CN108144253A - 一种基于Kinect控制速度的跑步机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于Kinect控制速度的跑步机，包括：跑步机本体，供使用者使用；Kinect体感设备，设置在跑步机本体上，用于检测使用者的实时心率以及呼吸信号；控制单元，设置在跑步机本体内，根据实时心率以及呼吸信号控制跑步机本体的速度；以及显示器，设置在跑步机本体上且与控制单元连接，对实时心率以及呼吸信号进行显示，其中，Kinect体感设备具有数据检测单元、呼吸检测单元以及运算单元，数据检测单元用于采集使用者的面部的亮度变化以及温度变化；运算单元根据亮度变化以及温度变化采用预定算法计算得到使用者的实时心率；呼吸检测单元用于检测使用者呼吸信号。

Description

一种基于Kinect控制速度的跑步机
技术领域
本发明涉及一种跑步机，具体涉及一种基于Kinect控制速度的跑步机。
背景技术
跑步机是家庭以及健身房常备的器材，而且是家庭健身器材中最简单的一种，是家庭健身器的最佳选择。然而现有的跑步机功能相对单一，例如跑步机的跑步速度，一般是预先经过电动跑步机内部芯片设定，设置多个连续的段位，以供用户选择，在具体使用时，用户设定的速度即为跑步机的运行速度，速度的控制必须经过用户设定，否则跑步机无法自行改变。这样一来，用户出现的身体状况的改变就会导致用户的速度与跑步机已经设定的速度出现不匹配的问题，或多或少影响了使用者的使用效果，更在一些特定状态下，速度恒定对使用者会造成伤害；再比如跑步机不够智能，与用户的交互感不强，从而导致用户的使用感受不好，不能提供很好的锻炼环境。
现有一些能够检测使用者心率的跑步机，但是在检测使用者心率时，需要使用者将两手放置跑步机的两侧扶手上，这样会影响到使用者的运动状况，给使用者带来不便。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于Kinect控制速度的跑步机。
本发明提供了一种基于Kinect控制速度的跑步机，具有这样的特征，包括：跑步机本体，供使用者使用；Kinect体感设备，设置在跑步机本体上，用于检测使用者的实时心率以及呼吸信号；控制单元，设置在跑步机本体内，根据实时心率以及呼吸信号控制跑步机本体的速度；以及显示器，设置在跑步机本体上且与控制单元连接，对实时心率以及呼吸信号进行显示，其中，Kinect体感设备具有数据检测单元、呼吸检测单元以及运算单元，数据检测单元包括RGB摄像头以及红外传感器，RGB摄像头用于采集使用者的面部的亮度变化，红外传感器用于采集使用者的面部的温度变化；运算单元根据亮度变化以及温度变化采用预定算法计算得到使用者的实时心率；呼吸检测单元用于检测使用者呼吸信号；显示屏对实时心率以及呼吸信号进行显示；控制单元根据实时心率以及呼吸信号控制跑步机本体的速度。
在本发明提供的跑步机中，还可以具有这样的特征：其中，Kinect体感设备还包括口令接收单元，口令接收单元用于接收使用者的语音口令，控制单元识别并根据语音口令控制跑步机本体的运行状况。
在本发明提供的跑步机中，还可以具有这样的特征：其中，口令接收单元为麦克风阵列，包括四个麦克风。
在本发明提供的跑步机中，还可以具有这样的特征：其中，语音口令为英文指令。
在本发明提供的跑步机中，还可以具有这样的特征：其中，预定算法为独立变量分析法以及JADE算法。
在本发明提供的跑步机中，还可以具有这样的特征：其中，显示器的尺寸为22寸，分辨率为1920×1080，屏幕比例为16:9。
在本发明提供的跑步机中，还可以具有这样的特征：其中，呼吸检测单元包括红外线投影机以及卡尔曼滤波器，红外线投影仪用于检测使用者的胸腔与红外线投影仪之间的距离，运算单元根据距离得到呼吸信号，卡尔曼滤波器用于消除使用者的运动带来的误差。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于Kinect控制速度的跑步机，因为采用Kinect体感设备设置在跑步机本体上，利用Kinect体感设备来采集使用者的实时心率以及呼吸信号，控制单元根据该实时心率以及呼吸信号对跑步机本体的速度进行控制，显示器还可以对实时心率以及呼吸信号进行显示，让使用者可以实时看到自身的运动状况。所以，本发明的基于Kinect控制速度的跑步机能够根据使用者的实时心率以及呼吸信号对跑步机本体的速度进行控制，提高了跑步机本身的舒适性以及与使用者之间的交互感。
另外，Kinect体感设备对使用者的实时心率以及呼吸信号的采集在使用者的正常运动过程中就可以检测，不会影响到使用者的运动，避免了因检测心率给使用者带来不便的问题。
附图说明
图1是本发明的实施例中基于Kinect控制速度的跑步机的主视图；
图2是本发明的实施例中基于Kinect控制速度的跑步机的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例附图对本发明基于Kinect控制速度的跑步机作具体阐述。
图1是本发明的实施例中基于Kinect控制速度的跑步机的主视图，图2是本发明的实施例中基于Kinect控制速度的跑步机的俯视图。
如图1、2所示，基于Kinect控制速度的跑步机100包括跑步机本体10、Kinect体感设备20、控制单元(图中未显示)以及显示器30。
跑步机本体10供使用者跑步使用。包括控制面板11，控制面板11供使用者使用以控制跑步机本体10的运动状况。
Kinect体感设备20设置在控制面板11的上方，用于检测使用者的实时心率以及呼吸信号并接收使用者的语音口令。包括数据检测单元21、呼吸检测单元22、口令接收单元(图中未显示)以及运算单元(图中未显示)。
数据检测单元21包括RGB摄像头以及红外传感器。RGB摄像头通过得到的使用者面部的RGB图像检测使用者的面部的亮度变化使用者的RGB图像，红外传感器用于检测使用者的面部的温度变化。在本实施例中，RGB摄像头的像素成像最大为1280×960像素成像。
呼吸检测单元22包括红外线投影机以及卡尔曼滤波器，红外线投影机用于检测使用者的胸腔与红外线投影机的距离，卡尔曼滤波器用于消除使用者在运动时上半身发出的噪声而引起的误差。
当使用者在吸气的时候，胸腔向上向外移动，空气被吸入肺部，此时胸腔离红外线投影机更近一些；当使用者呼气的时候，相反的过程会发生，此时胸腔向下向内移动，离红外线投影机会更远一些。因此，当测量胸腔距离红外线投影机的距离值时，局部信号的最小值所对应的就是吸气的时刻，局部信号的最大值所对应的就是呼气的时刻。这样，测量人体的呼吸信号就可以转变为间接测量胸腔距离红外线投影机的距离信号。
口令接收单元为麦克风阵列，包括四个麦克风，用于接收使用者发出的语音指令，该语音指令为英文指令。该麦克风阵列在接收语音指令的同时过滤背景噪声，可定位声源。
该麦克风阵列捕获的音频数据流通过音频增强效果算法处理来屏蔽环境噪声。其阵列技术包含有效的噪声消除和回波抑制算法，同时采用波束成形技术通过每个独立设备的响应时间确定声源位置，并尽可能避免环境噪声的影响。
运算单元根据得到的RGB图像以及使用者的面部的温度变化通过独立变量分析法以及JADE算法得到使用者的实时心率。
当使用者的心脏泵血时，血液会流经各个血管和肌肉。当血液流经肌肉，特别是面部肌肉时，吸收的光线会越多，RGB摄像头捕获到的亮度会越低，同时面部的温度会越高。亮度值和温度值的变化是非常微小的，而且这种变化是周期性的，换句话说，就是一个信号或者称为一个波形。将这个信号/波形与血压相匹配，心率值就能够计算出来。为了将亮度的变化与血压的变化相匹配，可以使用独立变量分析法(ICA),这种分析方法可以在一组混合的信号中找到隐藏的信号。这一分析方法也被称为盲源分离，运用这种方法我们使用JADE算法来提取R波，为红、绿、蓝、红外混合数据提供了分离矩阵。然后，分离矩阵利用快速傅里叶变换提取信号，从而找到一个匹配的心率频率范围，能够测出用户的实时心率.
控制单元设置在跑步机本体10内，且与Kinect体感设备20通信连接，根据Kinect体感设备20检测到的实时心率、呼吸信号以及接收到的语音口令控制跑步机本体10的速度。
显示器30设置在跑步机本体上且位于Kinect体感设备20的上方，用于显示使用者的实时心率以及呼吸信号。显示器30还可以显示使用者在运动状态下的最高心率以及使用者的RGB图像。显示器30为22寸的显示器，分辨率为1920×1080，屏幕比例为16:9。
跑步机100可以根据使用者的需求设置为自动模式以及口令模式。
跑步机100的自动模式的工作过程为：当使用者在跑步机本体10上运动时，呼吸检测单元22检测使用者的呼吸信号，数据检测单元21检测使用者面部的亮度变化以及温度变化，运算单元根据数据检测单元21检测到亮度变化以及温度变化计算得到使用者的实时心率，控制单元根据检测到实时心率以及呼吸信号控制跑步机本体10的速度。
在本实施例中，心率120次/分以下的运动量为小；心率120～150次/分的运动量为中等；心率150～180次/分或超过180次/分的运动量为大。当用户心率过高，控制单元控制跑步机速度逐步降低，至用户心率数据处于正常值范围之内，控制单元维持该速度，以满足用户的自身锻炼需求。同理，当用户心率过低亦然。
跑步机100的口令模式的工作过程为：当使用者在跑步机本体10上运动时，当使用者需要调节跑步机本体10的速度时，向跑步机100发出英文指令，口令接收单元接收使用者发出的英文指令并根据接收到的英文指令控制跑步机本体10的运行状况。
在本实施例中，英文指令包括“start”、“stop”、“up”、“down”等，其中，“start”指令控制跑步机本体10停止运行，“stop”指令控制跑步机本体10开始运行，“up”指令控制跑步机本体10提高运行速度，“down”指令控制跑步机本体10降低运行速度。
实施例的作用与效果
根据上述实施例中的基于Kinect控制速度的跑步机，因为采用Kinect体感设备设置在跑步机本体上，利用Kinect体感设备来采集使用者的实时心率以及呼吸信号，控制单元根据该实时心率以及呼吸信号对跑步机本体的速度进行控制，显示器还可以对实时心率以及呼吸信号进行显示，让使用者可以实时看到自身的运动状况。所以，本发明的基于Kinect控制速度的跑步机能够根据使用者的实时心率以及呼吸信号对跑步机本体的速度进行控制，提高了跑步机本身的舒适性以及与使用者之间的交互感。
另外，Kinect体感设备对使用者的实时心率以及呼吸信号的采集在使用者的正常运动过程中就可以检测，不会影响到使用者的运动，避免了因检测心率给使用者带来不便的问题。
此外，本实施例中的跑步机还可以接收使用者的英文指令，并根据接收的英文指令控制跑步机本体的运行状况，提高了使用者与跑步机的交互感。
另外，在本实施例中，跑步机的两种模式之间并没有交互，但是在实际应用中，可以设定两种模式之间进行交互，在口令模式中，当使用者发出口令让跑步机的速度加快时，使用者跑步一定时间后，Kinect体感设备检测到使用者的实时心率过高时，会自主控制跑步机的速度降低或在显示器显示心率对使用者进行警告，让使用者发出口令降低跑步机的速度。
除此之外，本实施例中是利用使用者的面部的亮度变化以及温度变化来检测使用者的实时心率，在实际应用中，也可以控制RGB摄像头采集10s正对使用者面部的视频；对采集的视频进行使用者面部特征点检测与跟踪，以及倾斜校正，得到稳定的使用者面部视频；然后对使用者面部视频进行色彩空间转换；利用视频颜色放大从使用者面部视频中提取干净的BVP信号的频率；对BVP进行迭代的频域分析，计算BVP信号的频率，从而估算心率。
此外，在本实施例中跑步机是通过使用者的指令来控制跑步机本体的速度，在实际应用中，还可以采集使用者的姿势动作对跑步机本体的速度进行控制，例如，“握拳”可以让跑步机停止，“拍手”让跑步机开始等。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于Kinect控制速度的跑步机，其特征在于，包括：
跑步机本体，供使用者使用；
Kinect体感设备，设置在所述跑步机本体上，用于检测所述使用者的实时心率以及呼吸信号；
控制单元，设置在所述跑步机本体内，根据所述实时心率以及所述呼吸信号控制所述跑步机本体的速度；以及
显示器，设置在所述跑步机本体上且与所述控制单元连接，对所述实时心率以及所述呼吸信号进行显示，
其中，所述Kinect体感设备具有数据检测单元、呼吸检测单元以及运算单元，
所述数据检测单元包括RGB摄像头以及红外传感器，所述RGB摄像头用于采集所述使用者的面部的亮度变化，所述红外传感器用于采集所述使用者的面部的温度变化；
所述运算单元根据所述亮度变化以及所述温度变化采用预定算法计算得到所述使用者的实时心率；
所述呼吸检测单元用于检测所述使用者呼吸信号；
所述显示屏对所述实时心率以及所述呼吸信号进行显示；
所述控制单元根据所述实时心率以及所述呼吸信号控制所述跑步机本体的速度。
2.根据权利要求1所述的跑步机，其特征在于：
其中，所述Kinect体感设备还包括口令接收单元，
所述口令接收单元用于接收所述使用者的语音口令，
所述控制单元识别并根据所述语音口令控制所述跑步机本体的运行状况。
3.根据权利要求2所述的跑步机，其特征在于：
其中，所述口令接收单元为麦克风阵列，包括四个麦克风。
4.根据权利要求2所述的跑步机，其特征在于：
其中，所述语音口令为英文指令。
5.根据权利要求1所述的跑步机，其特征在于：
其中，所述预定算法为独立变量分析法以及JADE算法。
6.根据权利要求1所述的跑步机，其特征在于：
其中，所述显示器的尺寸为22寸，分辨率为1920×1080，屏幕比例为16:9。
7.根据权利要求1所述的跑步机，其特征在于：
其中，所述呼吸检测单元包括红外线投影机以及卡尔曼滤波器，
所述红外线投影仪用于检测所述使用者的胸腔与所述所述红外线投影仪之间的距离，
所述运算单元根据所述距离得到所述呼吸信号，
所述卡尔曼滤波器用于消除所述使用者的运动带来的误差。
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