CN113750452A - 降低运动损伤的速度自适应跑步机控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了降低运动损伤的智能跑步机控制系统，包括跑步机跑台，所述跑步机跑台上设置有缓冲结构单元；所述缓冲结构单元包括贴合设置在跑步机跑台上的缓冲层，缓冲层上设置有弹力调节层，及形变监测单元、形变量调节控制单元及步频监测单元；及速度自适应单元；通过缓冲层以及弹力调节层可以根据不同使用者的个体情况调节缓冲性能；以最大限度的抵消跑步时对人体的冲击力，同时，根据气压调节曲线计算出使用者跑步过程中的实际跑步速度、实际步频以及实际步幅；无需设置过多的传感器，即可自适应调节跑步机的速度，与使用者跑步的速度相匹配；降低被动跑步的疲惫感。

Description

降低运动损伤的速度自适应跑步机控制系统及方法

技术领域

本发明涉及跑步机技术领域，具体为降低运动损伤的速度自适应跑步机控制系统及方法。

背景技术

现代跑步机的问世就是为了帮助跑步爱好者解决因天气、时间、场地等客观因素的制约，能够在风雨无阻的家中，保持运动习惯。但是，一些人用跑步机完全替代了户外真实路跑，每天在跑步机上长时间的跑步。但跑步机又是以相对恒定的速度做无位移的线性运动，在双脚落地的时候脚步的蹬地行程相较于真实路跑时所用的力量和幅度范围要小很多，所以随着跑步时长的增加体能和平衡能力下降，跑到后期基本等于是被动跑的状态在这一状态下足踝和膝关节在落地时的身体调整时间也会相对缩短，所以如果是刚入门的跑者或者大体重的跑者，关节受伤的机率会大大提高。

据相关调查报告指出，至2020年，超过7成的跑者经历过运动损伤，损伤从根本上说是由于负荷过大，身体难以承受造成的。

跑步过程中，会有一个陡然上升的力，随后会有轻微的下降，这个陡然上升的力称为第一峰值力，如果第一峰值力越大，代表着地冲击越大，第一峰值力在跑步生物力学中是最重要的指标之一，因为这个指标跟伤痛密切相关，受伤主要跟第一峰值力和第一峰值力的加载率(斜率)有关；在第一峰值力之后，力的曲线会短暂下降或者不下降，然后再次上升，此时会比第一峰值力更大，称为第二峰值力；由此，为减少跑步时对于膝盖的冲击力，必须要降低第一峰值力以及第二峰值力；由此很多厂家为了减小第一峰值力，在跑步机上增加减震装置，如专利一种跑步机的缓冲减震装置，申请号为：201710819754.3，公开了缓冲机构包括缓冲件、距离传感器和延时件，所述缓冲件用于对所述底座缓冲减震，所述距离传感器用于检测所述底座与地面之间的距离且将距离信息反馈至所述延时件，所述延时件用于控制所述缓冲件在预设时间段内停止动作；以及申请号为CN201710719590.7的一种健身跑步机板的多级缓冲结构，公开了跑带上设有减震层，所述减震层的上方设有隔音层，所述隔音层的上方设有耐磨表层，所述耐磨表层的表面粗糙，所述跑板的内部中空，形成中空层，所述中空层内设有跑板缓冲装置，类似这种结构存在的缺陷在于：这种缓冲装置的形变量无法根据不同个体的情况进行调节，由此，若使用者体重过高，缓冲装置的固定形变量远远无法抵消使用者对其造成的冲击力，其缓冲作用也将大大减小；

其次，现有的跑步机为提高使用者的体验感，跑步机可以控制自身的速度以配合用户的速度，即跑步机随着用户加速而加速，随着用户减速而减速；可实现跑步机速度随用户运动速度的变化而变化的方案，均基于测量器件，比如压力传感器、体感采集装置、激光传感器、红外传感器、超声传感器、光电传感器、陀螺仪传感器；由于在运动过程中，人体在跑步机上会发生相对位移或者受运动速度的影响，因此为了捕捉到人体的动作，需要安装大量的传感器，一方面造成成本提高，另一方面零部件较多，导致设备容易损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供降低运动损伤的速度自适应跑步机控制系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：降低运动损伤的智能跑步机控制系统，包括跑步机跑台，所述跑步机跑台上设置有缓冲结构单元；所述缓冲结构单元包括贴合设置在跑步机跑台上的缓冲层，所述缓冲层上设置有弹力调节层，还包括形变监测单元；形变监测单元用于检测使用者站立在跑台上时缓冲结构单元发生的形变量；

还包括形变量调节控制单元及步频监测单元，所述形变量调节控制单元用于将不同个体使用时所产生的缓冲结构单元发生的形变量至预设值；

所述步频监测单元用于监测使用者在跑步时的步频；

还包括速度自适应单元，所述速度自适应单元用于实时检测使用者的跑步速度，并根据使用者的跑步速度调整跑步机跑台的行进速度，使得两者数值相近或相等。

优选的，沿跑步机跑台输送方向依次设置形变监测单元，便于在跑步过程中监测跑步时，使用者对缓冲结构单元产生的形变量是否符合预设值。

优选的，跑步机跑台包括跑带以及设置在跑带两侧的两传动轮组件，所述传动轮组件均包括一主动轮以及一传动轮，两所述主动轮分别连接驱动电机安装在跑步机跑台的前侧，两所述从动轮设置在跑步机跑台的后侧，所述跑带传动连接在两所述传动轮组件上，其中部形成安装区；

形变监测单元包括设置在跑步机跑台上的测试标志区，所述测试标志区的下方设置有与缓冲层一体成型的测试孔，测试孔设置在安装区区域；还包括激光测距装置，所述激光测距装置包括设置在所述测试孔上方的激光接收单元，所述激光接收单元固定在弹力调节层上，所述测试孔的下方设置有激光发射单元，所述激光发射单元固定与跑带的内壁上，其发射的激光穿过所述测试孔由激光接收单元接收，还包括压力传感器，用于检测测试标志区上是否有压力。

使用时，当使用者站立在测试标志区，受重力作用，弹力调节层、缓冲层以及跑带下沉，通过激光测距单元测得下沉的距离，作为形变量。

优选的，缓冲层内设置有填充气囊，所述填充气囊通过第一气流通道连接有气泵，第一气流通道上设置有第一单向阀，所述气流通过第一单向阀由气泵方向流向填充气囊；所述填充气囊通过第二气流通道连接缓冲腔，所述缓冲腔内设置有气压传感器，所述形变量调节控制单元形变调节的方法具体为：通过形变监测单元获得形变量，若形变量不符合系统预设范围，则通过气泵的充放气实现缓冲层内气压的大小，充放气过程中，实时监测形变量，直到形变量在预设范围内。

降低运动损伤的速度自适应跑步机的健身方法，包括如下步骤：

A1:使用者站立在形变监测单元上；通过形变监测单元计算由于使用者重力对缓冲结构单元产生的第一实际形变量；

A2:将步骤A1中的第一实际形变量与第一预设形变量进行对比；若第一实际形变量大于第一预设形变量，则通过形变量调节控制单元调节所述第一实际形变量在预设阈值内；其中，设缓冲层高度为H，则第一预设形变量为(1×H)/2；

A3:跑步进行时，使用者踩踏至形变监测单元上，通过形变监测单元计算使用者在当前跑步状态下对缓冲结构单元产生的第二实际形变量；

A4:将步骤A3中的第二实际形变量与第二预设形变量进行对比；若第二实际形变量大于第二预设形变量，则通过形变量调节控制单元调节所述第二实际形变量在预设阈值内；第二预设形变量为(2×H)/3；

A5:计算得出使用者跑步过程中的实际跑步速度、实际步频以及实际步幅；

A6:将实际步频与系统预设同等跑步速度的标准步频进行对比；若实际步频与标准步频不一致，则提醒使用者调整步频；

A7:根据步骤A5中实际的跑步速度调整跑步机跑台的带速；

A8:间隔时间T₁，重复步骤A3至步骤A7。

优选的，形变监测单元计算第一实际形变量的方法包括如下步骤：

S1：测得在压力传感器未检测到外力作用时，激光测距装置测得的弹力调节层至激光测距装置激光发射端的距离L₁，

S2：测得在压力传感器检测到外力作用时，激光测距装置测得的弹力调节层至激光测距装置激光发射端的距离L₂；并记录压力传感器记录得到的压力值为G₀；

S3：计算第一实际形变量为ΔL＝|L₁﹣L₂|。

优选的，形变监测单元计算第二实际形变量的方法包括如下步骤：

B1：在使用者跑步过程中，检测压力传感器测得的压力值Gn；当压力值Gn＞1.2G₀时，通过激光测距装置测得的弹力调节层至激光测距装置激光发射端的距离L₃；

B2：计算第二实际形变量为ΔL＇＝|L₃﹣L₁|。

优选的，步频监测单元监测使用者在跑步时的步频的方法，包括如下步骤：

C1：使用者踩踏在跑步机跑台上，气压传感器检测缓冲腔内气压是否变化；

C2：若检测到缓冲腔内气压有变化；则记录在单位时间T内缓冲腔内的气压变化的数值，形成气压变化曲线；

C3：在气压变化曲线中，找出最大峰值点的总数为N；则步频P＝N。

根据跑步时，足部受力分析曲线可以得出，当足部接触跑台时，达到第一峰值，之后足部受力增加并持续平缓；因此，足部由接触跑台至离开跑台会产生两个最大受力点；因此，缓冲腔气压变化包括两个峰值点；判断最大峰值点时，先获得一个周期中两峰值，然后将两峰值进行比较，取较大峰值。

优选的，实际跑步速度与跑步机跑台速度自适应调整的方法：

D1：根据气压变化曲线，由气压变化曲线中得出使用者单只脚着地至离地的时间为Tˊ；即曲线中一个周期变化的时间；

D2：使用者的脚踝上设置有加速度传感器；由加速度传感器得到使用者单只脚在时间Tˊ内得到的位移S，即步幅L＝S；

D3：通过步骤D1至步骤D2；得到多组步幅数据(S0,S1,S2……Sn),得到平均步幅值Lˊ＝(S0+S1+S2……Sn)/n；

D4：计算使用者此时的跑步速度Vˊ＝(S0+S1+S2……Sn)P/nT；

D5：调整跑步机的速度与使用者此时的跑步速度一致。

其中，S的计算方法为将加速度积分求出速度随时间变化的表达式，再将速度积分可求出位移随时间变化的表达式。

通过单只脚抬脚至离地的时间，配合该脚运动的加速度，即可推算处单只脚在这段时间内的位移，即为步幅；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过缓冲层以及弹力调节层可以根据不同使用者的个体情况调节缓冲性能；以最大限度的抵消跑步时对人体的冲击力，同时，根据气压调节曲线计算出使用者跑步过程中的实际跑步速度、实际步频以及实际步幅；无需设置过多的传感器，即可自适应调节跑步机的速度，与使用者跑步的速度相匹配；降低被动跑步的疲惫感。

附图说明

图1为本发明的跑台侧面结构示意图；

图2为本发明的跑台正面结构示意图；

图3为本发明的气压变化曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：降低运动损伤的智能跑步机控制系统，包括跑步机跑台100，所述跑步机跑台上设置有缓冲结构单元；所述缓冲结构单元包括贴合设置在跑步机跑台上的缓冲层101，所述缓冲层上设置有弹力调节层102，还包括形变监测单元；形变监测单元用于检测使用者站立在跑台上时缓冲结构单元发生的形变量；

还包括形变量调节控制单元及步频监测单元，所述形变量调节控制单元用于将不同个体使用时所产生的缓冲结构单元发生的形变量至预设值；

所述步频监测单元用于监测使用者在跑步时的步频；

还包括速度自适应单元，所述速度自适应单元用于实时检测使用者的跑步速度，并根据使用者的跑步速度调整跑步机跑台的行进速度，使得两者数值相近或相等。

沿跑步机跑台输送方向依次设置形变监测单元，便于在跑步过程中监测跑步时，使用者对缓冲结构单元产生的形变量是否符合预设值。

跑步机跑台包括跑带以及设置在跑带两侧的两传动轮组件103，所述传动轮组件均包括一主动轮104以及一传动轮105，两所述主动轮分别连接驱动电机安装在跑步机跑台的前侧，两所述从动轮设置在跑步机跑台的后侧，所述跑带传动连接在两所述传动轮组件上，其中部形成安装区106；

形变监测单元包括设置在跑步机跑台上的测试标志区107，所述测试标志区的下方设置有与缓冲层一体成型的测试孔108，测试孔设置在安装区区域；还包括激光测距装置，所述激光测距装置包括设置在所述测试孔上方的激光接收单元109，所述激光接收单元固定在弹力调节层上，所述测试孔的下方设置有激光发射单元110，所述激光发射单元固定与跑带的内壁上，其发射的激光穿过所述测试孔由激光接收单元接收，还包括压力传感器111，用于检测测试标志区上是否有压力。

使用时，当使用者站立在测试标志区，受重力作用，弹力调节层、缓冲层以及跑带下沉，通过激光测距单元测得下沉的距离，作为形变量。

缓冲层内设置有填充气囊112，所述填充气囊通过第一气流通道113连接有气泵，第一气流通道上设置有第一单向阀114，所述气流通过第一单向阀114由气泵方向流向填充气囊；所述填充气囊通过第二气流通道连接缓冲腔115，所述缓冲腔内设置有气压传感器116，缓冲腔的外围填充有柔性层；柔性层可以是硅胶或是其他有较大回复力的材料；当气体被挤入缓冲腔时；且当外力变小时，缓冲腔内外周的弹性层由于回复力的作用将缓冲腔内的气体重新压回缓冲层；达到气压平衡；

所述形变量调节控制单元形变调节的方法具体为：通过形变监测单元获得形变量，若形变量不符合系统预设范围，则通过气泵的充放气实现缓冲层内气压的大小，充放气过程中，实时监测形变量，直到形变量在预设范围内。

降低运动损伤的速度自适应跑步机的健身方法，包括如下步骤：

A1:使用者站立在形变监测单元上；通过形变监测单元计算由于使用者重力对缓冲结构单元产生的第一实际形变量；

A2:将步骤A1中的第一实际形变量与第一预设形变量进行对比；若第一实际形变量大于第一预设形变量，则通过形变量调节控制单元调节所述第一实际形变量在预设阈值内；其中，设缓冲层高度为H，则第一预设形变量为(1×H)/2；

A3:跑步进行时，使用者踩踏至形变监测单元上，通过形变监测单元计算使用者在当前跑步状态下对缓冲结构单元产生的第二实际形变量；

A4:将步骤A3中的第二实际形变量与第二预设形变量进行对比；若第二实际形变量大于第二预设形变量，则通过形变量调节控制单元调节所述第二实际形变量在预设阈值内；第二预设形变量为(2×H)/3；

A5:计算得出使用者跑步过程中的实际跑步速度、实际步频以及实际步幅；

A6:将实际步频与系统预设同等跑步速度的标准步频进行对比；若实际步频与标准步频不一致，则提醒使用者调整步频；

A7:根据步骤A5中实际的跑步速度调整跑步机跑台的带速；

A8:间隔时间T₁，重复步骤A3至步骤A7。

形变监测单元计算第一实际形变量的方法包括如下步骤：

S1：测得在压力传感器未检测到外力作用时，激光测距装置测得的弹力调节层至激光测距装置激光发射端的距离L₁，

S2：测得在压力传感器检测到外力作用时，激光测距装置测得的弹力调节层至激光测距装置激光发射端的距离L₂；并记录压力传感器记录得到的压力值为G₀；

S3：计算第一实际形变量为ΔL＝|L₁﹣L₂|。

形变监测单元计算第二实际形变量的方法包括如下步骤：

B1：在使用者跑步过程中，检测压力传感器测得的压力值Gn；当压力值Gn＞1.2G₀时，通过激光测距装置测得的弹力调节层至激光测距装置激光发射端的距离L₃；

B2：计算第二实际形变量为ΔL＇＝|L₃﹣L₁|。

步频监测单元监测使用者在跑步时的步频的方法，包括如下步骤：

C1：使用者踩踏在跑步机跑台上，气压传感器检测缓冲腔内气压是否变化；

C2：若检测到缓冲腔内气压有变化；则记录在单位时间T内缓冲腔内的气压变化的数值，形成气压变化曲线；

C3：在气压变化曲线中，找出最大峰值点的总数为N；则步频P＝N。

根据跑步时，足部受力分析曲线可以得出，当足部接触跑台时，达到第一峰值，之后足部受力增加并持续平缓；因此，足部由接触跑台至离开跑台会产生两个最大受力点；因此，缓冲腔气压变化包括两个峰值点；判断最大峰值点时，先获得一个周期中两峰值，然后将两峰值进行比较，取较大峰值。

实际跑步速度与跑步机跑台速度自适应调整的方法：

D1：根据气压变化曲线，由气压变化曲线中得出使用者单只脚着地至离地的时间为Tˊ；即曲线中一个周期变化的时间；

D2：使用者的脚踝上设置有加速度传感器；由加速度传感器得到使用者单只脚在时间Tˊ内得到的位移S，即步幅L＝S；

D3：通过步骤D1至步骤D2；得到多组步幅数据(S0,S1,S2……Sn),得到平均步幅值Lˊ＝(S0+S1+S2……Sn)/n；

D4：计算使用者此时的跑步速度Vˊ＝(S0+S1+S2……Sn)P/nT；

D5：调整跑步机的速度与使用者此时的跑步速度一致。

其中，S的计算方法为将加速度积分求出速度随时间变化的表达式，再将速度积分可求出位移随时间变化的表达式。

通过单只脚抬脚至离地的时间，配合该脚运动的加速度，即可推算处单只脚在这段时间内的位移，即为步幅。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.降低运动损伤的智能跑步机控制系统，其特征在于：包括跑步机跑台，所述跑步机跑台上设置有缓冲结构单元；所述缓冲结构单元包括贴合设置在跑步机跑台上的缓冲层，所述缓冲层上设置有弹力调节层，还包括形变监测单元；形变监测单元用于检测使用者站立在跑台上时缓冲结构单元发生的形变量；

还包括形变量调节控制单元及步频监测单元，所述形变量调节控制单元用于将不同个体使用时所产生的缓冲结构单元发生的形变量至预设值；

所述步频监测单元用于监测使用者在跑步时的步频；

还包括速度自适应单元，所述速度自适应单元用于实时检测使用者的跑步速度，并根据使用者的跑步速度调整跑步机跑台的行进速度，使得两者数值相近或相等；沿跑步机跑台输送方向依次设置形变监测单元，便于在跑步过程中监测跑步时，使用者对缓冲结构单元产生的形变量是否符合预设值；跑步机跑台包括跑带以及设置在跑带两侧的两传动轮组件，所述传动轮组件均包括一主动轮以及一传动轮，两所述主动轮分别连接驱动电机安装在跑步机跑台的前侧，两所述从动轮设置在跑步机跑台的后侧，所述跑带传动连接在两所述传动轮组件上，其中部形成安装区；

形变监测单元包括设置在跑步机跑台上的测试标志区，所述测试标志区的下方设置有与缓冲层一体成型的测试孔，测试孔设置在安装区区域；还包括激光测距装置，所述激光测距装置包括设置在所述测试孔上方的激光接收单元，所述激光接收单元固定在弹力调节层上，所述测试孔的下方设置有激光发射单元，所述激光发射单元固定与跑带的内壁上，其发射的激光穿过所述测试孔由激光接收单元接收，还包括压力传感器，用于检测测试标志区上是否有压力。

2.根据权利要求1所述的降低运动损伤的智能跑步机控制系统，其特征在于：缓冲层内设置有填充气囊，所述填充气囊通过第一气流通道连接有气泵，第一气流通道上设置有第一单向阀，所述气流通过第一单向阀由气泵方向流向填充气囊；所述填充气囊通过第二气流通道连接缓冲腔，所述缓冲腔内设置有气压传感器，所述形变量调节控制单元形变调节的方法具体为：通过形变监测单元获得形变量，若形变量不符合系统预设范围，则通过气泵的充放气实现缓冲层内气压的大小，充放气过程中，实时监测形变量，直到形变量在预设范围内。

3.根据权利要求1或2所述的降低运动损伤的速度自适应跑步机的健身方法，其特征在于：包括如下步骤：

A1:使用者站立在形变监测单元上；通过形变监测单元计算由于使用者重力对缓冲结构单元产生的第一实际形变量；

A2:将步骤A1中的第一实际形变量与第一预设形变量进行对比；若第一实际形变量大于第一预设形变量，则通过形变量调节控制单元调节所述第一实际形变量在预设阈值内；其中，设缓冲层高度为H，则第一预设形变量为(1×H)/2；

A3:跑步进行时，使用者踩踏至形变监测单元上，通过形变监测单元计算使用者在当前跑步状态下对缓冲结构单元产生的第二实际形变量；

A4:将步骤A3中的第二实际形变量与第二预设形变量进行对比；若第二实际形变量大于第二预设形变量，则通过形变量调节控制单元调节所述第二实际形变量在预设阈值内；第二预设形变量为(2×H)/3；

A5:计算得出使用者跑步过程中的实际跑步速度、实际步频以及实际步幅；

A6:将实际步频与系统预设同等跑步速度的标准步频进行对比；若实际步频与标准步频不一致，则提醒使用者调整步频；

A7:根据步骤A5中实际的跑步速度调整跑步机跑台的带速；

A8:间隔时间T₁，重复步骤A3至步骤A7。

4.根据权利要求3所述的降低运动损伤的速度自适应跑步机的健身方法，其特征在于：形变监测单元计算第一实际形变量的方法包括如下步骤：

S1：测得在压力传感器未检测到外力作用时，激光测距装置测得的弹力调节层至激光测距装置激光发射端的距离L₁，

S2：测得在压力传感器检测到外力作用时，激光测距装置测得的弹力调节层至激光测距装置激光发射端的距离L₂；并记录压力传感器记录得到的压力值为G₀；

S3：计算第一实际形变量为ΔL＝|L₁﹣L₂|。

5.根据权利要求3所述的降低运动损伤的速度自适应跑步机的健身方法，其特征在于：形变监测单元计算第二实际形变量的方法包括如下步骤：

B1：在使用者跑步过程中，检测压力传感器测得的压力值Gn；当压力值Gn＞1.2G₀时，通过激光测距装置测得的弹力调节层至激光测距装置激光发射端的距离L₃；

B2：计算第二实际形变量为ΔL＇＝|L₃﹣L₁|。

6.根据权利要求3所述的降低运动损伤的速度自适应跑步机的健身方法，其特征在于：步频监测单元监测使用者在跑步时的步频的方法，包括如下步骤：

C1：使用者踩踏在跑步机跑台上，气压传感器检测缓冲腔内气压是否变化；

C2：若检测到缓冲腔内气压有变化；则记录在单位时间T内缓冲腔内的气压变化的数值，形成气压变化曲线；

C3：在气压变化曲线中，找出最大峰值点的总数为N；则步频P＝N。

7.根据权利要求3所述的降低运动损伤的速度自适应跑步机的健身方法，其特征在于：实际跑步速度与跑步机跑台速度自适应调整的方法：

D1：根据气压变化曲线，由气压变化曲线中得出使用者单只脚着地至离地的时间为Tˊ；即曲线中一个周期变化的时间；

D2：使用者的脚踝上设置有加速度传感器；由加速度传感器得到使用者单只脚在时间Tˊ内得到的位移S，即步幅L＝S；

D3：通过步骤D1至步骤D2；得到多组步幅数据(S0,S1,S2……Sn),得到平均步幅值Lˊ＝(S0+S1+S2……Sn)/n；

D4：计算使用者此时的跑步速度Vˊ＝(S0+S1+S2……Sn)P/nT；

D5：调整跑步机的速度与使用者此时的跑步速度一致。

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