磉\(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的首選。跑步機(jī)的誕生大幅度減小了日常跑步運(yùn)動(dòng)對(duì)場地、天氣等客觀條件的依賴，而且隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的發(fā)展，交通擁堵、空氣質(zhì)量下降等問題也為城市上班族參與戶外跑步運(yùn)動(dòng)增加了難度，更使得跑步機(jī)成為家庭和健身房廣受青睞且應(yīng)用最普遍的運(yùn)動(dòng)器材。另一方面，跑步機(jī)因其安裝簡便、安全可控等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)于與醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域，尤其在下肢及腰椎損傷等病患的康復(fù)治療、減重訓(xùn)練以及步態(tài)矯正等方面效果顯著。利用跑步機(jī)結(jié)合其他醫(yī)療輔助設(shè)備，醫(yī)生能根據(jù)患者的康復(fù)情況量身定制訓(xùn)練計(jì)劃，使患者能更安全、更方便有效地在醫(yī)護(hù)人員指導(dǎo)下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
[0003]在傳統(tǒng)跑步機(jī)上跑步，其運(yùn)動(dòng)效果與在真實(shí)地面上跑步還存在較大差距，主要是因?yàn)樵谂懿綑C(jī)上跑步者需要被迫調(diào)節(jié)自己的速度去適應(yīng)跑步機(jī)預(yù)設(shè)的速度，嚴(yán)重影響跑步者參與運(yùn)動(dòng)時(shí)的主動(dòng)性、真實(shí)性和輕松感。而且在體育訓(xùn)練、日常健身或是醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練中，變速跑都是一項(xiàng)重要需求，但傳統(tǒng)跑步機(jī)很難滿足跑步者自由變速的需要。盡管一些跑步機(jī)能通過機(jī)身按鈕或者遙控器在跑步過程中人為調(diào)節(jié)機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度達(dá)到變速跑的目的，但是這種簡單的人機(jī)互動(dòng)很容易因人機(jī)速度變化不同步使跑步者腰椎或膝關(guān)節(jié)受損傷，甚至發(fā)生摔倒等意外。研究跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)，目的在于實(shí)時(shí)獲取跑步者在跑步機(jī)上的運(yùn)動(dòng)信息，分析跑步者的運(yùn)動(dòng)特征與速度變化的內(nèi)在聯(lián)系，根據(jù)分析結(jié)果控制跑步機(jī)加速或減速，從而實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速，對(duì)于提高跑步者在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)的效果，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)的真實(shí)感以及預(yù)防運(yùn)動(dòng)意外損傷等具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于紅外對(duì)發(fā)陣列的跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)，該方案通過在跑臺(tái)兩側(cè)加設(shè)紅外對(duì)發(fā)陣列，依據(jù)跑步者在跑步過程中對(duì)陣列光束的遮擋情況分析跑步者的當(dāng)前所處位置信息，實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)的自適應(yīng)調(diào)速功會(huì)K。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種基于紅外對(duì)發(fā)陣列的跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)，包括:
[0006]紅外對(duì)發(fā)陣列模塊，由一系列分布于跑步機(jī)跑帶兩側(cè)的紅外光發(fā)射器和接收器兩兩成對(duì)組成，啟動(dòng)后紅外發(fā)射器始終發(fā)出直射接收器的平行光束構(gòu)成陣列，從跑帶中心位置開始，以跑步方向?yàn)檎?，反方向?yàn)樨?fù)，均勻劃分區(qū)域，分級(jí)設(shè)定加速度，根據(jù)跑步者運(yùn)動(dòng)過程中身體對(duì)光束的遮擋情況獲取跑步者當(dāng)前位置信息；
[0007]數(shù)據(jù)處理模塊，由平板電腦以及其中搭載的數(shù)據(jù)處理軟件程序組成，通過USB連接紅外對(duì)發(fā)陣列模塊，并從中實(shí)時(shí)獲取并存儲(chǔ)跑步者的運(yùn)動(dòng)位置參數(shù)，實(shí)時(shí)分析跑步者的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送調(diào)速指令。
[0008]電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過串口與數(shù)據(jù)處理模塊相連，通過接收數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來的速度控制命令，控制跑步機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)跑步機(jī)跑帶移動(dòng)速度的控制。
[0009]所述的紅外對(duì)發(fā)陣列的發(fā)射器和接收器之間的光束方向與跑步機(jī)跑帶的移動(dòng)方向垂直，跑步機(jī)開機(jī)之后，所有發(fā)射器的光源始終發(fā)射紅外光束，接收器的光敏元件接收到光束照射后數(shù)據(jù)置為默認(rèn)狀態(tài)，表示跑步者身體未進(jìn)入該區(qū)域;光束被遮擋住后，未被接收器的光敏元件接收到則置為觸發(fā)狀態(tài)，表示跑步者身體已進(jìn)入該區(qū)域。在陣列平面的中心位置不設(shè)對(duì)發(fā)裝置，設(shè)為區(qū)域O;以區(qū)域O為原點(diǎn)，跑步方向?yàn)檎较?，向前和向后依次均勻分為正的若干區(qū)域(如區(qū)域1、2、3……η)和負(fù)的若干區(qū)域(如區(qū)域-1、-2、-3……_η)區(qū)域號(hào)以X表不。
[0010]所述的數(shù)據(jù)處理模塊以固定時(shí)間間隔循環(huán)讀取紅外對(duì)發(fā)陣列模塊的數(shù)值，當(dāng)跑步者當(dāng)前的身體跨越多個(gè)區(qū)域時(shí)，始終以最大區(qū)域值為準(zhǔn)作為讀數(shù)。模塊每次記錄當(dāng)前區(qū)域號(hào)X。初始化時(shí)跑步者位于區(qū)域0，即X值為0，設(shè)定此區(qū)域跑步機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度為0，即保持勻速運(yùn)轉(zhuǎn);在X為I時(shí)，加速度設(shè)為一個(gè)固定的初始值a I，其他各區(qū)域跑步機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度值為X倍的al，即跑步者進(jìn)入?yún)^(qū)域X時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊向機(jī)電驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送加速度為X*al的調(diào)速指令。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果在于:
[0012](I)變速跑是體育訓(xùn)練、日常健身以及醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練等活動(dòng)的重要需求，傳統(tǒng)電動(dòng)跑步機(jī)必須通過按鈕或遙控調(diào)節(jié)跑步機(jī)的當(dāng)前速度來在一定程度上模擬變速跑，實(shí)際上是跑步者在不停的調(diào)整自己的速度來適應(yīng)機(jī)器設(shè)定的速度。本發(fā)明技術(shù)通過紅外對(duì)發(fā)陣列，實(shí)時(shí)獲取跑步者的運(yùn)動(dòng)位置，分區(qū)域分級(jí)設(shè)定加速度，通過調(diào)整跑步者的身體所在位置，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器速度適應(yīng)跑步者速度的目的。
[0013](2)紅外對(duì)發(fā)陣列緊貼跑步機(jī)跑帶兩側(cè)，相較于通過攝像機(jī)獲取跑步者全身影像來分析運(yùn)動(dòng)特征的方法，本發(fā)明不需要額外的場地空間開銷;紅外對(duì)發(fā)陣列結(jié)構(gòu)簡單，能根據(jù)跑臺(tái)長度靈活控制陣列矩陣的長度、密度以及區(qū)域劃分?jǐn)?shù)量;本發(fā)明技術(shù)中除區(qū)域I的加速度需要通過實(shí)驗(yàn)來獲取經(jīng)驗(yàn)值外，其他區(qū)域的加速度都以其倍數(shù)表示，數(shù)據(jù)處理邏輯簡單，計(jì)算量小，對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊的計(jì)算性能要求較低，能快速完成速度調(diào)節(jié)，更有利于改善跑步者在變速跑過程中的自由體驗(yàn)。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的原理框圖；
[0016]圖3為本發(fā)明的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1所示，紅外對(duì)發(fā)陣列由紅外光發(fā)射器5和紅外光接收器6兩兩成對(duì)組成，分布于跑步機(jī)的跑帶4兩側(cè)，組成紅外光對(duì)發(fā)陣列;數(shù)據(jù)處理模塊2位于跑步機(jī)前端的支架上，由一臺(tái)平板電腦以及安裝其內(nèi)的數(shù)據(jù)處理軟件程序構(gòu)成，通過USB接收紅外光對(duì)發(fā)電陣列周期發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)，對(duì)信號(hào)分析處理后向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3發(fā)送控制指令從而控制跑帶4的移動(dòng)速度。
[0018]如圖2所示，紅外光電對(duì)法陣列I根據(jù)跑步者在陣列中對(duì)光束的遮擋情況實(shí)時(shí)獲取跑步者位置信息，通過USB將信息傳送至數(shù)據(jù)處理模塊2;數(shù)據(jù)處理模塊2處理信號(hào)數(shù)據(jù)，獲得跑步者當(dāng)前所在區(qū)域的編號(hào)X，結(jié)合預(yù)設(shè)區(qū)域I的加速度al，計(jì)算求得機(jī)器當(dāng)前需要的加速度，根據(jù)加速的正負(fù)判斷應(yīng)該加速還是減速，并向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3發(fā)送指令；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3根據(jù)指令調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而控制跑帶4的移動(dòng)速度。
[0019]如圖3所示，本發(fā)明的工作流程是:跑步機(jī)開啟后，跑帶開始移動(dòng);位于跑帶兩側(cè)的紅外對(duì)發(fā)陣列開始實(shí)時(shí)獲取跑步者在陣列坐標(biāo)中的對(duì)陣列光束的遮擋信息;數(shù)據(jù)處理模塊以固定的時(shí)間間隔定時(shí)通過USB去讀取當(dāng)前紅外對(duì)發(fā)陣列的信息數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得當(dāng)前跑步者在陣列中的區(qū)域編號(hào)X;判斷編號(hào)X的值，當(dāng)χ = 0時(shí)，說明跑步者位于陣列的區(qū)域0，即跑步者的初始位置，跑步者處于該區(qū)域，說明當(dāng)前跑步者和跑帶速度大小相等，因此數(shù)據(jù)控制模塊向電機(jī)控制模塊發(fā)送指令，令電機(jī)的加速度為0，是跑帶繼續(xù)保持勻速運(yùn)行；當(dāng)χ>0時(shí)，表明當(dāng)前跑步者的速度大于跑帶速度，因此向電機(jī)控制模塊發(fā)送加速指令，加速度為x*al，al為X=I時(shí)的預(yù)設(shè)加速度；當(dāng)χ〈0時(shí)，表明跑步者當(dāng)前速度小于跑帶速度，需要發(fā)送指令讓電機(jī)速度減慢;但當(dāng)x〈0且逐漸變?yōu)?η，即最小區(qū)域編號(hào)時(shí)，跑步機(jī)速度因正好減速為零，使跑帶停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0020]本發(fā)明包括紅外對(duì)發(fā)陣列1、數(shù)據(jù)處理模塊2以及機(jī)電控制模塊3等。依據(jù)跑步者在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)陣列中紅外光束的遮擋情況實(shí)時(shí)獲取跑步者的當(dāng)前所處區(qū)域編號(hào)，分級(jí)設(shè)定調(diào)速加速度值，從而實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速。跑帶中心區(qū)域編號(hào)X為0，紅外對(duì)發(fā)陣列沿跑步方向?yàn)檎?，將陣列分均勾分為X = 1、χ = 2、......X = 2等區(qū)域，反方向?yàn)樨?fù)分為χ = -1、χ = -
2、......X =-η ο
[0021]跑步者在安裝本發(fā)明的跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)時(shí)，從χ= 0區(qū)域開始跑步并最終停止于X = -η區(qū)域，即最小區(qū)域。開機(jī)前，跑步者首先站立于X = O區(qū)域作為初始化狀態(tài);開機(jī)后，跑步者緩緩向前邁步開始逐漸加速，此時(shí)身體位于x>0的區(qū)域;當(dāng)跑步者運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定以后開始勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)跑步者的身體始終將位于X = O區(qū)域;當(dāng)跑步者減緩當(dāng)前跑步速度時(shí)，身體位置會(huì)進(jìn)入x〈0區(qū)域，此時(shí)若跑步者若穩(wěn)定成勻速，則身體會(huì)重新回到X = O區(qū)域;不論加速或是減速，跑步機(jī)都將自適應(yīng)調(diào)節(jié)跑帶速度，嘗試將跑步者送回區(qū)域O，并在某一時(shí)刻最終與跑步者達(dá)到速度一致；當(dāng)跑步者準(zhǔn)備停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)逐漸減速直至停止邁步，之后將由跑帶緩緩傳送至x = _n區(qū)域，并且在完全進(jìn)入x = -n區(qū)域后，跑帶移動(dòng)速度恰好減小為0，跑步機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0022]總之，在本發(fā)明中，紅外對(duì)發(fā)陣列由兩兩成對(duì)的紅外光發(fā)射器和接收器組成，啟動(dòng)后紅外發(fā)射器始終發(fā)出直射接收器的平行光束;通過判斷跑步者身體對(duì)光束陣列的遮擋情況，來處理并分析跑步者當(dāng)前所處的陣列區(qū)域;紅外光陣列從跑帶中心位置開始，以跑步方向?yàn)檎?，反方向?yàn)樨?fù)，均勻劃分區(qū)域，分級(jí)設(shè)定加速度，每當(dāng)跑步者離開中心區(qū)域后，調(diào)速系統(tǒng)將通過分級(jí)變速使跑步者身體重新回到中心區(qū)域，使跑步機(jī)與跑步者速度相等，從而實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速。
[0023]本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
[0024]上通過具體的實(shí)施例詳細(xì)的描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，本發(fā)明并不局限于以上所述實(shí)施例，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何領(lǐng)域，等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于紅外對(duì)發(fā)陣列的跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于包括: 紅外對(duì)發(fā)陣列模塊，由一系列分布于跑步機(jī)跑帶兩側(cè)的紅外光發(fā)射器和接收器兩兩成對(duì)組成，啟動(dòng)后紅外發(fā)射器始終發(fā)出直射接收器的平行光束構(gòu)成陣列，從跑步機(jī)跑帶中心位置開始，以跑步方向?yàn)檎?，反方向?yàn)樨?fù)，均勻劃分區(qū)域，分級(jí)設(shè)定加速度，根據(jù)跑步者運(yùn)動(dòng)過程中身體對(duì)光束的遮擋情況獲取跑步者當(dāng)前位置信息； 數(shù)據(jù)處理模塊，由平板電腦以及其中搭載的數(shù)據(jù)處理軟件程序組成，通過USB連接紅外對(duì)發(fā)陣列模塊，并從中實(shí)時(shí)獲取并存儲(chǔ)跑步者的運(yùn)動(dòng)位置參數(shù)，實(shí)時(shí)分析跑步者的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送調(diào)速指令。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過串口與數(shù)據(jù)處理模塊相連，通過接收數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來的調(diào)速指令，控制跑步機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)度，進(jìn)而控制跑步機(jī)的跑帶移動(dòng)速度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紅外對(duì)發(fā)陣列的跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:所述的紅外對(duì)發(fā)陣列的發(fā)射器和接收器之間的光束方向與跑步機(jī)跑帶的移動(dòng)方向垂直，跑步機(jī)啟動(dòng)之后，發(fā)射器光源始終發(fā)出直射接收器的平行光束，接收器的光敏元件接收到光束照射后數(shù)據(jù)置為默認(rèn)狀態(tài)，表示跑步者身體未進(jìn)入該區(qū)域;光束被遮擋住后，未被接收器的光敏元件接收到則置為觸發(fā)狀態(tài)，表示跑步者身體已進(jìn)入該區(qū)域。在陣列軸線的中心位置不設(shè)對(duì)發(fā)裝置，設(shè)為區(qū)域O;以區(qū)域O為原點(diǎn)，跑步方向?yàn)檎较颍蚯昂拖蚝笠来尉鶆蚍譃檎娜舾蓞^(qū)域和負(fù)的若干區(qū)域。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紅外對(duì)發(fā)陣列的跑步機(jī)自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)處理模塊以固定時(shí)間間隔循環(huán)讀取紅外對(duì)發(fā)陣列模塊的數(shù)值，當(dāng)跑步者當(dāng)前的身體跨越多個(gè)區(qū)域時(shí)，始終以最大區(qū)域值為準(zhǔn)作為讀數(shù)，每次記錄當(dāng)前區(qū)域號(hào)X，初始化時(shí)跑步者位于區(qū)域O，即X值為O，設(shè)定此區(qū)域跑步機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度為O，即保持勻速運(yùn)轉(zhuǎn);在X為I時(shí)，加速度設(shè)為一個(gè)固定的初始值a I，其他各區(qū)域跑步機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度值為X倍的al，即跑步者進(jìn)入?yún)^(qū)域X時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊向機(jī)電驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送加速度為x*al的調(diào)速指令。
【文檔編號(hào)】A63B24/00GK105903152SQ201610291230
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】李曉風(fēng), 元沐南, 許金林, 張夢龍, 李皙茹, 呂波, 黃萬風(fēng)
【申請人】中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院