CN108578979B - 用于确定用户运动速度和运动方向的系统及应用该系统的万向运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及运动器材设备技术领域，特别涉及用于确定用户运动速度和运动方向的系统，包括随用户运动跟转动的球体，所述球体有N条纬线和M条经线，纬线和经线将球体表面划分为2M(N+1)个帧，每个帧作为信号区覆盖不同的颜色，并以球体的球心为原点，建立笛卡尔坐标系，以每个帧的中心坐标位置代表该帧的坐标；至少一个正对球体的摄像头，信号接收模块以及数据处理模块。本发明所提供的用于确定用户运动速度和运动方向的系统将运动机构球体划分为若干个帧作为信号区域，以捕捉摄像头所对帧的坐标变化根据算法计算出用户运动位移、运动方向和运动速度，可以满足用户多样化需求。

Description

用于确定用户运动速度和运动方向的系统及应用该系统的万 向运动装置

技术领域

本发明涉及运动器材设备技术领域，特别涉及用于确定用户运动速度和运动方向的系统及应用该系统的万向运动装置。

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。

现有技术中完成全向移动的方式主要有以下几种：

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，对操作者的身高体重都有限制，而且该装置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。

此外，现有的跑步机一般置于室内，占地面积大，空间利用率不高，而且，现有装置也很难同时获得用户运动时的运动位移、速度和方向，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、能测速的万向跑步机以及满足该多样化需求的系统。

发明内容

本发明提供一种用于确定用户运动速度和运动方向的系统及应用该系统的万向运动装置，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，提供了一种用于确定用户运动速度和运动方向的系统，包括：

随用户运动跟转动的球体，球体有N条纬线和M条经线，纬线和经线将球体表面划分为2M(N+1)个帧，每个帧作为信号区覆盖不同的颜色，并以球体的球心为原点，建立笛卡尔坐标系，以每个帧的中心坐标位置代表该帧的坐标；

至少一个正对球体的摄像头，摄像头的数量为一个或两个时至少有一个摄像头位于球体的正下方；

信号接收模块，用于接收摄像头检测到的单个帧的颜色信号，

数据处理模块，将接收到的颜色信号转换成坐标信号，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；

M、N为自然数。

其中，数据处理模块根据以下步骤进行数据处理：

第一个摄像头采集的前一帧坐标为(X₁,Y₁,Z₁)和后一帧坐标为(X₂,Y₂,Z₂)，前一帧和后一帧的位置变化形成一个矢量(X₁-X₂,Y₁-Y₂,Z₁-Z₂)，以此类推，第n个摄像机捕捉的前一帧和后一帧形成的矢量为(X_2n-1-X_2n,Y_2n-1-Y_2n,Z_2n-1-Z_2n)，将这些矢量进行比较，就可以得到一个最长矢量的方向，这个也就是这个跑步球运动的方向；

n为自然数。

再有，数据处理模块根据以下方法计算用户的运动位移：

假设最长矢量为第m个矢量，那么这个矢量的长度l为：

那么这个矢量多对应的圆弧长L就是用户某个时间段内运动位移：

式中，m为自然数，且m≤n，R为跑步球的半径。

还有，数据处理模块根据以下方法计算用户的运动速度：

将最长矢量方向的圆弧长度L除以摄像机每两帧的时间间隔t就得出了用户的运动速度V：V＝L/t。

由此，通过该系统，将运动机构球体划分为若干个帧作为信号区域，以捕捉摄像头所对帧的坐标变化根据算法计算出用户运动位移、运动方向和运动速度，可以满足用户多样化需求。

根据本发明的另一个方面，提供了一种万向运动装置，包括可往任意方向转动的运动机构、使运动机构与地面脱离的支撑机构以及用于确定用户运动速度和运动方向的系统；

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；

支撑机构为位于运动机构下方的支撑底座或位于运动机构下方使得运动机构悬浮的悬浮系统，悬浮系统包括磁悬浮系统、光悬浮系统、声悬浮系统、气流悬浮系统、电悬浮系统、粒子束悬浮系统或者是能够让运动机构浮起来的液体；

支撑底座设有放置球体的容腔，容腔与球体大小匹配，且球体可在容腔内转动；

用于确定用户运动速度和运动方向的系统，包括：

随用户运动跟转动的球体，球体有N条纬线和M条经线，纬线和经线将球体表面划分为2M(N+1)个帧，每个帧作为信号区覆盖不同的颜色，并以球体的球心为原点，建立笛卡尔坐标系，以每个帧的中心坐标位置代表该帧的坐标；

至少一个正对球体的摄像头，摄像头的数量为一个或两个时至少有一个摄像头位于球体的正下方；

信号接收模块，用于接收摄像头检测到的单个帧的颜色信号，

数据处理模块，将接收到的颜色信号转换成坐标信号，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；

M、N为自然数。

其中，数据处理模块根据以下步骤进行数据处理：

第一个摄像头采集的前一帧坐标为(X₁,Y₁,Z₁)和后一帧坐标为(X₂,Y₂,Z₂)，前一帧和后一帧的位置变化形成一个矢量(X₁-X₂,Y₁-Y₂,Z₁-Z₂)，以此类推，第n个摄像机捕捉的前一帧和后一帧形成的矢量为(X_2n-1-X_2n,Y_2n-1-Y_2n,Z_2n-1-Z_2n)，将这些矢量进行比较，就可以得到一个最长矢量的方向，这个最长矢量的反方向也就是用户的运动方向；

n为自然数。

数据处理模块根据以下方法计算用户的运动位移：

假设最长矢量为第m个矢量，那么这个矢量的长度l为：

那么这个矢量所对应的圆弧长L就是用户某个时间段内运动位移：

式中，m为自然数，且m≤n，R为运动机构球体的半径。

数据处理模块根据以下方法计算用户的运动速度：

将最长矢量方向的圆弧长度L除以摄像机每两帧的时间间隔t就得出了用户的运动速度V：V＝L/t。

由此，将该系统置于万向运动装置，当球体随用户运动而滚动时，信号接收模块将变化的信息传输给数据处理模块，根据上述算法，可以得到用户各项运动参数。

在一些实施方式中，容腔内的上部设有至少三个凹槽，用于滚子轮凸出与运动机构接触，容腔内的底部设有至少三个放置槽，每一个放置槽内放置一个滚子球，滚子球支撑球体并随球体的转动而转动。由此，此设计使滚子球凸出部分与运动机构接触并随其转动而转动，既可对运动机构起支撑作用，又可保证运动机构顺畅运转，用以协助运动机构球体滚动。

在一些实施方式中，还可以包括安全装置，设于运动平台的四周，安全装置包括扶手及用于固定扶手的立柱，且安全装置一侧设有便于用户出入的入口，且入口处设有挡板以及控制挡板开合的控制开关。由此，具有保障用户安全的效果，且方便装置用户进行管理。

在一些实施方式中，使每帧覆盖不同颜色的方法为：

取三原色中的两种颜色分别分配在经度和纬度上，将经度和纬度分别分成M和N份，将颜色按0-255等级根据经纬度份数分成颜色带，根据计算可以得出M份纬度颜色带坐标，用同样的方法得出N份经度上面的颜色带，将经度和纬度上的两种颜色带重合，就形成载有不同颜色分布信息的颜色块。如将纬度划分为32等分，则纬度颜色带坐标为(0～7)、(8～15)、(16～23)、(24～31)等以此类推，同理可得32份经度颜色带坐标为(0～7)、(8～15)、(16～23)、(24～31)等以此类推，如纬度颜色带坐标选择(0～7)、经度颜色带坐标选择(24～31)，那么这个区域的颜色块就是[(0～7)，(24～31)，0]，也即每帧的中心坐标。由此，信息捕捉装置捕捉到颜色块后，可根据颜色块所对应的颜色等级记录该区域坐标，便于根据滚动前后的经纬度坐标值的变化，来计算出运动速度及运动方向。

附图说明

图1为本发明一实施方式的用于确定用户运动速度和运动方向的系统的原理示意图；

图2为本发明又一实施方式的万向运动装置结构示意图；

图3为图2所示万向运动装置的俯视图；

图4为图3所示万向运动装置A-A剖面图；

图5为图2所示万向运动装置的支撑机构的结构示意图；

图6为图5所示支撑机构剖面示意图；

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示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的用于确定用户运动速度和运动方向的系统的原理示意图。如图所示，该系统包括：随用户运动跟转动的球体1，球体1有N条纬线和M条经线，纬线和经线将球体1表面划分为2M(N+1)个帧12，每个帧12作为信号区覆盖不同的颜色，并以球体1的球心为原点，建立笛卡尔坐标系，以每个帧12的中心坐标位置代表该帧的坐标；

三个正对球体的摄像头6，分别正对球体1的正前方、正左方及正下方；

信号接收模块，用于接收摄像头检测到的单个帧的颜色信号，

数据处理模块，将接收到的颜色信号转换成坐标信号，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；

M、N为自然数。

其中，数据处理模块根据以下步骤进行数据处理：

第一个摄像头采集的前一帧坐标为(X₁,Y₁,Z₁)和后一帧坐标为(X₂,Y₂,Z₂)，前一帧和后一帧的位置变化形成一个矢量(X₁-X₂,Y₁-Y₂,Z₁-Z₂)，以此类推，第n个摄像机捕捉的前一帧和后一帧形成的矢量为(X_2n-1-X_2n,Y_2n-1-Y_2n,Z_2n-1-Z_2n)，将这些矢量进行比较，就可以得到一个最长矢量的方向，这个也就是这个跑步球运动的方向；

n为自然数。

再有，数据处理模块根据以下方法计算用户的运动位移：

假设最长矢量为第m个矢量，那么这个矢量的长度l为：

那么这个矢量多对应的圆弧长L就是用户某个时间段内运动位移：

式中，m为自然数，且m≤n，R为跑步球的半径。

还有，数据处理模块根据以下方法计算用户的运动速度：

将最长矢量方向的圆弧长度L除以摄像机每两帧的时间间隔t就得出了用户的运动速度V：V＝L/t。

由此，通过该系统，将运动机构球体划分为若干个帧作为信号区域，以捕捉摄像头所对帧的坐标变化根据算法计算出用户运动位移、运动方向和运动速度，可以满足用户多样化需求。

图2-图6示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的万向跑步机。如图所示，该装置包括可往任意方向转动的运动机构1、使运动机构1与地面3脱离的支撑机构2以及用于确定用户运动速度和运动方向的系统；

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；

如图4-6所示，支撑机构2为位于运动机构下方的支撑底座，支撑底座2设有放置球体1的容腔，容腔与球体1大小匹配，且球体1可在容腔内转动；支撑底座2分为上底座21(即容腔内的上部)和下底座22(即容腔内的底部)，上底座21面为环形凹面，环形凹面与下底座22形成容腔，环形凹面上设有与滚子球4数量一致的凹槽211，滚子球4通过凹槽211凸出部分与球体1接触并随其转动而转动；下底座22设有与滚子球4数量大小一致的放置槽221，每一个放置槽221放置一个滚子球4，滚子球4支撑球体1并随球体1的转动而转动；

用于确定用户运动速度和运动方向的系统，包括：

随用户运动跟转动的球体1，球体1有N条纬线和M条经线，纬线和经线将球体表面划分为2M(N+1)个帧，每个帧作为信号区覆盖不同的颜色，并以球体的球心为原点，建立笛卡尔坐标系，以每个帧的中心坐标位置代表该帧的坐标；

三个正对球体的摄像头6，分别正对球体1的正前方、正左方及正下方，其中两个设于地下，一个固定于支撑底座2上；

信号接收模块，用于接收摄像头检测到的单个帧的颜色信号，

数据处理模块，将接收到的颜色信号转换成坐标信号，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；

M、N为自然数。

其中，数据处理模块根据以下步骤进行数据处理：

第一个摄像头采集的前一帧坐标为(X₁,Y₁,Z₁)和后一帧坐标为(X₂,Y₂,Z₂)，前一帧和后一帧的位置变化形成一个矢量(X1-X₂,Y₁-Y₂,Z₁-Z₂)，以此类推，第n个摄像机捕捉的前一帧和后一帧形成的矢量为(X_2n-1-X_2n,Y_2n-1-Y_2n,Z_2n-1-Z_2n)，将这些矢量进行比较，就可以得到一个最长矢量的方向，这个最长矢量的反方向也就是用户的运动方向；

n为自然数。

数据处理模块根据以下方法计算用户的运动位移：

假设最长矢量为第m个矢量，那么这个矢量的长度l为：

那么这个矢量所对应的圆弧长L就是用户某个时间段内运动位移：

式中，m为自然数，且m≤n，R为运动机构球体的半径。

数据处理模块根据以下方法计算用户的运动速度：

将最长矢量方向的圆弧长度L除以摄像机每两帧的时间间隔t就得出了用户的运动速度V：V＝L/t。

由此，将该系统置于万向运动装置，当球体随用户运动而滚动时，信号接收模块将变化的信息传输给数据处理模块，根据上述算法，可以得到用户各项运动参数。

还可以包括安全装置5，设于运动平台11的四周，安全装置5包括扶手及用于固定扶手的立柱，且安全装置5一侧设有便于用户出入的入口，且入口处设有挡板以及控制挡板开合的控制开关。由此，具有保障用户安全的效果，且方便装置用户进行管理。

使每帧覆盖不同颜色的方法为：

如图1所示，取三原色中的两种颜色分别分配在经度和纬度上，将经度和纬度分别分成M和N份，将颜色按0-255等级根据经纬度份数分成颜色带，则经度和纬度上的两中颜色带的重合就形成不同的颜色块。

其中，取绿色和红色并将绿色分配在经度方向上、红色分配在纬度方向上，将纬度分别划分成32等份，根据计算可以得出纬度颜色带坐标(0～7)、(8～15)、(16～23)、(24～31)……(240～247)、(248～255)等以此类推，然后取偶数份数的颜色带依照从上到下的顺序给定在纬度上。用同样的方法得出32份经度上面的颜色带，两个颜色带的重合就会形成承载有颜色分布信息的颜色块，如红色选择(0～7)、绿色选择(24～31)，那么这个区域的颜色块就是[(0～7)，(24～31)，0]，也即每帧的中心坐标。

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h≤0.0168m，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。

综上，本发明使用一个巨大的跑步球体作为人机交互的媒介，通过摄像头捕捉球体滚动前后坐标变化，结合颜色坐标测量法，形成一种既能全向运动、又能测量跑步球体的运动速度及运动方向的万向跑步机，适用范围广，也利于提供更真实的人机交互体验。

而且，在短时间内，利用本系统及应用本系统所开发的装置所测得的各项运动参数准确、精度高。

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.用于确定用户运动速度和运动方向的系统，其特征在于，包括：

随用户运动跟转动的球体，所述球体有N条纬线和M条经线，纬线和经线将球体表面划分为2M(N+1)个帧，每个帧作为信号区覆盖不同的颜色，并以球体的球心为原点，建立笛卡尔坐标系，以每个帧的中心坐标位置代表该帧的坐标；

至少一个正对球体的摄像头，摄像头的数量为一个或两个时至少有一个摄像头位于球体的正下方；

信号接收模块，用于接收摄像头检测到的单个帧的颜色信号，

数据处理模块，将接收到的颜色信号转换成坐标信号，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；

M、N为自然数。

2.根据权利要求1所述的用于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以下步骤进行数据处理：

第一个摄像头采集的前一帧坐标为(X₁,Y₁,Z₁)和后一帧坐标为(X₂,Y₂,Z₂)，前一帧和后一帧的位置变化形成一个矢量(X₁-X₂,Y₁-Y₂,Z₁-Z₂)，以此类推，第n个摄像机捕捉的前一帧和后一帧形成的矢量为(X_2n-1-X_2n,Y_2n-1-Y_2n,Z_2n-1-Z_2n)，将这些矢量进行比较，就可以得到一个最长矢量的方向，这个也就是这个跑步球运动的方向；

n为自然数。

3.根据权利要求2所述的用于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以下方法计算用户的运动位移：

假设最长矢量为第m个矢量，那么这个矢量的长度l为：

那么这个矢量多对应的圆弧长L就是用户某个时间段内运动位移：

式中，m为自然数，且m≤n，R为跑步球的半径。

4.根据权利要求3所述的用于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以下方法计算用户的运动速度：

将最长矢量方向的圆弧长度L除以摄像机每两帧的时间间隔t就得出了用户的运动速度V：V＝L/t。

5.万向运动装置，其特征在于，包括可往任意方向转动的运动机构、使运动机构与地面脱离的支撑机构以及用于确定用户运动速度和运动方向的系统，

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，

所述支撑机构为位于所述运动机构下方的支撑底座或位于所述运动机构下方使得运动机构悬浮的悬浮系统，

所述支撑底座设有放置球体的容腔，容腔与球体大小匹配，且球体可在容腔内转动，

所述悬浮系统包括磁悬浮系统、光悬浮系统、声悬浮系统、气流悬浮系统、电悬浮系统、粒子束悬浮系统或者是能够让运动机构浮起来的液体；

所述用于确定用户运动速度和运动方向的系统，包括：

随用户运动跟转动的球体，所述球体有N条纬线和M条经线，纬线和经线将球体表面划分为2M(N+1)个帧，每个帧作为信号区覆盖不同的颜色，并以球体的球心为原点，建立笛卡尔坐标系，以每个帧的中心坐标位置代表该帧的坐标；

至少一个正对球体的摄像头，摄像头的数量为一个或两个时至少有一个摄像头位于球体的正下方；

信号接收模块，用于接收摄像头检测到的单个帧的颜色信号，

数据处理模块，将接收到的颜色信号转换成坐标信号，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；

M、N为自然数。

6.根据权利要求5所述的万向运动装置，其特征在于，所述数据处理模块根据以下步骤进行数据处理：

第一个摄像头采集的前一帧坐标为(X₁,Y₁,Z₁)和后一帧坐标为(X₂,Y₂,Z₂)，前一帧和后一帧的位置变化形成一个矢量(X₁-X₂,Y₁-Y₂,Z₁-Z₂)，以此类推，第n个摄像机捕捉的前一帧和后一帧形成的矢量为(X_2n-1-X_2n,Y_2n-1-Y_2n,Z_2n-1-Z_2n)，将这些矢量进行比较，就可以得到一个最长矢量的方向，这个最长矢量的反方向也就是用户的运动方向；

n为自然数。

7.根据权利要求6所述的万向运动装置，其特征在于，所述数据处理模块根据以下方法计算用户的运动位移：

假设最长矢量为第m个矢量，那么这个矢量的长度l为：

那么这个矢量所对应的圆弧长L就是用户某个时间段内运动位移：

式中，m为自然数，且m≤n，R为运动机构球体的半径。

8.根据权利要求7所述的万向运动装置，其特征在于，所述数据处理模块根据以下方法计算用户的运动速度：

将最长矢量方向的圆弧长度L除以摄像机每两帧的时间间隔t就得出了用户的运动速度V：V＝L/t。

9.根据权利要求5所述的万向运动装置，其特征在于，所述容腔内的上部设有至少三个凹槽，容腔内的底部设有至少三个放置槽，每一个放置槽内放置一个滚子球，滚子球支撑球体并随球体的转动而转动。

10.根据权利要求9所述的万向运动装置，其特征在于，还包括安全装置，设于运动平台的四周，所述安全装置包括扶手及用于固定扶手的立柱，且安全装置一侧设有便于用户出入的入口，且入口处设有挡板以及控制挡板开合的控制开关。

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