CN108310716A - 一种基于语音交互的自动跳绳控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于语音交互的自动跳绳控制系统及控制方法，包括带底座的支架，在支架上自下而上依次设有摄像头模块、自动绕绳装置、控制器模块和语音模块；自动绕绳装置依次连接在伺服电机轴上的第一摩擦动力部件、绕线轮、绕绳轮和第二摩擦动力部件；绕线轮和绕绳轮上依次饶有跳绳，且绕线轮上装有磁场方向与伺服电机轴同向的电磁模块，摩擦动力部件上设有沿伺服电机轴向的可变磁场模块；通过语音输入启动跳绳，通过摄像头模块采集跳绳图像，通过控制器模块控制两个伺服电机同步转动，并控制信号改变绕线轮和摩擦动力部件上磁极来驱动摩擦动力部件与绕线轮接触与分离，进而控制自动绕绳装置收放跳绳。该系统能够完成自动绕绳、调节绳长和确保跳绳安全。

Description

一种基于语音交互的自动跳绳控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及运动健身领域，具体涉及一种基于语音交互的自动跳绳控制系统及控制方法。

背景技术

随着我国整体经济水平的提高和居民消费需求的升级，国民越来越关注运动和健康，参加体育运动的热情持续升温，人数不断增加。据统计，2014年我国经常参加体育锻炼的人口约为4亿，体育产业规模为1.35万亿。到2020年上述两个指标有望达到4.35亿和3万亿。目前，国民在休闲运动方面面临两大难题。其一是缺少闲暇时间。我国居民日均休闲时间为2.55小时，不足发达国家一半。缺少休闲时间的意味着选择运动种类的余地偏少。其二是缺乏趣味性。体育运动需要长时间坚持，趣味性的缺失将致使众多参与者半途而废。有效解决休闲健身过程中的问题对于国民身体素质的提高具有重要意义。

针对上述问题，跳绳运动是一个不错的选择。跳绳能促进血液循环，保护心脏，提高肺活量。长期坚持跳绳能训练人的弹跳、速度、平衡、耐力和爆发力，还能培养准确性、灵活性、协调性。从运动量来说，持续跳绳10分钟，与慢跑30分钟或跳健身舞20分钟相差无几，可谓一种耗时少、耗能大的力量训练，可以很好解决居民空闲时间缺乏的难题。多人跳绳、花式跳绳等形式，既能互相鼓励，又增加了趣味性，可以无形中督促参与者坚持下去。

目前市场上大多数跳绳器材都有一定的局限性：第一，大多数器材针对个人开发，对于多人跳绳装置的涉及较少。第二，带有自动绕绳功能的跳绳器材很少，目前大多数还是以人工绕绳为主。绕绳工作枯燥、乏味而且很消耗体力。这一问题对于老人和小孩来说尤为突出。第三，对于跳绳装置中涉及的安全问题和注意事项考虑不足。针对上述问题，本发明提出了一种新的跳绳健身装置。通过特定结构和电气装置完成自动绕绳功能，而且可以自动调节绳长。采用图像和特殊的结构设计来确保跳绳过程中的安全问题。结合语音交互技术，实现跳绳装置的调节和运动过程中的安全提示。

发明内容

本发明提供了一种自动跳绳装置，能够根据需求自动调节绳长以适应不同人数的跳绳需求。基于图像和特定结构设计保证自动跳绳装置可以可靠停止，确保跳绳过程中的安全性。结合语音交互技术，方便调节绳速、切换跳绳模式等操作。另外通过语音播报，方便指导用户规范跳绳，起到更好的健身效果。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于语音交互的自动跳绳控制系统，包括带底座的支架，在支架上自下而上依次设有摄像头模块、自动绕绳装置、控制器模块和语音模块；

所述自动绕绳装置包括伺服电机，和依次连接在伺服电机电机轴上的第一摩擦动力部件、绕线轮、绕绳轮和第二摩擦动力部件；绕线轮和绕绳轮上依次绕有跳绳，且绕线轮上装有磁场方向与伺服电机电机轴同向的电磁模块，摩擦动力部件上设有沿伺服电机电机轴轴向的可变磁场模块；

通过语音输入启动跳绳，通过摄像头模块采集跳绳图像，通过控制器模块控制两个伺服电机同步转动，并控制信号改变绕线轮和摩擦动力部件上磁极来驱动摩擦动力部件与绕线轮接触与分离，进而控制自动绕绳装置收放跳绳。

对于上述技术方案，本发明还有进一步的优化的实施方案：

进一步，所述绕线轮和绕绳轮上分别设有第一刹车部件和第二刹车部件。

进一步，所述底座将支架固定在地面上，在底座下部安装有万向轮和相应的锁死机构。

进一步，所述第一摩擦动力部件、第二摩擦动力部件与电机轴之间通过键连接，且两摩擦动力部件可以沿着电机轴做轴向小范围运动。

进一步，当驱动第一摩擦动力部件的可变磁场模块与绕线轮的电磁模块接触面磁极不同时，两者吸在一起，第一摩擦动力部件带动绕线轮转动；当两个接触面的磁极相同时，两者分离，第二刹车部件与绕线轮接触，绕线轮停止转动。

进一步，当跳绳意外发生时，跳绳作用在绕线轮上的力沿摩擦动力部件与绕线轮接触面的分力大于接触面的摩擦力，两个部件发生相对滑动；绕绳轮正常转动，绕线轮转速降低，两者之间速度差导致增加绳长。

进一步，所述控制器模块包括微控制器和电源模块，微控制器和电源模块分别连接语音模块、通过驱动模块连接的电磁模块和伺服电机、存储模块、时钟复位模块、联网服务模块和图像处理模块；图像处理模块上设有摄像头模块。

相应地，本发明进而给出了基于语音交互的自动跳绳控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)接通自动跳绳装置电源，启动各个模块；语音模块指导用户做热身运动；

2)通过语音模块输入跳绳的人数并得到对应的绳长数据，控制器模块从ROM中读取初始绳长数据，并根据此数据控制电机转动得到期望绳长，然后将此刻的绳长数据写入ROM中保存；

3)锁死支架底部的万向轮，通过语音模块启动跳绳和设置跳绳速度，自动绕绳装置开始绕绳，并加速到设定速度，通过语音提示用户开始跳绳；

4)自动绕绳装置根据用户通过语音模块输入调节绳长、绳速，实现在跳绳过程中动态调整绳长，并将修改后的绳长写回ROM中，然后再一次提醒用户开始跳绳；

5)摄像头模块间隔采样，判断是否有失误，若有失误，绕线轮与第一摩擦动力部件发生相对滑动而增加绳长；若有重大失误，立即停止绕绳；同时摄像头模块图像也会检测出异常，控制器模块控制伺服电机快速增加绳长，然后停止绕绳；

6)之后重新开始跳绳前需要语音调整绳长信息，此绳长信息不进行ROM的读写；

7)跳绳运动结束后，将两个跳绳支架放到一起，然后通过语音模块发送指令控制自动绕绳装置收拢跳绳；控制器模块将从ROM中读取绳长信息，然后设置绕线轮转动指定圈数完成收拢跳绳的操作。

进一步，所述步骤7)中，ROM中读取的绳长信息中，若计算值大于实际值，绕线轮和摩擦动力部件发生相对滑动而避免自动跳绳控制系统毁坏；若计算值小于实际值，则绳子没有收拢完毕，通过语音控制来实现增量收拢过程，每次收拢一小段，直到收拢完成。

本发明基于语音交互的自动跳绳控制系统，主要为了给人们提供一种方便且实用的健身辅助器材。系统首先通过特殊结构设计和电气化操作，解决跳绳运动中的绕绳问题。然后通过图像和结构设计，双重保险保证跳绳过程的安全性。最后引入语音控制模块，方便用户在跳绳过程中更加方便调节调节装置。

本发明的有益效果：

1.通过自动绕绳装置，不仅保证绳速的一致性，而且不用义务绕绳，可以全身心投入跳绳运动中。

2.由于同步运动在跳绳运动中占大部分时间，若使用两个电机还需要保证在跳绳过程中两个电机同步运动。本发明装置利用电磁原理，通过一个伺服电机，实现绕绳和调节绳长。这样既节省成本，又很方便地保证绕线轮和绕绳轮同步运动，

3.利用图像技术和特定的结构设计，确保用户跳绳过程中安全性。

4.通过语音输入，方便用户在跳绳过程中各种调节操作。

5.语音输出，方便指导用户规范跳绳，同时也方便用户获取信息和进行娱乐，增加跳绳的趣味性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明中一种基于语音交互的自动跳绳控制系统整体结构示意图；

图2为本发明中一种基于语音交互的自动跳绳控制系统中自动绕绳装置结构原理图；

图3为本发明中一种基于语音交互的自动跳绳控制系统的电路原理框图；

图4为本发明中一种基于语音交互的自动跳绳控制系统的工作流程图。

图中：Ⅰ为底座，Ⅱ为支架，Ⅲ为摄像头模块，Ⅳ为自动绕绳装置，Ⅴ为控制器模块，Ⅵ为语音模块。1.伺服电机，21.第一摩擦动力部件，22第二摩擦动力部件，3.绕线轮，4.绕绳轮，5.跳绳，6.电机轴，71.第一刹车部件，72.第二刹车部件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下的说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，一种基于语音交互的自动跳绳装置的结构示意图，包括摄像头模块Ⅲ、自动绕绳装置Ⅳ、语音模块Ⅵ和控制器模块Ⅴ。上述各模块从下往上以此安装在带底座Ⅰ的支架Ⅱ上。

其中，底座Ⅰ将支架Ⅱ固定在地面上。同时在底座下部安装有万向轮和相应的锁死机构，便于底座的移动和锁死。支架Ⅱ，只是用来将跳绳装置的各个模块固定在不同的高度，支架的长度为1.5m。摄像头模块Ⅲ，根据跳绳的特点分析，跳绳失误大多是由于腿部绊住跳绳所致，所以将摄像头固定在距离支架下端0.5m处，通过获取腿部和绳子的相对位置关系来判断在跳绳过程中是否出现失误。自动绕绳装置Ⅳ，安装在距离支架下端1m处。主要有以下几个功能：1.自动绕绳；2.自动改变跳绳长度。3.出现较大失误时，自动增加绳长，保证安全。控制器模块Ⅴ，安装在距离支架下端1.4m处。主要用来处理各种输入和控制信号。语音模块Ⅵ，安装在支架顶端，用来完成语音的输入和输出。

如图2所示，一种基于语音交互的自动跳绳控制系统中自动绕绳装置Ⅳ的结构原理图，包括伺服电机1，伺服电机1电机轴6上依次连接第一摩擦动力部件21、绕线轮3、绕绳轮4和第二摩擦动力部件22；其中，第一摩擦动力部件21与电机轴6之间有一个键结构设计，保证他们同向运动。同时，第一摩擦动力部件可以沿着电机轴做轴向小范围运动，但是保证范围的左边界是绕线轮3。第二摩擦动力部件22与第一摩擦动力部件21连接原理相同，不同点是其轴向运动的右边界为绕绳轮4。绕线轮3和绕绳轮4通过轴承和电机轴连接在一起。

绕线轮3和绕绳轮4上绕有跳绳5，且绕线轮3和绕绳轮4上分别设有第一刹车部件71和第二刹车部件72，第一刹车部件71用于在第二摩擦动力部件22离开绕绳轮4后阻止绕绳轮4继续转动。第二刹车部件72用于在第一摩擦动力部件21离开绕线轮3后，阻止绕线路3继续转动。

自动绕绳装置运动控制原理(以绕线轮3和第一摩擦动力部件21为例介绍)：绕线轮3通过轴承固定在电机轴的特定位置，其上装有永磁体，磁场方向沿着电机轴方向。第一摩擦动力部件21有沿轴向的可变磁场模块，磁极可以通过控制信号来改变。利用电磁学中同极相斥，异极相吸的原理来驱动第一摩擦动力部件21与绕线轮3接触与分离。当第一摩擦动力部件21的可变磁场模块与绕线轮3电磁模块在接触面的磁极不同时，第一摩擦动力部件21和绕线轮3转动会磁力而被吸在一起，然后第一摩擦动力部件21通过摩擦力带动绕线轮3转动；当两个接触面的磁极相同时，两者因为同向磁极间的斥力而分离，然后第二刹车部件72会与绕线轮3接触，使失去动力源的绕线轮3停止下来。最后，对于第一摩擦动力部件21的磁场强度有一定要求。当正常情况下，磁场产生磁力可以带动响应绕线轮3转动。当意外发生时，绳子作用在绕线轮3上的力会增大，该力沿第一摩擦动力部件21与绕线轮3接触面的分力需要大于接触面的摩擦力，进而导致两个部件发生相对滑动。绕绳轮4正常转动，绕线轮3由于发生相对滑动而使得其转速低于正常速度，两个之间的速度差将产生增加绳长的作用，进一步保证跳绳之间的安全。

下面通过一个表格来说明自动绕绳程序的收放跳绳原理：通过控制器产生不用的控制信号来改变摩擦动力部件上的磁极方向，进而控制绕线轮3和绕绳轮4的启停，通过两个的配合，完成对跳绳长度的动态调节。

表1跳绳装置绳长变化原理

绕线轮3	绕绳轮4	状态
			正转	正转	正常跳绳
停止	停止	停止
			停止	正转	增加绳长
反转	正转(惯性)	缩短绳长
			反转	停止	缩短绳长

图3为自动跳绳控制系统的电路原理框图；控制器模块包括微控制器模块的ARM核心板和电源模块，微控制器模块的ARM核心板和电源模块分别连接语音输入输出模块、通过驱动模块连接的电磁模块和伺服电机、存储模块、时钟复位模块、联网服务模块、图像处理模块；图像处理模块上设有摄像头模块。

其中，伺服电机和驱动模块主要用来给自动绕绳装置提供动力。同时需要反馈电机转动的角度，通过微控制器处理，保证两个电机的同步转动，防止两个自动绕绳装置在绕绳过程中因不同步转动导致绳子出现打结。

其中，微控制器模块主要用来实现自动绕绳装置的速度控制、跳绳绳长自动调节、麦克风模块输入信号处理和音响模块输出信号的控制。

其中，语音输入输出模块中设有麦克风阵列和音响，主要用来实现语音交互过程中的语音的输入与输出。采用麦克风阵列可以有效降低干扰噪声，提高语音输入的准确性。音响主要用来播报提示信息和娱乐功能。

其中，电源模块主要用来将220v交流电转换成多种直流电平，然后分别完成对伺服电机、微控制器模块、麦克风阵列、音响等模块的供电。

其中，支架主要用来将上述各个模块安装到各自合适的高度，同时通过重力，将跳绳装置稳定在地面上。其次，完成模块的封装，提高各模块的使用寿命和用户的安全性。

其中，摄像头模块可以用来采集跳绳过程中人与跳绳的位置图像，通过图像处理技术，得到人和跳绳在图像中的相对位置。根据这种相对位置，进而可以判断出人在跳绳过程中是否出现失误，继而确定是否需要发出响应的控制信号来控制绕绳。

其中，为了便于调节支架之间的距离，在支架地步需要安装万向轮，便于用户调节两个支架之间的距离。为了保证绕绳装置的稳定性，支架距离确定之后，通过特定装置将支架底部滑轮锁死，防止支架在跳绳过程中自由滑动。

为了进一步提高跳绳装置的可操作性，可以添加一块小型显示器，便于用户操作和直观获取信息。进一步，为了便于丰富娱乐资源，在微控制器模块中添加无线模块。接入互联网，可以更加灵活获取娱乐资源，增加运动的趣味性。

下面结合图3的电路原理图和图4的工作流程图给出该系统的详细的工作流程：

1.接通自动跳绳装置电源，启动各个模块。语音模块指导用户做一些热身运动。

2.通过语音交互，输入跳绳的人数，由输入人数得到一个合适的绳长数据。然后控制器从ROM中读取当前的绳长，基于当前绳长计算得到需要收放的绳长数据，然后控制相关机构增加或者缩短绳长，并将其绳长数据写入ROM中。

3.移动跳绳支架，将其放置到合适的位置并锁死万向轮。然后通过语音输入启动跳绳和设置跳绳速度。自动绕绳装置开始绕绳，并加速到设定速度。

4.自动绕绳装置达到预设速度时并且稳定运动后，通过语音提示用户可以开始跳绳运动。用户可以观察跳绳长短是否适合自己需求，进而发出调整命令(增加绳长/缩短绳长)。此时跳绳装置将在绕绳的过程中动态调整绳长，然后将修改后的绳长写回ROM中。调节完成后，在一次提醒用户可以开始跳绳运动。

5.正常跳绳。在跳绳过程中，可以通过语音控制调节绳速和绳长。同时还可以获取一些娱乐信息。如播放音乐，播放新闻，播放广播等。

6.跳绳过程中，摄像头模块每次在绕绳轮4的绕绳点位于过电机轴水平面以下时开始间隔采样，然后进行图像处理，判断是否有失误实现。如果判断有失误出现，立即停止绕绳。当出现较大失误时，绕线轮会与摩擦动力部件发生相对滑动而增加绳长，保证安全。同时图像也会检测出异常，通过控制器主动增加绳长，然后进而停止绕绳。之后重新开始跳绳前需要语音调整绳长信息，此时绳长信息不进行ROM的读写。

7.跳绳运动结束后，需要整理器材。首先将两个跳绳支架放到一起，然后通过语音模块发送指令控制自动绕绳装置收拢跳绳。此时控制器将从ROM中读取绳长信息，然后设置绕线轮转动指定圈数完成收拢跳绳的操作。ROM中读取的绳长信息不一定可以准确反映绳长信息，会有一个小范围的误差。若计算值大于实际值，在收拢过程的最后阶段由于绕线轮和摩擦动力部件发生相会滑动而避免机构毁坏。若计算值小于实际值，收拢完成后，绳子并没有收拢完毕，此时通过语音控制来实现增量收拢过程，每次收拢一小段，直到收拢完成位置。收拢完成后重新把绳长初始值写入ROM中。上述收拢过程其实也是一个装置的复位操作过程。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或者解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种基于语音交互的自动跳绳控制系统，其特征在于，包括带底座(Ⅰ)的支架(Ⅱ)，在支架(Ⅱ)上自下而上依次设有摄像头模块(Ⅲ)、自动绕绳装置(Ⅳ)、控制器模块(Ⅴ)和语音模块(Ⅵ)；

所述自动绕绳装置(Ⅳ)包括伺服电机(1)，和依次连接在伺服电机电机轴(6)上的第一摩擦动力部件(21)、绕线轮(3)、绕绳轮(4)和第二摩擦动力部件(22)；绕线轮(3)和绕绳轮(4)上依次饶有跳绳(5)，且绕线轮(3)上装有磁场方向与伺服电机电机轴(6)同向的电磁模块，摩擦动力部件上设有沿伺服电机电机轴(6)轴向的可变磁场模块；

通过语音输入启动跳绳(5)，通过摄像头模块(Ⅲ)采集跳绳图像，通过控制器模块(Ⅴ)控制两个伺服电机(1)同步转动，并控制信号改变绕线轮(3)和摩擦动力部件上磁极来驱动摩擦动力部件与绕线轮(3)接触与分离，进而控制自动绕绳装置(Ⅳ)收放跳绳。

2.根据权利要求1所述的一种基于语音交互的自动跳绳控制系统，其特征在于，所述绕线轮(3)和绕绳轮(4)上分别设有第一刹车部件(71)和第二刹车部件(72)。

3.根据权利要求1所述的一种基于语音交互的自动跳绳控制系统，其特征在于，所述底座(Ⅰ)将支架(Ⅱ)固定在地面上，在底座(Ⅰ)下部安装有万向轮和响应锁死机构。

4.根据权利要求1所述的一种基于语音交互的自动跳绳控制系统，其特征在于，所述第一摩擦动力部件(21)、第二摩擦动力部件(22)与电机轴(6)之间通过键连接，且两摩擦动力部件可以沿着电机轴做轴向小范围运动。

5.根据权利要求1所述的一种基于语音交互的自动跳绳控制系统，其特征在于，当驱动第一摩擦动力部件(21)的可变磁场模块与绕线轮(3)的电磁模块接触面磁极不同时，两者吸在一起，第一摩擦动力部件(21)带动绕线轮(3)转动；当两个接触面的磁极相同时，两者分离，第二刹车部件(72)与绕线轮(3)接触，绕线轮(3)停止转动。

6.根据权利要求1所述的一种基于语音交互的自动跳绳控制系统，其特征在于，当跳绳意外发生时，跳绳(5)作用在绕线轮(3)上的力沿摩擦动力部件与绕线轮(3)接触面的分力大于接触面的摩擦力，两个部件发生相对滑动；绕绳轮(4)正常转动，绕线轮(3)转速降低，两者之间速度差导致增加绳长。

7.根据权利要求1所述的一种基于语音交互的自动跳绳控制系统，其特征在于，所述控制器模块(Ⅴ)包括微控制器和电源模块，微控制器和电源模块分别连接语音模块、通过驱动模块连接的电磁模块和伺服电机、存储模块、时钟复位模块、联网服务模块和图像处理模块；图像处理模块上设有摄像头模块。

8.一种权利要求1-7任一项所述的基于语音交互的自动跳绳控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)接通自动跳绳装置电源，启动各个模块；语音模块(Ⅵ)指导用户做热身运动；

2)通过语音模块(Ⅵ)输入跳绳的人数并得到对应的绳长数据，控制器模块(Ⅴ)从ROM中读取初始绳长数据，并根据此数据控制电机转动得到期望绳长，然后将此刻的绳长数据写入ROM中保存；

3)锁死支架底部的万向轮，通过语音模块(Ⅵ)启动跳绳和设置跳绳速度，自动绕绳装置(Ⅳ)开始绕绳，并加速到设定速度，通过语音提示用户开始跳绳；

4)自动绕绳装置(Ⅳ)根据用户通过语音模块(Ⅵ)输入调节绳长、绳速，实现在跳绳过程中动态调整绳长，并将修改后的绳长写回ROM中，然后再一次提醒用户开始跳绳；

5)摄像头模块(Ⅲ)间隔采样，判断是否有失误，若有失误，绕线轮(3)与第一摩擦动力部件(21)发生相对滑动而增加绳长；若有重大失误，立即停止绕绳；同时摄像头模块(Ⅲ)图像也会检测出异常，控制器模块控制伺服电机快速增加绳长，然后停止绕绳；

6)之后重新开始跳绳前需要语音调整绳长信息，此绳长信息不进行ROM的读写；

7)跳绳运动结束后，将两个跳绳支架放到一起，然后通过语音模块(Ⅵ)发送指令控制自动绕绳装置(Ⅳ)收拢跳绳；控制器模块(Ⅴ)将从ROM中读取绳长信息，然后设置绕线轮转动指定圈数完成收拢跳绳的操作。

9.根据权利要求8所述的基于语音交互的自动跳绳控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤7)中，ROM中读取的绳长信息中，若计算值大于实际值，绕线轮和摩擦动力部件发生相对滑动而避免自动跳绳控制系统毁坏；若计算值小于实际值，则绳子没有收拢完毕，通过语音控制来实现增量收拢过程，每次收拢一小段，直到收拢完成。