CN101421008B - 利用压力传感器阵列和模糊逻辑的自动控速跑步机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用压力传感器阵列的自动控速跑步机及其操作方法。自动控速跑步机包括：步行带；压力传感器阵列，其具有用以检测锻炼者的脚部的负载并将检测到的脚部负载作为负载检测信号输出的压力传感器；步速状态存储单元，其用以储存在步行带上锻炼的锻炼者的步速和步速变化；和提供运算法则的控制单元，其用来使用负载检测信号计算锻炼者的步速，计算前一个步速和当前步速的差异作为步速的变化，计算锻炼者的锻炼中心位置，并根据步速和锻炼中心位置的变化按比例地提高/降低步行带的驱动速度。

Description

利用压力传感器阵列和模糊逻辑的自动控速跑步机
技术领域
本发明涉及一种利用压力传感器阵列的自动控速跑步机及其操作方法，并具有能检测锻炼者的负载，计算步速的变化和锻炼中心位置，然后自动控制步行带的驱动速度的技术特征。
背景技术
通常，跑步机是一种能使跑步或行走运动在室内进行的运动设备。如图1(a)所示，跑步机包括步行带12，用以移动步行带12的驱动装置，和用以控制驱动装置的控制装置。驱动装置包括用以支承步行带12的辊子和用以驱动辊子的电机。控制装置控制与电机连接的驱动装置。根据这种典型的跑步机，锻炼者通过输入模块11来驱动电机以移动步行带12，锻炼者踏在步行带12上并随着步行带12的驱动速度行走或跑步，从而达到锻炼效果。
因此，为了得到适当的锻炼效果，锻炼者必须随着步行带12的旋转速度跑步。当想要改变锻炼速度时，锻炼者必须通过操作跑步机的输入模块11上的按键、旋钮等等来控制旋转速度，然后与步行带12的旋转速度相适应地跑步。也就是说，锻炼者要在跑步时按照需要改变跑步速度时，锻炼者必须手动操作位于跑步机的输入模块11上的速度改变按键等等。
然而，在锻炼者正在跑步锻炼的情况下利用按键手动操作跑步机的速度，在操作中具有不便之处。特别是对于不易保持平衡的老年人、体弱者、小孩和有待康复的病人，存在改变速度后可能会由于步行带12的速度改变而摔倒的顾虑。
为了解决这个问题，现有一种通过向锻炼者发射超声波并计算从锻炼者身上反射回的超声波的到达时间来检测锻炼者位置，并根据检测到的位置增加或降低步行带的旋转速度的方法。然而，这种设备在应用到实际产品上有许多限制，因为反射率随着作为超声波反射体的衣服或锻炼者的身体的运动而改变，所以难以测量锻炼者的位置并干扰信号的测量，因此将其应用到实际产品中有许多限制。
为克服这种限制，名称为“能检测锻炼者位置的跑步机和用于跑步机的速度/位置适配控制方法”的发明(韩国未经实质审查的专利公开号10-2002-0013649)，提出了利用光学传感器，而不是利用超声波来控制速度。即，如图1(b)所示，已经公开了利用包括在步行带两侧的中的一侧上的发光单元15a和另一侧上的光接收单元15b的光学传感器15a和15b，来检测锻炼者的锻炼位置并控制步行带的速度。换句话说，该设备检测可被由跑动在步行带上的锻炼者的腿部关闭的光学传感器的位置，如果锻炼者位于上一刻的位置前面，就增加步行带速度，而如果锻炼者位于上一刻的位置后面，就降低步行带速度。然而，这种利用光学传感器来控制步行带的状态的方法存在一个问题，即控制速度不精确，因为不管它是左脚还是右脚，使用光学传感器只检测使用者的脚部位置，然后控制速度。此外，这种设备还存在一个问题，即当光发射单元发出的光微弱时，例如，因为光发射单元15a和光接收单元15b被分别安装在步行带的左右两侧，而在光发射单元15a和光接收单元15b之间形成过大距离，这时使用者脚步的位置不会被精确地检测。
发明内容
发明所要解决的技术课题
因此，紧记在先技术中发生的上述问题而完成了本发明，本发明的一个目的在于自动控制步行带的速度与锻炼者的锻炼速度相一致，不需要锻炼者手动控制速度。
本发明的另一个目的在于提供一种控制步行带速度的方案，而无需使用传统的超声波和光学传感器。
技术方案
为达到上述目的，本发明的自动控速跑步机，利用压力传感器阵列的自动控速跑步机，其包括设置在跑步机底部并构造用作锻炼者的步行表面的步行带；压力传感器阵列，其包括用以检测锻炼者的脚部的负载并将检测到的脚部负载以作为负载检测信号输出的压力传感器，该压力传感器多排地设置在跑步机底部和步行带之间；步速状态存储单元，其用以储存在步行带上锻炼的锻炼者的步速和步速变化；和具有运算系统的控制单元，其提供一种运算法则用来从压力传感器接收负载检测信号，然后计算锻炼者的步速，计算前一个步速和当前步速的差异作为步速的变化，通过压力传感器的固有位置值计算锻炼者的锻炼中心位置并根据步速和锻炼中心位置的变化按比例地提高/降低步行带的驱动速度。
另外，本发明提供了一种利用压力传感器阵列的自动控速跑步机，包括设置在跑步机底部并构造作为锻炼者的步行表面步行带；压力传感器阵列，其包括用以检测锻炼者的脚部负载并将检测到的脚部负载以负载检测信号输出的压力传感器，该压力传感器多排地设置在跑步机底部和步行带之间；步速状态存储单元，其用以储存在步行带上锻炼的锻炼者的步速和步速变化；和控制单元，其提供一种运算法则用来从压力传感器接收负载检测信号，然后计算锻炼者的步速，计算前一个步速和当前步速的差异作为步速的变化，通过压力传感器的固有位置值计算锻炼者的锻炼中心位置，并根据模糊理论，利用模糊器(fuzzifier)、规则库(rule base)、模糊推理机(fuzzy inference engine)和解模糊器(defuzzifier)来按比例地提高/降低步行带的驱动速度。
压力传感器阵列包括设置在步行带纵向中心线右侧并构造用来检测锻炼者的右脚负载的右侧压力传感器阵列；和设置在步行带纵向中心线左侧并构造用来检测锻炼者的左脚负载的左侧压力传感器阵列。
压力传感器具有分别显示其固有位置值。步速通过将表示锻炼者每步之间的距离的步距，除以表示锻炼者每步移动的时间间隔的步伐时间间隔来获得(步速＝步距/步伐时间间隔)。
假定“平均抬脚位置＝(右脚抬起位置+左脚抬起位置)/2”，“平均踩地位置＝(右脚踩地位置+左脚踩地位置)/2”，步距通过“步距＝平均踩地位置—平均抬脚位置”来获得。
假定“平均抬脚时间点＝(右脚抬起时间点+左脚抬起时间点)/2”，“平均踩地时间点＝(右脚踩地时间点+左脚踩地起时间点)/2”，步伐时间间隔通过“步伐时间间隔＝平均踩地时间点—平均抬脚时间点”来获得。
假定“平均抬脚位置＝(右脚抬起位置+左脚抬起位置)/2”，“平均踩地位置＝(右脚踩地位置+左脚踩地位置)/2”，锻炼中心位置通过“锻炼中心位置＝(平均踩地位置+平均抬脚位置)/2”来获得。
控制单元在具有步速变高的变化和锻炼中心位置变得靠近步行带的前面部分时逐步提高步行带的驱动速度，在具有步速变低的变化和锻炼中心位置变得靠近步行带的后面部分时逐步降低步行带的驱动速度。
另外，本发明提供了一种控制利用压力传感器阵列的跑步机的驱动速度的方法，该方法包括第一步，锻炼者通过输入操作，驱动跑步机的步行带；第二步，为第一个区段从压力传感器接收负载检测信号，包括四个位置(左脚踩地位置，右脚踩地位置，左脚抬起位置，右脚抬起位置)的脚步位置被设置到每一个区段；第三步，为第一个区段，利用负载检测信号计算锻炼者的步速，计算作为步速变化的前一个步速和当前步速的差异，和通过压力传感器的固有位置值计算锻炼者的锻炼中心位置；第四步，根据计算的步速和计算的锻炼中心位置的变化按比例的提高/降低步行带的驱动速度；第五步，在步行带停止之前为下一个区段从压力传感器接收负载检测信号，然后重复第三步和第四步。
发明效果
如上所述，本发明利用压力传感器自动控制步行带的速度，因此解决了锻炼者必须手动控制速度的不便之处。此外，锻炼者的步速和锻炼中心位置可以利用压力传感器精确的计算，因此具有能够对于速度精确控制的优点。
附图说明
图1(a)是表示典型的跑步机外观的立体图；
图1(b)是表示利用传统的光学传感器控制速度的跑步机外观的立体图；
图2是表示根据本发明的一个实施例利用压力传感器阵列控制速度的跑步机的外观的立体图；
图3(a)是根据本发明的装备有压力传感器阵列的步行带的俯视图；
图3(b)是根据本发明的装备有压力传感器阵列的步行带的侧视图；
图4表示根据本发明一个实施例的利用压力传感器阵列的自动控速跑步机；
图5是表示步行带上的步距的图表；
图6是用来基于锻炼中心位置和步速变化来控制步行带速度的控制表；
图7是表示根据本发明一个实施例的利用压力传感器阵列的控制步行带速度过程的流程图；
图8是表示步速变化的模糊隶属函数表；
图9是表示锻炼中心位置的模糊隶属函数表；
图10是用来利用图8和图9确定加速步行带的模糊隶属函数表；和
图11是表示根据本发明利用模糊理论确定加速的图表。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的优选实施例的详细描述。需要注意的是，在各副附图的参数赋值中，相同的元件具有相同的参数，即使这些元件被表示在不同的附图中。此外，在本发明的描述中，当被认为会对本发明的要旨造成混淆效果时，对公知功能或结构的详细描述会被省略。
图2是表示根据本发明一个实施例的利用压力传感器阵列控制速度的跑步机的外观的立体图。
如图2所示，压力传感器阵列21被设置在跑步机底面和步行带之间，以能检测在步行带上锻炼的锻炼者的负载。
压力传感器阵列21以这样的方式进行配置，用以检测锻炼者的脚部的负载并将它们作为负载检测信号输出的压力传感器被设置而多个排列在跑步机底面和步行带之间。以步行带的纵向中心线为基准，右侧的压力传感器阵列23(以下写为“右侧压力传感器阵列”)检测锻炼者的右脚的负载，左侧的压力传感器阵列22(以下写为“左侧压力传感器阵列”)检测锻炼者的左脚的负载。
压力传感器阵列21的每个压力传感器具有固有位置值，因此当检测到锻炼者的负载时，每个压力传感器会产生一个压力检测信号并将其传送给跑步机的控制单元。发送相应信号和控制步行带速度的控制单元利用接收到的压力传感器的压力检测信号和固有位置值进行操作。压力传感器的固有位置值的一个例子在图3(a)中表示，其中[1，1]表示位于第一排第一列的压力传感器的固有位置值，[1，2]表示位于第一排第二列的压力传感器的固有位置值。此外，图3(b)是跑步机的侧视图，从中可以看出压力传感器阵列32设置在跑步机的底面33和步行带31之间。
图4是表示根据本发明一个实施例的跑步机的内部结构的方框图。
输入单元41是装备有接收预定速度和要显示的图形类型的用户界面，从而从使用者接收不同的控制请求。跑步机除了选择按键外可被设置为具有图形化用户界面(GUI)，并从而支持使用触摸屏形式的多种菜单的选择。此外，在具有遥控装置的情况下，输入单元41还可以具有用以接收从遥控器发出的红外线信号的红外线接收器，并从而从使用者通过遥控器接收不同的控制请求。
显示单元42为显示装置，例如TFT液晶屏，并显示不同类型的锻炼信息，例如锻炼中的心率、锻炼距离、锻炼时间、卡路里消耗和速度。锻炼者可以通过观看显示单元上显示的不同类型的锻炼信息来知道自己的当前锻炼状态。
声音输出单元43被设置为利用扬声器输出声音，具有输出各种类型的锻炼信息的功能，例如锻炼中的心率、锻炼距离、锻炼时间、卡路里消耗和速度，还有语音形式的操作提示。
本发明的跑步机特征在于，它还包括步行带44，压力传感器阵列47，步速状态存储单元48，除了典型跑步机的通用基本元件，例如输入单元41，显示单元42，声音输出单元43外还有控制单元40。下面将详细描述步行带44，压力传感器阵列47，步速状态存储单元48，和控制单元40。
步行带44是跑步机底部的底部部分的移动带，锻炼者的锻炼在其上进行。步行带44通过辊子46的旋转操作所驱动，辊子46是驱动跑步机的步行带44的旋转传递元件，步行带44通过辊子46的旋转操作所驱动。电机45是被电磁力旋转的转动驱动元件。电机45通过轴与辊子46连接，并为辊子旋转的原因。电机的转速(RPM)随着控制单元40驱动功率信号而变化。控制单元40按照锻炼者的行动速度以“当锻炼者在步行带上高速跑动时提高电机45的转速(RPM)，而当锻炼者在步行带上低速行走时降低电机45的转速(RPM)”这样的方式进行操作。锻炼者的锻炼速度被设置在步行带44底部的压力传感器阵列47所检测。控制单元40利用压力传感器阵列检测的负载检测信号进行预定的操作，并控制电机的转速(RPM)。
压力传感器阵列47是在其内排列多个压力传感器并通过检测锻炼者的脚部负载来检测锻炼者的当前位置的装置。组成压力传感器阵列的压力传感器是通过检测当压力加于其上时的电阻变化来检测施加于其上的负载的传感器。当锻炼者的脚部接触到步行带44时，处于相应位置的压力传感器就会检测到它。
在由压力传感器排列形成的压力传感器阵列47中，如图2所示，设置在步行带的参考线右侧的右部压力传感器阵列23检测锻炼者右脚的负载，设置在步行带的参考线左侧的左部压力传感器阵列22检测锻炼者左脚的负载。如上所述，当锻炼者的负载被右部压力传感器阵列23或左部压力传感器阵列22检测到时，检测到负载的压力传感器阵列的相应的压力传感器会产生压力检测信号并将其发送到控制单元40。
步速状态存储单元48是临时的记录缓冲介质，例如随机存取存储器(RAM)，并具有存储控制单元40计算出的步速和步速变化的功能。控制单元40根据步速的变化控制步行带的驱动速度。在下面计算步速和步速变化的方法将参照随后的公式7和公式8详细描述。
控制单元40通过控制各自的功能单元来驱动步行带，并具有自动控制步行带的转速以与锻炼者的锻炼速度相适合的运算法则。换句话说，当右部压力传感器阵列23和左部压力传感器阵列22的任一个压力传感器检测到负载并将其作为压力检测信号传送给控制单元时，控制单元40根据负载检测信号计算出步距和步伐时间间隔，并根据步距和步伐时间间隔控制步行带的速度。
参考图5所示的步距，表示步行带上的锻炼者的步速。步距是指当锻炼者在步行带上跑动时的锻炼者的脚部的步距，更具体的说，是从锻炼者的脚部在步行带上抬起的平均抬脚位置55，到下一步的平均踩地位置54之间的距离53(步距＝平均抬脚位置-平均踩地位置)。平均抬脚位置55是两脚56b和57b的抬脚位置的平均值，而平均踩地位置54是两脚56a和56b的踩地位置的平均值。如图5所示，当锻炼者的脚部56a、56b、56c或56d接触到的压力传感器时，抬脚位置或踩地位置根据检测锻炼者的脚部的压力传感器的最前面所确定。
其中，控制单元40持续地为每一个区段计算平均抬脚位置和平均踩地位置，如图5所示，脚部包括四个位置(左脚踩地位置，右脚踩地位置，左脚抬起位置，右脚抬起位置)被设置到单独的区段51或52。因此，控制单元40利用在步行带上检测的四个步伐的位置形成区段51或52，并为每个区段51或52计算出平均抬脚位置和平均踩地位置。
计算平均抬脚位置55的公式为下面的公式1，而计算平均踩地位置的公式为下面的公式2。此外，利用平均抬脚位置和平均踩地位置来获得步距的公式为下面的公式3。
公式1
平均抬脚位置＝(右脚抬起位置+左脚抬起位置)/2
(在以上的公式中，右脚抬起位置是指右脚从步行带上抬起的位置，左脚抬起位置是指左脚从步行带上抬起的位置)
公式2
平均踩地位置＝(右脚踩地位置+左脚踩地位置)/2
(在以上的公式中，右脚踩地位置是指右脚踩到步行带上的位置，左脚踩地位置是指左脚踩到步行带上的位置)
公式3
步距＝平均踩地位置-平均抬脚位置
控制单元利用公式3计算步距。以同样的方式，控制单元能基于踩地时间点和抬脚时间点计算出步伐时间间隔。步伐时间间隔当锻炼者在步行带上跑动时的锻炼者的脚步运动的时间间隔。并指从锻炼者的脚部从步行带上抬起的平均抬脚时间点到锻炼者的脚部在下一步接触到步行带的平均踩地时间点的时间间隔(步伐时间间隔＝平均抬脚时间点-平均踩地时间点)。平均抬脚时间点是指双脚的抬脚时间点的平均值，而平均踩地时间点是指双脚的踩地时间点的平均值。
其中，控制系统持续的计算平均抬脚时间点和平均踩地时间点，如图5所示，脚部包括四个位置(左脚踩地位置56a，右脚踩地位置57a，左脚抬起位置56b，右脚抬起位置56a)被设置到单独的区段51或52。因此，控制单元40利用在步行带上检测的四个步伐的位置形成区段51或52，并为每个区段51或52计算出平均抬脚时间点和平均踩地时间点。
计算平均抬脚时间点的公式为下面的公式4，而计算平均踩地时间点的公式为下面的公式5。此外，利用平均抬脚时间点和平均踩地时间点来获得步伐时间间隔的公式为下面的公式6。
公式4
平均抬脚时间点＝(右脚抬起时间点+左脚抬起时间点)/2
(在以上的公式中，右脚抬起时间点是指右脚从步行带上抬起的时间点，左脚抬起时间点是指左脚从步行带上抬起的时间点)
公式5
平均踩地时间点＝(右脚踩地时间点+左脚踩地起时间点)/2
(在以上的公式中，右脚踩地时间点是指右脚接触到步行带上的时间点，左脚踩地时间点是指左脚接触到步行带上的时间点)
公式6
步伐时间间隔＝平均踩地时间点-平均抬脚时间点
在步距和步伐时间间隔利用公式3和公式6获得之后，如下面的公式7，步速可通过步距除以步伐时间间隔来获得。
公式7
步速＝步距/步伐时间间隔
如图5所示，关于步速，在第一个区段51中获得步速之后，在第二个区段52和之后的第三个区段53持续的获得。
在获得步速之后，步速变化通过获得区段N和之前的区段N-1的步速的差异来获得。即，步速变化可以利用以下的公式8来获得。
公式8
步速变化＝‘N’区段的步速-‘N-1’区段的步速
如上所述在每一个区段测量的步速和步速变化储存在步速状态储存单元。步速状态储存单元的储存的例子表示在以下的图表1中
图表1
 
区段(N) 步速(V<sub>i</sub>) 步速变化(V<sub>i</sub>-V<sub>i-1</sub>)
第一个区段 2.432km/h(V<sub>1</sub>) -
第二个区段 2.633km/h(V<sub>2</sub>) 0.201(V<sub>2</sub>-V<sub>1</sub>)
...... ...... ......
第(N-1)个区段 3.320km/h(V<sub>N-1</sub>) 0.171(V<sub>N-1</sub>-V<sub>N-2</sub>)
 
第N个区段 3.751km/h(V<sub>N</sub>) 0.431(V<sub>N</sub>-V<sub>N-1</sub>)
其中，控制单元40在每一个区段中计算出锻炼中心位置。锻炼中心位置是表示每个区段中锻炼者的位置的值，并利用以下的公式9获得。如图5所示，锻炼中心位置58是平均踩地位置54和平均抬脚位置55的平均值，并能如图3(a)利用用于检测锻炼者的脚部的每个压力传感器的固有位置值来获得。
公式9
锻炼中心位置＝(平均踩地位置+平均抬脚位置)/2
其中，控制单元40利用通过公式7获得的步速，通过公式8获得的步速变化，和通过公式9获得的锻炼中心位置来控制步行带的驱动速度。控制单元40根据锻炼中心位置和锻炼者的锻炼速度的变化按比例的控制步行带的驱动速度。即，当锻炼中心位置被检测到位于步行带的前部位置而锻炼速度变高时，控制单元40加速步行带以使其能以较高速度被驱动。相对的，当锻炼中心位置被检测到位于步行带的后部位置而锻炼速度变低时，控制单元40减速步行带以使其能以较低速度被驱动。
图6的图表表示了控制方法的一个例子。
根据图6，当锻炼中心位置被检测到位于步行带总长的4/5相等或更前的位置时，表示锻炼者正在步行带的最前端锻炼，因此可以控制加速步行带。举例来说，当锻炼者在步行带的最前端进行锻炼时，步行带的驱动速度以与步速变化成比例的方式进行控制，通过以下方式：当步速变化最高时设置步行带的驱动速度为最高加速(3挡)，当步速变化一般时设置步行带的驱动速度为一般加速，当步速变化最低时设置步行带的驱动速度为最低加速(-3挡)。
其中，虽然图6的图表中设置为，锻炼中心位置有五个挡，锻炼速度的变化有五个挡，和步行带的速度有7个挡(3挡，2挡，1挡，0挡，-1挡，-2挡，-3挡)，但是该图表仅是一个实施例，很明显步行带的驱动速度可以被控制为多个挡。
图7是表示根据本发明的一个实施例控制单元控制步行带驱动速度过程的流程图。
当使用者在S71步骤中通过对输入单元的操作驱动步行带时，在S72步骤中压力传感器阵列检测锻炼者脚部的负载。当压力传感器阵列的各自的压力传感器检测到锻炼者脚步的负载并持续输入负载检测信号时，在S73步骤中控制单元接收与整个过程中的第一个区段相符合的负载检测信号，并在S74步骤中根据公式8和公式9计算出步速变化和锻炼中心位置。
在S75步骤控制单元根据计算出的步速变化和计算出的锻炼中心位置按比例的控制驱动速度。举例来说，假定驱动速度根据图6中的图表来控制，当锻炼者在步行带的最前端锻炼时，步行带的驱动速度以与步速变化相适应的方式进行控制，其方式为当步速变化最高时设置步行带的驱动速度为最高加速，当步速变化一般时设置步行带的驱动速度为一般加速，当步速变化最低时设置步行带的驱动速度为最低加速。
当步行带的驱动速度的控制已经在S75步骤中完成后，为S74步骤的下一个区段利用负载检测信号计算出步速变化和锻炼中心位置的步骤(S77)，然后S75步骤中的步行带的速度控制被重复直到步行带被通过用户操作所关闭。
其中，虽然步行带的速度控制可以如图7中的流程图所示，但是如本发明的另一个实施例所述，锻炼速度也可以通过模糊理论来控制。模糊理论是一种以数学方式处理模糊和不清楚的情形的理论，模糊控制通过利用模糊器(fuzzifier)，规则库(rule base)，模糊推理机(fuzzy inference engine)和解模糊器(defuzzifier)来实现。在本发明的另一个实施例中，步行带的速度利用包括模糊化器(fuzzifier)，规则库(rule base)，模糊推理机(fuzzyinference engine)和解模糊器(defuzzifier)的控制单元根据模糊理论来控制。下面结合图8，图9和图10描述利用模糊理论的步行带速度控制。
图8是表示步速变化的模糊隶属函数表，图9是表示锻炼中心位置的模糊隶属函数表，图10是用来利用图8和图9确定加速步行带的模糊隶属函数表。下面结合图8，9和10简要描述利用模糊理论的步行带速度控制。
如图8的表示步速变化的模糊隶属函数表所示，隶属函数是通过步速确定。例如，在步速被虚线表示的情况下，0.7的分量被设为“不变”的项，而0.3的分量被设为“变慢”的项。以相同的方式，如图9的表示锻炼中心位置的模糊隶属函数表所示，在锻炼中心位置被虚线表示的情况下，0.9的分量被设为“向前”的项，而0.1的分量被设为“非常向后”的项。如图10所示，当非模糊化方式(non-fuzzification)(本发明中的分量中心方法)应用于利用项的值加速步行带时，加速可以利用分量中心方法(weightcenter method)来确定。
图11是表示根据本发明利用模糊理论确定加速的表。如图11所示，在利用模糊理论的步行带速度控制中，为安全考虑，锻炼中心位置可被调节以至于在锻炼中心位置后面的位置时不会出现大幅加速。锻炼中心位置可由锻炼中心位置和步速变化进行调节。
虽然在以上的本发明的详细描述中描述了具体的实施例，但是在不超出本发明的范畴内仍有可能有多种变形。因此，本发明的专利保护范围并不决定于上述的实施例，而是涵盖权利要求和权利要求的相同体。
工业应用
根据本发明，步行带的速度根据锻炼者的锻炼速度自动控制而不需要锻炼者手动控制速度，从而使锻炼者更为方便。此外，步行带的速度被自动控制而不必使用传统的超声波或光学传感器，因此跑步机的制造可被简化并且降低了它的制造成本。

Claims (15)

1.一种利用压力传感器阵列的自动控速跑步机，其特征在于，包括装于跑步机底部并被设定作为锻炼者的步行表面功能的步行带；具有用以检测锻炼者的脚部的负载并将检测到的脚部负载作为负载检测信号输出的压力传感器的压力传感器阵列，该压力传感器多排地设置在跑步机底部和步行带之间；用以储存在步行带上锻炼的锻炼者的步速和步速变化的步速状态存储单元；和提供运算法则的控制单元，用来从压力传感器接收负载检测信号，然后计算锻炼者的步速，计算作为步速变化的前一个步速和当前步速的差异，通过压力传感器的固有位置值计算锻炼者的锻炼中心位置，和根据步速和锻炼中心位置的变化按比例的提高/降低步行带的驱动速度。
2.一种利用压力传感器阵列的自动控速跑步机，其特征在于，包括装于跑步机底部并被设定作为锻炼者的步行表面功能的步行带；具有用以检测锻炼者的脚部的负载并将检测到的脚部负载作为负载检测信号输出的压力传感器的压力传感器阵列，该压力传感器多排地设置在跑步机底部和步行带之间；用以储存在步行带上锻炼的锻炼者的步速和步速变化的步速状态存储单元；和提供运算法则的控制单元，用来从压力传感器接收负载检测信号，然后计算锻炼者的步速，计算作为步速变化的前一个步速和当前步速的差异，通过压力传感器的固有位置值计算锻炼者的锻炼中心位置，和基于模糊理论，利用模糊器、规则库、模糊推理机和解模糊器来按比例的提高/降低步行带的驱动速度。
3.如权利要求1或2所述的自动控速跑步机，其特征在于，压力传感器阵列包括：设置在步行带纵向中心线的右侧，构造用来检测锻炼者的右脚的负载的右侧压力传感器阵列；和设置在步行带纵向中心线的左侧，构造用来检测锻炼者的左脚的负载的左侧压力传感器阵列。
4.如权利要求1或2所述的自动控速跑步机，其特征在于，压力传感器具有各自的固有位置值以由此指示位置。
5.如权利要求1或2所述的自动控速跑步机，其特征在于，将步速通过表示锻炼者的每步之间的距离的步距除以表示锻炼者每步运动时间间隔的步伐时间间隔来获得(步速＝步距/步伐时间间隔)。
6.如权利要求5所述的自动控速跑步机，其特征在于，假定“平均抬脚位置＝(右脚抬起位置+左脚抬起位置)/2”，“平均踩地位置＝(右脚踩地位置+左脚踩地位置)/2”，步距通过“步距＝平均踩地位置-平均抬脚位置”来获得。
7.如权利要求5所述的自动控速跑步机，其特征在于，假定“平均抬脚时间点＝(右脚抬起时间点+左脚抬起时间点)/2”，“平均踩地时间点＝(右脚踩地时间点+左脚踩地起时间点)/2”，步伐时间间隔通过“步伐时间间隔＝平均踩地时间点-平均抬脚时间点”来获得。
8.如权利要求1或2所述的自动控速跑步机，其特征在于，假定“平均抬脚位置＝(右脚抬起位置+左脚抬起位置)/2”，“平均踩地位置＝(右脚踩地位置+左脚踩地位置)/2”，锻炼中心位置通过“锻炼中心位置＝(平均踩地位置+平均抬脚位置)/2”来获得。
9.如权利要求1或2所述的自动控速跑步机，其特征在于，控制单元在步速变高的变化时和锻炼中心位置变得靠近步行带的前面部分时逐步提高步行带的驱动速度，在步速变低的变化时和锻炼中心位置变得靠近步行带的后面部分时逐步降低步行带的驱动速度。
10.一种控制利用压力传感器阵列的跑步机的驱动速度的方法，其特征在于，该方法包括：第一步，锻炼者通过输入操作，驱动跑步机的步行带；第二步，为第一个区段从压力传感器接收负载检测信号，包括左脚踩地位置，右脚踩地位置，左脚抬起位置，右脚抬起位置四个位置的脚步位置被设置到每一个区段；第三步，为第一个区段利用负载检测信号计算锻炼者的步速，计算作为步速变化的前一个步速和当前步速的差异，和通过压力传感器的固有位置值计算锻炼者的锻炼中心位置；第四步，根据计算的步速和计算的锻炼中心位置的变化按比例的提高/降低步行带的驱动速度；第五步，在步行带停止之前为下一个区段从压力传感器接收负载检测信号，然后重复第三步和第四步。
11.如权利要求10所述的速度控制方法，其特征在于，将步速通过表示锻炼者的每步之间的距离的步距除以表示锻炼者每步运动时间间隔的步伐时间间隔来获得(步速＝步距/步伐时间间隔)。
12.如权利要求11所述的速度控制方法，其特征在于，假定“平均抬脚位置＝(右脚抬起位置+左脚抬起位置)/2”，“平均踩地位置＝(右脚踩地位置+左脚踩地位置)/2”，步距通过“步距＝平均踩地位置-平均抬脚位置”来获得。
13.如权利要求11所述的速度控制方法，其特征在于，假定“平均抬脚时间点＝(右脚抬起时间点+左脚抬起时间点)/2”，“平均踩地时间点＝(右脚踩地时间点+左脚踩地起时间点)/2”，步伐时间间隔通过“步伐时间间隔＝平均踩地时间点-平均抬脚时间点”来获得。
14.如权利要求10所述的速度控制方法，其特征在于，假定“平均抬脚位置＝(右脚抬起位置+左脚抬起位置)/2”，“平均踩地位置＝(右脚踩地位置+左脚踩地位置)/2”，锻炼中心位置通过“锻炼中心位置＝(平均踩地位置+平均抬脚位置)/2”来获得。
15.如权利要求10所述的速度控制方法，其特征在于，控制单元在步速变高的变化时和锻炼中心位置变得靠近步行带的前面部分时逐步提高步行带的驱动速度，在步速变低的变化时和锻炼中心位置变得靠近步行带的后面部分时逐步降低步行带的驱动速度。
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