CN102380185B - 一种基于智能化跑步机的山地训练控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于智能化跑步机的山地训练控制系统，所述的控制系统安装在跑步机平板电脑中，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。该方法通过数据采集模块实时采集数据，经数据处理模块处理之后，至判断分析模块，分析判断之后，发送命令至执行模块执行分析的结果，同时计时模块会对整个过程进行计时，若设定的训练时间已到，则执行模块执行停止命令，停止训练。在本发明中，通过模拟山地地形的高低起伏，智能的控制跑步机的速度及坡度，不需要训练者手动去改变强度，实现了不同强度下的训练，丰富了训练内容，提升训练效果。

Description

一种基于智能化跑步机的山地训练控制系统

技术领域

本发明涉及健身设备领域，更具体的说是涉及一种基于智能化跑步机的山地训练控制系统。

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，排除了诸多障碍。传统的跑步机的控制程序一般可分为固定控制模式和用户控制模式，在固定控制模式下，电动跑步机的控制程序固定，除了开机，急停等特殊命令外，电动跑步机将依照固定不变的程序运行，而不能顾及到健身者的体质、生理状态和承受能力等。依照固定程序运行的结果，体质强健者往往感到运动不足，甚至没有达到健身效果；体弱年老者可能会感到过于劳累，甚至因运动量过大而体力透支、过劳或者导致伤害。在用户控制模式下，健身者可以自由设定不同的速度、坡度和跑步时段。然而，由于健身者的锻炼经验有限，对于跑步机的性能了解有限，对自己的体能的掌握未必合理，因而其设定也往往难以达到符合要求自己体能的科学健身要求。

人的心脏就像汽车的发动机，其功能能力是个体运动能力和生活质量的重要决定因素。人的心脏与汽车发动机的区别在于，汽车发动机的功率大小出厂时就决定了，而人的心脏功能能力是可以通过训练来改变的。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2009年青岛英派斯(集团)有限公司申请的公开号为CN101708360的发明专利“电动跑步机按照健身者心率自动控制速度和坡度的方法”，该发明专利公开了电动跑步机按照健身者心率自动控制速度和坡度的方法。在该方法中，训练者自己去设定质量因数等级，确定训练强度，然而很多训练者并不了解自己的训练强度，设定的等级不一定是最适合自己的，往往会影响了训练效果；同时，在该方法中，训练时间只能选择，不能自由设定，不能延长，若训练者还想继续锻炼就必须从新开始设置，很不方便；在训练结束时，就直接结束了，没有进行整理运动，不利于训练者的放松。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，同时，在整个训练时间内，一直围绕着一个靶心率值波动，心脏一直处于同一强度下，这样的锻炼不够科学，也不能很好的锻炼心脏的功能能力。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于智能化跑步机的山地训练控制系统，该控制系统可以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。

本发明的技术方案是：一种基于智能化跑步机的山地训练控制系统，所述的控制系统安装在跑步机平板电脑中，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。

本发明通过数据采集模块实时采集数据，经数据处理模块处理之后，至判断分析模块，分析判断之后，发送命令至执行模块执行分析的结果，同时计时模块会对整个过程进行计时，若设定的训练时间已到，则执行模块执行停止命令，停止训练。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)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。本发明的控制系统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。

(2)在本发明中，数据采集模块为无线心率采集胸带，训练开始时，训练者将数据采集模块佩带在胸部，即使是在运动时也能够实时采集心率，这样就保证了数据采集的准确性；同时以无线通信方式传递心率数据，在使用上带来了很大的方便，不会妨碍训练者的运动过程。

(3)在本发明中，通过数据采集模块实现心率的实时监控，若检测到实时心率超过了最大心率的95％，则自动停机，结束训练，这样可以时刻保障训练的安全性。依据训练者的心率的变化，对跑步机进行了智能化的控制，使的跑步机更人性化、智能化，增强了训练时的安全性及科学性。

(4)在本发明中，依据输入模块输入个人的基本信息，依据个体特点找到其匹配的即运动强度的安全区间，同时也称为“靶心率”。以靶心率为调控目标，靶心率的高低起伏作为山地地形的高低起伏，训练过程中依据训练者的心率的大小智能的控制跑步机的速度和坡度，使训练者的心率始终与其靶心率相匹配，以便确立个体适宜的训练强度，达到最佳的训练效果。

附图说明

图1是本发明的原理示意框图；

图2是本发明的体系结构图；

图3为本发明跑步机的结构示意图；

图4是本发明的实现过程流程图。

具体实施方式

图1是本发明的原理示意框图，依据公式靶心率＝HRmax*运动强度，计算不同运动强度下的靶心率，在本发明中，所选取的运动强度依次为60％、65％、70％、75％，同时并不局限于这四个值，可依据不同的运动量来改变。依据心脏功能能力及不同的运动强度计算所得靶心率依次为THR0、THR1、THR2、THR3，训练期的靶心率依次设定为THR1、THR0、THR2、THR0、THR3、THR0。以靶心率为调控目标，靶心率的高低起伏作为山地地形的高低起伏，训练过程中依据训练者的心率的大小智能的控制跑步机的速度和坡度，使训练者的心率始终与其靶心率相匹配，达到最佳的训练效果。

图2是本发明的体系结构图，基于智能化跑步机的山地训练控制系统由七个模块组成：初始化模块、输入模块、数据采集模块、数据处理模块、计时模块、判断分析模块和执行模块。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程序，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程序；通过最大摄氧量测试测得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；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。

图3为本发明跑步机的结构示意图，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、10是支撑杆、11是跑台、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是同步带、20是步进电机、21是控制器。在平板电脑1中安装有本发明的控制系统，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、控制器21及前滚筒12被保护在电机保护罩14的下面。坡度控制模块15、速度控制模块16分别通过导线与控制器21相连接，分别发送命令至控制器21改变跑步机的坡度及速度。

图4是本发明实现过程流程图，训练过程的靶心率依次设定为THR1、THR0、THR2、THR0、THR3、THR0，主要包括以下步骤：

热身结束后，训练开始：

第一步，判断分析模块发送命令置智能化跑步机的坡度和速度分别为a1、val，靶心率为THR1；同时，数据采集模块实时采集实时心率，同时以无线通信方式发送至数据处理模块，数据处理模块对接收到的数据进行滤波之后传送至判断分析模块；智能化跑步机以这样的速度和坡度运行1～2分钟；1～2分钟后，判断分析模块判断实时心率是否在要求范围内(THR1的95％＜HR＜THR1的105％)？若在要求范围内，转入第二步；若HR＜THR1的95％，则表明没有达到该靶心率区间，没有完成应有的运动强度，则判断分析模块发送增加速度和坡度的命令至执行模块，执行模块每半分钟速度增加1km/h，若速度已达该等级的最大值，则按照每半分钟提高0.5％的坡度，至实时心率处于要求范围内(THR1的95％＜HR＜THR1的105％)，转入第二步；若HR＞THR1的105％，则表明已超过该靶心率区间，超过了应有的运动强度，则判断分析模块发送降低速度和坡度的命令至执行模块，执行模块按照先降低坡度再降低速度的顺序依次降低机器负荷，至实时心率处于要求范围内(THR1的95％＜HR＜THR1的105％)，转入第二步；

第二步，判断分析模块发送命令置智能化跑步机的坡度和速度分别为a0、va0，靶心率为THR0；同时，数据采集模块实时采集实时心率，同时以无线通信方式发送至数据处理模块，数据处理模块对接收到的数据进行滤波之后传送至判断分析模块；智能化跑步机以这样的速度和坡度运行一分钟；一分钟后，判断分析模块判断实时心率是否在要求范围内(THR0的95％＜HR＜THR0的105％)，若在要求范围内，转入第三步；若HR＜THR0的95％，则表明没有达到该靶心率区间，没有完成应有的运动强度，则判断分析模块发送增加速度和坡度的命令至执行模块，执行模块每半分钟速度增加1km/h，若速度已达该等级的最大值，则按照每半分钟提高0.5％的坡度，至实时心率处于要求范围内(THR0的95％＜HR＜THR0的105％)，转入第三步；若HR＞THR0的105％，则表明已超过该靶心率区间，超过了应有的运动强度，则判断分析模块发送降低速度和坡度的命令至执行模块，执行模块按照先降低坡度再降低速度的顺序依次降低机器负荷，至实时心率处于要求范围内(THR0的95％＜HR＜THR0的105％)，转入第三步；

第三步，判断分析模块发送命令置智能化跑步机的坡度和速度分别为a2、va2，靶心率为THR2；同时，数据采集模块实时采集实时心率，同时以无线通信方式发送至数据处理模块，数据处理模块对接收到的数据进行滤波之后传送至判断分析模块；智能化跑步机以这样的速度和坡度运行一分钟；一分钟后，判断实时心率是否在要求范围内(THR2的95％＜HR＜THR2的105％)，若在要求范围内，转入第四步；若HR＜THR2的95％，则表明没有达到该靶心率区间，没有完成应有的运动强度，则判断分析模块发送增加速度和坡度的命令至执行模块，执行模块每半分钟速度增加1km/h，若速度已达该等级的最大值，则按照每半分钟提高0.5％的坡度，至实时心率处于要求范围内(THR2的95％＜HR＜THR2的105％)，转入第四步；若HR＞THR2的105％，则表明已超过该靶心率区间，超过了应有的运动强度，则判断分析模块发送降低速度和坡度的命令至执行模块，执行模块按照先降低坡度再降低速度的顺序依次降低机器负荷，至实时心率处于要求范围内(THR2的95％＜HR＜THR2的105％)，转入第四步；

第四步，判断分析模块发送命令置智能化跑步机的坡度和速度分别为a0、va0，靶心率为THR0；同时，数据采集模块实时采集实时心率，同时以无线通信方式发送至数据处理模块，数据处理模块对接收到的数据进行滤波之后传送至判断分析模块；智能化跑步机以这样的速度和坡度运行一分钟；一分钟后，判断实时心率是否在要求范围内(THR0的95％＜HR＜THR0的105％)，若在要求范围内，转入第五步；若HR＜THR0的95％，则表明没有达到该靶心率区间，没有完成应有的运动强度，则判断分析模块发送增加速度和坡度的命令至执行模块，执行模块每半分钟速度增加1km/h，若速度已达该等级的最大值，则按照每半分钟提高0.5％的坡度，至实时心率处于要求范围内(THR0的95％＜HR＜THR0的105％)，转入第五步；若HR＞THR0的105％，则表明已超过该靶心率区间，超过了应有的运动强度，则判断分析模块发送降低速度和坡度的命令至执行模块，执行模块按照先降低坡度再降低速度的顺序依次降低机器负荷，至实时心率处于要求范围内(THR0的95％＜HR＜THR0的105％)，转入第五步；

第五步，判断分析模块发送命令置智能化跑步机的坡度和速度分别为a3、va3，靶心率为THR3；同时，数据采集模块实时采集实时心率，同时以无线通信方式发送至数据处理模块，数据处理模块对接收到的数据进行滤波之后传送至判断分析模块；智能化跑步机以这样的速度和坡度运行一分钟；一分钟后，判断实时心率是否在要求范围内(THR3的95％＜HR＜THR3的105％)，若在要求范围内，转入第六步；若HR＜THR3的95％，则表明没有达到该靶心率区间，没有完成应有的运动强度，则每半分钟速度增加1km/h，若速度已达该等级的最大值，则判断分析模块发送增加速度和坡度的命令至执行模块，执行模块按照每半分钟提高0.5％的坡度，至实时心率处于要求范围内(THR3的95％＜HR＜THR3的105％)，转入第六步；若HR＞THR3的105％，则表明已超过该靶心率区间，超过了应有的运动强度，则判断分析模块发送降低速度和坡度的命令至执行模块，执行模块按照先降低坡度再降低速度的顺序依次降低机器负荷，至实时心率处于要求范围内(THR3的95％＜HR＜THR3的105％)，转入第六步；

第六步，判断分析模块发送命令置智能化跑步机的坡度和速度分别为a0、va0，靶心率为THR0；同时，数据采集模块实时采集实时心率，同时以无线通信方式发送至数据处理模块，数据处理模块对接收到的数据进行滤波之后传送至判断分析模块；智能化跑步机以这样的速度和坡度运行一分钟；一分钟后，判断实时心率是否在要求范围内(THR0的95％＜HR＜THR0的105％)，若在要求范围内，转入第一步；若HR＜THR0的95％，则表明没有达到该靶心率区间，没有完成应有的运动强度，则每半分钟速度增加1km/h，若速度已达该等级的最大值，则判断分析模块发送增加速度和坡度的命令至执行模块，执行模块按照每半分钟提高0.5％的坡度，至实时心率处于要求范围内(THR0的95％＜HR＜THR0的105％)，转入第一步；若HR＞THR0的105％，则表明已超过该靶心率区间，超过了应有的运动强度，则判断分析模块发送降低速度和坡度的命令至执行模块，执行模块按照先降低坡度再降低速度的顺序依次降低机器负荷，至实时心率处于要求范围内(THR0的95％＜HR＜THR0的105％)，转入第一步；

对训练者所设置的训练时间进行倒计时，若剩余时间大于2分钟，则回到第一步，继续训练；若否，则提示训练者是否需要延长训练时间，若否，则进入整理期，进行放松运动，训练结束；若延长了训练时间，则重新计算训练时间，回到训练过程。

本发明的一种基于智能化跑步机的山地训练系统以靶心率为调控目标，通过模拟山地地形的高低起伏，智能的控制跑步机的速度及坡度，不需要训练者手动去改变强度，实现了不同强度下的训练，丰富了训练内容，提升训练效果。

Claims (1)

1.一种基于智能化跑步机的山地训练控制系统，其特征在于：所述的控制系统安装在跑步机平板电脑中，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；所述数据采集模块为无线心率采集胸带；

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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