CN106334286A - 一种跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置及方法，该装置包括控制器、电机控制单元和检测单元；所述控制器通过输入端接收检测单元的检测信号，控制器通过输出端控制电机控制单元。检测单元包括距离检测系统，所述距离检测系统由至少两个距离传感器组成。距离传感器为超声波传感器。检测单元还包括脚踏板信号检测系统，所述脚踏板信号检测系统包括振动传感器，所述振动传感器包括多个振动检测探头。检测单元还包括声音检测系统。本发明结构简单，可以准确判断使用者在使用跑步器械时的运动状态，并实时调整电机运动速率，实现智能化控制跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置。

Description

一种跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置及方法

技术领域

本发明属于跑步器械领域，涉及一种防摔电子控制装置，尤其是一种跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置。

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，是保持身心健康最有效的健身方式之一，越来越受到大家喜爱。为了锻炼不受天气等外部环境的影响，跑步器械就成为很多家庭的必备运动器材。

目前跑步锻炼器械所采用的技术比较简单，很少采用智能控制装置。目前，跑步机已经成为世界上最受欢迎的室内健身器械。但随之而来的是因跑步而受伤的人越来越多。当运动失稳时容易造成运动人员摔伤。近年来，越来越多的运动器械事故出现，事故率频繁上升，使得有跑步需求的对象需求跑步的同时更加注重自身安全。很多跑步者在器械跑步时可能因为各种问题需要立即停止器械运转。跑步机控制有很多种，目前的市面跑步机功能很简单，大多使用继电器控制启停，不能连续调速。由于跑步装置本来较为昂贵，而且现有技术所需要的加工手段以及条件较为苛刻，致使现有技术不能很好地被采用，关于安全方面的判别方式欠缺，检测体系不够完善，可能会致使误判等，不能较好地实现防摔倒的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单，可以准确判断使用者在使用跑步器械时的运动状态，并实时调整电机运动速率，实现智能化控制跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置，包括控制器、电机控制单元和检测单元；所述控制器通过输入端接收检测单元的检测信号，控制器通过输出端控制电机控制单元；所述电机控制单元与跑步器械的驱动电机连接；所述检测单元包括距离检测系统，所述距离检测系统由至少两个距离传感器组成。

进一步，所述距离传感器为超声波测距传感器；每个超声波测距传感器发出不同频率的声波脉冲；所述检测单元还包括脚踏板信号检测系统，所述脚踏板信号检测系统包括振动传感器，所述振动传感器包括多个振动检测探头；所述检测单元还包括语音检测系统；所述声音检测系统包括语音输入装置，所述语音输入装置为麦克风。

进一步，所述电机控制单元为电机电子调速器，所述电机电子调速器通过输出脉宽调制信号、电压信号或电流信号控制跑步器械的驱动电机转速。

进一步，所述控制器为单片机；所述单片机为51单片机或32位单片机。

本发明还提出一种上述跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置的控制方法：

使用超声波测距传感器，测量出超声波测距传感器到人体上身的距离；通过调节跑步器械的速度，控制人体到传感器的距离，实现平稳运转。

进一步的，如果人体大幅后移，控制系统测量到超声波测距传感器到人体的间距大于预设的阈值，则使跑步器械均匀降低速度，相反则加速；多个超声波测距传感器测量的距离采取加权平均计算出传感器与人体的距离；

多个超声波测距传感器检测人上体的多个位置到超声波测距传感器的距离，计算出上体的倾斜程度；一旦检测到严重失稳的倾斜状态，控制运动系统调节跑步器械的速度或急停。

进一步，两个超声波测距传感器纵向间隔一定，两个回声信号测量的距离差与纵向间隔的比值为人体上身倾角的正切函数，其反正切值为人体上身倾角度；对于两个以上传感器测量值，采取逐差法求平均；采取神经网络智能算法计算出人体上身倾角。

或者：在脚踏板上安装两个以上的声波传感器，通过脚踏板上的声波传感器，测量脚踏点大致位置和踏步节奏，检测到失稳步态时，控制系统降低速度或急停；或者：

在脚踏板上安装两个声波传感器，利用两个声波传感器测量到震动信号的时间差，计算出延跑步方向上脚踏点的直线位置，利用两个相邻踏步点位置和跑步机运转速度，计算出步幅和频率。

进一步，在脚踏板上安装三个或以上的声波传感器，利用三个声波传感器测量到震动信号的时间，和三角定位方法计算出脚踏点在踏板上的二维坐标位置，利用两个相邻踏步点位置和跑步机运转速度，计算出步幅和频率。

进一步，通过麦克风语音检测，判断惊叫声或进行语音识别，控制系统的急停或实现加速或减速。

本发明所达到的有益效果：

1.本发明驱动系统采用电子调速器控制电机速度，有利于智能防摔检测系统灵活操作。

2.本发明的控制器利用超声传感器检测人体与探测器之间的距离，来调节跑步器械的电机转动速度，使人保持在跑步器械中段运动。人跑得快的时候，跑步器械的电机转动就快一些；人跑的速度降下来，电机则随之减速。

3.采用超声探测识别传感器检测上身倾斜程度，结合其他相关信息由控制器判断是否存在摔倒危险。

4.附带脚踏板信号检测系统。通过检测脚步震动的轻重与频率，来判定人体是否处于正常均匀，平衡运动状态。结合上身姿态检测，一旦发现人体失稳，立刻控制驱动电机减速或停止。

5.脚踏板信号检测系统设置有振动检测探头，通过测先后顺序算出距离，进一步判断使用者的使用状态是否存在异常状况，及时避免危险情况发生。

6.附带声音检测系统。若有超出环境背景声音或普通说话语音的较大喊叫或惊叫声音，可以快速停止驱动电机，实现了当使用者有惊叫时急停，无惊叫时则只减速，避免急停对使用者造成惊吓。

7.本发明可以通过判断人体距离控制面板的远近自动调整速度。跑得快时，人就越来越接近面板，跑步机就相应转的快些让人远离。同理，跑得慢时候人远离面板，跑步机会自动减速。当一旦人停下来，测出人体迅速远离面板，机器也可以自动迅速停下来。也就是使人体位置达到适中。该跑步器械更加具备人性化。

8.本发明采用多种检测系统进行检测，确保了判断的准确性，当测到异常情况时，可通过智能判断，控制电机加速、减速或停止，来恢复正常运动姿态或避免严重摔伤。

9.超声波模块技术成熟、价格便宜，降低了智能跑步机的成本。

附图说明

图1为本发明跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置功能框图；

图2为本发明超声波传感器上身倾角检测电路示意图；

图3为本发明的脚踏板信号检测系统俯视图；

图4为本发明的脚踏板信号检测系统主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图4所示，本发明一种跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置包括控制器、电机控制单元和检测单元；所述控制器通过输入端接收检测单元的检测信号，控制器通过输出端控制电机控制单元。

检测单元包括距离检测系统，所述距离检测系统由至少两个距离传感器组成。

距离传感器为超声波传感器。

超声波传感器至少为2个，且每个超声波传感器发出不同频率的声波脉冲。

检测单元还包括脚踏板信号检测系统，所述脚踏板信号检测系统包括振动传感器，所述振动传感器包括多个振动检测探头。

检测单元还包括声音检测系统。

声音检测系统包括声音输入装置，所述声音输入装置为麦克风。

电机控制单元为电机电子调速器，所述电机电子调速器通过输出脉宽调制信号、电压信号或电流信号控制电机转速。控制器为单片机；单片机为51单片机或32位单片机。

基于以上装置，本发明还提出一种跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置的控制方法，该方法概述为：使用超声波测距传感器，测量出超声波测距传感器到人体上身的距离；通过调节跑步器械的速度，控制人体到传感器的距离，实现平稳运转。具体如下：

如果人体大幅后移，控制系统测量到超声波测距传感器到人体的间距大于预设的阈值，则使跑步器械均匀降低速度，相反则加速；多个超声波测距传感器测量的距离采取加权平均计算出传感器与人体的距离；

多个超声波测距传感器检测人上体的多个位置到超声波测距传感器的距离，计算出上体的倾斜程度；一旦检测到严重失稳的倾斜状态，控制运动系统调节跑步器械的速度或急停。

两个超声波测距传感器纵向间隔一定，两个回声信号测量的距离差与纵向间隔的比值为人体上身倾角的正切函数，其反正切值为人体上身倾角度；对于两个以上传感器测量值，采取逐差法求平均；采取神经网络智能算法计算出人体上身倾角。

或者：在脚踏板上安装两个以上的声波传感器，通过脚踏板上的声波传感器，测量脚踏点大致位置和踏步节奏，检测到失稳步态时，控制系统降低速度或急停；或者：

在脚踏板上安装两个声波传感器，利用两个声波传感器测量到震动信号的时间差，计算出延跑步方向上脚踏点的直线位置，利用两个相邻踏步点位置和跑步机运转速度，计算出步幅和频率。

或者：在脚踏板上安装三个或以上的声波传感器，利用三个声波传感器测量到震动信号的时间，和三角定位方法计算出脚踏点在踏板上的二维坐标位置，利用两个相邻踏步点位置和跑步机运转速度，计算出步幅和频率。

或者：通过麦克风语音检测，判断惊叫声或进行语音识别，控制系统的急停或实现加速或减速。

以下结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明：

本发明采用成熟的技术手段和简单的制造工艺，利用对运动人体的多方面检测，实现基本的防摔功能。

实施例1，如图2所示，采用超声波测距探头，检测运动人体上身的位置和倾斜角度。超声波传感器利用回波时间即可精确计算出传感器与反射物之间的距离。通过连续监测距离变动，还可以计算出运动速度。多个位置传感器检测到的距离，可以综合计算出反射声波物体的倾斜角度。

利用距离信息，可以控制驱动电机不断调整转速，使运动人体保持在跑步装置的中部区间。当运动人体跑得较快上身趋近探测器的时候，跑步机电机转动就加快一些；当运动人体跑的速度降下来逐渐远离探测器的时候，机器可以减速。如果人的运动停止，电机也可以尽快停下，实现运动速度的自动控制。

检测运动人体上身倾斜角度过大，发生严重倾倒时，可立刻停止运行或短时反向运行以纠正运动失衡。当难以判定是否倾倒时，可以适度降低运转速度。

为避免多个超声波传感器之间相互干扰，每个超声波发声器只发出固定频率f1,f2,f3的短脉冲。接收到的声波脉冲，可从频率上分辨出是哪个发声器发出的，这有助于避免上身倾角计算错误。

智能控制系统可采用51单片机或其他32位甚至64位单片机。目前单片机的计算速度足以实时、快速实现不同超声波信号频率的分辨和回声时间、位置的计算。智能系统需要滤除噪音等干扰信号的不良影响。需要分辨出摆臂信号与运动人体上身较强反射信号之间的差异，去除摆臂信号造成对上身倾角计算的偏差。

多路短脉冲超声波信号可以由智能控制系统的CPU(单片机)生成，经过简单放大后送至超声波发声器发出。超声波频率选择20kHz-1000kHz范围内任意频率。超声波脉冲宽度选择1μs-1ms范围内任意值。

超声波接收信号直接传给智能控制系统的高速AD输入端，或将超声波接收信号放大成方波信号传给智能控制系统的高速数字输入端口。由智能控制系统判读超声波信号的接收延时和频率。

电机控制部分由大功率电子器件构成，具备驱动较大功率电机的能力。驱动功率能力在10W-1kW范围内可选。由智能控制系统按照计算结果输出脉宽调制信号(PWM)控制电机转速。也可由智能控制系统的DA输出端输出的电压或电流信号控制电机转速。

实施例2，如图3，图4所示，在实施例1的基础上可以附加脚踏板信号检测。利用振动传感器信号可以计算出多个振动检测探头之间信号的时间差，以此确定落脚点在踏板上的大致位置。如果相邻两个落脚点都均匀落在安全区间，表明运动人体处于平稳状态。如果步幅或踏步时间间隔突然发生混乱，很可能是发生了运动失衡，控制系统需尽快减速或停机。

振动信号时间差的计算由智能控制系统的CPU(单片机)完成。将震动波形信号由AD端口采集后，通过相关运算等数学算法计算获得。

实施例2，在实施例1的基础上，可以附加声音检测系统。滤除环境背景声音和一般强度语音，一旦检测到惊叫或较大的声音，也可以迅速减速或停机。起到辅助防止严重摔伤功能。若采用功能更强的计算系统，可以进一步实现语音识别、控制功能。

本发明可用2-5个传感器测距，计算上身倾斜角度。由于人体重心位于上身，测量上身状态最重要。测量上身信号时，易受到摆臂的影响，需要排除干扰并用多个探头避免误判。

如果必要还可以测量头部反射信号，但对不同身高的人会有较大差异。需要对应调整高度。也可以横向测量脚部信号，如果脚比上身更靠前，肯定不致前倾摔倒。

本发明还可以测量脚部踏在踏板上的位置，对比上身位置来判断重心是否处于两脚之间。

通过判断步幅和频率，也可以发现跌倒前的异常，一旦发现异常，首先是减速。如果发现严重异常(伴随惊叫声)，可以立刻停止，以免严重摔伤。

Claims (9)

1.一种跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置，其特征在于，包括控制器、电机控制单元和检测单元；所述控制器通过输入端接收检测单元的检测信号，控制器通过输出端控制电机控制单元；所述电机控制单元与跑步器械的驱动电机连接；所述检测单元包括距离检测系统，所述距离检测系统由至少两个距离传感器组成。

2.如权利要求1所述的跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置，其特征在于，所述距离传感器为超声波测距传感器；每个超声波测距传感器发出不同频率的声波脉冲；

所述检测单元还包括脚踏板信号检测系统，所述脚踏板信号检测系统包括振动传感器，所述振动传感器包括多个振动检测探头；所述检测单元还包括语音检测系统；所述声音检测系统包括语音输入装置，所述语音输入装置为麦克风。

3.如权利要求1所述的跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置，其特征在于，所述电机控制单元为电机电子调速器，所述电机电子调速器通过输出脉宽调制信号、电压信号或电流信号控制跑步器械的驱动电机转速。

4.如权利要求1到3任意一项所述的跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置，其特征在于，所述控制器为单片机；所述单片机为51单片机或32位单片机。

5.一种权利要求4所述跑步器械的探测识别与防摔电子控制装置的控制方法，其特征在于：

使用超声波测距传感器，测量出超声波测距传感器到人体上身的距离；通过调节跑步器械的速度，控制人体到传感器的距离，实现平稳运转。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：

如果人体大幅后移，控制系统测量到超声波测距传感器到人体的间距大于预设的阈值，则使跑步器械均匀降低速度，相反则加速；多个超声波测距传感器测量的距离采取加权平均计算出传感器与人体的距离；

多个超声波测距传感器检测人上体的多个位置到超声波测距传感器的距离，计算出上体的倾斜程度；一旦检测到严重失稳的倾斜状态，控制运动系统调节跑步器械的速度或急停。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于：

两个超声波测距传感器纵向间隔一定，两个回声信号测量的距离差与纵向间隔的比值为人体上身倾角的正切函数，其反正切值为人体上身倾角度；对于两个以上传感器测量值，采取逐差法求平均；采取神经网络智能算法计算出人体上身倾角；

或者：

在脚踏板上安装两个以上的声波传感器，通过脚踏板上的声波传感器，测量脚踏点大致位置和踏步节奏，检测到失稳步态时，控制系统降低速度或急停；

或者：

在脚踏板上安装两个声波传感器，利用两个声波传感器测量到震动信号的时间差，计算出延跑步方向上脚踏点的直线位置，利用两个相邻踏步点位置和跑步机运转速度，计算出步幅和频率。

8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于：

在脚踏板上安装三个或以上的声波传感器，利用三个声波传感器测量到震动信号的时间，和三角定位方法计算出脚踏点在踏板上的二维坐标位置，利用两个相邻踏步点位置和跑步机运转速度，计算出步幅和频率。

9.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于：

通过麦克风语音检测，判断惊叫声或进行语音识别，控制系统的急停或实现加速或减速。