一種基于紅外對發陣列的跑步機自適應調速系統技術方案

本發明專利技術涉及模式識別與健身設備領域，特別涉及一種基于紅外對發陣列的跑步機自適應調速系統，包括安裝在跑步機跑帶兩側的紅外對發陣列模塊、安裝在跑步機前端支架上的數據處理模塊和位于跑步機前端的電機驅動模塊。在本發明專利技術中，紅外對發陣列由兩兩成對的紅外光發射器和接收器組成，啟動后紅外發射器始終發出直射接收器的平行光束；通過判斷跑步者身體對光束陣列的遮擋情況，來處理并分析跑步者當前所處的陣列區域；紅外光陣列從跑帶中心位置開始，以跑步方向為正，反方向為負，均勻劃分區域，分級設定加速度，每當跑步者離開中心區域后，調速系統將通過分級變速使跑步者身體重新回到中心區域，使跑步機與跑步者速度相等，從而實現跑步機自適應調速。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及模式識別和健身設備領域，特別涉及一種基于紅外對發陣列的跑步機自適應調速系統。
技術介紹
近年來隨著國民經濟的快速發展和人們生活水平的不斷提高，人們的健康意識逐漸增強，體育鍛煉以及健身運動已經融入到了人們的日常生活當中。跑步作為一種簡單有效、老少皆宜的有氧運動方式，在增加肌肉、保持體重以及提高心肺功能等方面效果良好，成為人們日常健身運動項目的首選。跑步機的誕生大幅度減小了日常跑步運動對場地、天氣等客觀條件的依賴，而且隨著工業化、城鎮化的發展，交通擁堵、空氣質量下降等問題也為城市上班族參與戶外跑步運動增加了難度，更使得跑步機成為家庭和健身房廣受青睞且應用最普遍的運動器材。另一方面，跑步機因其安裝簡便、安全可控等特點被廣泛應于與醫療康復訓練領域，尤其在下肢及腰椎損傷等病患的康復治療、減重訓練以及步態矯正等方面效果顯著。利用跑步機結合其他醫療輔助設備，醫生能根據患者的康復情況量身定制訓練計劃，使患者能更安全、更方便有效地在醫護人員指導下進行康復訓練。在傳統跑步機上跑步，其運動效果與在真實地面上跑步還存在較大差距，主要是因為在跑步機上跑步者需要被迫調節自己的速度去適應跑步機預設的速度，嚴重影響跑步者參與運動時的主動性、真實性和輕松感。而且在體育訓練、日常健身或是醫療康復訓練中，變速跑都是一項重要需求，但傳統跑步機很難滿足跑步者自由變速的需要。盡管一些跑步機能通過機身按鈕或者遙控器在跑步過程中人為調節機器的運轉速度達到變速跑的目的，但是這種簡單的人機互動很容易因人機速度變化不同步使跑步者腰椎或膝關節受損傷，甚至發生摔倒等意外。研究跑步機自適應調速系統，目的在于實時獲取跑步者在跑步機上的運動信息，分析跑步者的運動特征與速度變化的內在聯系，根據分析結果控制跑步機加速或減速，從而實現跑步機自適應調速，對于提高跑步者在跑步機上運動的效果，增強運動體驗的真實感以及預防運動意外損傷等具有重要意義。
技術實現思路
本專利技術的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于紅外對發陣列的跑步機自適應調速系統，該方案通過在跑臺兩側加設紅外對發陣列，依據跑步者在跑步過程中對陣列光束的遮擋情況分析跑步者的當前所處位置信息，實現跑步機的自適應調速功能。本專利技術的技術方案：一種基于紅外對發陣列的跑步機自適應調速系統，包括：紅外對發陣列模塊，由一系列分布于跑步機跑帶兩側的紅外光發射器和接收器兩兩成對組成，啟動后紅外發射器始終發出直射接收器的平行光束構成陣列，從跑帶中心位置開始，以跑步方向為正，反方向為負，均勻劃分區域，分級設定加速度，根據跑步者運動過程中身體對光束的遮擋情況獲取跑步者當前位置信息；數據處理模塊，由平板電腦以及其中搭載的數據處理軟件程序組成，通過USB連接紅外對發陣列模塊，并從中實時獲取并存儲跑步者的運動位置參數，實時分析跑步者的運動變化規律，根據分析結果對電機驅動模塊發送調速指令。電機驅動模塊，通過串口與數據處理模塊相連，通過接收數據處理模塊發來的速度控制命令，控制跑步機的電機轉度，從而實現對跑步機跑帶移動速度的控制。所述的紅外對發陣列的發射器和接收器之間的光束方向與跑步機跑帶的移動方向垂直，跑步機開機之后，所有發射器的光源始終發射紅外光束，接收器的光敏元件接收到光束照射后數據置為默認狀態，表示跑步者身體未進入該區域；光束被遮擋住后，未被接收器的光敏元件接收到則置為觸發狀態，表示跑步者身體已進入該區域。在陣列平面的中心位置不設對發裝置，設為區域0；以區域0為原點，跑步方向為正方向，向前和向后依次均勻分為正的若干區域(如區域1、2、3……n)和負的若干區域(如區域-1、-2、-3……-n)區域號以x表示。所述的數據處理模塊以固定時間間隔循環讀取紅外對發陣列模塊的數值，當跑步者當前的身體跨越多個區域時，始終以最大區域值為準作為讀數。模塊每次記錄當前區域號x。初始化時跑步者位于區域0，即x值為0，設定此區域跑步機電機轉動的加速度為0，即保持勻速運轉；在x為1時，加速度設為一個固定的初始值a1，其他各區域跑步機電機轉動的加速度值為x倍的a1，即跑步者進入區域x時，數據處理模塊向機電驅動模塊發送加速度為x*a1的調速指令。本專利技術與現有技術相比具有的有益效果在于：(1)變速跑是體育訓練、日常健身以及醫療康復訓練等活動的重要需求，傳統電動跑步機必須通過按鈕或遙控調節跑步機的當前速度來在一定程度上模擬變速跑，實際上是跑步者在不停的調整自己的速度來適應機器設定的速度。本專利技術技術通過紅外對發陣
列，實時獲取跑步者的運動位置，分區域分級設定加速度，通過調整跑步者的身體所在位置，從而實現機器速度適應跑步者速度的目的。(2)紅外對發陣列緊貼跑步機跑帶兩側，相較于通過攝像機獲取跑步者全身影像來分析運動特征的方法，本專利技術不需要額外的場地空間開銷；紅外對發陣列結構簡單，能根據跑臺長度靈活控制陣列矩陣的長度、密度以及區域劃分數量；本專利技術技術中除區域1的加速度需要通過實驗來獲取經驗值外，其他區域的加速度都以其倍數表示，數據處理邏輯簡單，計算量小，對數據處理模塊的計算性能要求較低，能快速完成速度調節，更有利于改善跑步者在變速跑過程中的自由體驗。附圖說明圖1為本專利技術的結構示意圖；圖2為本專利技術的原理框圖；圖3為本專利技術的工作流程圖。具體實施方式如圖1所示，紅外對發陣列由紅外光發射器5和紅外光接收器6兩兩成對組成，分布于跑步機的跑帶4兩側，組成紅外光對發陣列；數據處理模塊2位于跑步機前端的支架上，由一臺平板電腦以及安裝其內的數據處理軟件程序構成，通過USB接收紅外光對發電陣列周期發送的數據信號，對信號分析處理后向電機驅動模塊3發送控制指令從而控制跑帶4的移動速度。如圖2所示，紅外光電對法陣列1根據跑步者在陣列中對光束的遮擋情況實時獲取跑步者位置信息，通過USB將信息傳送至數據處理模塊2；數據處理模塊2處理信號數據，獲得跑步者當前所在區域的編號x，結合預設區域1的加速度a1，計算求得機器當前需要的加速度，根據加速的正負判斷應該加速還是減速，并向電機驅動模塊3發送指令；電機驅動模塊3根據指令調節電機的轉動速度，從而控制跑帶4的移動速度。如圖3所示，本專利技術的工作流程是：跑步機開啟后，跑帶開始移動；位于跑帶兩側的紅外對發陣列開始實時獲取跑步者在陣列坐標中的對陣列光束的遮擋信息；數據處理模塊以固定的時間間隔定時通過USB去讀取當前紅外對發陣列的信息數據，通過對數據進行處理，獲得當前跑步者在陣列中的區域編號x；判斷編號x的值，當x＝0時，說明跑步者位于陣列的區域0，即跑步者的初始位置，跑步者處于該區域，說明當前跑步者和跑帶速度大小相等，因此數據控制模塊向電機控制模塊發送指令，令電機的加速度為0，是跑帶繼續保持勻速運行；當x>0時，表明當前跑步者的速度大于跑帶速度，因此向電機控制模塊發送加速指令，加速度為x*a1，a1為x＝1時的預設加速度；當x<0
時，表明跑步者當前速度小于跑帶速度，需要發送指令讓電機速度減慢；但當x<0且逐漸變為-n，即最小區域編號時，跑步機速度因正好減速為零，使跑帶停止運轉。本專利技術包括紅外對發陣列1、數據處理模塊2以及機電控制模塊3等。依據跑步者在運動過程中對陣列中紅外光束的遮擋情況實時獲取跑步者的當前所處本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于紅外對發陣列的跑步機自適應調速系統，其特征在于包括：紅外對發陣列模塊，由一系列分布于跑步機跑帶兩側的紅外光發射器和接收器兩兩成對組成，啟動后紅外發射器始終發出直射接收器的平行光束構成陣列，從跑步機跑帶中心位置開始，以跑步方向為正，反方向為負，均勻劃分區域，分級設定加速度，根據跑步者運動過程中身體對光束的遮擋情況獲取跑步者當前位置信息；數據處理模塊，由平板電腦以及其中搭載的數據處理軟件程序組成，通過USB連接紅外對發陣列模塊，并從中實時獲取并存儲跑步者的運動位置參數，實時分析跑步者的運動變化規律，根據分析結果對電機驅動模塊發送調速指令。電機驅動模塊，通過串口與數據處理模塊相連，通過接收數據處理模塊發來的調速指令，控制跑步機的電機轉度，進而控制跑步機的跑帶移動速度。

【技術特征摘要】
1.一種基于紅外對發陣列的跑步機自適應調速系統，其特征在于包括：紅外對發陣列模塊，由一系列分布于跑步機跑帶兩側的紅外光發射器和接收器兩兩成對組成，啟動后紅外發射器始終發出直射接收器的平行光束構成陣列，從跑步機跑帶中心位置開始，以跑步方向為正，反方向為負，均勻劃分區域，分級設定加速度，根據跑步者運動過程中身體對光束的遮擋情況獲取跑步者當前位置信息；數據處理模塊，由平板電腦以及其中搭載的數據處理軟件程序組成，通過USB連接紅外對發陣列模塊，并從中實時獲取并存儲跑步者的運動位置參數，實時分析跑步者的運動變化規律，根據分析結果對電機驅動模塊發送調速指令。電機驅動模塊，通過串口與數據處理模塊相連，通過接收數據處理模塊發來的調速指令，控制跑步機的電機轉度，進而控制跑步機的跑帶移動速度。2.根據權利要求1所述的基于紅外對發陣列的跑步機自適應調速系統，其特征在于：所述的紅外對發陣列的發射器和接收器之間的光束方向與跑步機跑帶的移動方向垂直，跑...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李曉風，元沐南，許金林，張夢龍，李皙茹，呂波，黃萬風，
申請(專利權)人：中國科學院合肥物質科學研究院，
類型：發明
國別省市：安徽;34