CN108421216A - 确定用户运动速度和运动方向的系统及应用该系统的能实现万向的位移运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及运动器材设备技术领域，特别涉及确定用户运动速度和运动方向的系统，包括两个相互垂直并随用户运动而转动的滚筒，所述滚筒内设置有信号地图，所述信号地图设在滚筒端面或与滚筒端面平行，以及信号接收模块，数据处理模块。本发明还提供了能实现万向的位移运动装置，包括可往任意方向转动的运动机构、支撑机构、确定运动速度和方向的系统。本发明所提供的确定用户运动速度和运动方向的系统，将光信号变化信息转化为二进制编码，可以测定用户跑步速度与跑步方向，以及运动距离，满足用户多样化需求；本发明所提供的能实现万向的位移运动装置结构简单，成本低廉、维修方便，主体部分置于地下，可降低外界环境对本装置的损坏影响。

Description

确定用户运动速度和运动方向的系统及应用该系统的能实现 万向的位移运动装置

技术领域

本发明涉及运动器材设备技术领域，特别涉及确定用户运动速度和运动方向的系统及应用该系统的能实现万向的位移运动装置。

背景技术

全向跑步机是指一类水平运动方向可随操作者脚步变化的跑步机，它可以为室内用户提供无限的自由行走空间。

现有技术中，涉及全向跑步机构的方案主要有以下几种：

专利CN106178399A公开了一种万向跑步机，该装置通过在跑步台上设置呈矩阵排列的滚动件，且每个滚动件均能独立绕水平的第一转动轴转动和绕竖直的第二转动轴转动，从而统一控制各滚动件的转动形式，该装置结构复杂，这样的结构在使用过程中容易出现各种故障，维修也很麻烦。

专利CN206792896U所公开的装置则采用发散状的结构，从圆盘中心向四周呈发散状，这种结构需要用户自己改变站立点的位置，才能实现不同方向的移动，使用起来非常不便。

专利CN104906750A公开了一种全方位跑步机，包括支撑系统、控制系统、驱动系统、转向系统和动态平衡传感系统，以及供操作者在其内跑动的载体，该装置通过转向系统实现全方位跑动，其控制系统通过动态平衡传感系统采集载体内操作者的重心偏移信息后传递给驱动系统和转向系统，从而使跑步机与操作者跑步方向和速度相适应。但是，使用该装置时，操作者在球内，进出非常不方便，而且操作者随身携带的交互设备必须是无线通信的，也不能很好记录跑步速度和距离，从而造成一定的使用局限。

专利CN202422477U公开了一种全方位行走跟踪装置，包括腰部固定装置、工作台、滚动球、制动装置、万向滚珠、测速装置、可升降支撑架和万向滚珠固定环，通过万向滚珠实现全方位行走，测速装置为机械式或光电式等，分布于滚动球的赤道处。操作者在使用过程中，腰部有束缚装置，强烈影响使用时的舒适感，体验感受较差，且只能测速，难以满足现在多样化运动数据记录的要求。

此外，现有的万向跑步机一般置于室内，占地面积大，造成室内空间利用率不高。

因此，为了满足用户日益增长的需求，十分有必要开发出一种室内占地面积小且适用范围广、能检测多项运动数据的能实现万向的位移运动装置。

发明内容

本发明提供一种能确定用户运动速度和运动方向的系统及应用该系统的能实现万向的位移运动装置，解决上述现有技术问题中一个或多个。

根据本发明的一个方面，提供了一种确定用户运动速度和运动方向的系统，包括：

两个相互垂直并随用户运动而转动的滚筒，滚筒内设置有信号地图，信号地图设在滚筒端面或与滚筒端面平行，信号地图划分为n个同心圆环，且划分为2ⁿ个扇区，每个扇区被同心圆环划分成n个信号区，对每个扇区进行二进制编码，每个扇区中编码为1的信号区为透光区，编码为0的信号区为挡光区，

位于信号地图一侧的n个光发生器，每一个光发生器与同一个扇区中的一个信号区对应，

位于信号地图另一侧的n个光检测器，每一个光检测器与一个光发生器对应，

信号接收模块，用于接收光检测器检测到的光信号，

数据处理模块，将接收到的光信号转换成数字信号，并计算出用户的运动速度、单位时间内的位移和/或运动方向，

n为自然数且n≥2，n越大，系统的精准度越高。

其中，数据处理模块根据式(Ⅰ)进行计算：

其中一个滚筒定义为x坐标轴，另一个滚筒定义为y坐标轴，式中，r 为滚筒的外圆半径，θ_x为x坐标轴上的角位移，θ_y为y坐标轴上的角位移， S为单位时间内用户的运动位移。由此，以确定用户在一定时间内所发生的运动位移。

数据处理模块根据式(Ⅱ)进行计算：

V＝S/t (Ⅱ)

式中，t为时间，V为用户单位时间内的运动速度。

数据处理模块根据式(Ⅲ)进行计算：

式中，为用户运动方向与x轴的夹角，θ_x、θ_y合成方向的反方向，由此，以确定用户的运动方向。

根据本发明的另一个方面，提供了一种能实现万向的位移运动装置，包括可往任意方向转动的运动机构、支撑机构、确定运动速度和方向的系统，

其中，运动机构为球体，球体转动至上方的部位为始终与用户脚底接触的运动平台；

支撑机构包括四个滚筒、四个固定轴和支架，每个滚筒位于球体的一个侧面，且相邻的两个滚筒之间相互垂直，每个固定轴从一个滚筒中间穿过，且固定轴的两端固定在支架上，球体的表面与滚筒表面相互接触，球体转动时带动滚筒绕固定轴转动；

确定运动速度和方向的系统包括：

在两个相互垂直的滚筒内设置的信号地图，所述信号地图设在滚筒端面或与滚筒端面平行，信号地图划分为n个同心圆环，且划分为2ⁿ个扇区，每个扇区被同心圆环划分成n个信号区，对每个扇区进行二进制编码，每个扇区中编码为1的信号区为透光区，编码为0的信号区为挡光区，由此，在信号地图上形成明暗码道。

位于信号地图一侧的n个光发生器，每一个光发生器与同一个扇区中的一个信号区对应，

位于信号地图另一侧的n个光检测器，每一个光检测器与一个光发生器对应，

信号接收模块，用于接收光检测器检测到的光信号，

数据处理模块，将接收到的光信号转换成数字信号，并计算出用户的运动速度、单位时间内的位移、运动方向，

n为自然数且n≥2，n越大，测量结果精度越高。

其中，数据处理模块根据式(Ⅰ)进行计算：

其中一个滚筒定义为x坐标轴，另一个滚筒定义为y坐标轴，式中，r 为滚筒的外圆半径，θ_x为x坐标轴上的角位移，θ_y为y坐标轴上的角位移， S为单位时间内用户的运动位移。

数据处理模块根据式(Ⅱ)进行计算：

V＝S/t (Ⅱ)

式中，t为时间，V为用户单位时间内的运动速度。

数据处理模块根据式(Ⅲ)进行计算：

式中，为用户运动方向与x轴的夹角，θ_x、θ_y合成的方向，即用户的运动方向，θ_x、θ_y合成的方向，即球体的运动方向。

在一些实施方式中，能实现万向的位移运动装置设于地下，运动平台突出于地面。由此，由此，用户通过跑步平台与跑步机构接触并作用于跑步机构使其跑动，具有节省室内占地面积的效果，且能实现万向的位移运动装置因设于地下而减少环境因素如化学介质、光、温度、湿度等的影响和损耗而延长使用寿命。

在一些实施方式中，还可以包括设于运动平台四周的围栏，围栏至少有一侧设置有门或者至少有一侧可升降。由此，不仅有效保障用户安全，而且便于用户对该装置进行管理。

附图说明

图1-2为本发明一实施方式的确定用户运动速度和运动方向的系统结构示意图；

图3为本发明运动信号转变为二进制电信号原理示意图；

图4-5为本发明用于确定运动方向的原理示意图；

图6为本发明能实现万向的位移运动装置的结构示意图；

图7为本发明跑步球体半径计算原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1-2示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的确定用户运动速度和运动方向的系统，包括两个相互垂直并随用户运动而转动的滚筒2，滚筒2上设置有信号地图8，信号地图8设在滚筒端面21上并呈圆环形，信号地图8划分为4个同心圆环，且划分为16个扇区，每份弧度为0.3925，每个扇区被同心圆环划分成4个信号区，对每个扇区进行二进制编码，每个扇区中编码为1的信号区为透光区，编码为0的信号区为挡光区，即透光＝1，不透光＝0，则所对应的状态就有从0000～1111一共16个扇区，如 (1110)、(0001)、(1001)、(0101)等，

位于信号地图8一侧的4个光发生器81，分别命名为L1、L2、L3、 L4，每一个光发生器与同一个扇区中的一个信号区对应，

位于信号地图8另一侧的4个光检测器91，分别命名为R1、R2、R3、R4，每一个光检测器91与一个光发生器对应81，

信号接收模块，用于接收光检测器检测到的光信号，

数据处理模块，将接收到的光信号转换成数字信号，并计算出用户的运动速度、单位时间内的位移和/或运动方向。

如图3所示，为光信号变化转化为二进制编码示意图，横向方向看，图中第1条线对应的是L1-R1处透光/遮光信号变化，图中第2、第3、第4 条线分别对应L2-R2、L3-R3、L4-R4处透光/遮光信号变化；纵向方向看，共有16个区间，与16个扇区透光/遮光信号一一对应，依次从(1111)、(1110)、 (1101)到(0100)、(0001)、(0000)，可以根据二进制编码变化顺序，判断出滚筒2的运动方向。

其中，数据处理模块根据式(Ⅰ)进行计算：

其中一个滚筒定义为x坐标轴，另一个滚筒定义为y坐标轴，式中，r 为滚筒的外圆半径，θ_x为x坐标轴上的角位移，θ_y为y坐标轴上的角位移，θ_x和θ_y由数据处理模块根据扇形区域变化(由二进制编码变化可知扇形区域的变化)而计算得出，S为单位时间内用户的运动位移，以确定用户在一定时间内所发生的运动位移。

数据处理模块根据式(Ⅱ)进行计算：

V＝S/t (Ⅱ)

式中，t为时间，V为用户单位时间内的运动速度。

数据处理模块根据式(Ⅲ)进行计算：

式中，为用户运动方向与x轴的夹角，θ_x、θ_y合成方向的反方向，以确定用户的运动方向。

如图6所示，一种能实现万向的位移运动装置，包括可往任意方向转动的运动机构1、支撑机构、确定运动速度和方向的系统，

其中，运动机构1为球体，球体转动至上方的部位为始终与用户脚底接触的运动平台11，运动平台11四周还设有围栏4，围栏4有一侧设置有供用户进出的门；

支撑机构包括四个滚筒2、四个固定轴7和支架3，每个滚筒2位于球体的一个侧面，且相邻的两个滚筒2之间相互垂直，每个固定轴7从一个滚筒2中间穿过，且固定轴7的两端固定在支架3上，球体的表面与滚筒2 表面相互接触，球体转动时带动滚筒2绕固定轴7转动。

确定运动速度和方向的系统包括两个相互垂直并随用户运动而转动的滚筒2，滚筒2上设置有信号地图8，信号地图8设在滚筒端面23上并呈圆环形，信号地图8划分为4个同心圆环，且划分为十六个扇区，每份弧度为0.3925，每个扇区被同心圆环划分成4个信号区，对每个扇区进行二进制编码，每个扇区中编码为1的信号区为透光区，编码为0的信号区为挡光区，即透光＝1，不透光＝0，则所对应的状态就有从0000～1111一共十六个扇区，如(1110)、(0001)、(1001)、(0101)等，

位于信号地图8一侧的4个光发生器81，分别命名为L1、L2、L3、L4，每一个光发生器与同一个扇区中的一个信号区对应，

位于信号地图8另一侧的4个光检测器91，分别命名为R1、R2、R3、 R4，每一个光检测器91与一个光发生器81对应，

信号接收模块，用于接收光检测器检测到的光信号，

数据处理模块，将接收到的光信号转换成数字信号，并计算出用户的运动速度、单位时间内的位移和/或运动方向。

位移运动装置设于地下6，运动平台11突出于地面5。

如图4和图5所示，根据滚筒端面23透光遮光情况所确定的滚筒2转动的方向如图4所示，取其中一对相互垂直的滚筒进行分析，其中，竖直方向上的滚筒转动方向朝x轴负方向，水平方向上的滚筒转动方向朝y轴正方向，对x轴、y轴上的方向进行合成，合成方向的反方向球体运动的方向。

由可得知球体运动方向与x轴角度，使得运动方向的测量更精确、更能满足日益增长的高要求。

位移运动装置运动过程中所产生的运动距离即在球体表面所产生的弧长，根据弧长为弧度与半径的乘积，可得其中，r为滚筒的外圆半径。

随时记录运动时所产生的时间，根据用户运动距离可以实时测定用户的平均运动速度，即V＝S/t，t为时间，V为用户单位时间内的运动速度。

如图7所示，要计算跑步球体半径R，就得先知道球体露出地面的高度h，以及被地面截取的球体的截面(即用户活动范围)的半径r'。

假设活动范围为1个平方米，则。球露出来的部分，当坡度小于3%的时候，人在上面就像如履平地，即，得又R²＝(R-h)²+r'²，将r'＝0.56m，h≤0.0168m代入上式，得出R≥9.34m。

即当人的活动范围为1个平方米的时候，球的半径不小于9.34m。

由于在整体结构中，跑步球体1分解到滚筒2上的速度不是很大，且光电元件91采集数据频率高，因此可以根据下一个采集到的数据来判断滚筒2旋转的方向及位移。

在其他实施方式中，也可以将每个扇区中编码为1的信号区设为挡光区，编码为0的信号区为透光区。

在其他实施方式中，信号地图还可以与滚筒端面平行并随滚筒转动，其中，滚筒端面为能透光的透明材料，如玻璃、透明高分子材料面板等。

在其他实施方式中，信号地图还可以划分为更多个扇区，使得检测精度很高，相应的，设置多对光发生器和光检测器，与扇区一一对应。

由于在本系统中球体分解到滚筒上的速度不是很大，且信号接收模块采集数据频率高，因此可以根据下一个采集到的数据来判断球体旋转的方向以及位置，在短时间内，本系统和应用该系统的装置精度高、测量准确。

本发明所提供的能实现万向的位移运动装置结构简单，不仅可以测定用户跑步速度与跑步方向，而且还可以测定运动距离，满足用户多样化要求；使用时无腰带绑束，对用户身高体重不限制，用户直接在球面上运动，使得运动更自由，且使用更简便；本装置采用光电测距测速测运动方向，满足用户多样化需求，且成本低廉、维修方便，主体部分置于地下，可降低外界环境对本装置的损坏影响。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.确定用户运动速度和运动方向的系统，其特征在于，包括：

两个相互垂直并随用户运动而转动的滚筒，所述滚筒内设置有信号地图，所述信号地图设在滚筒端面或与滚筒端面平行，信号地图划分为n个同心圆环，且划分为2ⁿ个扇区，每个扇区被同心圆环划分成n个信号区，对每个扇区进行二进制编码，每个扇区中编码为1的信号区为透光区，编码为0的信号区为挡光区，

位于信号地图一侧的n个光发生器，每一个光发生器与同一个扇区中的一个信号区对应，

位于信号地图另一侧的n个光检测器，每一个光检测器与一个光发生器对应，

信号接收模块，用于接收光检测器检测到的光信号，

数据处理模块，将接收到的光信号转换成数字信号，并计算出用户的运动速度、单位时间内的位移和/或运动方向，

n为自然数且n≥2。

2.根据权利要求1所述的确定用户运动速度和运动方向的系统，其特征在于，所述数据处理模块根据式(Ⅰ)进行计算：

其中一个滚筒定义为x坐标轴，另一个滚筒定义为y坐标轴，式中，r为滚筒的外圆半径，θ_x为x坐标轴上的角位移，θ_y为y坐标轴上的角位移，S为单位时间内用户的运动位移。

3.根据权利要求2所述的确定用户运动速度和运动方向的系统，其特征在于，所述数据处理模块根据式(Ⅱ)进行计算：

V＝S/t (Ⅱ)

式中，t为时间，V为用户单位时间内的运动速度。

4.根据权利要求2或3所述的确定用户运动速度和运动方向的系统，其特征在于，所述数据处理模块根据式(Ⅲ)进行计算：

式中，为用户运动方向与x轴的夹角，θ_x、θ_y合成方向的反方向，即用户的运动方向。

5.能实现万向的位移运动装置，其特征在于，包括可往任意方向转动的运动机构、支撑机构、确定运动速度和方向的系统，

所述运动机构为球体，所述球体转动至上方的部位为始终与用户脚底接触的运动平台；

所述支撑机构包括四个滚筒、四个固定轴和支架，每个滚筒位于球体的一个侧面，且相邻的两个滚筒之间相互垂直，每个固定轴从一个滚筒中间穿过，且固定轴的两端固定在支架上，球体的表面与滚筒表面相互接触，球体转动时带动滚筒绕固定轴转动；

所述确定运动速度和方向的系统包括：

在两个相互垂直的滚筒内设置的信号地图，所述信号地图设在滚筒端面或与滚筒端面平行，信号地图划分为n个同心圆环，且划分为2ⁿ个扇区，每个扇区被同心圆环划分成n个信号区，对每个扇区进行二进制编码，每个扇区中编码为1的信号区为透光区，编码为0的信号区为挡光区，

位于信号地图一侧的n个光发生器，每一个光发生器与同一个扇区中的一个信号区对应，

位于信号地图另一侧的n个光检测器，每一个光检测器与一个光发生器对应，

信号接收模块，用于接收光检测器检测到的光信号，

数据处理模块，将接收到的光信号转换成数字信号，并计算出用户的运动速度、单位时间内的位移、运动方向，

n为自然数且n≥2。

6.根据权利要求5所述的能实现万向的位移运动装置，其特征在于，所述数据处理模块根据式(Ⅰ)进行计算：

其中一个滚筒定义为x坐标轴，另一个滚筒定义为y坐标轴，式中，r为滚筒的外圆半径，θ_x为x坐标轴上的角位移，θ_y为y坐标轴上的角位移，S为单位时间内用户的运动位移。

7.根据权利要求6所述的能实现万向的位移运动装置统，其特征在于，所述数据处理模块根据式(Ⅱ)进行计算：

V＝S/t (Ⅱ)

式中，t为时间，V为用户单位时间内的运动速度。

8.根据权利要求6或7所述的能实现万向的位移运动装置，其特征在于，所述数据处理模块根据式(Ⅲ)进行计算：

式中，为用户运动方向与x轴的夹角，θ_x、θ_y合成的方向，即用户的运动方向，θ_x、θ_y合成的方向，即球体的运动方向。

9.根据权利要求5所述的能实现万向的位移运动装置，其特征在于，所述能实现万向的位移运动装置设于地下，所述运动平台突出于地面。

10.根据权利要求9所述的能实现万向的位移运动装置，其特征在于，还包括设于运动平台四周的围栏，所述围栏至少有一侧设置有门或者至少有一侧可升降。