CN105903152A - 一种基于红外对发阵列的跑步机自适应调速系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模式识别与健身设备领域，特别涉及一种基于红外对发阵列的跑步机自适应调速系统，包括安装在跑步机跑带两侧的红外对发阵列模块、安装在跑步机前端支架上的数据处理模块和位于跑步机前端的电机驱动模块。在本发明中，红外对发阵列由两两成对的红外光发射器和接收器组成，启动后红外发射器始终发出直射接收器的平行光束；通过判断跑步者身体对光束阵列的遮挡情况，来处理并分析跑步者当前所处的阵列区域；红外光阵列从跑带中心位置开始，以跑步方向为正，反方向为负，均匀划分区域，分级设定加速度，每当跑步者离开中心区域后，调速系统将通过分级变速使跑步者身体重新回到中心区域，使跑步机与跑步者速度相等，从而实现跑步机自适应调速。

Description

一种基于红外对发阵列的跑步机自适应调速系统

技术领域

本发明涉及模式识别和健身设备领域，特别涉及一种基于红外对发阵列的跑步机自适应调速系统。

背景技术

近年来随着国民经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们的健康意识逐渐增强，体育锻炼以及健身运动已经融入到了人们的日常生活当中。跑步作为一种简单有效、老少皆宜的有氧运动方式，在增加肌肉、保持体重以及提高心肺功能等方面效果良好，成为人们日常健身运动项目的首选。跑步机的诞生大幅度减小了日常跑步运动对场地、天气等客观条件的依赖，而且随着工业化、城镇化的发展，交通拥堵、空气质量下降等问题也为城市上班族参与户外跑步运动增加了难度，更使得跑步机成为家庭和健身房广受青睐且应用最普遍的运动器材。另一方面，跑步机因其安装简便、安全可控等特点被广泛应于与医疗康复训练领域，尤其在下肢及腰椎损伤等病患的康复治疗、减重训练以及步态矫正等方面效果显著。利用跑步机结合其他医疗辅助设备，医生能根据患者的康复情况量身定制训练计划，使患者能更安全、更方便有效地在医护人员指导下进行康复训练。

在传统跑步机上跑步，其运动效果与在真实地面上跑步还存在较大差距，主要是因为在跑步机上跑步者需要被迫调节自己的速度去适应跑步机预设的速度，严重影响跑步者参与运动时的主动性、真实性和轻松感。而且在体育训练、日常健身或是医疗康复训练中，变速跑都是一项重要需求，但传统跑步机很难满足跑步者自由变速的需要。尽管一些跑步机能通过机身按钮或者遥控器在跑步过程中人为调节机器的运转速度达到变速跑的目的，但是这种简单的人机互动很容易因人机速度变化不同步使跑步者腰椎或膝关节受损伤，甚至发生摔倒等意外。研究跑步机自适应调速系统，目的在于实时获取跑步者在跑步机上的运动信息，分析跑步者的运动特征与速度变化的内在联系，根据分析结果控制跑步机加速或减速，从而实现跑步机自适应调速，对于提高跑步者在跑步机上运动的效果，增强运动体验的真实感以及预防运动意外损伤等具有重要意义。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于红外对发阵列的跑步机自适应调速系统，该方案通过在跑台两侧加设红外对发阵列，依据跑步者在跑步过程中对阵列光束的遮挡情况分析跑步者的当前所处位置信息，实现跑步机的自适应调速功能。

本发明的技术方案：一种基于红外对发阵列的跑步机自适应调速系统，包括：

红外对发阵列模块，由一系列分布于跑步机跑带两侧的红外光发射器和接收器两两成对组成，启动后红外发射器始终发出直射接收器的平行光束构成阵列，从跑带中心位置开始，以跑步方向为正，反方向为负，均匀划分区域，分级设定加速度，根据跑步者运动过程中身体对光束的遮挡情况获取跑步者当前位置信息；

数据处理模块，由平板电脑以及其中搭载的数据处理软件程序组成，通过USB连接红外对发阵列模块，并从中实时获取并存储跑步者的运动位置参数，实时分析跑步者的运动变化规律，根据分析结果对电机驱动模块发送调速指令。

电机驱动模块，通过串口与数据处理模块相连，通过接收数据处理模块发来的速度控制命令，控制跑步机的电机转度，从而实现对跑步机跑带移动速度的控制。

所述的红外对发阵列的发射器和接收器之间的光束方向与跑步机跑带的移动方向垂直，跑步机开机之后，所有发射器的光源始终发射红外光束，接收器的光敏元件接收到光束照射后数据置为默认状态，表示跑步者身体未进入该区域；光束被遮挡住后，未被接收器的光敏元件接收到则置为触发状态，表示跑步者身体已进入该区域。在阵列平面的中心位置不设对发装置，设为区域0；以区域0为原点，跑步方向为正方向，向前和向后依次均匀分为正的若干区域(如区域1、2、3……n)和负的若干区域(如区域-1、-2、-3……-n)区域号以x表示。

所述的数据处理模块以固定时间间隔循环读取红外对发阵列模块的数值，当跑步者当前的身体跨越多个区域时，始终以最大区域值为准作为读数。模块每次记录当前区域号x。初始化时跑步者位于区域0，即x值为0，设定此区域跑步机电机转动的加速度为0，即保持匀速运转；在x为1时，加速度设为一个固定的初始值a1，其他各区域跑步机电机转动的加速度值为x倍的a1，即跑步者进入区域x时，数据处理模块向机电驱动模块发送加速度为x*a1的调速指令。

本发明与现有技术相比具有的有益效果在于：

(1)变速跑是体育训练、日常健身以及医疗康复训练等活动的重要需求，传统电动跑步机必须通过按钮或遥控调节跑步机的当前速度来在一定程度上模拟变速跑，实际上是跑步者在不停的调整自己的速度来适应机器设定的速度。本发明技术通过红外对发阵列，实时获取跑步者的运动位置，分区域分级设定加速度，通过调整跑步者的身体所在位置，从而实现机器速度适应跑步者速度的目的。

(2)红外对发阵列紧贴跑步机跑带两侧，相较于通过摄像机获取跑步者全身影像来分析运动特征的方法，本发明不需要额外的场地空间开销；红外对发阵列结构简单，能根据跑台长度灵活控制阵列矩阵的长度、密度以及区域划分数量；本发明技术中除区域1的加速度需要通过实验来获取经验值外，其他区域的加速度都以其倍数表示，数据处理逻辑简单，计算量小，对数据处理模块的计算性能要求较低，能快速完成速度调节，更有利于改善跑步者在变速跑过程中的自由体验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原理框图；

图3为本发明的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，红外对发阵列由红外光发射器5和红外光接收器6两两成对组成，分布于跑步机的跑带4两侧，组成红外光对发阵列；数据处理模块2位于跑步机前端的支架上，由一台平板电脑以及安装其内的数据处理软件程序构成，通过USB接收红外光对发电阵列周期发送的数据信号，对信号分析处理后向电机驱动模块3发送控制指令从而控制跑带4的移动速度。

如图2所示，红外光电对法阵列1根据跑步者在阵列中对光束的遮挡情况实时获取跑步者位置信息，通过USB将信息传送至数据处理模块2；数据处理模块2处理信号数据，获得跑步者当前所在区域的编号x，结合预设区域1的加速度a1，计算求得机器当前需要的加速度，根据加速的正负判断应该加速还是减速，并向电机驱动模块3发送指令；电机驱动模块3根据指令调节电机的转动速度，从而控制跑带4的移动速度。

如图3所示，本发明的工作流程是：跑步机开启后，跑带开始移动；位于跑带两侧的红外对发阵列开始实时获取跑步者在阵列坐标中的对阵列光束的遮挡信息；数据处理模块以固定的时间间隔定时通过USB去读取当前红外对发阵列的信息数据，通过对数据进行处理，获得当前跑步者在阵列中的区域编号x；判断编号x的值，当x＝0时，说明跑步者位于阵列的区域0，即跑步者的初始位置，跑步者处于该区域，说明当前跑步者和跑带速度大小相等，因此数据控制模块向电机控制模块发送指令，令电机的加速度为0，是跑带继续保持匀速运行；当x>0时，表明当前跑步者的速度大于跑带速度，因此向电机控制模块发送加速指令，加速度为x*a1，a1为x＝1时的预设加速度；当x<0时，表明跑步者当前速度小于跑带速度，需要发送指令让电机速度减慢；但当x<0且逐渐变为-n，即最小区域编号时，跑步机速度因正好减速为零，使跑带停止运转。

本发明包括红外对发阵列1、数据处理模块2以及机电控制模块3等。依据跑步者在运动过程中对阵列中红外光束的遮挡情况实时获取跑步者的当前所处区域编号，分级设定调速加速度值，从而实现跑步机自适应调速。跑带中心区域编号x为0，红外对发阵列沿跑步方向为正，将阵列分均匀分为x＝1、x＝2、……x＝2等区域，反方向为负分为x＝-1、x＝-2、……x＝-n。

跑步者在安装本发明的跑步机上运动时，从x＝0区域开始跑步并最终停止于x＝-n区域，即最小区域。开机前，跑步者首先站立于x＝0区域作为初始化状态；开机后，跑步者缓缓向前迈步开始逐渐加速，此时身体位于x>0的区域；当跑步者运动速度稳定以后开始匀速运动，此时跑步者的身体始终将位于x＝0区域；当跑步者减缓当前跑步速度时，身体位置会进入x<0区域，此时若跑步者若稳定成匀速，则身体会重新回到x＝0区域；不论加速或是减速，跑步机都将自适应调节跑带速度，尝试将跑步者送回区域0，并在某一时刻最终与跑步者达到速度一致；当跑步者准备停止运动时，应逐渐减速直至停止迈步，之后将由跑带缓缓传送至x＝-n区域，并且在完全进入x＝-n区域后，跑带移动速度恰好减小为0，跑步机停止运转。

总之，在本发明中，红外对发阵列由两两成对的红外光发射器和接收器组成，启动后红外发射器始终发出直射接收器的平行光束；通过判断跑步者身体对光束阵列的遮挡情况，来处理并分析跑步者当前所处的阵列区域；红外光阵列从跑带中心位置开始，以跑步方向为正，反方向为负，均匀划分区域，分级设定加速度，每当跑步者离开中心区域后，调速系统将通过分级变速使跑步者身体重新回到中心区域，使跑步机与跑步者速度相等，从而实现跑步机自适应调速。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

上通过具体的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何领域，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于红外对发阵列的跑步机自适应调速系统，其特征在于包括：

红外对发阵列模块，由一系列分布于跑步机跑带两侧的红外光发射器和接收器两两成对组成，启动后红外发射器始终发出直射接收器的平行光束构成阵列，从跑步机跑带中心位置开始，以跑步方向为正，反方向为负，均匀划分区域，分级设定加速度，根据跑步者运动过程中身体对光束的遮挡情况获取跑步者当前位置信息；

数据处理模块，由平板电脑以及其中搭载的数据处理软件程序组成，通过USB连接红外对发阵列模块，并从中实时获取并存储跑步者的运动位置参数，实时分析跑步者的运动变化规律，根据分析结果对电机驱动模块发送调速指令。

电机驱动模块，通过串口与数据处理模块相连，通过接收数据处理模块发来的调速指令，控制跑步机的电机转度，进而控制跑步机的跑带移动速度。

2.根据权利要求1所述的基于红外对发阵列的跑步机自适应调速系统，其特征在于：所述的红外对发阵列的发射器和接收器之间的光束方向与跑步机跑带的移动方向垂直，跑步机启动之后，发射器光源始终发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数据置为默认状态，表示跑步者身体未进入该区域；光束被遮挡住后，未被接收器的光敏元件接收到则置为触发状态，表示跑步者身体已进入该区域。在阵列轴线的中心位置不设对发装置，设为区域0；以区域0为原点，跑步方向为正方向，向前和向后依次均匀分为正的若干区域和负的若干区域。

3.根据权利要求1所述的基于红外对发阵列的跑步机自适应调速系统，其特征在于：所述的数据处理模块以固定时间间隔循环读取红外对发阵列模块的数值，当跑步者当前的身体跨越多个区域时，始终以最大区域值为准作为读数，每次记录当前区域号x，初始化时跑步者位于区域0，即x值为0，设定此区域跑步机电机转动的加速度为0，即保持匀速运转；在x为1时，加速度设为一个固定的初始值a1，其他各区域跑步机电机转动的加速度值为x倍的a1，即跑步者进入区域x时，数据处理模块向机电驱动模块发送加速度为x*a1的调速指令。