CN102357284B - 智能化跑步机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及健身设备领域，特别涉及一种智能化跑步机，包括跑步机本体、安装在跑步机本体上的平板电脑、安装在跑步机本体上的柔性阵列压力传感器、安装在平板电脑中的控制模块、数据采集传输模块和电机驱动模块。在该跑步机的控制模块中集成了互联网功能，每台跑步机通过网络将依据个体特征建立的关系模型及训练程序通过互联网上传至服务器存储，实现身份认证。所述的控制模块中集成多种训练模式及多种虚拟场景，个性化定制符合训练者自身的训练程序，实时接收柔性阵列压力传感器检测到的训练者的足底压力分布信息及心率监测模块发送的实时心率，自动调整运行速度、坡度等，保证训练者的安全、丰富训练模式并提高训练效率。

Description

智能化跑步机

技术领域

本发明涉及健身设备领域，特别涉及一种智能化跑步机。

背景技术

走跑运动是竞技体育和全民健身中提高心肺耐力的重要途径和方法。健身走跑是一种非常平凡的运动，适宜于男女老少，是最好的健身方式之一，也是最佳的体育疗法之一。跑步机历来是走跑训练的重要工具，有着广泛的基础需求。跑步作为一项简便而又实效的运动健身方式，使人们更可以利用跑步机器材，在不受天气、环境等条件的局限性，进行健身训练。跑步机作为家庭或健身房等室内健身设备中最为普及的一款锻炼器材，从诞生至今，无论是在其性能还是外观上，都随着时代的进步和技术的革新发生了一系列变化。作为训练者热衷的走跑健身项目的重要载体，跑步机功能技术的不断提升是该领域始终不变的研究方向。为了提高跑步机科学指导的专家支持、塑造其个性化的产品特征，并充分带给训练者身临其境的自然训练感受，以求作出新的尝试和创造，为各类人群不同目标的科学健身提供数字化的走跑工具。

传统的跑步机功能单一，一般只能做重复性的机械运动，时间一长，训练者会觉得非常单调，所以许多训练者常常因觉得训练枯燥乏味而不能坚持，使训练计划失败。另外传统的跑步机控制模式单一，只能简单的设定运动速度和坡度，不能实时反映训练者的其他运动参数，不能依据训练者的运动能力而改变，训练时不具有科学性及安全性。同时，由于传统跑步机的底座比较硬，对膝关节的冲击比较大，容易造成膝关节损伤，存在长期反关节运动产生关节损伤以及训练效果存在盲目性等缺陷。

经国家知识产权局专利局信息检索中心检索查新，其中最接近的现有技术是2005年李智申请的公开号为CN1706512A的发明专利“智能化电脑跑步机”，该发明中将个人电脑安装在跑步机上，取代原有的控制显示电路板，运动者运动时可以充分享受多媒体电脑娱乐性，不足之处在于并没有给出科学的训练指导，运动者可能只娱乐而不运动了，从而影响了训练效果。

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还有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训练者的位置而自动调速的方法，这种方法并没有依据训练者的真实加减速特征，训练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5368510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，训练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训练者的加速特征，训练者可能只是不小心踩到，这是如果加速或减速，训练者会有摔倒的危险，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，提供一种智能化跑步机，可以实时监测训练者的心率及速度，实时调整跑步带的运行速度及跑台的坡度，以实现不同的训练模式，避免了单调乏味，有利于训练计划的坚持。

本发明的技术方案是：一种智能化跑步机，包括跑步机本体、安装在跑步机本体上的平板电脑、安装在跑步机本体上的柔性阵列压力传感器、安装在平板电脑中的控制模块、数据采集传输模块和电机驱动模块；其中：

所述柔性阵列压力传感器，实时检测训练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控制模块；

所述控制模块，集成了互联网功能，具有两种工作模式，即自适应模式和心率模式；在自适应模式下，控制模块通过以太网方式实时接收柔性阵列压力传感器获取的足底压力分布信息，得出训练者的距离、步频、步长、支撑时、腾空时、后蹬力运动学和动力学参数；通过机器学习，建立加速度与步长、步频、支撑时、腾空时、后蹬力、个体特征的关系模型计算得出加速度，并根据所得加速度通过CAN总线向电机驱动模块发送控制命令，调整跑步机本体的速度，以适应人的速度；同时保存依据个体特征建立的关系模型；心率模式下，控制模块通过无线方式实时接收配带在训练者胸部的心率监测模块发送来的训练者的心率，定制符合训练者自身的训练程序，同时进行保存；

然后控制模块将两种模式下得到的依据个体特征建立的关系模型及训练程序通过互联网上传至服务器存储，实现身份认证；

电机驱动模块，实时接收控制模块发送的控制命令，控制跑步机本体中伺服电机的转动速度，进而实现动态调节跑步机本体的速度，以适应训练者的速度。

所述关系模型为加速度，其中m为训练者的体重，Fx为后蹬力沿跑步带运动方向的分力，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。

所述跑步机本体包括底座、跑步带、跑板、减震系统、减震柱、滚筒、坡度控制模块、速度控制模块、升降机构、伺服电机、速度同步带、电机控制器；坡度控制模块、速度控制模块分别通过导线与电机控制器相连接；所述的升降机构包括：跑台、步进电机、两个同步带、直线导轨、跑台固定板、升降滑板、梯形丝杆、梯形螺母、升降杆、连接阀、固定杆和蜗轮蜗杆；

所述的跑台安装在底座上；所述减震柱安装在跑板和跑台两侧之间；所述的减震系统安装在底座的两侧；所述滚筒固定在跑台前后，跑步带套在滚筒上，跑板穿过跑步带，通过减震柱固定于跑台上；所述伺服电机、同步带、步进电机、电机控制器固定与跑台前端，电机控制器控制伺服电机转轴转动，转轴带动速度同步带；速度同步带带动滚筒的转轴转动，滚筒转动，带动跑步带转动。步进电机带动升降杆转动，实现对跑台坡度的调整；

直线导轨、跑台固定板、升降杆、连接阀、固定杆以梯形丝杆为轴对称安装。步进电机固定在跑台上，一个同步带通过同步轮安装步进电机的转轴上，该同步带的另一端通过同步轮安装在蜗轮蜗杆上，另一个同步带通过同步轮安装在梯形丝杆上；梯形丝杆一端固定在跑台的一端、另一端通过固定杆安装在跑台的另一端,；梯形螺母套在梯形丝杆上，固定在升降滑板上；两个升降杆对称安装，一端铰链在跑步机的底座上，另一端通过连接阀固定在升降滑板上；所述的跑台固定板通过螺钉固定在直线导轨上，同时跑台固定板的一侧焊接在跑台上；两个直线导轨对称固定在跑台的两侧，两个直线导轨的运动件分别对称固定在升降滑板的两侧，升降滑板沿直线导轨运动；所述的步进电机通过一个同步带带动蜗轮蜗杆转动，蜗轮蜗杆通过另一同步带带动梯形丝杆转动；梯形丝杆转动带动梯形螺母移动，梯形螺母带动升降滑板沿直线导轨方向运动，升降滑板的运动带动两个对称的升降杆转动，实现跑台坡度的调整，当跑台处于某一坡度时，两个对称的升降杆支撑跑台；通过改变的步进电机的转动方向，控制梯形螺母的移动方向，实现跑台上升或下降。

所述减震柱有12个，均匀分散安装在跑板和跑台两侧之间；所述的减震系统，有6个，均匀分散安装在底座的两侧。

所述在心率模式下，定制符合训练者自身的训练程序包括：初始化模块、输入模块、数据采集模块、数据处理模块、判断分析模块和计时模块，其中：

初始化模块，用于进行初始化，开启跑步机电源，检测跑步机是否已经正确连接；训练者是否已经正确佩戴数据采集模块；

输入模块，用于输入个人基本信息，设定训练时间，通过最大摄氧量测试得到训练者的心脏功能能力（F.C），并通过数据采集模块及数据处理模块将心脏功能能力（F.C）传送至判断分析模块；

数据采集模块，首先采集训练者静态下的静态心率发送至判断分析模块，然后实时采集训练者的实时心率，同时以无线通信方式传输至数据处理模块；

数据处理模块，对数据采集模块发来的训练者的实时心率数据进行滤波后，传递至判断分析模块；

判断分析模块，实时判断分析实时心率是否处于安全的范围内，若已大于最大心率，则判断分析模块发送停止命令至执行模块，执行模块发出执行命令，使跑步机停止运行；如果没有大于最大心率，则依次判断训练者的实时心率是否已达到依据心脏功能能力及运动强度计算所得的靶心率值，即运动强度的安全区间，若已达到，则发送命令至执行模块降低跑步机的坡度和速度；若没有达到，则继续增大跑步机的坡度和速度；

执行模块，依据判断分析模块的结果去调整跑步机的速度和坡度，同时控制跑步机停止运行；

计时模块，开始训练以后，对训练者设定的训练时间进行倒计时；若设置的训练时间已到，则提示训练者是否需要延长训练时间；若是，则重新计算时间，继续训练；若否，则执行模块降低跑步机的坡度和速度至零，使跑步机停止运行，训练结束。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）由于传统跑步机的底座比较硬，对训练者膝关节的冲击比较大，容易造成膝关节损伤。因此，传统的跑步机存在长期反关节运动产生关节损伤等问题。在本发明装置中，12个减震柱均匀分散安装在跑板和跑台两侧之间，减震柱能够减小跑步机的跑板与跑台之间的压力，具有抗震减压、缓冲作用。6个减震系统均匀分散安装在跑步机底座的两侧。减震系统具有支撑和减震的作用，能够满足不同地面的训练需求。采用2级减震结构，大大减缓了跑步过程中压力对关节的冲击，避免了关节损伤，同时带来了舒适性。

（2）通常，在使用跑步机之前需要先做热身活动，否则很容易造成大腿、小腿等肌肉拉伤。同时，使用者要了解自己的运动极限，如果体力跟不上，设定的速度又很快的话，就容易出现节奏跟不上的情况，很容易摔倒。在本发明装置中，控制模块中预置多种训练模式，整个跑步过程中包括热身期、训练期和整理期。心率监测模块实时监测训练者的心率，通过全程心率监控系统调控有效的训练强度范围以及保证训练活动的全程安全。

（3）在该发明装置中，柔性阵列压力传感器检测训练在跑步过程中足底压力分布信息，通过分析得出着地时间、腾空时间、距离、速度等。通过步态的跟踪，分析出训练者跑步的姿势动作，对科学训练提供有效帮助。同时，实时速度检测，反馈给控制模块，控制模块可实时调整跑步机的速度，实现了主体速度的自适应控制。

（4）在该发明装置中，集成了互联网功能，每台跑步机通过网络将依据个体特征建立的关系模型及训练程序通过互联网上传至服务器存储，实现身份认证。训练结束后能够对比分析每次的训练效果，方便与制定科学的健身计划。

（5）传统的跑步机功能单一，只能做简单的机械运动，时间一长，运动者会显得非常单调，所以训练者常常因觉得训练枯燥乏味而不能坚持，使训练计划失败。在本发明装置中，通过模拟现实的各类地势场景和不同质地的路况条件，如平地、塑胶场地、马拉松等，将跑步运动、爬山运动等真实的健身项目融入到跑步机的控制模块中，还原并生动描绘现实场景、路况。增添训练的户外实地接触感觉和贴近自然的场景呈现，帮助训练者顺利完成每次的运动计划。同时，控制模块能够自动检测插入的U盘中的媒体文件，训练者在训练过程中，可选择播放自己感兴趣的媒体文件，增加了趣味性。

（6）训练者的运动能力和运动效果都是和运动时的心率息息相关的。如果在运动时，超过了极限心率，就后可能出现生命危险。如果在运动时心率没有达到所需要的运动区间，他的运动效果就会大大降低。本发明心率模式就是要让跑步机的坡度和速度自动调整到心率所需要的强度区间，达到最佳的训练效果，同时训练时最安全。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明中控制模块的原理框图；

图3为本发明中控制模块实现流程图；

图4为本发明中自适应模式的控制流程图；

图5为本发明中心率模式下的控制流程图；

图6为本发明中升降机构的结构示意图；

图7为本发明中升降机构的俯视图

图8是本发明的应用示例图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明装置的结构示意图，其中1是平板电脑、2是紧急按钮、3是扶手立杆、4是扶手、5是底座、6是跑步带、7是柔性阵列压力传感器、8是跑板、9是减震系统、12是减震柱、13是滚筒、14是电机保护罩、15是坡度控制模块、16是速度控制模块、17是心率监测模块、18是伺服电机、19是速度同步带、21是电机控制器。在平板电脑1中安装有跑步机控制模块，坡度控制模块15、速度控制模块16分别安装在左、右扶手4上，柔性阵列压力传感器7放置在跑步带6和跑板8之间，固定在跑板8表面之上，伺服电机18、步进电机20及电机控制器21固定在跑台11的前端。12个减震柱12均匀分散安装在跑板和跑台两侧之间，6个减震系统9均匀分散安装在底座5的两侧。伺服电机18、步进电机20、电机控制器21及前面的滚筒13被保护在电机保护罩14的下面。所述滚筒13固定在跑台11前后，跑步带6套在滚筒13上，跑板8穿过跑步带6，通过减震柱12固定与跑台11上；所述伺服电机18、速度同步带19、电机控制器21固定与跑台11前端，电机控制器21控制伺服电机18的转轴转动，从而带动速度同步带19；速度同步带19带动滚筒13的转轴转动，滚筒13转动，带动跑步带6转动，步进电机20带动升降杆10转动，实现对跑台11坡度的调整。坡度控制模块15、速度控制模块16分别通过导线与电机控制器21相连接，分别发送命令至电机控制器21改变跑步机的坡度及速度。

图2是本发明的控制模块的原理框图，其中电机控制器21分别用于控制伺服电机18及步进电机20，通过CAN-BUS总线方式与平板电脑里的控制模块通信。柔性阵列压力传感器7，用于实时检测训练者的足底压力分布信息，通过以太网的方式与平板电脑里的控制模块通信。心率监测模块17采用无线通信方式与平板电脑里的控制模块通信。

如图3所示，本发明的控制模块实现如下：

（1）开启控制模块，若训练者首次使用该发明装置，则需注册账号，控制模块保存并检测是否重复，若重复，则提示用户重新注册；若之前已经注册过账号，则直接登录，实现身份认证；

（2）训练者选择训练模式、若选择了自适应模式，则跳至自适应模式程序；若选择了心率模式，则训练者设定训练目标之后，开始训练；依据训练者的心率变化，对该发明装置进行控制；

在心率模式下，该发明装置依据训练者的心率大小改变跑步机的坡度及速度，通过全程心率监控系统调控有效的训练强度范围以及保证训练活动的全程安全。

（3）在训练的过程中，判断训练目标是否已经达到，若没有达到，则重复执行训练程序；若已经达到，则结束训练；

（4）显示并上传训练报告，将训练报告保存到对应训练者的目录下，对比分析训练效果，给出科学的训练计划。

如图4所示，为自适应模式下的控制流程图，控制模块采用以太网通信方式实时接收柔性阵列压力传感器传送的训练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，分析数据提取训练者的特征参数，若该训练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，捕获个体跑步特征，建立适合个体的加速度模型。若训练者之前的适合个体的加速度模型已经建立，则依据提取到的特征参数，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电机控制器，通知伺服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电机控制器，通知伺服电机加速到相应速度。

所述的机器学习为：静止状态下，训练者站立于跑步机上，采集体重m，然后训练者分别在已设定的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，采用以太网通信方式实时将参数传送至控制模块，控制模块依据每两步之间步长之差、步频、后蹬力沿跑步带运动方向的分力、完成两步的时间（支撑时+腾空时），根据公式

计算出适合该训练者加速度a及比例因子σ，同时依据步频和步长的关系比例因子σ被控制在0～1之间。训练者在经过训练之后，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、后蹬力运动学及静态状态下采集的体重，计算得出加速度，并根据所得加速度值向电机控制器发送控制命令，调整伺服电机的转动速度。

在自适应模式下，该发明装置实时检测训练者的速度，提取加减速信息，自动适应训练者的速度，为训练者在跑步机上练习变速跑提供了可能。

图5是本发明的心率模式下的控制流程图，所述在心率模式下，定制符合训练者自身的训练程序包括：初始化模块、输入模块、数据采集模块、数据处理模块、判断分析模块、执行模块和计时模块。初始化模块，训练者将数据采集模块佩带在胸部，开启智能化跑步机的控制模块，选择心率山地模式，系统初始化。训练者采用输入模块输入个人基本信息，同时数据采集模块发送已测到的静态心率至控制模块；通过最大摄氧量测试测得训练者的心脏功能能力F.C；点击开始，开始训练，数据采集模块实时采集训练者的心率，同时以无线通信方式传输至数据处理模块。数据处理模块对接收到的心率数据滤波处理之后，传递至判断分析模块。判断分析模块判断分析实时心率是否处于安全的范围内，若已大于最大心率，则退出训练程序，智能化跑步机会自动停机，保证了训练过程的安全性；同时判断分析模块依次判断是否实时心率已达到每个波峰，达到波峰后既降低跑步机的强度，使得心率回到波谷；每个波峰依次轮流，每个波峰的高度有其设定的运动强度决定。执行模块依据分析模块的结果调整跑步机的速度和坡度。计时模块对训练者设定的训练时间进行倒计时；若设置的训练时间已到，则提示训练者是否需要延长训练时间，若是，则重新计算时间，继续训练；若否，则进入整理期。

如图6、7所示，为本发明装置的升降机构的结构示意图，包括：跑台11、步进电机20、两个同步带26-1、26-2、直线导轨27、跑台固定板28、升降滑板29、梯形丝杆30、梯形螺母31、升降杆10、连接阀33、固定杆36和蜗轮蜗杆34；直线导轨27、跑台固定板28、升降杆10、连接阀33、固定杆36以梯形丝杆30为轴对称安装；步进电机20固定在跑台11上，一个同步带26-1通过同步轮安装步进电机20的转轴上，该同步带26-1的另一端通过同步轮安装在蜗轮蜗杆34上，另一个同步带26-2通过同步轮安装在梯形丝杆30上；梯形丝杆30一端固定在跑台11的一端、另一端通过固定杆36安装在跑台11的另一端,；梯形螺母31套在梯形丝杆30上，固定在升降滑板29上；两个升降杆10对称安装，一端铰链在跑步机的底座5上，另一端通过连接阀33固定在升降滑板29上；所述的跑台固定板28通过螺钉固定在直线导轨27上，同时跑台固定板28的一侧焊接在跑台11上；两个直线导轨27对称固定在跑台11的两侧，两个直线导轨27的运动件分别对称固定在升降滑板29的两侧，升降滑板29沿直线导轨27运动；所述的步进电机20通过一个同步带26-1带动蜗轮蜗杆34转动，蜗轮蜗杆34通过另一同步带26-2带动梯形丝杆30转动；梯形丝杆30转动带动梯形螺母31移动，梯形螺母31带动升降滑板29沿直线导轨27方向运动，升降滑板29的运动带动两个对称的升降杆10转动，实现跑台11坡度的调整，当跑台11处于某一坡度时，两个对称的升降杆10支撑跑台11；通过改变的步进电机20的转动方向，控制梯形螺母31的移动方向，实现跑台11上升或下降。

在使用安装了该升降机构的跑步机时，通过控制面板或者控制模块发出需要改变跑台11坡度的命令，电机控制器21发送命令至步进电机20的驱动器，驱动步进电机20转动。步进电机20通过同步轮带动安装在同步轮上的同步带26-1转动，同步带26-1另一端通过同步轮安装在蜗轮蜗杆34上，这样在步进电机20转动时，就可以带动蜗轮蜗杆34转动；蜗轮蜗杆34转动，通过同步带26-2带动梯形丝杆30转动；在梯形丝杆30转动时，套在梯形丝杆30上的梯形螺母31移动；梯形螺母31固定在升降滑板29上，在梯形螺母31移动时带动升降滑板29沿直线导轨27运动，两个升降杆10在升降滑板29的带动下转动，当升降滑板29停止移动时，升降杆10停止转动，支撑起整个跑台11及负载。通过改变步进电机20的转动方向，控制梯形螺母31的移动方向，实现跑台11的上升或下降。在跑台11上升或下降时，整个装置除升降杆10之外，都随跑台11一起上升或下降。在保持步进电机20速度不变的情况下，在不同坡度时，步进电机20转动一圈，梯形螺母31移动的距离不同，实现了在坡度小时，上升速度快些；在坡度大时，上升速度慢些，这样的升降机构运行平稳、安全。同时，把整个装置固定在跑台11上，随跑台11一起移动，也带来了方便。

图8是本发明的应用示例图，该发明的智能化跑步机集成了互联网功能，每台跑步机通过网络将依据个体特征建立的关系模型及训练程序通过互联网上传至服务器存储，实现身份认证。当训练者再次使用该跑步机时，即可实现身份认证，训练结束后能够对比分析每次的训练效果，制定科学的健身计划。

在该智能化跑步机中，电机控制器21控制伺服电机18转轴转动，转轴通过同步轮带动速度同步带19转动；速度同步带19通过同步轮带动滚筒12的转轴转动，滚筒12转动，带动跑步带6转动。通过改变伺服电机18的转速，即可改变跑步带6的速度，实现对训练者跑步速度的调整。升降杆10铰链在跑步机的底座5上，可转动；步进电机20带动升降杆10转动，实现对跑台11坡度的调整，改变步进电机20的转动方向，即可实现跑台11坡度的增大或减小；该跑步机的坡度调整范围是0%～15%，级别设定为20级，每级为0.4度。

在使用该智能化跑步机时，训练者首先开启跑步机控制模块，设置训练模式，在控制模块中预置了多种训练模式，不同的训练模式具有不同的作用；设置训练场景，具有多种场景可供选择，如平地、塑胶场地、登山、马拉松等，通过模拟现实的各类地势场景和不同质地的路况条件，还原并生动描绘现实场景、路况；设置训练时间（范围10min-100min），避免训练者长时间运动，运动过量、体力透支带来的运动损害。

然后，点击开始按钮，运动开始。心率监测模块17实时监测训练者跑步过程中的心率变化，发送至平板电脑1里安装的控制模块；在运动刚开始的几分钟内，控制模块所设定的速度比较低、坡度为零，训练者处于热身期，不需要跑步之前另做热身运动。之后进入训练期，依据心率变化及所设置的训练模式，控制模块发出命令，来改变跑台11的坡度及跑步带6的速度。柔性阵列压力传感器7检测训练者在跑步过程中足底压力分布信息，通过分析得出着地时间、腾空时间、距离、速度等。速度实时检测，传输给控制模块，控制模块实时改变跑步带6的速度及跑台11的坡度，实现了主体速度的自适应控制。通过全程心率监控系统调控有效的训练强度范围以及保证训练过程的全程安全，通过步态的跟踪，分析出训练者跑步的姿势动作，对科学训练提供有效帮助。实时速度检测和心率监测，控制训练时间，避免了速度过快及运动过量带来的损伤等问题。训练者在跑步的过程中，可插入U盘，选择之前载入的媒体文件，播放自己感兴趣的视频，增加了趣味性及娱乐性。同时，通过网络可实时拨打网络电话。

最后，距离训练结束还有几分钟的时间时，自动进入整理期，缓慢运动，以很低负荷的运动，开始清除运动产生的乳酸和其他代谢物并且进行肌肉重建和减轻肌肉疼痛。

智能化跑步机能够存储训练者的个人信息，集成多种训练模式，个性化定制符合训练者自身的训练程序，实时接收柔性阵列压力传感器7检测到的训练者的足底压力分布信息及心率监测模块17发送的实时心率，自动调整运行速度、坡度等，保证训练者的安全、丰富训练模式并提高训练效率。

所述控制模块实现过程如下：

（1）开启控制模块，若训练者首次使用，则需注册账号，控制模块保存并检测是否重复，若重复，则提示用户重新注册；若之前已经注册过账号，则直接登录，实现身份认证；

（2）训练者选择训练模式，若选择了自适应模式，则跳至自适应模式程序；若选择了心率模式，则训练者设定训练目标之后，开始训练；依据训练者的心率变化，对跑步机进行控制；

（3）判断训练目标是否已经达到，若没有达到，则重复执行训练程序；若已经达到，则结束训练；

（4）显示并上传训练报告，将训练报告保存到对应训练者的目录下，对比分析训练效果，给出建议。

Claims (5)

1.一种智能化跑步机，其特征在于：包括跑步机本体、安装在跑步机本体上的平板电脑、安装在跑步机本体上的柔性阵列压力传感器、安装在平板电脑中的控制模块、数据采集传输模块和电机驱动模块；其中：

所述柔性阵列压力传感器，实时检测训练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控制模块；

所述控制模块，集成了互联网功能，具有两种工作模式，即自适应模式和心率模式；在自适应模式下，控制模块通过以太网方式实时接收柔性阵列压力传感器获取的足底压力分布信息，得出训练者的距离、步频、步长、支撑时、腾空时、后蹬力运动学和动力学参数；通过机器学习，建立加速度与步长、步频、支撑时、腾空时、后蹬力、个体特征的关系模型计算得出加速度，并根据所得加速度通过CAN总线向电机驱动模块发送控制命令，调整跑步机本体的速度，以适应人的速度；同时保存依据个体特征建立的关系模型；心率模式下，控制模块通过无线方式实时接收配带在训练者胸部的心率监测模块发送来的训练者的心率，定制符合训练者自身的训练程序，同时进行保存；

然后控制模块将两种模式下得到的依据个体特征建立的关系模型及训练程序通过互联网上传至服务器存储，实现身份认证；

电机驱动模块，实时接收控制模块发送的控制命令，控制跑步机本体中伺服电机的转动速度，进而实现动态调节跑步机本体的速度，以适应训练者的速度；

所述关系模型为加速度

，其中m为训练者的体重，Fx为后蹬力沿跑步带运动方向的分力，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。

2.根据权利要求1所述的智能化跑步机，其特征在于：所述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步带的摩擦，保护柔性阵列压力传感器。

3.根据权利要求1所述的智能化跑步机，其特征在于：所述跑步机本体包括底座（5）、跑步带（6）、跑板（8）、减震系统（9）、减震柱（12）、滚筒（13）、坡度控制模块（15）、速度控制模块（16）、升降机构、伺服电机（18）、速度同步带（19）、电机控制器（21）；

所述的升降机构包括跑台（11）、步进电机（20）、两个同步带（26-1、26-2）、直线导轨（27）、跑台固定板（28）、升降滑板（29）、梯形丝杆（30）、梯形螺母（31）、升降杆（10）、连接阀（33）、固定杆（36）和蜗轮蜗杆（34）；

所述的坡度控制模块（15）和速度控制模块（16）分别通过导线与电机控制器（21）相连接；所述减震柱（12）安装在跑板（8）和跑台（11）两侧之间；所述的跑台（11）安装在底座（5）上，所述的减震系统（9）安装在底座（5）的两侧；所述滚筒（13）固定在跑台（11）前后，跑步带（6）套在滚筒（13）上，跑板（8）穿过跑步带（6），通过减震柱（12）固定与跑台（11）上；所述伺服电机（18）、速度同步带（19）、电机控制器（21）固定与跑台（11）前端，电机控制器（21）控制伺服电机（18）的转轴转动，从而带动速度同步带（19）；速度同步带（19）带动滚筒（13）的转轴转动，滚筒（13）转动，带动跑步带（6）转动，步进电机（20）带动升降杆（10）转动，实现对跑台（11）坡度的调整；

所述的直线导轨（27）、跑台固定板（28）、升降杆（10）、连接阀（33）、固定杆（36）以梯形丝杆（30）为轴对称安装；所述的步进电机（20）固定在跑台（11）上，一个同步带（26-1）通过同步轮安装步进电机（20）的转轴上，该同步带（26-1）的另一端通过同步轮安装在蜗轮蜗杆（34）上，另一个同步带（26-2）通过同步轮安装在梯形丝杆（30）上；梯形丝杆（30）一端固定在跑台（11）的一端、另一端通过固定杆（36）安装在跑台（11）的另一端；梯形螺母（31）套在梯形丝杆（30）上，固定在升降滑板（29）上；两个升降杆（10）对称安装，一端铰链在跑步机的底座（5）上，另一端通过连接阀（33）固定在升降滑板（29）上；所述的跑台固定板（28）通过螺钉固定在直线导轨（27）上，同时跑台（11）固定板（28）的一侧焊接在跑台（11）上；两个直线导轨（27）对称固定在跑台（11）的两侧，两个直线导轨（27）的运动件分别对称固定在升降滑板（29）的两侧，升降滑板（29）沿直线导轨（27）运动；所述的步进电机（20）通过一个同步带（26-1）带动蜗轮蜗杆（34）转动，蜗轮蜗杆（34）通过另一同步带（26-2）带动梯形丝杆（30）转动；梯形丝杆（30）转动带动梯形螺母（31）移动，梯形螺母（31）带动升降滑板（29）沿直线导轨（27）方向运动，升降滑板（29）的运动带动两个对称的升降杆（10）转动，实现跑台（11））坡度的调整，当跑台（11）处于某一坡度时，两个对称的升降杆（10）支撑跑台（11）；通过改变的步进电机（20）的转动方向，控制梯形螺母（31）的移动方向，实现跑台（11）上升或下降。

4.根据权利要求3所述的智能化跑步机，其特征在于：所述减震柱有12个，均匀安装在跑板（8）和跑台（11）两侧之间；所述的减震系统，有6个，均匀分散安装在底座（5）的两侧。

5.根据权利要求1所述的智能化跑步机，其特征在于：所述在心率模式下，定制符合训练者自身的训练程序包括：初始化模块、输入模块、数据采集模块、数据处理模块、判断分析模块、执行模块和计时模块，其中：

初始化模块，用于进行初始化，开启跑步机电源，检测跑步机是否已经正确连接；训练者是否已经正确佩戴数据采集模块；

输入模块，用于输入个人基本信息，设定训练时间，通过最大摄氧量测试得到训练者的心脏功能能力（F.C），并通过数据采集模块及数据处理模块将心脏功能能力（F.C）传送至判断分析模块；

数据采集模块，首先采集训练者静态下的静态心率发送至判断分析模块，然后实时采集训练者的实时心率，同时以无线通信方式传输至数据处理模块；

数据处理模块，对数据采集模块发来的训练者的实时心率数据进行滤波后，传递至判断分析模块；

判断分析模块，实时判断分析实时心率是否处于安全的范围内，若已大于最大心率，则判断分析模块发送停止命令至执行模块，执行模块发出执行命令，使跑步机停止运行；如果没有大于最大心率，则依次判断训练者的实时心率是否已达到依据心脏功能能力及运动强度计算所得的靶心率值，即运动强度的安全区间，若已达到，则发送命令至执行模块降低跑步机的坡度和速度；若没有达到，则继续增大跑步机的坡度和速度；

执行模块，依据判断分析模块的结果去调整跑步机的速度和坡度，同时控制跑步机停止运行；

计时模块，开始训练以后，对训练者设定的训练时间进行倒计时；若设置的训练时间已到，则提示训练者是否需要延长训练时间；若是，则重新计算时间，继续训练；若否，则执行模块降低跑步机的坡度和速度至零，使跑步机停止运行，训练结束。

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