CN110755807A - 一种基于智能算法的步态自适应万向跑步机 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其通过红外线模块感应跑步者的足部轮廓信息以及通过角度传感器感应跑步者的身姿转动信息，再通过数据处理模块计算出跑步者的速度和转动角度，并控制跑步机本身的速度和角度与跑步者保持一致，从而能够使得跑步机更智能以及更高效地适应跑步者的走动，相比现有技术能够更便捷更自动调整跑步机的速度和角度，且由于跑步机能够实时适应跑步者的速度，也减少了安全隐患。

Description

一种基于智能算法的步态自适应万向跑步机

技术领域

本发明属于万向跑步机领域，具体涉及一种基于智能算法的步态自适应万向跑步机。

背景技术

目前无论是在通用技术领域还是在游戏娱乐领域，适应人的自如行走的万向跑步机一直是以室内替代室外运动或以虚拟环境模拟替代真实跑步行走的发展趋势以及重点发展设备，但目前的技术大多没有很好的解决万向跑步机对于人自如行走的适应问题。

在通用技术领域，通用的健身跑步机主要以直线行进且速度以人为调节的方式来实现，而较为先进的小米跑步机采用的分段式的控制方式，将跑步带分为加速、匀速和减速三个区域，体验者脚步落在不同的区域实现跑步的加、减速和匀速，较为智能的解决了跑的速度问题。但此种跑步机有几个显著缺点：

1)只能实现直线向前跑步运动，不能拐弯；

2)步速只能实现人为调节或落在不同区域调节；

3)在起步和停止的时候需要不断的降速，时间较长且安全性不理想；

4)不能根据体验者的速度进行速度实时匹配

2、在娱乐技术领域，目前的万向跑机大多采用了特制的鞋子，在鞋子的底部装有采用摩擦系统很小的特殊材料做成的圆形小钉扣，滑动的底盘则采用铁弗龙(聚四氟乙烯)或其它工程塑料材料做成类似球冠或多块拼接凹面形状，以期在体验者使用时可以实现360度方向跑动，目前虚拟现实科技有限公司的KAT VR、美国Virtuix公司出品的Omni VR跑步机采用了这种方案，此方案解决了360度万向跑步的问题，但也有几个显著的缺点：

1)安全性差，因为滑动是靠两种材料间的摩擦决定，而摩擦为固定的值，因此会出现有时滑不动，有时又太滑容易摔倒，安全性差；

2)鞋子为特制，穿戴麻烦，且为了适应不同脚尺码需要配备不同尺寸的鞋，相同尺码的鞋不同的人共用不卫生；

3)整体跑步的感觉也传统跑步机的差距大，体验感差

由上可见，现有技术的万向跑步机均存在缺陷，需要得到解决。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种基于智能算法的步态自适应万向跑步机，能够使得跑步机更智能以及更高效地适应跑步者的走动，相比现有技术能够更便捷更自动调整跑步机的速度和角度，且由于跑步机能够实时适应跑步者的速度，也减少了安全隐患。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

一种基于智能算法的步态自适应万向跑步机，包括：

跑步带驱动模块，与所述跑步机连接，用于驱动所述跑步机的跑步带进行传动；

回转驱动模块，与所述跑步机连接，用于驱动所述跑步机整体进行水平转动；

红外线模块，设置在所述跑步机上，用于检测用户在所述跑步机上跑动时的足部轮廓信息；

角度传感器，设置在用户身上，用于检测用户在所述跑步机上跑动时的姿态转动信息；

数据处理器，与所述跑步带驱动模块、回转驱动模块、红外线模块、角度传感器连接；

所述数据处理器根据所述足部轮廓信息计算得到用户的运动速度，并发出速度控制指令至所述跑步带驱动模块，以控制所述跑步带驱动模块驱动所述跑步机的跑步带的速度与所述运动速度相同；

所述数据处理器根据所述姿态转动信息计算得到用户的转动角度，并发出旋转控制指令至所述回转驱动模块，以控制所述回转驱动模块驱动所述跑步机的水平转动角度与所述转动角度相同。

作为本发明的进一步改进，红外线模块为红外线感应框架，设置在所述跑步机上，其内侧设置有多个对准跑步区域的红外线传感器。

作为本发明的进一步改进，所述数据处理器根据所述足部轮廓信息计算得到用户的运动速度为：

所述数据处理器根据所述足部轮廓信息的间距计算出用户的跑步步长；

所述数据处理器根据所述足部轮廓信息的频率计算出用户的跑步步频；

所述数据处理器根据所述跑步步长和跑步步频计算出用户的所述运动速度。

作为本发明的进一步改进，所述角度传感器为陀螺仪。

作为本发明的进一步改进，所述跑步带驱动模块包括：

传动轮组，与所述跑步机的跑步带连接，用于带动所述跑步带；

驱动电机，分别与所述数据处理模块和所述传动轮组连接，用于根据接收到的所述速度控制指令控制所述传动轮组驱动所述跑步带。

作为本发明的进一步改进，所述回转驱动模块包括：

回转平台，固定在所述跑步机的跑步带底部；

回转电机，与所述回转平台连接，用于根据所述旋转控制指令控制所述回转平台的水平旋转以使得所述跑步机进行水平旋转。

作为本发明的进一步改进，所述回转平台下设置有底盘。

作为本发明的进一步改进，所述底盘通过回转支撑连接至所述回转平台。

作为本发明的进一步改进，所述回转平台上还设置有导电环，所述导电环用于容纳所述跑步机上设置的各所述模块的电性连接线。

作为本发明的进一步改进，所述导电环设置在所述回转平台与所述底盘之间。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明公开的一种基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其通过红外线模块感应跑步者的足部轮廓信息以及通过角度传感器感应跑步者的身姿转动信息，再通过数据处理模块计算出跑步者的速度和转动角度，并控制跑步机本身的速度和角度与跑步者保持一致，从而能够使得跑步机更智能以及更高效地适应跑步者的走动，相比现有技术能够更便捷更自动调整跑步机的速度和角度，且由于跑步机能够实时适应跑步者的速度，也减少了安全隐患。

附图说明

图1是本发明实施例中所述的基于智能算法的步态自适应万向跑步机的功能模块示意图；

图2是本发明实施例中所述的万向跑步机的具体结构示意图。

图中：

10-小型电脑；101-跑步机扶手；1-陀螺仪；2-红外线感应框架；3-跑步带驱动电机；31-跑步带；32-驱动轮组；4-回转电机；5-回转平台；6-导电环；7-回转支撑；8-底盘；81-连接件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例公开了一种基于智能算法的步态自适应万向跑步机，包括：

跑步带驱动模块，与跑步机连接，用于驱动跑步机的跑步带进行传动；

回转驱动模块，与跑步机连接，用于驱动跑步机整体进行水平转动；

红外线模块，设置在跑步机上，用于检测用户在跑步机上跑动时的足部轮廓信息；

角度传感器，设置在用户身上，用于检测用户在跑步机上跑动时的姿态转动信息；

数据处理器，与跑步带驱动模块、回转驱动模块、红外线模块、角度传感器连接；

具体的，数据处理器根据足部轮廓信息计算得到用户的运动速度，并发出速度控制指令至跑步带驱动模块，以控制跑步带驱动模块驱动跑步机的跑步带的速度与运动速度相同；具体的，数据处理器根据足部轮廓信息计算得到用户的运动速度为：

数据处理器根据足部轮廓信息的间距计算出用户的跑步步长；

数据处理器根据足部轮廓信息的频率计算出用户的跑步步频；

数据处理器根据跑步步长和跑步步频计算出用户的运动速度。

具体的，数据处理器根据姿态转动信息计算得到用户的转动角度，并发出旋转控制指令至回转驱动模块，以控制回转驱动模块驱动跑步机的水平转动角度与转动角度相同。

上述公开的一种基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其通过红外线模块感应跑步者的足部轮廓信息以及通过角度传感器感应跑步者的身姿转动信息，再通过数据处理模块计算出跑步者的速度和转动角度，并控制跑步机本身的速度和角度与跑步者保持一致，从而能够使得跑步机更智能以及更高效地适应跑步者的走动，相比现有技术能够更便捷更自动调整跑步机的速度和角度，且由于跑步机能够实时适应跑步者的速度，也减少了安全隐患。

接下来以一种具体实现的万向跑步机产品作为示例，如图2所示，本实施例还公开了一种万向跑步机，其包括设置在跑步者腰间的陀螺仪1，以及设置在跑步机上的红外线感应框架2，红外线感应框架2内侧设置有多个对准跑步机的跑步区域(即图中跑步者的足部所在区域)的红外线传感器。具体的，跑步机还包括跑步带的驱动电机3，驱动电机3通过驱动轮组32驱动跑步带31传动。具体的，跑步机下还设置有回转电机4和回转平台5，回转平台5设置在跑步机下方，回转电机4用于驱动跑步机水平转动。

具体的，红外线感应框架2的多个红外线传感器可以从多个角度探测跑步者的足部以得到上述足部轮廓信息，陀螺仪1可以得到跑步者的转动角度信息，具体的，红外线感应框架2和陀螺仪1均连接至小型电脑10，并将得到的足部轮廓信息和转动角度信息传送至小型电脑10。

具体的，小型电脑10还连接至驱动电机3和回转电机4，用于执行上述数据处理器执行的方法以得到速度控制指令和旋转控制指令以控制驱动电机3和回转电机4，以使得驱动电机3驱动跑步带31的传动速度与跑步者的速度相同，且驱动回转电机4驱动跑步机的水平转动角度与跑步者的转动角度相同。

具体的，回转平台5下设置有导电环6，回转支撑7和底盘8，底盘8通过连接件81与回转平台5连接，具体的，导电环6用于容纳跑步机上设置的各部件的电性连接线。考虑到回转平台5及跑步机结构的360度旋转，而上部所需的电器电路在不停转动下会出现电线缠绕问题，因此所设置的导电环可让整体跑步平台可连续不断旋转而不会出现线路缠绕或绞断问题

本实施例公开的上述万向跑步机产品具有以下优点：

1.通过红外装置检测跑步者的速度，通过智能控制的算法适应跑步者的速度，可实现跑步带的速度与跑步者实时同步，即无需调节即可实现加速、匀速、减速和停止，使用跑步都能够更加轻松自如；

2.采用伺服控制系统，利用伺服电机高运转精度的特点，实现精确控制；

3.采用回转底盘结构和陀螺仪，利用检测陀螺仪的转动信号通过一套智能算法实现跑步带底盘实时跟随跑步者姿态可实现360度旋转，从而可使用跑步机在跑步带上即可实现转向；

4.采用传统跑步带结构即实现万向跑步，解决普通万向跑步机不能自如控制，安全性和体验效果差的问题

5.采用导电环结构，使用跑步带平台旋转时既能360度灵活不停旋转，又解决电线的缠绕问题。

同时，本万向跑步机产品相对于现有产品，具有以下优点：

一.与传统跑步机领域本产品更智能、更安全、操作更便捷且能实现360度连续转向

其中，更智能是指：传统跑步机加、减速需要人工操作或在不同的区域来实现，本产品可根据跑步者的步速智能识别和适应跑步速度；

其中，更安全是指：传统跑步机在实现减速时需要逐步缓慢减速，跑步时需要操作从而影响安全，而本产品实时检测速度实时控制速度，跑步者停止里跑步带也会同时停步，从而减少安全隐患；

操作更便捷是指：传统跑步机从站立开始需要通过不断的调节速度来实现加速，停止时又需要不断的调节速度来实现停止，而本产品无需任何操作即可实现加、减速；

能实现360度连续转向是指：传统的跑步机只能在一个方向上不停的跑动，而本产品跑步者可以实现转向，更能接近于在真实路面的跑步状态，从而可以为跑步者带来更好的跑步体验；

二.与现有的VR领域跑步机相比本产品更安全、体验感更好、更方便、维护要求更低的特点：

更安全是指：现有的VR跑步机采用特殊材料在鞋底加钉扣减小与底盘之间的摩擦力的方法，会出现站立不稳容易摔倒情况，本产品采用了与传统跑步带，鞋底与跑步带之前是相对不运动，从而安全性更好；

体验感更好是指：现有的VR跑步机因为是采用脚底与地面打滑的方式，更类似于滑冰的感觉，本产品的实现方式模拟了跑步时路面的运动，更接近于在真实路面跑步的感觉；

更方便卫生是指：现有的VR跑步机需要穿特殊的鞋或鞋套，不仅穿戴麻烦、操作时间长而且不卫生，本产品使用时不需要任何的穿戴和额外的操作，体验者仍然使用自己的鞋即可上机跑步，更方便且卫生；

维护要求低是指：现有的VR跑步机采用的原理为减小摩擦力的方法，因此对鞋底与底盘之间的洁净程度要求很高，鞋底的砂砾甚至是灰尘都会破坏摩擦效果影响体验效果甚至对设备造成永久性损坏，本产品采用的传统跑步带方式，因为跑步带与脚底并不产生相对运动，对维护的要求大降低；

三.本产品与目前市面的跑步还有一个非常突出优点，本技术既可以用于代替传统的跑步机用于健身领域，又可以对微型电脑的配置进行升级从而用于VR领域，对未来市场的适用方向也更为宽广。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明实施例中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可查看存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其特征在于，包括：

跑步带驱动模块，与所述跑步机连接，用于驱动所述跑步机的跑步带进行传动；

回转驱动模块，与所述跑步机连接，用于驱动所述跑步机整体进行水平转动；

红外线模块，设置在所述跑步机上，用于检测用户在所述跑步机上跑动时的足部轮廓信息；

角度传感器，设置在用户身上，用于检测用户在所述跑步机上跑动时的姿态转动信息；

数据处理器，与所述跑步带驱动模块、回转驱动模块、红外线模块、角度传感器连接；

所述数据处理器根据所述足部轮廓信息计算得到用户的运动速度，并发出速度控制指令至所述跑步带驱动模块，以控制所述跑步带驱动模块驱动所述跑步机的跑步带的速度与所述运动速度相同；

所述数据处理器根据所述姿态转动信息计算得到用户的转动角度，并发出旋转控制指令至所述回转驱动模块，以控制所述回转驱动模块驱动所述跑步机的水平转动角度与所述转动角度相同。

2.根据权利要求1所述基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其特征在于，红外线模块为红外线感应框架，设置在所述跑步机上，其内侧设置有多个对准跑步区域的红外线传感器。

3.根据权利要求1所述的基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其特征在于，所述数据处理器根据所述足部轮廓信息计算得到用户的运动速度为：

所述数据处理器根据所述足部轮廓信息的间距计算出用户的跑步步长；

所述数据处理器根据所述足部轮廓信息的频率计算出用户的跑步步频；

所述数据处理器根据所述跑步步长和跑步步频计算出用户的所述运动速度。

4.根据权利要求1所述的基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其特征在于，所述角度传感器为陀螺仪。

5.根据权利要求1所述的基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其特征在于，所述跑步带驱动模块包括：

传动轮组，与所述跑步机的跑步带连接，用于带动所述跑步带；

驱动电机，分别与所述数据处理模块和所述传动轮组连接，用于根据接收到的所述速度控制指令控制所述传动轮组驱动所述跑步带。

6.根据权利要求1所述的基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其特征在于，所述回转驱动模块包括：

回转平台，固定在所述跑步机的跑步带底部；

回转电机，与所述回转平台连接，用于根据所述旋转控制指令控制所述回转平台的水平旋转以使得所述跑步机进行水平旋转。

7.根据权利要求6所述的基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其特征在于，所述回转平台下设置有底盘。

8.根据权利要求7所述的基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其特征在于，所述底盘通过回转支撑连接至所述回转平台。

9.根据权利要求8所述的基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其特征在于，所述回转平台上还设置有导电环，所述导电环用于容纳所述跑步机上设置的各所述模块的电性连接线。

10.根据权利要求9所述的基于智能算法的步态自适应万向跑步机，其特征在于，所述导电环设置在所述回转平台与所述底盘之间。

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