CN111437575A - 一种智能跑步机的控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种智能跑步机的控制方法和装置，所述智能跑步机可以包括：视觉传感器，所述控制方法可以包括：通过所述视觉传感器获取跑者和跑带的图像；根据所述跑者和跑带的图像获得所述跑者相对于所述跑带的运动信息；根据所述运动信息调节所述跑带的速度。通过该实施例方案，实现了跑步机的精细化控制，使跑者具有接近实际跑道上的跑步体验，使跑者的跑姿更加接近跑道上的姿势，既能全面锻炼各部位的肌肉，还能减少运动损伤。

Description

一种智能跑步机的控制方法和装置
技术领域
本发明实施例涉及跑步机设计技术，尤指一种智能跑步机的控制方法和装置。
背景技术
传统跑步机与室外跑步的最大区别在于前脚落地时的跑带速度要高于室外跑步时的前冲速度，会产生较大的向后拽的力，这是因为在前脚落地之前的人体腾空过程(双脚离地)是个减速的运动，实地上的跑者通过后蹬补偿这个减速、从而实现匀速奔跑。传统跑步机的后拽力使跑者不需要后蹬也能匀速奔跑，这也是为什么跑步机不能很好的替代实地跑步，不能有效锻炼大腿后部肌肉的原因。
另外，跑步机的速度设定方式非常机械，不会自动适应跑者的体力变化，如果跑者没能及时减速，肌肉拉伤、关节损伤的情况时有发生。
发明内容
本发明实施例提供了一种智能跑步机的控制方法和装置，能够实现跑步机的精细化控制，使跑者具有接近实际跑道上的跑步体验，使跑者的跑姿更加接近跑道上的姿势，既能全面锻炼各部位的肌肉，还能减少运动损伤。
为了达到本发明实施例目的，本发明实施例提供了一种智能跑步机的控制方法，所述智能跑步机可以包括：视觉传感器，所述控制方法可以包括：
通过所述视觉传感器获取跑者和跑带的图像；
根据所述跑者和跑带的图像获得所述跑者相对于所述跑带的运动信息；
根据所述运动信息调节所述跑带的速度。
在本发明的示例性实施例中，所述视觉传感器可以包括：立体摄像机和/或成像雷达。
在本发明的示例性实施例中，所述图像可以包括跑者的身体关键点图像；所述根据所述跑者和跑带的图像获得所述跑者相对于所述跑带的运动信息可以包括：
从所述图像中识别出跑者的图像，并从所述跑者的图像中获取跑者的身体关键点图像；
从所述身体关键点图像中识别出所述跑者的一个或多个运动关键点；所述运动关键点可以包括以下一种或多种：脚部关键点、腿部关键点、臂部关键点、肩部关键点、颈部关键点和脊椎关键点；
根据所述运动关键点确定所述跑者在第一预设坐标系内的重心投影坐标，并确定所述脚步关节相对于所述第一预设坐标系的坐标值，以获取跑者的落脚点坐标；其中所述第一预设坐标系建立在所述跑带所在平面上。
在本发明的示例性实施例中，所述根据所述运动信息调节所述跑带的速度可以包括：
根据所述运动信息确定出一个或多个预设运动节点；
根据所述预设运动节点校正所述跑带的动态运动周期。
在本发明的示例性实施例中，所述图像可以为深度图像；
所述运动信息可以包括以下一种或多种：跑者的奔跑速度、跑者的落脚点坐标、跑者的离地点坐标、跑者前脚的落地时刻、跑者后脚的落地时刻、跑者前脚的离地时刻、跑者后脚的离地时刻以及跑者的重心投影坐标；
所述预设运动节点可以包括以下一种或多种：跑者前脚落地时刻、跑者后脚蹬起时刻、跑者双脚腾空时段、跑者的重心在奔跑方向上超过落脚点时刻以及跑者的重心在奔跑方向上与新的落脚点重合时刻；
所述动态运动周期包括依次完成以下动作的过程：跑者的前脚迈出、跑者的重心在奔跑方向上超过落脚点、跑者后脚蹬起、跑者双脚腾空、跑者前脚落地以及跑者的重心在奔跑方向上与新的落脚点重合。
在本发明的示例性实施例中，所述根据所述预设运动节点校正所述跑带的动态运动周期包括：
当检测到跑者的前脚迈出，并且跑者的重心在奔跑方向上超过落脚点时，控制所述跑带以第一加速度开始加速；
当检测到跑者后脚蹬起，并且跑者双脚腾空时，控制所述跑带以第二加速度开始减速；
当检测到跑者前脚落地时，控制所述跑带以第三加速度开始减速，直至跑者的重心在奔跑方向上与新的落脚点重合；所述第三加速度大于所述第二加速度。
在本发明的示例性实施例中，所述方法还可以包括：在跑带运行期间控制跑带以平均加速度运行，并调节所述跑带在每个动态运动周期内的速度周期、振幅和/或相位。
在本发明的示例性实施例中，所述根据所述运动信息调节所述跑带在每个动态运动周期内的速度周期、振幅和/或相位可以包括：
根据跑带的运动速度获取跑带的第一速度变化曲线，并根据所述第一速度变化曲线获取跑带的第一速度变化周期、第一速度变化振幅和第一速度变化相位；
根据跑者的奔跑速度获取跑者的第二速度变化曲线，并根据所述第二速度变化曲线获取跑者的第二速度变化周期、第二速度变化振幅和第二速度变化相位；
分别获取所述第一速度变化周期与所述第二速度变化周期的第一差值、所述第一速度变化振幅与所述第二速度变化振幅的第二差值以及所述第一速度变化相位与所述第二速度变化相位的第三差值；
根据所述第一差值、第二差值和第三差值分别调节所述跑带在每个动态运动周期内的速度周期、振幅和相位。
在本发明的示例性实施例中，所述方法还可以包括：根据所述第一速度变化相位与所述第二速度变化相位的第三差值调整所述第一速度变化振幅。
在本发明的示例性实施例中，所述平均加速度包括：跑者平均加速度分量、跑者惯性加速度分量和跑步机阻尼加速度分量；
其中，所述跑者平均加速度分量A1可以满足：
Figure BDA0001947007220000041
其中，A1(t+τ)为t+τ时刻的第一加速度，t为采样时刻；σ为跑者的重心投影坐标与预设的跑带中心坐标的偏差量，τ为σ的采样间隔；σt-k·τ是指t-k·τ时刻根据所述运动信息的采样数据计算出来的偏差量，σt-(k-1)·τ是指t-(k-1)·τ时刻根据所述运动信息的采样数据计算出来的偏差量；n是预测模型的阶数，αk是第k个模型系数；
所述跑者惯性加速度分量A2可以满足：
Figure BDA0001947007220000042
其中，A2(t)为t时刻的第二加速度，v为跑者后脚蹬起的状态时刻对应的跑带的瞬时速度；m为跑者的体重；Kf为阻力系数；
所述跑步机阻尼加速度分量A3可以满足：A3(t)＝－Kc；
其中，A3(t)为t时刻的第三加速度，Kc为阻力系数。
本发明实施例还提供了一种智能跑步机的控制装置，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时，实现上述任意一项所述的智能跑步机的控制方法。
本发明实施例可以包括：通过所述视觉传感器获取跑者和跑带的图像；根据所述跑者和跑带的图像获得所述跑者相对于所述跑带的运动信息；根据所述运动信息调节所述跑带的速度。通过该实施例方案，实现了跑步机的精细化控制，使跑者具有接近实际跑道上的跑步体验，使跑者的跑姿更加接近跑道上的姿势，既能全面锻炼各部位的肌肉，还能减少运动损伤。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例的智能跑步机的控制方法流程图；
图2为本发明实施例的根据跑者和跑带的图像获得跑者相对于跑带的运动信息的方法流程图；
图3为本发明实施例的人体的身体关键点图像示意图；
图4为本发明实施例的跑带坐标示意图；
图5为本发明实施例的根据所述运动信息调节所述跑带的速度的方法流程图图6为本发明实施例的调节跑带在每个动态运动周期内的速度周期、振幅和相位的方法流程图；
图7为本发明实施例的跑者跑步的加速度示意图；
图8为本发明实施例的根据所述预设运动节点校正所述跑带的动态运动周期的方法流程图；
图9为本发明实施例的跑步机启动、加速时的控制曲线示意图；
图10为本发明实施例的跑步机减速过程控制曲线示意图；
图11为本发明实施例的智能跑步机的控制方法示意图；
图12为本发明实施例的智能跑步机的控制装置组成框图。
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白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明实施例提供了一种智能跑步机的控制方法，所述智能跑步机可以包括：视觉传感器，如图1、图11所示，所述控制方法可以包括S101-S103：
S101、通过所述视觉传感器获取跑者和跑带的图像。
在本发明的示例性实施例中，所述智能跑步机可以包括：视觉传感器；该视觉传感器可以设置在跑步机的以下一种或多种方位处：前方、后方、上方和侧面，可实时获得跑者和跑带的图像，所述图像可以为深度图像。
在本发明的示例性实施例中，该视觉传感器可以包括但不限于：立体摄像机、辅以结构光或飞行时间TOF投影的摄像机、成像雷达等。
S102、根据所述跑者和跑带的图像获得所述跑者相对于所述跑带的运动信息。
在本发明的示例性实施例中，通过跑者和跑带的图像可以分析获得跑者的实时位置和行为动态数据，以及跑带位置和跑带的动态数据，根据这些数据可以进行人体运动学分析，并将结果通过跑带的调整实时反馈给跑者，从而提高跑者的体验和控制的智能化。
在本发明的示例性实施例中，所述图像可以包括跑者的身体关键点图像；如图2所示，所述根据所述跑者和跑带的图像获得所述跑者相对于所述跑带的运动信息可以包括S201-S203：
S201、从所述图像中识别出跑者的图像，并从所述跑者的图像中获取跑者的身体关键点图像；
S202、从所述身体关键点图像中识别出所述跑者的一个或多个运动关键点；所述运动关键点可以包括以下一种或多种：脚部关键点、腿部关键点、臂部关键点、肩部关键点、颈部关键点和脊椎关键点；
S203、根据所述运动关键点确定所述跑者在第一预设坐标系内的重心投影坐标，并确定所述脚步关节相对于所述第一预设坐标系的坐标值，以获取跑者的落脚点坐标；其中所述第一预设坐标系建立在所述跑带所在平面上。
在本发明的示例性实施例中，视觉传感器可以同时记录跑者的深度图像和身体关键点信息，该深度图像可以包括跑者的身体关键点图像；并且从身体关键点图像中可以获得跑者的多个(例如20个)运动关键点信息。如图3所示，为人体的身体关键点图像示意图。
在本发明的示例性实施例中，可以首先从深度图像中识别出跑步机的跑带和跑带上的跑者，并识别出人体的各个主要运动关键点，并在第一预设坐标系内，标注出跑者身体各个运动关键点的坐标(x，y，z)。
在本发明的示例性实施例中，可以将第一预设坐标系建立在所述跑带所在平面上，跑带平面用z＝0表示。例如，如图4所示，可以以跑带的最左、最前位置为原点，在跑带平面上建立第一预设坐标系。
在本发明的示例性实施例中，根据每个运动关键点在跑带平面上的投影坐标可以确定出每个运动关键点在第一预设坐标系中的坐标。
在本发明的示例性实施例中，根据各个运动关键点坐标，可以计算出人体的重心坐标，将该重心坐标在跑带平面上投影可以获得重心投影坐标。
在本发明的示例性实施例中，所述运动信息可以包括以下一种或多种：跑者的奔跑速度、跑者的落脚点坐标、跑者的离地点坐标、跑者前脚的落地时刻、跑者后脚的落地时刻、跑者前脚的离地时刻、跑者后脚的离地时刻以及跑者的重心投影坐标。
在本发明的示例性实施例中，如图4所示，跑者前脚的落脚点(或称落地点)坐标可以是：(xL1,yL1,0)；跑者后脚的落脚点坐标可以是：(xR1,yR1,0)；跑者前脚的离地点坐标可以是：(xL2,yL2,0)；跑者后脚的离地点坐标可以是：(xR2,yR2,0)。
在本发明的示例性实施例中，跑者前脚落地时间、离地时间，后脚落地时间、离地时间可以分别是：tL1、tL2、tR1、tR2；跑者的重心坐标可以是：(xw,yw,zw)；该重心坐标可以通过图像分析获得。
在本发明的示例性实施例中，根据跑者上述的运动模型可以间接计算出：
跑带的平均速度可以为：[(yL2-yL1)+(yR2-yR1)]/[(tL2-tL1)+(tR2-tR1)]；
跑者位置在跑带上的投影坐标可以为：(xP,yP,0)；其中，
Figure BDA0001947007220000081
Figure BDA0001947007220000082
其中，跑者位置是指根据跑者的各个落脚点位计算出来的位置坐标；
跑者位置投影坐标与跑带中心坐标的偏差量可以为：σ＝(xp,yp,0)-(xc,yc,0)；其中，(xc,yc,0)为跑带中心坐标。
在本发明的示例性实施例中，图4中的中心线是跑者位置控制的参考线，不一定在跑带运动方向的几何中心位置上，跑带中心线是常量设定值，是跑者在跑带上的期望位置。甜点区域是指让跑者感觉比较舒服的活动区间。
在本发明的示例性实施例中，可以将由跑者各个运动关键点的坐标形成各自的运动轨迹：
Figure BDA0001947007220000083
记录下来，其中：
Figure BDA0001947007220000084
Figure BDA0001947007220000085
对f进行模式识别，可以识别跑者姿态的动态特征(不是静态特征)，通过专家系统分析，可以对跑者的跑步姿势和受力分布的问题进行诊断。
S103、根据所述运动信息调节所述跑带的速度。
在本发明的示例性实施例中，已知传统跑步机与室外跑步的最大区别在于前脚落地时的跑带速度要高于室外跑步时的前冲速度，会产生较大的向后拽的力，这是因为在前脚落地之前的人体腾空过程(双脚离地)是个减速的运动，实地上的跑者通过后蹬补偿这个减速、从而实现匀速奔跑。传统跑步机的后拽力使跑者不需要后蹬也能匀速奔跑，这也是为什么跑步机不能很好的替代实地跑步，不能有效锻炼大腿后部肌肉的原因。同时，跑者在后脚离开跑带时后蹬力不同，身体腾空的轨迹不同，会影响人体腾空的减速过程，对实地奔跑的效率产生影响。传统跑步机由于没有这样的减速过程，跑者无法体会跑姿与跑步速度的关联关系，出现实地跑速与跑步机速度差别很大的问题。另外，跑步机的速度设定方式非常机械，不会自动适应跑者的体力变化，由于跑者没能及时减速造成肌肉拉伤、关节损伤的情况时有发生。
在本发明的示例性实施例中，本发明实施例的跑步机能够从跑者姿态分析中发现这些变化(例如每秒钟获取100帧图像，计算出各个运动关键点、重心的位置，结合跑带的速度，可以绘出人体各个运动关键点的运动曲线)并根据这些变化动态调整跑带的速度，同时，用周期变化的跑带速度替代传统的恒定跑带速度(跑带平均速度上叠加一个下图所示的速度变化)，而这些变化周期与跑者的步伐节奏同步。这些精细化的速度调节能使跑者有接近室外实地跑道上的体验，使跑者的跑姿更加接近普通跑道上的姿势，既能全面锻炼各部位的肌肉，还能减少运动损伤。
在本发明的示例性实施例中，如图5所示，所述根据所述运动信息调节所述跑带的速度可以包括S301-S302：
S301、根据所述运动信息确定出一个或多个预设运动节点；
S302、根据所述预设运动节点校正所述跑带的动态运动周期。
在本发明的示例性实施例中，所述动态运动周期可以包括依次完成以下动作的过程：跑者的前脚迈出、跑者的重心在奔跑方向上超过落脚点、跑者后脚蹬起、跑者双脚腾空、跑者前脚落地以及跑者的重心在奔跑方向上与新的落脚点重合。跑者在跑步过程中，每执行完以上过程便完成一个动态变化周期。
所述预设运动节点可以包括以下一种或多种：跑者前脚落地时刻、跑者后脚蹬起时刻、跑者双脚腾空时段、跑者的重心在奔跑方向上超过落脚点(或称落地点、支点等)时刻以及跑者的重心在奔跑方向上与新的落脚点重合时刻。
在本发明的示例性实施例中，所述方法还可以包括：在跑带运行期间控制跑带以平均加速度运行，并调节所述跑带在每个动态运动周期内的速度周期、振幅和/或相位。
在本发明的示例性实施例中，如图11所示，可以将跑带的加速度分为两个部分：平均加速度和周期补偿加速度(即用于调节所述跑带在每个动态运动周期内的速度周期、振幅和/或相位的加速度)。平均加速度根据跑者的平均速度与跑带的平均速度之差进行调节。平均加速度的控制目标是跑者和跑带上的平均速度一致，跑者始终处于跑带上预设的位置范围内。周期补偿加速度根据跑者跑步过程中速度的周期性动态变化调节。周期补偿加速度的控制目标是使跑者与跑带的速度合拍，减少跑者被跑带“拖拽”的感觉。
在本发明的示例性实施例中，如图6所示，所述调节所述跑带在每个动态运动周期内的速度周期、振幅和相位可以包括S401-S404：
S401、根据跑带的运动速度获取跑带的第一速度变化曲线，并根据所述第一速度变化曲线获取跑带的第一速度变化周期、第一速度变化振幅和第一速度变化相位；
S402、根据跑者的奔跑速度获取跑者的第二速度变化曲线，并根据所述第二速度变化曲线获取跑者的第二速度变化周期、第二速度变化振幅和第二速度变化相位；
S403、分别获取所述第一速度变化周期与所述第二速度变化周期的第一差值、所述第一速度变化振幅与所述第二速度变化振幅的第二差值以及所述第一速度变化相位与所述第二速度变化相位的第三差值；
S404、根据所述第一差值、第二差值和第三差值分别调节所述跑带在每个动态运动周期内的速度周期、振幅和相位。
在本发明的示例性实施例中，为使跑带速度周期与跑者节奏(即上述的动态运动周期)完全合拍，本发明实施例采用了锁相环类似的反馈算法，可以针对各个预设运动节点，对跑带速度的变化曲线进行实时调整。即：可以在每个预设运动节点处，用视觉传感器检测到的跑带速度变化周期、振幅、相位与视觉传感器检测到的跑者速度变化在各个预设运动节点处的周期、振幅、相位相比较，利用比较结果调整跑带速度变化曲线的周期、振幅和相位。
在本发明的示例性实施例中，在平均速度不变的情况下，跑者跑步的加速度示意图如图7所示。
在本发明的示例性实施例中，通过对跑带速度的周期补偿，实现了跑带速度变化周期与跑者节奏同步，获得了模仿实地跑步速度变化的周期信号，这个周期信号的平均值为零。
在本发明的示例性实施例中，所述方法还可以包括：根据所述第一速度变化相位与所述第二速度变化相位的第三差值调整所述第一速度变化振幅。
在本发明的示例性实施例中，可以利用相位差(即第三差值)控制跑带的振荡幅度(即第一速度变化振幅)B，具体第可以通过以下等式对跑带的振荡幅度B进行控制：
Figure BDA0001947007220000111
其中，B(t)是跑者速度变化曲线，β是调节比例函数，
Figure BDA0001947007220000112
是相位差，T是周期，B(t-T)是上一周期的跑者速度变化曲线。
在本发明的示例性实施例中，为了减小相位差较大时，智能跑步机主动调节给跑者带来的不适，本发明实施例可以通过采用适当的调节比例函数β，使得相位差越大，幅度越小；相位差越小，幅度越大。
在本发明的示例性实施例中，为了降低测量噪声，
Figure BDA0001947007220000113
可以采用跑者前脚落地时刻、跑者后脚蹬起时刻、跑者双脚腾空时段、跑者的重心在奔跑方向上超过落脚点时刻以及跑者的重心在奔跑方向上与新的落脚点重合时刻等五个预设运动节点处的相位差的平均值：
Figure BDA0001947007220000114
其中，
Figure BDA0001947007220000115
指第i处预设运动节点的相位差，i＝1、2、3、4、5。
在本发明的示例性实施例中，i的数值不限于1-5，可以根据预设运动节点的个数进行调整。即
Figure BDA0001947007220000116
n为正整数。
在本发明的示例性实施例中，当相位差大于某一值时，跑带的速度变化幅度趋近于0，即与普通跑步机的行为一样。
在本发明的示例性实施例中，这里的相位差是实际测量值：通过标定视觉传感器的计算时延，考虑采样频率的限制因素(例如，测量值与实际值有±ms的随机误差)，可以从测量值估算出跑者的各预设运动节点的实际时刻值；通过标定跑步机的控制器的响应特征，可以从控制器的输入或速度测量反馈点估算出跑带各预设运动节点的实际速度和加速度值。
在本发明的示例性实施例中，在跑带与跑者的跑步节奏锁相(即跑带和跑者的速度曲线相位一致)前，不能从跑带的速度获得跑带节奏(周期)的实际值，但可以从控制器输入信道上获得节奏信息，合适的标定值能使这个节奏信息足够准确(使跑带与跑者速度曲线的实际相位差足够小)让跑带能够与跑者建立锁相关系。
在本发明的示例性实施例中，下面将介绍根据所述预设运动节点校正所述跑带的动态运动周期的具体实施例方案。具体地，可以将跑步机的静态速度控制改成动态速度控制。
在本发明的示例性实施例中，如图8所示，所述根据所述预设运动节点校正所述跑带的动态运动周期可以包括S501-S503：
S501、当检测到跑者的前脚迈出，并且跑者的重心在奔跑方向上超过落脚点时，控制所述跑带以第一加速度开始加速；
S502、当检测到跑者后脚蹬起，并且跑者双脚腾空时，控制所述跑带以第二加速度开始减速；
S503、当检测到跑者前脚落地时，控制所述跑带以第三加速度开始减速，直至跑者的重心在奔跑方向上与新的落脚点重合；所述第三加速度大于所述第二加速度。
在本发明的示例性实施例中，当跑者的身体重心超过落脚点(yL>yw，yR>yw)跑带开始加速，当脚离开跑带时，跑带开始减速，减到前脚落地，跑带以更大的加速度减速，直到身体重心达到新的落脚点(重合)，完成一个动态变化周期。其中，跑者的身体重心与落脚点的位置偏差可以是指跑者位置与跑带中心线Y方向上的差。
在本发明的示例性实施例中，跑带的控制器可以从视觉图像中发现前脚落地的时间点、后脚蹬起的时间点、身体重心与前脚(支点)重合的时间点，根据预测的速度变化率(加速度)形成上述速度变化周期。
在本发明的示例性实施例中，如图9所示，是跑步机启动、加速时的控制算法示意图，如图10所示，是跑步机的减速过程控制算法示意图。
在本发明的示例性实施例中，从图中可以看出，跑带调节策略是根据跑者重心的后移(前脚落地到重心与落脚点重合的时间加长)降低速度的原则实施的。同时跑者会本能地向后移动身体的位置(跑者减速的作用)进一步降低跑带的速度，最终达到跑带停止的位置。
在本发明的示例性实施例中，步骤S501、S502、S503中的加速和减速过程均是在跑带的平均速度的基础上进行的，平均速度是指跑带速度的平均值V，参见图9、10中的标有平均速度的曲线(相对于动态补偿周期，平均速度相对跑步周期变化很慢，所以图中采用直线表示)。
在本发明的示例性实施例中，下面将详细介绍跑带的平均加速度的计算方法。在本发明的示例性实施例中，所述平均加速度可以包括：跑者平均加速度分量、跑者惯性加速度分量和跑步机阻尼加速度分量。
在本发明的示例性实施例中，跑者平均加速度分量A1的加速度计算式可以为：
Figure BDA0001947007220000131
其中，t指采样时间，σt指t时刻的采样数据计算出来的σ值，σt-1指t-1时刻的采样数据计算出来的σ值。式中σ如上文所述，是跑者位置投影坐标与跑带中心坐标的偏差；τ是传感器的采样周期。由于传感采集、分析、控制运算都需要时间，例如视觉传感器每秒采样100帧，σ的采样间隔τ为10ms，而每次采样可以计算一个新的A1，即，第k次采样计算出：A1(t)＝A1(k·τ)。
在本发明的示例性实施例中，以单步幅0.75米，步频4步/秒(3米/秒)的跑者为例，如果选用60帧/秒的视觉传感器，每米有20个采样点，采样点间距5cm。假设计算能在1·τ完成，跑带调整时间会晚于跑者的时间至少1·τ。本发明实施例采用预测的A1’替代A1补偿采样和计算时延的影响，预测的加速度A1′为：
Figure BDA0001947007220000132
其中，n是预测模型的阶数，n为正整数，αk是第k个模型系数，k为正整数，系数值可根据实验数据拟合估算出(例如，可以采用最小二乘、线性规划等算法)。
在本发明的示例性实施例中，采用A1’替代A1后，最终获得的所述第一加速度A1可以满足：
Figure BDA0001947007220000141
其中，A1(t+τ)为t+τ时刻的第一加速度，t为采样时刻；σ为前述的跑者的重心投影坐标与预设的跑带中心坐标的偏差量，τ为σ的采样间隔；σt-k·τ是指t-k·τ时刻根据所述运动信息的采样数据计算出来的偏差量，σt-(k-1)·τ是指t-(k-1)·τ时刻根据所述运动信息的采样数据计算出来的偏差量；n是预测模型的阶数，αk是第k个模型系数。
在本发明的示例性实施例中，所述跑者惯性加速度分量A2可以满足：
Figure BDA0001947007220000142
其中，A2(t)为t时刻的第二加速度，v为跑者后脚蹬起的状态时刻对应的跑带的瞬时速度；m为跑者的体重；Kf为阻力系数，常数，没有时延。
在本发明的示例性实施例中，所述跑步机阻尼加速度分量A3可以满足：A3(t)＝－Kc；
其中，A3(t)为t时刻的第三加速度，Kc为阻力系数，常数，没有时延。
在本发明的示例性实施例中，通过以上内容可知，跑带的速度调整由两部分构成：一个是图中上方的周期补偿(具体可以包括周期、振幅和相位的调整补偿，振幅补偿可以通过B的计算实现)，其原理和方法如上文所述，需要说明的是，这是个平均值为零的周期速度分量；图中跑步机分析结果(跑带中心线)与跑者位置坐标(xp,yp,0)，或重心投影位置(xw,yw,0)(通过图像分析获得的重心；)比较，根据偏差的大小调节跑带的另一部分速度，即平均速度V(具体可以通过上述的几个加速度分量A1,A2,A3调整来实现)，这个控制律可以采用比例积分类算法，保证跑者始终在甜点区域内；这两个部分的速度叠加构成跑带的动态速度设定，施加在电机控制上。
在本发明的示例性实施例中，从前面所述的跑者加减速的示意图中均可知，跑者位置是周期变化的。可以过滤掉周期信息，获得跑者位置与中心线偏差的平均值作为平均速度设定的自变量。
在本发明的示例性实施例中，例如，一个跑者跑步速度3m/s，开始蹬地时，速度已经降低到2.5m/s，蹬地时间100ms。如果跑带与跑者已经实现节奏锁相，跑带会有相同的加速度，跑者净位移为0。如果跑带失锁，跑带会保持匀速(3m/s)，蹬地过程中，跑带和跑者的最大位移为|3m/s*0.1s–2.5m/s*0.1s|＝0.05m。
本发明实施例还提供了一种智能跑步机的控制装置1，如图12所示，包括处理器11和计算机可读存储介质12，所述计算机可读存储介质12中存储有指令，当所述指令被所述处理器11执行时，实现上述任意一项所述的智能跑步机的控制方法。
在本发明的示例性实施例中，本发明实施例的智能跑步机的控制装置可以与跑步机组装在一体，也可以安装在跑步机前方或后方，独自工作的情况下，该装置可以通过与传统跑步机的一个简单的通信接口，例如速度设定、速度+、速度－、停止四个基本命令接口(当然，也可以扩展更多功能性接口，以适应动态调节速度的需求)连接，使得普通的跑步机具有本发明实施例所述的只能跑步机的全部功能，本发明实施例的装置也可以接收跑步机传回的所有数据，例如(不限于)速度、坡度、心率等，用于尽可能地融合应用场景对跑带进行控制。
在本发明的示例性实施例中，本发明实施例的控制装置还可以集成语音识别功能、场景呈现功能，使跑者完全不用手动操作，具有和户外跑步一样的自由体验。
本发明实施例方案至少具有以下有益效果：
1、对跑步机的跑带速度进行动态调节(传统跑步机都是匀速的)，使跑步机跑带的速度与跑者的节奏同步、周期性变化，使跑者感受接近实地跑步。
2、跑带速度在跑者脚部向后越过身体重心后的触地期间加速，诱使跑者触地脚向后发力平衡加速度的力，使腿部得到实地跑步般的锻炼。
3、跑者腾空期间降低跑带速度，模仿实地跑步中的阻力。
4、跑带在跑者前脚接触跑带到跑者重心向前超过前脚时减速，模仿前脚的刹车作用。
5、采用图像处理方法，识别跑者脚部的行为轨迹估算并控制跑带速度，使得本发明实施例方案可以在非接触的情况下与传统跑步机配合使用，分析跑者触地时间等运动信息。
6、计算跑者腾空期间跑过的距离的方法，可以替代传统跑步机用跑带的移动距离代替跑步距离，使跑者纠正跑姿的努力能得到正确反馈。
7、识别跑步机跑带的位置、测量跑带尺寸，计算跑者和跑步机的相对关系，可以根据这个位置关系调整跑带速度，使跑者的位置在跑带的甜点区域，并且非接触的测量方法(图像处理方法)方便部署和使用。
8、识别跑者的重心轨迹，并根据跑者身体重心偏离跑者落脚支点的情况动态调节跑带速度，不同于单纯根据跑者在跑带上的位置关系进行跑带速度调节的方法，使跑者有更接近跑道的体验。
9、本发明实施例的动态的跑步机跑带速度补偿控制方法，利用人体惯性特点，采用锁相技术，精准控制跑带的运动变化，可以让跑者有与室外跑步相同的体验。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (10)

1.一种智能跑步机的控制方法，其特征在于，所述智能跑步机包括：视觉传感器，所述控制方法包括：
通过所述视觉传感器获取跑者和跑带的图像；
根据所述跑者和跑带的图像获得所述跑者相对于所述跑带的运动信息；
根据所述运动信息调节所述跑带的速度。
2.根据权利要求1所述的智能跑步机的控制方法，其特征在于，所述图像包括跑者的身体关键点图像；所述根据所述跑者和跑带的图像获得所述跑者相对于所述跑带的运动信息包括：
从所述图像中识别出跑者的图像，并从所述跑者的图像中获取跑者的身体关键点图像；
从所述身体关键点图像中识别出所述跑者的一个或多个运动关键点；所述运动关键点包括：脚部关键点；
根据所述运动关键点确定所述跑者在第一预设坐标系内的重心投影坐标，并确定所述脚部关键点相对于所述第一预设坐标系的坐标值，以获取跑者的落脚点坐标。
3.根据权利要求1所述的智能跑步机的控制方法，其特征在于，所述根据所述运动信息调节所述跑带的速度包括：
根据所述运动信息确定出一个或多个预设运动节点；
根据所述预设运动节点校正所述跑带的动态运动周期。
4.根据权利要求3所述的智能跑步机的控制方法，其特征在于，所述图像为深度图像；
所述运动信息包括以下一种或多种：跑者的奔跑速度、跑者的落脚点坐标、跑者前脚的落地时刻、跑者后脚的落地时刻、跑者前脚的离地时刻、跑者后脚的离地时刻以及跑者的重心投影坐标；
所述预设运动节点包括以下一种或多种：跑者前脚落地时刻、跑者后脚蹬起时刻、跑者双脚腾空时段、跑者的重心在奔跑方向上超过落脚点时刻以及跑者的重心在奔跑方向上与新的落脚点重合时刻；
所述动态运动周期包括依次完成以下动作的过程：跑者的前脚迈出、跑者的重心在奔跑方向上超过落脚点、跑者后脚蹬起、跑者双脚腾空、跑者前脚落地以及跑者的重心在奔跑方向上与新的落脚点重合。
5.根据权利要求4所述的智能跑步机的控制方法，其特征在于，所述根据所述预设运动节点校正所述跑带的动态运动周期包括：
当检测到跑者的前脚迈出，并且跑者的重心在奔跑方向上超过落脚点时，控制所述跑带以第一加速度开始加速；
当检测到跑者后脚蹬起，并且跑者双脚腾空时，控制所述跑带以第二加速度开始减速；
当检测到跑者前脚落地时，控制所述跑带以第三加速度开始减速，直至跑者的重心在奔跑方向上与新的落脚点重合；所述第三加速度大于所述第二加速度。
6.根据权利要求3所述的智能跑步机的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在跑带运行期间控制跑带以平均加速度运行，并调节所述跑带在每个动态运动周期内的速度周期、振幅和/或相位。
7.根据权利要求6所述的智能跑步机的控制方法，其特征在于，所述调节所述跑带在每个动态运动周期内的速度周期、振幅和/或相位包括：
根据跑带的运动速度获取跑带的第一速度变化曲线，并根据所述第一速度变化曲线获取跑带的第一速度变化周期、第一速度变化振幅和第一速度变化相位；
根据跑者的奔跑速度获取跑者的第二速度变化曲线，并根据所述第二速度变化曲线获取跑者的第二速度变化周期、第二速度变化振幅和第二速度变化相位；
分别获取所述第一速度变化周期与所述第二速度变化周期的第一差值、所述第一速度变化振幅与所述第二速度变化振幅的第二差值以及所述第一速度变化相位与所述第二速度变化相位的第三差值；
根据所述第一差值、第二差值和第三差值分别调节所述跑带在每个动态运动周期内的速度周期、振幅和相位。
8.根据权利要求7所述的智能跑步机的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述第一速度变化相位与所述第二速度变化相位的第三差值调整所述第一速度变化振幅。
9.根据权利要求6所述的智能跑步机的控制方法，其特征在于，所述平均加速度包括：跑者平均加速度分量、跑者惯性加速度分量和跑步机阻尼加速度分量；
其中，所述跑者平均加速度分量A1满足：
Figure FDA0001947007210000031
其中，A1(t+τ)为所述t+τ时刻的第一加速度，t为采样时刻；σ为跑者的重心投影坐标与预设的跑带中心坐标的偏差量，τ为σ的采样间隔；σt-k·τ是指所述t-k·τ时刻根据所述运动信息的采样数据计算出来的偏差量，σt-(k-1)·τ是指所述t-(k-1)·τ时刻根据所述运动信息的采样数据计算出来的偏差量；n是预测模型的阶数，αk是第k个模型系数；
所述跑者惯性加速度分量A2满足：
Figure FDA0001947007210000032
其中，A2(t)为t时刻的第二加速度，v为跑者后脚蹬起的状态时刻对应的跑带的瞬时速度；m为跑者的体重；Kf为阻力系数；
所述跑步机阻尼加速度分量A3满足：A3(t)＝-Kc；
其中，A3(t)为t时刻的第三加速度，Kc为阻力系数。
10.一种智能跑步机的控制装置，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，其特征在于，当所述指令被所述处理器执行时，实现如权利要求1-9任意一项所述的智能跑步机的控制方法。
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