CN105126302B - 一种自动适应跑步者速度的跑步机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动适应跑步者速度的跑步机，包括跑台、跑板、缓冲柱、加速度传感器、电机电流检测处理模块，以及电机驱动模块，用于接收中央处理器的控制指令，控制电机的转动速度，从而改变跑步机速度以适应跑步者的速度；还包括中央处理器，用于接收加速度传感器的加速度数据以及电机电流检测处理模块的实时电流和时间间隔数据，并将上述各类数据代入计算模型公式进行计算，将计算结果与预设的经验阈值进行比较，根据比较结果发出相应的控制指令。本发明同时采集设置在跑步机特定位置的加速度传感器数据和跑步者步幅数据，将两者结合起来进行模型公式计算，从而使适应跑步者速度的调节过程更为准确和快速。

Description

一种自动适应跑步者速度的跑步机

技术领域

本发明属于健身器的技术领域，具体而言涉及一种自动适应跑步者速度的跑步机。

背景技术

跑步是目前国际流行并被医学界和体育界给予高度评价的有氧健身运动，是保持一个人身心健康,最有效、最科学的健身方式，因此，跑步健身也越来越受到大家喜爱。然而由于室外空气中的微尘颗粒，直接影响到心肺的健康，室外的跑步已经不能达到有益健康的要求。跑步机的出现，实现了在室内跑步。随着跑步机的逐步普及，人们发现，现在使用一部分跑步机，都是跑步者跟着设定的速度，进行被动式的跑步，达不到室外想跑快就跑快、想跑慢就跑慢、想保持速度跑的功能。而现有中具有自动适应跑步者速度的跑步机存在检测数据不准确、检测的数据转化为控制指令的过程复杂从而导致速度调节上的滞后。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种检测精准、调节准确以及消除调节滞后性能够自动适应跑步者速度的跑步机。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种自动适应跑步者速度的跑步机，包括：

跑台，设置在跑步机的底部，用于支撑整个跑步机；

跑板，设置在跑台的上方，用于支撑跑步者；

缓冲柱，设置在跑台和跑板之间，用于将跑步者的运动转化为跑板的移动；

加速度传感器，固定在跑台的后端，并抵靠在跑板的后端端部，用于实时采集跑板对加速度传感器的撞击力，并将撞击力转换为加速度数据；

电机电流检测处理模块，用于检测跑步者前脚和后脚踏在跑步机上的实时电流，并计算前脚和后脚踏在跑步机上的时间间隔；

电机驱动模块，用于接收中央处理器的控制指令，控制电机的转动速度，从而改变跑步机速度以适应跑步者的速度；

中央处理器，用于接收加速度传感器的加速度数据以及电机电流检测处理模块的实时电流和时间间隔数据，并将上述各类数据代入计算模型公式进行计算，将计算结果与预设的经验阈值进行比较，根据比较结果发出相应的控制指令。

进一步地，还包括跑带，所述跑带设置在跑板上，跑步者的前后脚直接作用在跑带上。

进一步地，所述加速度传感器包括加速度传感模块和加速度处理单元，所述加速度传感模块用于采集跑板对加速度传感器的撞击力，所述加速度处理单元将撞击力转换为加速度数据。

进一步地，所述计算模型公式为M1-M2=(a1+S1)-(a2+S2)，其中，a1为前一周期加速度传感器检测到的当后脚踏在跑步机上时的加速度数据，a2为后一周期加速度传感器检测到的当后脚踏在跑步机上时的加速度数据；S1为前一周期跑步者的步幅，S1=v1·Δt1，其中，v1为前一周期实时跑步机速度，Δt1为前一周期前脚和后脚踏在跑步机上的时间间隔；S2为后一周期跑步者的步幅，S2=v2·Δt2，其中，v2为后一周期实时跑步机速度，Δt2为后一周期前脚和后脚踏在跑步机上的时间间隔。

进一步地，将跑步者的如下动作定义为一个运动周期：前脚踏入跑步机，然后前脚在跑步机上滑动，然后后脚踏入跑步机，后脚完成在跑步机上的滑动动作。

进一步地，将计算结果M1-M2与预设的经验阈值进行比较，当计算结果在0到5之间时，中央处理器不发出任何指令，跑步机维持原有速度；当计算结果在-5到0之间时，中央处理器发出减速指令，跑步机减速；当计算结果在5到10之间时，中央处理器发出加速指令，跑步机加速。

本发明的有益效果：

本发明同时采集设置在跑步机特定位置的加速度传感器数据和跑步者步幅数据，将两者结合起来进行模型公式计算，再与经验阈值进行比较从而获得一个较为准确的控制指令，从而使适应跑步者速度的调节过程更为准确和快速。

附图说明

图1是本发明的自动适应跑步者速度的跑步机的结构示意图；

图2是本发明的加速度传感器安装位置的放大图；

图3是本发明的控制系统图；

图4是本发明的跑步机电流随时间变化图。

图中，

1. 加速度传感器

2. 中央处理器

3. 电机

4. 传动皮带

5. 跑带

6. 操作面板

7. 手握心率感应板

8. 缓冲柱

9. 跑板

10. 跑台边框。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

如图1和2所示，本发明的自动适应跑步者速度的跑步机，包括：

跑台10，设置在跑步机的底部，用于支撑整个跑步机；

跑板9，设置在跑台10的上方，用于支撑跑步者；

缓冲柱8，设置在跑台10和跑板9之间，用于将跑步者的运动转化为跑板9的移动；作为优选的方式，缓冲柱8可以选用橡胶柱，橡胶柱具有优良的弹性，可以满足缓冲跑台和跑板之间的震动，同时，能将跑步者的运动转化为跑板9的移动。跑步者跑步时产生的后蹬力，可以沿跑板水平方向传导至加速度传感器。

加速度传感器1，固定在跑台10的后端，并抵靠在跑板9的后端端部，用于实时采集跑板9对加速度传感器1的撞击力，并将撞击力转换为加速度数据；

电机电流检测处理模块，用于检测跑步者前脚和后脚踏在跑步机上的实时电流，并计算前脚和后脚踏在跑步机上的时间间隔；作为一种优选的实施方式，该模块可以采用一个大功率的电阻（比如康铜丝），串联在电机电源回路，人在跑步机上按一定的速度v跑动，左脚踏入跑带时，电机的电流i会突然升高，左脚在跑带上滑动时，电流相对平稳，当右脚踏入跑带时，电机的电流i也会突然升高，右脚在跑带上滑动时，电流相对平稳，跑步过程以此循环。

电机驱动模块，用于接收中央处理器2的控制指令，控制电机3的转动速度，从而改变跑步机速度以适应跑步者的速度；

中央处理器2，用于接收加速度传感器1的加速度数据以及电机电流检测处理模块的实时电流和时间间隔数据，并将上述各类数据代入计算模型公式进行计算，将计算结果与预设的经验阈值进行比较，根据比较结果发出相应的控制指令。

如图4所示的是一种实施方式，该实施方式是将加速度处理单元、电机电流检测处理单元和电机驱动单元统一设置在中央处理器中，而在另一实施方式中，加速度处理单元、电机电流检测处理单元和电机驱动单元也可以是分别单独设置，两者不同的设置方式均不会影响各单元的工作过程。

本发明跑步机还可以包括跑带5，跑带5设置在跑板9上，跑步者的前后脚直接作用在跑带5上。

加速度传感器1包括加速度传感模块和加速度处理单元，加速度传感模块用于采集跑板9对加速度传感器1的撞击力，加速度处理单元将撞击力转换为加速度数据。具体地，加速度传感器将跑步者后蹬力产生的加速度转化成模拟电信号，通过模块上的线缆传输到加速度处理单元，加速度处理单元中的A/D转换，把模拟信号转化成数字信号，这个数字信号就是准确的加速度a，处理后的准确数值送到中央处理器；

如图3和4所示，计算模型公式为M1-M2=(a1+S1)-(a2+S2)，其中，a1为前一周期加速度传感器1检测到的当后脚踏在跑步机上时的加速度数据，a2为后一周期加速度传感器1检测到的当后脚踏在跑步机上时的加速度数据；S1为前一周期跑步者的步幅，S1=v1·Δt1，其中，v1为前一周期实时跑步机速度，Δt1为前一周期前脚和后脚踏在跑步机上的时间间隔；S2为后一周期跑步者的步幅，S2=v2·Δt2，其中，v2为后一周期实时跑步机速度，Δt2为后一周期前脚和后脚踏在跑步机上的时间间隔。

将跑步者的如下动作定义为一个运动周期：前脚踏入跑步机，然后前脚在跑步机上滑动，然后后脚踏入跑步机，后脚完成在跑步机上的滑动动作。

当跑步者体能比较好的时候，脚的后蹬力就大，产生的加速度a的数值也会增加，根据M=a+S,M值增加，通过比较相邻周期（左脚踏入-->左脚滑动-->右脚踏入-->右脚滑动）的M差值，中央处理器发出加速制令，控制过程如下：当相邻周期内M差值在0-5范围内，中央处理器不发出制令，保持跑步带速度不变；当人疲劳或想减速的时候，后蹬力会下降，加速度a下降，中央处理器发出减速指令，跑步带速度变慢；总之，中央处理器通过不断的识别M差值的大小，发出控制电机的加速、减速和保持原有速度的指令给传动电机，动电机通过传动机构，实现跑步带速度的快慢调节。

作为一种实施方式，在跑板缓冲柱8选择硬度为60°的橡胶柱（邵氏橡胶硬度计）的前提下，M差值数值范围和发出速度变化指令的列表如下：

序号	相邻周期M差值	中央处理器发出的指令	跑步带的速度
				1	0到5	不发出任何指令	保持原有速度不变
2	5到10	发出加速指令	速度变快
				3	-5到0	发出减速指令	速度变慢

上述数值的范围已经充分考虑到跑步机上电控设备的误差、跑带的打滑系数。

将计算结果M1-M2与预设的经验阈值进行比较，当计算结果在0到5之间时，中央处理器2不发出任何指令，跑步机维持原有速度；当计算结果在-5到0之间时，中央处理器2发出减速指令，跑步机减速；当计算结果在5到10之间时，中央处理器2发出加速指令，跑步机加速。

为便于跑步者调节跑步机，在跑步机上设置有操作面板6。电机3和跑带5之间通过传动皮带4进行速度传递。

如图1所示，为了从更多方面对跑步者的速度进行适应性调整，本发明的跑步机还可以包括手握心率感应板，将其设置在跑步机的把手上，当跑步者用手握住该感应板时，其心率将会被检索到，并反馈给中央处理器，由中央处理器发出相应的控制指令。

在上述调节过程中，为保证使用者的安全，中央处理发出速度调整的幅度为：0.2km/h。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种自动适应跑步者速度的跑步机，包括：跑台，设置在跑步机的底部，用于支撑整个跑步机；跑板，设置在跑台的上方，用于支撑跑步者；缓冲柱，设置在跑台和跑板之间，用于将跑步者的运动转化为跑板的移动；加速度传感器，固定在跑台的后端，并抵靠在跑板的后端端部，用于实时采集跑板对加速度传感器的撞击力，并将撞击力转换为加速度数据；电机电流检测处理模块，用于检测跑步者前脚和后脚踏在跑步机上的实时电流，并计算前脚和后脚踏在跑步机上的时间间隔；电机驱动模块，用于接收中央处理器的控制指令，控制电机的转动速度，从而改变跑步机速度以适应跑步者的速度；中央处理器，用于接收加速度传感器的加速度数据以及电机电流检测处理模块的实时电流和时间间隔数据，并将上述各类数据代入计算模型公式进行计算，将计算结果与预设的经验阈值进行比较，根据比较结果发出相应的控制指令；所述加速度传感器包括加速度传感模块和加速度处理单元，所述加速度传感模块用于采集跑板对加速度传感器的撞击力，所述加速度处理单元将撞击力转换为加速度数据；

其特征在于，

所述计算模型公式为 M1-M2=(a1+S1)-(a2+S2)，其中，a1 为前一周期加速度传感器检测到的当后脚踏在跑步机上时的加速度数据，a2 为后一周期加速度传感器检测到的当后脚踏在跑步机上时的加速度数据；S1 为前一周期跑步者的步幅，S1=v1·Δt1，其中，v1 为前一周期实时跑步机速度，Δt1 为前一周期前脚和后脚踏在跑步机上的时间间隔；S2 为后一周期跑步者的步幅，S2=v2·Δt2，其中，v2 为后一周期实时跑步机速度，Δt2 为后一周期前脚和后脚踏在跑步机上的时间间隔；将跑步者的如下动作定义为一个运动周期：前脚踏入跑步机，然后前脚在跑步机上滑动，然后后脚踏入跑步机，后脚完成在跑步机上的滑动动作；将计算结果 M1-M2 与预设的经验阈值进行比较，当计算结果在 0 到 5 之间时，中央处理器不发出任何指令，跑步机维持原有速度；当计算结果在 -5 到 0 之间时，中央处理器发出减速指令，跑步机减速；当计算结果在 5 到 10 之间时，中央处理器发出加速指令，跑步机加速。

2.根据权利要求 1 所述的一种自动适应跑步者速度的跑步机，其特征在于，还包括跑带，所述跑带设置在跑板上，跑步者的前后脚直接作用在跑带上。

3.根据权利要求1所述的一种自动适应跑步者速度的跑步机，其特征在于，还包括手握心率感应板，设置在跑步机的把手上，用于检测跑步者的心率。