TWI832584B

TWI832584B - 智能跑步機

Info

Publication number: TWI832584B
Application number: TW111145406A
Authority: TW
Inventors: 廷弼蘇
Original assignee: 陳潔玲; 廷弼蘇
Priority date: 2022-11-25
Filing date: 2022-11-25
Publication date: 2024-02-11

Abstract

本發明提供一種智能跑步機，包括觸控顯示器、發射接收器、發動機、電力電子驅動器、控制面板、反射器、三對測距桿。利用安裝在智能跑步機上的發射接收器，通過跑步者腰間配戴的腰帶反射器用於距離測量，以調節傳送帶速度，使傳送帶速度緊跟跑步者跑速。另外，用户透過互聯網可下載應用程式，供智能跑步機因應程式模擬賽道上的狀況，調節跑步平台的傾斜度，周圍環境的聲音、光暗，通過智能跑步機觸控顯示器上的揚聲器發出聲音和控制面板上的風扇速度亦進行相應調整，以反映視頻顯示的環境，模擬真實的自然環境，同時本發明的智能跑步機可連線其他智能跑步機，使用户和伙伴可處於所選同一跑道上顯示實時位置。本發明的智能跑步機能夠使用户在跑步的同時體驗不同的環境場景，不同的氣候場景，體驗模式多樣化，和傳送帶速度與音樂的BMP節拍同步功能增強跑步趣味性。

Description

智能跑步機

本發明涉及健身器材技術領域，特別是一種傳送帶能自由調節跟踪跑步者跑速的智能跑步機。

隨著人們生活水平的不斷提高，人們開始了更多的體育鍛煉和對強身健體的需求不斷增長，跑步機也開始流行起來。

目前市場上的跑步機大多以單調的機械結構為主，在用戶體驗性上沒有實質上的創新，而且存在以下缺點：

1.傳統跑步機活動空間只局限於室內，周邊環境和溫度等不會產生改變，活動時間一長便會覺得沉悶失去了樂趣，與室外跑步比較起來有著局限性。

2.傳統跑步機四周場景以室內環境為主，不能隨著跑步者運動而改變，使場景單一。

3.傳統跑步機只能以腳步手動輸入程式指令操作傳送帶速度為主的單一模式，並不能很好的模仿真實户外跑步的體驗模式和跑步者在户外跑步的速度不斷變化，以使操作單一，體驗感差。

4.傳統跑步機為單人的運動模式，只能作單獨一人跑步，不能與其他伙伴同時進行，對於有更多個性化需求的用户不足以滿足，容易乏味。

5.傳統跑步機的設計是以恆速或分段恆速設置，用户以手動輸入程式調整傳送帶改變速度，但它是分段恆定的，這種恆速運行嚴格限制了用户的步速，容易導致用户失去平衡或帶來不舒適的感覺。

6.大多數的用户在使用跑步機時都喜歡聽音樂，但由於傳統的跑步機的速度都是手動控制，一般都不能與用户的音樂作同步，即音樂節奏與跑步機的速度不協調，很難將步速與音樂節奏同步以帶出歡樂。

7.傳統跑步機的動力驅動器都是使用額定電壓從80V到260V左右的直流電機，它們不節能，不能快速加速或減速，而且該種直流電機都是磁場在定子式，電刷和換向器之間的接觸損耗很高，無法控制直流電機的最佳能量運用。因此本發明正好針對上述缺點而作出進一步的解決方案。

本發明的目的在於提供一種智能跑步機，其允許傳送帶通過調節自身的速度，自動跟蹤並動態地固定跑步者相對於智能跑步機靜止參考點的位置。另外，跑步者通過視頻、平台傾斜度、風扇速度、聲音和照明實時感知周圍模擬户外環境改變如實地展現，如置身實際自然環境下跑步。同時本發明的智能跑步機可連線其他智能跑步機，使跑步者和伙伴可處於所選同一跑道上顯示實時位置。本發明的智能跑步機能夠使跑步者在跑步的同時體驗不同的環境場景，不同的氣候場景，體驗模式多樣化，增強跑步趣味性，同時能夠智能操控該智能跑步機系統，提高跑步者的體驗滿意度。

為了達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

一種智能跑步機系統，其包括觸控顯示器、發射接收器、發動機、電力電子驅動器、控制面板、反射器以及三對測距桿。

其中，所述的觸控顯示器設有一對揚聲器和一盞可調光燈，用以顯示從互聯網下載的室外跑道周圍環境的視頻和顯示跑步者當前位置的簡單地圖。

進一步地，所述發射接收器用於距離測量，其係能發射和接收雷射激光束以測量其與跑步者身上的反射器之間的準確距離，並能藉由辨識跑步者的動態位置以調整傳送帶的速度，保持跑步者在跑步機上的舒適距離。

進一步地，所述發動機是矢量控制脈寬調製的二或三相無刷直流電機或永磁同步電機，由電力電子驅動器供電。

進一步地，所述的電力電子驅動器從標準單相或三相電源獲取電力，具體取決於智能跑步機馬力。

進一步地，控制面板是控制跑步機速度的人機界面，其帶有儀表板、循環風扇並具有本發明的附加功能，用以控制智能跑步機的速度並具有額外的控制特徵以調節傳送帶的速度以將跑步者固定在距發射接收器或多或少恆定距離。

進一步地，所述的反射器配戴在跑步者腰帶上，用於反射來自發射接收器的雷射光束。

進一步地，所述的三組對測距桿安裝在所述智能跑步機平台的兩側，且各對測距桿分別於兩側配備有雷射發射接收器和反射器。

進一步地，所述的每對測距桿中的每一根桿位於傳送帶的兩側，各對測距桿可以在傳送帶所在的平台下方之一軌道上沿著平台移動。各對測距桿的初始位置是預設的，跑步者可以稍微調整位於前端之該對測距桿和位於中央之該對測距桿的位置，但不能調整位於尾端之該對測距桿的位置。在平台一側的各該測距桿上安裝有障礙物傳感裝置，各該傳感裝置有兩個發射接收器，分別定為(ATR)和(BTR)，A高於B且分別以約300mm和150mm的高度高於傳送帶表面。在平台另一側的各該測距桿上，在兩個發射接收器的同一水平面上設有兩個反射器，分別定為(AR)和(BR)。雷射光束從一側的發射接收器(ATR)和(BTR)投射到另一側的反射器(AR)和(BR)，然後反射返回並由發射接收器(ATR)和(BTR)接收。這種佈置同樣適用於前端和中央測距桿。這樣的六組發射接收器及反射器可以利用雷射光束檢測到在其彼此間的任何阻擋。

進一步地，所述的智能跑步機還包括在短時間內自動停止傳送帶裝置的自動停止手段，其係利用位於尾端之該對測距桿上的兩個障礙物傳感裝置中的任何一個激活，與其他裝置組合或分離，進行緊急停止。

本發明的智能跑步機相比傳統跑步機具有如下特點：

1.跑步者可以免手動自動改變智能跑步機傳送帶速度，利用安裝在智能跑步機上的發射接收器，通過跑步者腰間配戴的腰帶反射器用於距離測量，其發射和接收雷射光束以幫助估計反射器和跑步者之間的準確距離，以調節傳送帶速度，使傳送帶速度緊跟跑步者跑速。

2.智能跑步機上設置的三對測距桿可以有效地對確定跑步者位置的大致範圍。因此，實際上有兩種方法可以檢測跑步者的位置，這兩種方法可以同時使用來調整傳送帶的速度，以確保跑步者無論自己的跑步速度如何，都能處於幾乎相同的動態位置。

3.跑步者可透過互聯網下載應用程式於智能跑步機內，智能跑步機會因應程式模擬賽道上的狀況，調節傳送帶的傾斜度，周圍環境的聲音、光暗，通過智能跑步機觸控顯示器上的揚聲器發出聲音和控制面板上的風扇速度亦進行相應調整。

4.模擬賽道會透過應用程式不定期更新，出現不同季節的風景和氣候，給予跑步者新鮮的感覺。

5.跑步者在智能跑步機上的運動信息傳送到其他移動智能終端和其他智能跑步機上，並能接收他們發送過來的信息，完成多跑步者之間的互動。

6.跑步者使用同一模擬賽道在不同跑步機上互通用户的實時位置，在觸控顯示器上顯示所有跑步者的更新位置，允許同一組多名跑步者在其對應的智能跑步機在相同的模擬賽道上跑步，交換不同跑步者的實時位置，並以不同顏色顯示不同跑步者在賽道地圖上的位置。

7.本發明智能跑步機還涉及音樂節拍(BPM)測量，以手動輸入或自動檢測，當系統接收到音樂節拍(BPM)測量數據後，傳送帶速度就會得到控制，以相應控制傳送帶速度與跑步者的步速和音樂節奏實現同步。

1:觸控顯示器

2:發射接收器

3:發動機

4:電力電子驅動器

5:控制面板

6:反射器

7、8、9:測距桿

下面將簡要說明本申請所使用的附圖，顯而易見地，這些附圖僅用於解釋本發明的構思。

[圖1]為本發明智能跑步機的結構示意圖；

[圖2]為本發明的智能跑步機的位置測量機制示意圖；

[圖3]為本發明的智能跑步機的觸控顯示器示意圖；

[圖4]是本發明的智能跑步機雷射反射法測距第一實施例示意圖；

[圖5]是本發明的智能跑步機的三對測距桿的第二實施例示意圖。

在下文中，將參照附圖描述本發明的智能跑步機的實施例。

在此記載的實施例為本發明的特定的具體實施方式，用於說明本發明的構思，均是解釋性和示例性的，不應解釋為對本發明實施方式及本發明範圍的限制。除在此記載的實施例外，本領域技術人員還能夠基於本說明書所公開的內容採用顯而易見的其它技術方案，這些技術方案包括對在此記載的實施例做出任何顯而易見的替換和修改的技術方案。

本說明書的附圖為示意圖，輔助說明本發明的構思，示意性地表示各部分的相互關係。請注意，為了便於清楚地表現出本發明實施例的各部分的關係。相同或相似的參考標記用於表示相同或相似的部分。

如圖1所示本發明的智能跑步機，其包括觸控顯示器1、發射接收器2、發動機3、電力電子驅動器4、控制面板5、反射器6、測距桿7、測距桿8和測距桿9。所述的觸控顯示器1內置風扇、一對揚聲器和一盞可調光燈。所述發射接收器2置於觸控顯示器1下方，以發射和接收雷射光束測量反射器和跑步者之間距離。所述發動機3是無刷直流電機或永磁同步電機置於智能跑步機傳送帶前端與電力電子驅動器4連接供電。所述的反射器6配戴在跑步者腰帶上，用於反射來自發射接收器2的雷射光束。所述的測距桿7、測距桿8和測距桿9裝在智能跑步機平台的兩側，配備有雷射發射接收器和反射器。

如圖2所示本發明的智能跑步機的位置測量機制，所述的發射接收器2連續發射雷射光束，該雷射光束被跑步者腰帶上的反射器6反射並被發射接收器2接收。基本上是測量跑步者腹部的瞬時位置，即使跑步者的姿勢發生變化，腹部也或多或少保持在相同的位置。一旦計算了反射器6的準確位置，跑步者的重心位置通過加上人體厚度的一半來計算。另一方面，同時根據三個位置的測距桿7、測距桿8和測距桿9位置測量，每個桿具有兩個發射接收器和反射器A和B，具體取決於圖中顯示的是智能跑步機的哪一側。

所述的智能跑步機包括一個或多個精確測量跑步者與跑步機前部之間的距離或確保跑步者動態地被保持在兩對測距桿桿之間的裝置。所述智能跑步機使用安裝在控制面板5正下方的雷射發射接收器2。雷射發射接收器2的高度可調節以適應反射器6的水平。雷射發射接收器2測量從自身到跑步者腰部或身體其他部位配備反射器6的距離，因此只有一個反射點。如果發射接收器2發射的雷射光束意外地對不到反射器6，則傳送帶速度保持不變。

如圖3顯示了跑步者在有或沒有夥伴的情況下沿著預先設定的跑道跑步時觸控顯示器1上的正常顯示。在顯示器左側，顯示出一個簡單的地圖，路徑，並指示了起點/終點。比如跑道上的圓點，可用不同顏色分別表示跑步者的實時位置和通過互聯網檢索到的其他夥伴的實時位置。這樣，跑步者就可以知道他當前的位置以及夥伴的位置，像路線圖上的GPS導航。地圖下方顯示包括了但不限於跑步者的實時速度、全組成員的平均速度、完成賽道的百分比、完成整條賽道的剩餘時間等參數。在顯示器右側，顯示了與跑步者當前速度和位置同步的賽道上的真實周圍環境的視頻片段。如果跑步者跑得更快，則視頻播放得更快，反之亦然。

所述在顯示器上的視頻和地圖上顯示不同跑步者的顏色圓點同步匹配的計算如下：

踩踏自然環境軌跡的視頻由服務提供商的移動攝像機在恆定的移動速度V _f下拍攝，例如0.5m/s，使用恆定的幀速率f _r，例如每秒25幀，如示例，但V _f和f _r可能還有其他選擇。當t=0秒時，從跑道的起點估計跑步者在任何時刻t在模擬跑道上的瞬時位置p(t)，以米為單位的實數，時間是自跑步者開始踏上智能跑步機時起計算，一直追蹤。如果已知並記錄跑步者在智能跑步機上的瞬時踏速，s(t)基於幾乎等於v(t)，則s(t)為跑步者速度，v(t)為傳送帶速度，p(t)估計為：

。

由於視頻是由移動攝像機在恆定速度V _f下拍攝的，因此視頻上的每一幀都對應於跑道上的特定位置，因為在視頻上前進一幀意味著將跑道前進V _f/f _r米。在這種情況下，p(t)實際上與(p*f _r)/V _f相關，四捨五入到最接近的整數後，即視頻片段上的當前幀號。這樣的幀數也相當於線性時間碼格式的視頻時間碼。智能跑步機的控制器繼續跟踪v(t)(由系統根據傳送帶上的距離測量控制)變化，因此跟踪p(t)以及從t=0s開始時經過的幀數。如果L是整個賽道的總長度，則跑步者當前完成的百分比如圖3所示在觸控顯示器1上的計算公式為(p/L)*100%。正是這個值p(t)被智能跑步機的控制系統用作標籤來推進視頻片段並改變環境背景，例如智能跑步機平台的坡度、環境聲音、音樂、循環風扇的速度，以及照明等，與跑步者的經驗同步，參考以下列表，該表是從特定賽道的“移動應用程序”下載的。下列表包括環境背景控制的那些參數。

基本上，視頻的播放速度與v(t)同步，由下式給出：[v(t)/V _f]*[正常播放速度等於拍攝速度]，而視頻的精確瞬時場景與p(t)同步。

而且用户(跑步者)可透過互聯網下載應用程式於智能跑步機內，智能跑步機會因應程式模擬賽道上的狀況，調節跑步平台的傾斜度，周圍環境的聲音、光暗，通過智能跑步機觸控顯示器1上的揚聲器發出聲音和控制面板5上的風扇速度亦進行相應調整，以反映視頻顯示的環境，模擬真實的自然環境。所述的模擬賽道會不定期更新，提供同一賽道不同季節和風景可供下載。

如圖4所示了，當跑步者佩戴的腰帶上的反射器6用於反射發射接收器2發射的雷射光束時，如何控制傳送帶速度和跑步者相對位置動態控制的參數。

所述的智能跑步機利用跑步者的這個或多個測量距離來改變傳送帶的速度，以便將跑步者的位置動態地固定在距跑步機上的靜止參考點的期望距離處，例如在腰帶的中間。與此類測距相關的動態位置控制算法如下：

X _o是跑步者的理想永久動態位置，例如跑動在傳送帶的中點。跑步者的跑步速度是s(t)，是時間t的函數，相對於傳送帶，而不是相對於室內環境。跑帶的速度是v(t)，也是時間的函數，由系統根據跑步者相對於室內環境的動態位置進行連續控制。跑步者的重心與控制面板5正下方的靜止參考點之間的瞬時水平距離由x(t)給出，它也是時間的函數，其中包括由雷射測量的距離l發射接收器2和跑步者假定厚度的一半，約0.15m。這種附加值可以由跑步者鍵入。

動力學方程由下式給出：

而控制算法的方程由下式給出：

這裡，K _P和K _I是兩個預設的正實數，分別是比例增益和積分增益。由於s是由跑步者任意變化，因此該微分方程只能在已知s時求解，目標是使∥x-X _o∥²盡可能小。

話雖如此，方程

足以促進速度控制動作，因為x是可測量的，而方程右側的所有其他參數都是已知的。當x(t)超過限制時，將啟動緊急停止，這表明跑步者已經跑動到太靠近傳送帶的末端。

即使使用雷射測距系統，由於跑步者的姿勢在傳送帶上不斷變化，精度仍然不精確，有時還不確定。此外，反射器6很容易無法接收到雷射光束，並且不在發射接收器2的視線範圍內。因此，測量的x不能準確地指示跑步者重心的確切位置。

如圖5所示跑步者的動態位置被精確地保持在兩對測距桿8、9之間的有限空間內。測距桿7用於緊急停止，因為它的激活表示跑步者已到了傳送帶的末端。測距桿7、8、9的確切位置是預先設計好的，但跑步者可以稍微調整測距桿8、9的位置，但不能調整測距桿7。測距桿7、8、9成對出現，在傳送帶的兩側各有一個，它們可以沿著跑步台下方軌道一起移動。在每一對測距桿上，在傳送帶的一側各有兩個雷射發射接收器，分別為A和B，另一側有兩個雷射反射器(綜合三對測距桿7、8、9的符號與位置，其所附設的發射接收器可分別定義為7ATR、7BTR、8ATR、9BTR、9ATR、9BTR，而所附設的反射器則分別定義為7AR、7BR、8AR、9BR、9AR、9BR)。例如雷射光束從測距桿9一側的發射接收器9ATR投射到另一側的反射器9AR，反射回來並由發射接收器9ATR接收。其他測距桿7、8、9的發射接收器和反射器9B、8A、8B、7A、7B的工作方式類似。控制微處理器分配一個二進制標誌“1”或“0”，以指示測距桿7、8、9的任何發射接收器、反射器組合是否被中間的障礙物阻擋。例如9B的標誌在阻塞時=“1”或者在清除時=”0”，對於這個特定的應用，阻擋的障礙物會是跑步者的鞋、腳或腿，因為A僅在傳送帶上方約300毫米和B是150毫米。該設置的動態位置控制算法如下，再次參考圖5。在這種控制算法下，在運行過程中，跑步者被動態地保持在測距桿8和測距桿9之間的傳送帶上方的空間段中，而與跑步者的姿勢無關。

測距桿9與參考點的水平距離X _f(f表示前面)處，例如參考點在控制面板5正下方的傳送帶的前旋轉滑輪處。測距桿8與同一參考點的距離為X _r(r表示後部)，而測距桿7與同一參考點的距離為X _e(e表示末端)。跑步者的理想動態位置仍然在參考點的X _o處，位於X _f和X _r的中間。X _f在出廠時已預先調整到大約X _o-0.5m和X _r大約X _o+0.5m，實際位置是用戶可以隨時調整。但是，X _e標記了傳送帶的末端，無法調整。同樣，v(t)是受控制的移動傳送帶瞬時速度，它遵循以下列表中的控制算法。在傳送帶運行兩次距離所花費的一個完整控制週期的時間段內完成(X _r-X _f)的距離，因此取決於傳送帶的瞬時速度，v。一個完整的控制週期是跑步者左或右腳完成一次跨步所花費的平均時間。例如，如果測距桿8、9的預設位置不變，它們之間的距離約為1.0m，那麼如果瞬時傳送帶速度為3km/hr，一個控制週期的時間段大約等於1.2秒。一旦標誌參數在控制週期內的任何時候等於”1”，則在下一個控制週期內為其分配值依然等於”1”。

下表中K _P與出廠預調正參數含義相同，即比例增益；V ₀是當前控制週期開始時的傳送帶速度。

本發明的智能跑步機還涉及音樂節拍(BPM)測量，當跑步者在邊跑步邊聽音樂時，能使跑步者在智能跑步機上的步速可與音樂節拍同步。跑步者的正常步寬，稱為nsl(s)，依賴穩定跑步速度s

v，已被系統學習。傳送帶行進一步的距離等於nsl(s)，需時nsl/v秒。如果一首音樂的BPM(每分鐘節拍數)已知，則希望這時間量等於一個節拍的時間間隔=60/BPM秒。換句話說，要求nsl/v=60/BPM，意味著v應該被控制為等於BPM*nsl/60。通過鍵入數值或通過點擊儀表板或手機上的應用程序來手動輸入BPM測量數據，當系統接收到音樂節拍(BPM)測量數據後，傳送帶速度就會得到控制，以相應控制傳送帶速度與跑步者的步速和音樂節奏實現同步。將來，它將由控制器自動測量，而這種方法將作為另一項專利申請提交。

以上對本發明智能跑步機系統的實施方式進行了說明。對於本發明的智能跑步機系統的具體特徵可以根據上述披露的特徵的作用進行具體設計，這些設計均是本領域技術人員能夠實現的。而且，上述披露的各技術特徵並不限於已披露的與其它特徵的組合，本領域技術人員還可根據本發明之目的進行各技術特徵之間的其它組合，以實現本發明之目的為准。