JP2009542407A

JP2009542407A - 圧力センサーアレイを用いた自動速度調節トレッドミルおよびファジー論理

Info

Publication number: JP2009542407A
Application number: JP2009519360A
Authority: JP
Inventors: イ、ファ−チョ
Original assignee: インダストリー−アカデミックコーオペレーションファンデーション，ヨンナムユニバーシティー
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2009-12-03
Also published as: KR100716708B1; CN101421008A; EP2038020A4; WO2008007856A1; US20090176629A1; CN101421008B; EP2038020A1

Abstract

【課題】運動者が手動で速度を調節せずに、運動者の運動速度に応じてウォーキングベルトの速度調節が自動制御されるようにする。
【解決手段】本発明は、圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシンおよびその動作方法に関する。この自動速度調節ランニングマシンは、ウォーキングベルトと、運動者の足の荷重を感知して荷重感知信号として出力する多数の圧力センサーからなる圧力センサーアレイと、運動者の歩幅速度および歩幅速度の変化量を格納する歩幅速度状態格納部と、前記荷重感知信号を用いて運動者の歩幅速度を演算した後、以前の歩幅速度と現在の歩幅速度との差を歩幅速度変化量として算出し、運動者の運動中心地点を算出した後、前記歩幅速度変化量と前記運動中心地点を考慮して前記ウォーキングベルトの駆動速度を比例的に加速／減速するアルゴリズムを備えた制御部とを含んでなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシンおよびその動作方法に関するもので、運動者の荷重を感知して歩幅速度変化量および運動中心地点を算出し、ウォーキングベルトの駆動速度を自動制御する技術的特徴を持つ。

一般に、ランニングマシンは、室内で行われるランニングまたはウォーキング運動を可能にする運動器具である。図１（ａ）に示すように、ランニングマシンは、ウォーキングベルト１２と、前記ウォーキングベルト１２を動かす駆動装置と、前記駆動装置を制御する制御手段とを含んでなるが、前記駆動装置はウォーキングベルト１２を支持する多数のローラー、および前記ローラーを駆動させるモーターからなり、制御手段は前記モーターと連係して前記駆動装置を制御する。このような通常のランニングマシンによれば、ユーザが入力モジュール１１を介してモーターを作動させることによりウォーキングベルト１２を動かした後、運動者がウォーキングベルト１２上に乗ってウォーキングベルト１２の駆動速度に合わせて歩いたり走ったりすることにより、運動効果を得る。

したがって、適切な運動効果を得るためには、ウォーキングベルト１２の回転によって運動者が速度を合わせて走らなければならないが、運動速度を変えるためには、ランニングマシンの入力モジュール１１のボタン、ノブなどを操作して回転速度を調節しながら、ウォーキングベルト１２の回転速度に運動者の速度を合わせなければならない。すなわち、運動者が走り中に意図的にランニング速度を変化させるためには、ランニングマシンの入力モジュール１１に位置した速度変換ボタンなどを手動で操作しなければならない。

ところが、前述したように運動者がランニング運動中にランニングマシン速度を手動でボタン操作しなければならない場合、操作上に不便さがあった。特に、均衡を取り難い老若者、子供、およびリハビリの必要な患者の場合、速度調節の後、ウォーキングベルト１２の変化した速度動きによって倒れるおそれがあった。

かかる問題を改善するために、運動者に向かって超音波を放射し、運動者から反射される超音波の到達時間を演算して運動者の位置を把握し、これによりウォーキングベルトの回転速度を加減する方法が開発されたことがある。ところが、この装置では、超音波反射体になる運動者の服装状態または動体の動きによって反射率が異なって運動者の位置測定が困難になり、測定信号が撹乱を受けるなど、実際製品として適用するには限界が多かった。

前述した限界を克服するために、超音波ではなく光センサーを用いて速度制御を行う「運動者の位置を感知するランニングマシンと、このランニングマシンにおける速度／位置適応型制御方法」の発明（韓国特許公開１０−２００２−００１３６４９）などが提案された。すなわち、図１（ｂ）に示すように、ウォーキングベルトの両側辺の一側に発光部１５ａ、他側に受光部１５ｂを有する光センサー１５ａ、１５ｂを用いて運動者の運動位置を把握し、ウォーキングベルトの速度を調節する装置が提案された。すなわち、ウォーキングベルト上で走る運動者の脚によってオフされる光センサーの位置を把握し、運動者が直前の位置より前方に位置すると、ウォーキングベルトの速度を増加させ、運動者が直前の位置より後方に位置すると、ウォーキングベルトの速度を減少させるようにした。ところが、このような光センサーを用いたウォーキングベルトの速度制御方法は、左足と右足の区分なくユーザの足の位置のみを光センサーによって検出して速度を制御するため、不正確な速度制御になるという問題があった。また、発光部１５ａと受光部１５ｂがウォーキングベルトの左右側に設置されているため、発光部１５ａと受光部１５ｂとの距離離隔などの問題により、発光部の光放射が弱いときに正しくユーザの足の位置が検出されないという問題があった。

技術的課題

そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためのもので、その目的は、運動者が手動で速度を調節せずに、運動者の運動速度に応じてウォーキングベルトの速度調節が自動制御されるようにすることにある。

また、本発明の他の目的は、従来の超音波および光センサーを用いることなく、ウォーキングベルトの速度が自動制御されるようにする方案を提供することにある。

技術的解決方法

上記目的を達成するために、本発明の自動速度調節ランニングマシンは、ランニングマシンの底面に設けられ、運動者の歩幅面の役割をするウォーキングベルトと、運動者の足の荷重を感知して荷重感知信号として出力する圧力センサーが前記ランニングマシンの底面と前記ウォーキングベルトとの間に多数の配列として位置している圧力センサーアレイと、前記ウォーキングベルト上で運動する運動者の歩幅速度および歩幅速度の変化量を格納する歩幅速度状態格納部と、前記圧力センサーから荷重感知信号を受信して運動者の歩幅速度を演算した後、以前の歩幅速度と現在の歩幅速度との差を歩幅速度変化量として算出し、前記圧力センサーの固有位置値から運動者の運動中心地点を算出した後、前記歩幅速度変化量と前記運動中心地点を考慮して前記ウォーキングベルトの駆動速度を比例的に加速／減速するアルゴリズムを備えた制御部とを含む。

また、本発明の自動速度調節ランニングマシンは、ランニングマシンの底面に設けられ、運動者の歩幅面の役割をするウォーキングベルトと、運動者の足の荷重を感知して荷重感知信号として出力する圧力センサーが前記ランニングマシンの底面と前記ウォーキングベルトとの間に多数の配列として位置している圧力センサーアレイと、前記ウォーキングベルト上で運動する運動者の歩幅速度および歩幅速度の変化量を格納する歩幅速度状態格納部と、前記圧力センサーから荷重感知信号を受信して運動者の歩幅速度を演算した後、以前の歩幅速度と現在の歩幅速度との差を歩幅速度変化量として算出し、前記圧力センサーの固有位置値から運動者の運動中心地点を算出した後、ファジー化器(fuzzifier)、ルールベース(rule base)、ファジー推論器(fuzzy inference engine)、および非ファジー化器(defuzzifier)を用いたファジー理論に基づいて前記ウォーキングベルトの駆動速度を比例的に加速／減速するアルゴリズムを備えた制御部とを含む。

また、前記圧力センサーアレイは、ウォーキングベルトの縦辺の中央線を基準として右側に設けられ、運動者の右足の荷重を感知する右圧力センサーアレイと、ウォーキングベルトの縦辺の中央線を基準として左側に設けられ、運動者の左足の荷重を感知する左圧力センサーアレイとを含んでなる。

また、前記圧力センサーは、その位置地点を示す固有位置値をそれぞれ持っていることを特徴とする。また、前記歩幅速度は、運動者の歩幅間距離を示す歩幅距離を、運動者の歩幅間動き時間を示す歩幅時間で割って求めること（歩幅速度＝歩幅距離／歩幅時間）を特徴とする。

また、前記歩幅距離は、‘平均離脱地点＝（右足離脱地点＋左足離脱地点）／２’、‘平均接地地点＝（右足接地地点＋左足接地地点）／２’とするとき、‘歩幅距離＝平均接地地点−平均離脱地点’によって求められることを特徴とする。

また、歩幅時間は、‘平均離脱時間＝（右足離脱時間＋左足離脱時間）／２’、‘平均接地時間＝（右足接地時間＋左足接地時間）／２’とするとき、‘歩幅時間＝平均接地時間−平均離脱時間’によって求められることを特徴とする。
また、前記運動中心地点は、‘平均離脱地点＝（右足離脱地点＋左足離脱地点）／２’、‘平均接地地点＝（右足接地地点＋左足接地地点）／２’とするとき、‘運動中心地点＝（平均接地地点＋平均離脱地点）／２’によって求められることを特徴とする。

また、前記制御部は、前記歩幅速度変化量が多いほど、前記運動中心地点がウォーキングベルトの前部であるほどウォーキングベルトの駆動速度を段階的に加速させ、前記歩幅速度変化量が少ないほど、前記運動中心地点がウォーキングベルトの後部であるほどウォーキングベルトの駆動速度を段階的に減少させることを特徴とする。

本発明のランニングマシンの速度調節方法は、運動者の入力操作によってランニングマシンのウォーキングベルトが駆動される第１過程と、４地点（左足接地地点、右足接地地点、左足離脱地点、左足接地地点）の足の歩幅を一つのブロック単位として、一番目のブロックに対する圧力センサーの荷重感知信号を受信する第２過程と、前記一番目のブロックに対して、前記荷重感知信号を用いて運動者の歩幅速度を演算した後、以前の歩幅速度と現在の歩幅速度との差を歩幅速度変化量として算出し、圧力センサーの固有位置値を用いて運動中心地点を算出する第３過程と、前記算出した歩幅速度変化量と前記運動中心地点を考慮して前記ウォーキングベルトの駆動速度を比例的に加速／減速する第４過程と、前記ウォーキングベルトが停止するときまで、次のブロックに対する圧力センサーの荷重感知信号を受信して前記第３過程と前記第４過程を繰り返し行う第５過程とを含む。

有利な効果

上述したように、本発明は、圧力センサーを用いてウォーキングベルトの速度を自動制御することにより、運動者が手動で速度操作を行わなければならないという不便さを解決した。また、圧力センサーを用いて運動者の歩幅速度および運動中心地点を正確に算出することができるため、細密な速度制御を行うことができるという効果がある。

一般なランニングマシンの外観斜視図である。従来の光センサーを用いて速度調節を行うランニングマシンの外観斜視図である。本発明の一実施例によって圧力センサーアレイを用いて速度調節を行うランニングマシンの外観斜視図である。本発明に係る圧力センサーアレイが備えられたウォーキングベルトの正面図である、本発明に係る圧力センサーが備えられたウォーキングベルトの側面図である。本発明の一実施例によって圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシンを示す図である。ウォーキングベルト上における歩幅距離を示す図である。運動中心地点、および歩幅速度変化量に応じてウォーキングベルト速度を調節するための制御表である。本発明の一実施例によって圧力センサーアレイを用いた速度調節過程を示すフローチャートである。歩幅速度変化量のファジーメンバーシップ関数グラフである。運動中心地点のファジーメンバーシップ関数グラフである。図８および図９を用いてウォーキングベルトの加速度を決定するファジーメンバーシップ関数グラフである。本発明によってファジー理論を適用して加速度を決定することを示す表である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加するにおいて、同一の構成要素に対しては、他の図面上に表示されても、できる限り同一の符号を付するようにしていることに留意すべきである。また、本発明を説明するにおいて、関連した公知の機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に乱すおそれがあると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。

図２は本発明の一実施例に係るランニングマシンの外観を示す斜視図である。図２を参照すると、ランニングマシンの底面とウォーキングベルトとの間には圧力センサーアレイが備えられており、ウォーキングベルト上で運動する者の荷重を感知することができる。

前記圧力センサーアレイ２１は、運動者の足の荷重を感知して荷重感知信号として出力する圧力センサーが、前記ランニングマシンの底面と前記ウォーキングベルトとの間に多数の配列として設けられている。ウォーキングベルトの縦辺の中央線を基準として右側の圧力センサーアレイ２３（以下、「右圧力センサーアレイ」という」）は運動者の右足の荷重を感知し、左側の圧力センサーアレイ２２（以下、「左圧力センサーアレイ」という）は運動者の左足の荷重を感知する。

前記圧力センサーアレイ２１の各圧力センサーはそれぞれの固有位置値を持っており、前記圧力センサーが運動者の荷重を感知すると、当該圧力センサーは荷重感知信号を生成してランニングマシン内の制御部に伝送する。制御部は、前記受信した荷重感知信号と当該信号を伝送した圧力センサーの固有位置値を用いて所定の演算を行った後、ウォーキングベルトの速度を制御する。前記圧力センサーの固有位置値の一例を図３（ａ）に示したが、［１，１］圧力センサーは１行１列に位置した圧力センサーの固有位置値であり、［１，２］は１行２列に位置した圧力センサーの固有位置値を示す。また、図３（ｂ）はランニングマシンの側面図を示すが、この図より、ランニングマシンの底面３３とウォーキングベルト３１との間に圧力センサーアレイ３２が備えられていることが分かる。

図４は本発明の一実施例に係るランニングマシンの内部構成を示すブロック図である。

入力部４１は所望の速度またはディスプレイされる画像の種類などを選択するための選択ボタンを備え、ユーザからランニングマシンの制御のための各種要請が入力されるユーザインターフェースである。前記ランニングマシンは、前記選択ボタン以外にも、ＧＵＩ(Graphic User Interface)で実現され、タッチスクリーン方式で各種メニューを選択するように実現できる。また、リモコン動作のランニングマシンの場合には、前記入力部４１はリモコンを介して放射される赤外線信号を受信する赤外線受信機をさらに備え、ユーザからのランニングマシンの制御のための各種要請を前記リモコンから入力できる。

表示部４２は、ＴＦＴ−ＬＣＤなどのディスプレイ装置であって、運動時の心拍数、運動距離、運動時間、消耗カロリー、速度などの各種運動情報を表示する。運動者は、前記表示部にディスプレイされる各種運動情報をみて自分の現在運動状態を知ることができる。

音響出力部４３は、音響を出力するスピーカで実現され、運動時の心拍数、運動距離、運動時間、消耗カロリー、速度などの各種運動情報および操作案内を音声として出力する機能を行う。

本発明におけるランニングマシンは、前記入力部４１、表示部４２、音響出力部４３などのランニングマシンの一般な基本構成部以外にも、ウォーキングベルト４４、圧力センサーアレイ４７、歩幅速度状態格納部４８、制御部４０に発明の特徴を持っているが、以下、前記ウォーキングベルト４４、圧力センサーアレイ４７、歩幅速度状態格納部４８、制御部４０について詳述する。

ウォーキングベルト４４は、運動者の運動が行われるランニングマシンの底部の移動ベルトである。前記ウォーキングベルト４４は、ローラー４６の回転動作によって駆動される。前記ローラー４６は、ランニングマシンのウォーキングベルト４４を駆動させる回転移送体であって、ローラー４６の回転動作によってウォーキングベルト４４が駆動される。モーター４５は、電磁気力によって回転する駆動回転体であって、軸を介して前記ローラー４６と連結され、ローラーの回転を担当する。前記モーター４５の回転数（ＲＰＭ）は制御部４０の駆動電力信号に応じて異なる。前記制御部４０は、運動者が速い速度でウォーキングベルトを走っているときにはモーター４５のＲＰＭを高め、運動者が遅い速度でウォーキングベルトを走っているときにはモーター４５のＲＰＭを低めて、運動者のテンポに合わせる動作を行う。運動者の運動速度感知は、ウォーキングベルト４４の下部にある圧力センサーアレイ４７によって感知されるが、制御部４０は、前記圧力センサーアレイ４７から感知される荷重感知信号を用いて所定の演算を行った後、モーターのＲＰＭを制御する。

圧力センサーアレイ４７は、多数の圧力センサーが配列されている装置であって、運動者の足の荷重を感知して運動者の現在位置を感知する。前記圧力センサーアレイ４７を構成する圧力センサーは、圧力が加えられるときに抵抗の変化を感知することにより、圧力センサーに伝わる荷重を感知するセンサーである。運動者の足がウォーキングベルト４４に接触するとき、当該位置の圧力センサーがこれを感知する。

前記圧力センサーの配列からなる圧力センサーアレイ４７は、図２に示すように、ウォーキングベルトの基準線の右側に備えられる右圧力センサーアレイ２３は運動者の右足の荷重を感知し、ウォーキングベルトの基準線の左側に備えられる左圧力センサーアレイ２２は運動者の左足の荷重を感知する。よって、前述したように右圧力センサーアレイ２３および左圧力センサーアレイ２２で運動者の荷重を感知すると、荷重を感知した圧力センサーアレイ内の当該各圧力センサーは、荷重感知信号を生成して制御部４０に伝送する。

歩幅速度状態格納部４８は、ＲＡＭ(Random Access Memory)などの一時記録バッファ媒体であって、制御部４０によって演算された歩幅速度および歩幅速度変化量を格納する機能を行う。制御部４０は、前記歩幅速度変化量を用いてウォーキングベルトの駆動速度を制御する。前記歩幅速度および歩幅速度変化量の算出方法については下記の式７および式８に基づいて詳述する。

制御部４０は、前記各機能部を制御してウォーキングベルトを駆動させ、運動者の運動速度に応じてウォーキングベルトの速度を自動調節するアルゴリズムを備える。すなわち、右圧力センサーアレイ２３と左圧力センサーアレイ２２内の各圧力センサーが荷重を感知して荷重感知信号として制御部に伝送すると、前記制御部４０は、前記荷重感知信号を用いて歩幅距離および歩幅時間を演算し、演算された歩幅距離および歩幅時間を用いてウォーキングベルトの速度を制御する。

ウォーキングベルトにおける運動者の歩幅を示す図５を参照して前記歩幅距離を説明する。前記歩幅距離とは、運動者がウォーキングベルト上を走るときの運動者の足の歩幅距離をいうもので、運動者の足がウォーキングベルトから離脱する平均離脱地点５５から次の歩幅時の平均接地地点５４までの距離５３（歩幅距離＝平均離脱地点−平均接地地点）を意味する。前記平均離脱地点５５は両足５６ｂ、５７ｂの離脱地点を平均した値であり、前記平均接地地点５４は両足５６ａ、５６ｂの接地地点を平均した値である。もし運動者の足５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄが図５に示すように多数の圧力センサーに接触したときは、運動者の足を感知した圧力センサーのうち最も上側にある圧力センサーを基準として離脱地点または接地地点として決定する。

一方、制御部４０は、図５に示すように、４地点（左足接地地点、右足接地地点、左足離脱地点、左足接地地点）の足の歩幅を一つのブロック単位５１、５２として、ブロック単位で持続的に前記平均離脱地点および前記平均接地地点を計算する。したがって、制御部は、ウォーキングベルト上で感知される歩幅を４つの単位としてブロック５１、５２をそれぞれ形成し、各ブロック５１、５２別に平均離脱地点および平均接地地点を計算する。

前記平均離脱地点５５を演算するための式は下記式１、前記平均接地地点を演算するための式は下記式２でそれぞれ表わされる。また、前記平均離脱地点および前記平均接地地点を用いて歩幅距離を求める式は下記式３で表わされる。

［式１］
平均離脱地点＝（右足離脱地点＋左足離脱地点）／２
（式中、右足離脱地点は右足がベルトから離脱するときの地点、左足離脱地点は左足がベルトから離脱するときの地点）
［式２］
平均接地地点＝（右足接地地点＋左足接地地点）／２
（式中、右足接地地点は右足がベルトに接触するときの地点、左足接地地点は左足がベルトに接触するときの地点）
［式３］
歩幅距離＝平均接地地点−平均離脱地点
制御部は式３によって歩幅距離を演算するが、同様の方式で、制御部は接地時間および離脱時間を用いて歩幅時間を演算することができる。前記歩幅時間は運動者がウォーキングベルトを走るときの運動者の足の歩幅動き時間をいうものであって、運動者の足がウォーキングベルトから離脱する時間である平均離脱時間から、次の歩幅時の足がウォーキングベルトに接触するときの時間である平均接地時間までかかる時間（歩幅時間＝平均離脱時間−平均接地時間）を意味する。前記平均離脱時間は両足の離脱時間を平均した値であり、前記平均接地時間は両足の接地時間を平均した値である。
一方、制御部は、図５に示すように、４地点（左足接地地点５６ａ、右足接地地点５７ａ、左足離脱地点５６ｂ、左足接地地点５６ａ）の足の歩幅を一つのブロック単位５１、５２にして、前記平均離脱時間および平均接地時間を持続的に計算する。よって、制御部４０は、ウォーキングベルト上で感知される歩幅を４つの単位としてブロック５１、５２をそれぞれ形成し、各ブロック別に平均離脱時間および平均接地時間を計算する。
前記平均離脱時間を演算するための式は下記式４、前記平均接地時間を演算するための式は下記式５でそれぞれ表わされる。また、前記平均離脱時間および平均接地時間を用いて歩幅時間を求める式は下記式６で表わされる。
［式４］
平均離脱時間＝（右足離脱時間＋左足離脱時間）／２
（式中、右足離脱時間は右足がベルトから離脱するときの時間であり、左足離脱時間は左足がベルトから離脱するときの時間である。）
［式５］
平均接地時間＝（右足接地時間＋左足接地時間）／２
（式中、右足接地時間は右足がベルトに接触するときの時間であり、左足接地時間は左足がベルトに接触するときの時間である。）
［式６］
歩幅時間＝平均接地時間−平均離脱時間
式３と式６を用いて歩幅距離および歩幅時間を求めた後には、下記式７のように前記歩幅距離を歩幅時間で割って歩幅速度を計算する。
［式７］
歩幅速度＝歩幅距離／歩幅時間
前記歩幅速度は、図５に示すように第１ブロック５１に対する歩幅速度が求められた後、次いで第２ブロック５２に対する歩幅速度、第３ブロックに対する歩幅速度が継続的に順次求められる。
前記歩幅速度が求められた後には、現在ブロックＮの歩幅速度と以前ブロックＮ−１の歩幅速度との差を求めて歩幅速度変化量を求める。すなわち、前記歩幅速度変化量は下記式８によって求められる。
［式８］
歩幅速度変化量＝‘Ｎ’ブロックの歩幅速度−‘Ｎ−１’ブロックの歩幅速度
前述したようにブロック別に測定されたブロック速度および歩幅速度変化量は、歩幅速度状態格納部に格納される。前記歩幅速度状態格納部の格納の一例を下記表１に示した。

一方、制御部４０は前記各ブロック当り運動中心地点を算出するが、前記運動中心地点は、各ブロック当り運動者の位置地点を示す値であって、下記式９によって求める。前記運動中心地点５８は、図５に示すように、平均接地地点５４と平均離脱地点５５の平均値であって、運動者の足を感知する図３（ａ）に示した各圧力センサーの固有位置値を用いて把握することができる。

［式９］
運動中心地点＝（平均接地地点＋平均離脱地点）／２
一方、制御部４０は、式７で求めた歩幅速度、式８で求めた歩幅速度変化量、式９で求めた運動中心地点を用いてウォーキングベルトの駆動速度を制御するが、運動者の運動中心地点および運動速度変化量を考慮してウォーキングベルトの駆動速度を比例的に制御する。すなわち、運動中心地点がウォーキングベルトの前部から検出されると同時に運動速度変化量が大きいときには、ウォーキングベルトを加速させてさらに速く駆動させ、運動中心地点がウォーキングベルトの後部から検出されると同時に運動速度変化量が小さいときには、ウォーキングベルトを減速させてさらに遅く駆動させる。

前記制御方法の一例を図６の表に示した。

図６を参照すると、運動中心地点がウォーキングベルトの全長の４／５以上の位置で検出されると、運動者がウォーキングベルトの最上端で運動していることを示すので、これに応じてウォーキングベルトの加速を調節するのである。例えば、運動者がウォーキングベルトの最上端で運動している場合、歩幅速度変化量が最も大きいときには最高加速（３レベル）を行い、それより小さいときには普通加速、それよりさらに小さいときには最低加速（−３レベル）を行うなど、比例的にウォーキングベルトの駆動速度を制御する。

一方、図６の表は運動中心地点を５段階、運動速度変化量を５段階、ウォーキングベルトの速度を７段階（３レベル、２レベル、１レベル、０レベル、−１レベル、−２レベル、−３レベル）にして具現した表であるが、これは一つの一実施例であって、多様な段階区分でウォーキングベルトの駆動速度制御が可能なのは自明なことである。

図７は本発明の実施例に係る制御部のウォーキングベルト駆動速度制御過程を示すフローチャートである。

ユーザが入力部の操作を介してウォーキングベルトを駆動（Ｓ７１）させると、圧力センサーアレイは運動者の足の荷重を感知（Ｓ７２）する。前記圧力センサーアレイそれぞれの圧力センサーが運動者の足の荷重を感知して荷重感知信号を出力し続けると、制御部は、運動者の足の歩幅の第１ブロックに該当する荷重感知信号を受信（Ｓ７３）し、式８による歩幅速度変化量、式９による運動中心地点を演算（Ｓ７４）する。

制御部は、前記演算した歩幅速度変化量、運動中心地点に応じて比例的に駆動速度を制御（Ｓ７５）する。例えば、図６の表による駆動速度制御を行うと仮定する場合、運動者がウォーキングベルトの最上端で運動しているとき、歩幅速度変化量が最も大きいときには最高加速を行い、それより小さいときには普通加速、それよりさらに小さいときには最低加速を行うなど、ウォーキングベルトの駆動速度を比例的に制御する。

前記ウォーキングベルトの駆動速度制御（Ｓ７５）が行われた後には、ユーザの操作によってウォーキングベルトが停止する前まで続けて次のブロックの荷重感知信号を用いて（Ｓ７７）歩幅速度変化量、運動中心地点を演算した後（Ｓ７４）、ウォーキングベルトの駆動速度を制御（Ｓ７５）する。

一方、図７のフローチャートのようにウォーキングベルト速度を制御することもできるが、本発明の他の実施例として、ファジー理論を用いて運動速度を制御することもできる。前記ファジー理論は、あいまいで不明な状況でこれを数学的に接近する理論であって、ファジー化器、ルールベース、ファジー推論器および非ファジー化器を用いてファジー制御が行われる。本発明は、別の実施例として、前記公知のファジー化器、ルールベース、ファジー推論器および非ファジー化器を持つ制御部を用いて、ファジー理論によるウォーキングベルト速度を制御する。次に、ファジー理論を用いたウォーキングベルトの速度制御を図８、図９および図１０を参照して説明する。

図８は歩幅速度変化量のファジーメンバーシップ関数グラフであり、図９は運動中心地点のファジーメンバーシップ関数グラフであり、図１０は図８および図９を用いてウォーキングベルトの加速度を決定するグラフである。図８、図９および図１０を参照してファジー理論を用いたウォーキングベルト速度制御について簡略に説明する。

図８の歩幅速度変化量のファジーメンバーシップ関数グラフを参照すると、歩幅速度によってメンバーシップ関数が決定されるが、例えば、破線部分の歩幅速度を持つ場合、「変化なし」メンバーに０．７比重を有すると同時に、「遅くなる」メンバーに０．３の比重を有する。同様に、図９の運動中心地点のファジーメンバーシップ関数グラフを参照すると、破線部分の運動中心地点を持つ場合、「前方」メンバーに０．９の比重を有すると同時に、「非常に後方」メンバーに０．１の比重を有する。前記メンバー値を用いてウォーキングベルトの加速度の非ファジー化（本発明では重心法を適用）を行うと、重心法によって図１０のような加速度を決定することができる。

前述したようなファジー理論によるウォーキングベルト加速度の決定を図１１の表に示した。図１１を参照すると、ファジー理論を用いたウォーキングベルト速度制御は、安全を考慮して運動中心地点を中央より後方ではより大きい加速がなされないように調整し、運動中心地点と歩幅速度変化を考慮して多少調整してもよい。

上述した本発明の説明では、具体的な実施例について説明したが、本発明の範囲から外れることなく様々な変形が可能である。したがって、本発明の特許範囲は前述した実施例によって定めるのではなく、特許請求の範囲だけでなく、均等範囲にも及ぶことは自明であろう。

本発明は、運動者が手動で速度を調節せず、運動者の運動速度に応じてウォーキングベルトの速度調節が自動制御されるようにすることにより、運動の便宜性を増大させる。また、従来の超音波および光センサーを用いることなく、ウォーキングベルトの速度が自動制御されるようにして、製作の簡便化および製作コストの節減を図ることができる。

Claims

ランニングマシンの底面に設けられ、運動者の歩幅面の役割をするウォーキングベルトと、
運動者の足の荷重を感知して荷重感知信号として出力する圧力センサーが前記ランニングマシンの底面と前記ウォーキングベルトとの間に多数の配列として位置している圧力センサーアレイと、
前記ウォーキングベルト上で運動する運動者の歩幅速度および歩幅速度の変化量を格納する歩幅速度状態格納部と、
前記圧力センサーから荷重感知信号を受信して運動者の歩幅速度を演算した後、以前の歩幅速度と現在の歩幅速度との差を歩幅速度変化量として算出し、前記圧力センサーの固有位置値から運動者の運動中心地点を算出した後、前記歩幅速度変化量と前記運動中心地点を考慮して前記ウォーキングベルトの駆動速度を比例的に加速／減速するアルゴリズムを備えた制御部とを含むことを特徴とする、圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシン。
ランニングマシンの底面に設けられ、運動者の歩幅面の役割をするウォーキングベルトと、
運動者の足の荷重を感知して荷重感知信号として出力する圧力センサーが前記ランニングマシンの底面と前記ウォーキングベルトとの間に多数の配列として位置している圧力センサーアレイと、
前記ウォーキングベルト上で運動する運動者の歩幅速度および歩幅速度の変化量を格納する歩幅速度状態格納部と、
前記圧力センサーから荷重感知信号を受信して運動者の歩幅速度を演算した後、以前の歩幅速度と現在の歩幅速度との差を歩幅速度変化量として算出し、前記圧力センサーの固有位置値から運動者の運動中心地点を算出した後、ファジー化器(fuzzifier)、ルールベース(rule base)、ファジー推論器(fuzzy inference engine)、および非ファジー化器(defuzzifier)を用いたファジー理論に基づいて前記ウォーキングベルトの駆動速度を比例的に加速／減速するアルゴリズムを備えた制御部とを含むことを特徴とする、圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシン。
前記圧力センサーアレイは、
ウォーキングベルトの縦辺の中央線を基準として右側に設けられ、運動者の右足の荷重を感知する右圧力センサーアレイと、
ウォーキングベルトの縦辺の中央線を基準として左側に設けられ、運動者の左足の荷重を感知する左圧力センサーアレイとを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシン。
前記圧力センサーは、位置地点を示す固有位置値をそれぞれ持っていることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシン。
前記歩幅速度は、運動者の歩幅間距離を示す歩幅距離を、運動者の歩幅間動き時間を示す歩幅時間で割って求めること（歩幅速度＝歩幅距離／歩幅時間）を特徴とする、請求項１または２に記載の圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシン。
前記歩幅距離は、‘平均離脱地点＝（右足離脱地点＋左足離脱地点）／２’、‘平均接地地点＝（右足接地地点＋左足接地地点）／２’とするとき、‘歩幅距離＝平均接地地点−平均離脱地点’によって求められることを特徴とする、請求項５に記載の圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシン。
前記歩幅時間は、‘平均離脱時間＝（右足離脱時間＋左足離脱時間）／２’、‘平均接地時間＝（右足接地時間＋左足接地時間）／２’とするとき、‘歩幅時間＝平均接地時間−平均離脱時間’によって求められることを特徴とする、請求項５に記載の圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシン。
前記運動中心地点は、‘平均離脱地点＝（右足離脱地点＋左足離脱地点）／２’、‘平均接地地点＝（右足接地地点＋左足設置地点）／２’とするとき、‘運動中心地点＝（平均接地地点＋平均離脱地点）／２’によって求められることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシン。
前記制御部は、前記歩幅速度変化量が多いほど、前記運動中心地点がウォーキングベルトの前部であるほどウォーキングベルトの駆動速度を段階的に加速させ、前記歩幅速度変化量が少ないほど、前記運動中心地点がウォーキングベルトの後部であるほどウォーキングベルトの駆動速度を段階的に減少させることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧力センサーアレイを用いた自動速度調節ランニングマシン。
運動者の入力操作によってランニングマシンのウォーキングベルトが駆動される第１過程と、
４地点（左足接地地点、右足接地地点、左足離脱地点、左足接地地点）の足の歩幅を一つのブロック単位として、一番目のブロックに対する圧力センサーの荷重感知信号を受信する第２過程と、
前記一番目のブロックに対して、前記荷重感知信号を用いて運動者の歩幅速度を演算した後、以前の歩幅速度と現在の歩幅速度との差を歩幅速度変化量として算出し、圧力センサーの固有位置値を用いて運動中心地点を算出する第３過程と、
前記算出した歩幅速度変化量と前記運動中心地点を考慮して前記ウォーキングベルトの駆動速度を比例的に加速／減速する第４過程と、
前記ウォーキングベルトが停止するときまで、次のブロックに対する圧力センサーの荷重感知信号を受信して前記第３過程と前記第４過程を繰り返し行う第５過程とを含むことを特徴とする、圧力センサーアレイを用いたランニングマシンの速度調節方法。
前記歩幅速度は、運動者の歩幅間距離を示す歩幅距離を、運動者の歩幅間動き時間を示す歩幅時間で割って求めること（歩幅速度＝歩幅距離／歩幅時間）を特徴とする、請求項１０に記載の圧力センサーアレイを用いたランニングマシンの速度調節方法。
前記歩幅距離は、‘平均離脱地点＝（右足離脱地点＋左足離脱地点）／２’、‘平均接地地点＝（右足接地地点＋左足接地地点）／２’とするとき、‘歩幅距離＝平均接地地点−平均離脱地点’によって求められることを特徴とする、請求項１１に記載の圧力センサーアレイを用いたランニングマシンの速度調節方法。
前記歩幅時間は、‘平均離脱時間＝（右足離脱時間＋左足離脱時間）／２’、‘平均接地時間＝（右足接地時間＋左足接地時間）／２’とするとき、‘歩幅時間＝平均接地時間−平均離脱時間’によって求められることを特徴とする、請求項１１に記載の圧力センサーアレイを用いたランニングマシンの速度調節方法。
前記運動中心地点は、‘平均離脱地点＝（右足離脱地点＋左足離脱地点）／２’、‘平均接地地点＝（右足接地地点＋左足設置地点）／２’とするとき、‘運動中心地点＝（平均接地地点＋平均離脱地点）／２’によって求められることを特徴とする、請求項１０に記載の圧力センサーアレイを用いたランニングマシンの速度調節方法。
前記制御部は、前記歩幅速度変化量が多いほど、前記運動中心地点がウォーキングベルトの前部であるほどウォーキングベルトの駆動速度を段階的に加速させ、前記歩幅速度変化量が少ないほど、前記運動中心地点がウォーキングベルトの後部であるほどウォーキングベルトの駆動速度を段階的に減少させることを特徴とする、請求項１０に記載の圧力センサーアレイを用いたランニングマシンの速度調節方法。