基于步法的跑步机速度跟踪控制方法.pdf

第 2 8卷 第 2期 2 01 5年 2月 传 感 技 术 学 报 C HI N E S E J OU RN AL OF S E N S O RS A ND AC T U AT O RS Vo 1 28 No 2 Fe b 2 01 5 M e t h o d o f Tr e a d mil l S p e e d Tr a ck in g Co n t r o l Ba s e d o n Hu ma n Pa ce L I U ra n g Z HO U X u S U N Y i n in g L I U Y a o 一 MA S h u f a n g 1 D e p a r t m e n t o fA u t o ma t i o n o f U n i v e r s i t y of S ci e n ce a n d T e c h n o l o g y of C h i n a H ef e i 2 3 0 0 2 6 C h i n a 2 I n s t it u t e ofI n t e l l i g e n t Ma ch i n e s C h i n e s e A ca d e m y of S ci e n c e Hef e i 2 3 0 0 3 1 C h i n a Ab s t r a ct At p r e s e n t t h e s p e e d o f e l e ct r i c t r e a d mil l is co n t r o l l e d b y ma n u a l b u t t o n wh ich l i mit s t h e f r e e d o m o f ch a n g in g t h e s p e e d a n d a l s o p r o d u ce s ne g a t i v e in fl ue n ce o n e x pa n d in g a p p l ica t io n s o f t h e e l e ct ri c t r e a d mi l 1 Th is p a p e r p r o p o s e s a me t h o d o f s p e e d t r a ck in g co n t r o l o f e l e ct ri c t r e a d mil l wh ich is ba s e d o n h u ma n pa ce By mo u n t in g f o r ce s e n s o r s u n d e r t h e t r e a d mi l 1 be l t t h e me t h o d ca n o b t a in t h e f o r ce s ig n a l o f f o o t whe n t a k in g e x e r cis e s o n t h e t r e a d mil l a n d t h e in f o r ma t i o n o f h u ma n p a ce ca n b e a cq u ir e d by a n a l y z in g t h e s ig n a 1 I t ca n t e l l t he t r e n d o f t h e mo v e me n t a n d s e n d t h e co mma n d t o d r iv e mo t o r a t t h e s a me t ime T h us t he s p e e d o f t he e l e ct ri c t r e a d mil l ch a n g e s a s t h e s p e e d o f t h e h u ma n ch a ng e s Th e e x p e r ime n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h is co n t r o l a l g o r it h m ca n r e a ch a s a t i s f y in g e f f e ct o n s p e e d t r a ck i ng co n t r o l a n d a l s o pr o v id e s r e f e r e n ce f o r t h e f u r t h e r r e s e a r ch a n d t e ch n o l o g y u p g r a d in g o f e l e ct ri c t r e a d mi l 1 Ke y wor ds t r e a d mi l l pa ce s p e e d t r a ck in g co n t r o l s t r a t e g y E E AC C 7 2 1 0 A d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 4 1 6 9 9 2 0 1 5 0 2 0 1 2 基 于步法 的跑 步机速度跟踪控制方法 刘 洋 周 旭 孙怡宁 刘 遥 马书芳 1 中 国科学技术大学 自动化 系 合肥 2 3 0 0 2 6 2 中国科学 院合肥智 能机 械研 究所 合肥 2 3 0 0 3 1 摘 要 目前 电动跑步机的加减速都是通过手动按钮控制 制约了健身者改变速度的自由性 对于电动跑步机应用拓展也 产生了诸多不利影响 本文提出了一种基于步法的跑步机速度跟踪控制方法 通过在电动跑步机跑步带下安装压力传感器 获取运动时脚底与跑步机之间的作用力信号 分析运动时的步法信息 判别人体的运动趋势 据此控制电机加速或减速 使得 跑 步机速度随着人体运动 速度 的变化而改变 实验表 明 该 方法能够达到预期 的速度跟踪 效果 可为今后 的进 一步研发 和电 动跑步机技术升级提供有益参考 关键词 跑步机 步法 速度跟踪 控制方法 中图分类号 T P 2 7 5 T P 2 7 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 1 6 9 9 2 0 1 5 0 2 0 2 1 7 0 4 走 跑是康复医学和运动健身领域最常见的有 氧健身运动 也是促进健康最简捷 最有效 最科学 的运动健身方式之一 近年来 由于气候 环境 场地和生活方式等因素 的影 响 户外跑步健身变得 越来越困难 用于室 内健身的运 动器材受到人们的 普遍青睐 其 中 跑步机最为普及 跑步机分为机械式 和电动式 前者以人力为动 力 驱动跑步机运转 需要人体付出更大的蹬力 容 易产生疲劳和运动损伤 目前逐渐被 电动跑步机替 代 后者以马达为动力 克服 了机械式跑步机 的 缺点 但是 当前 电动跑步机的速度调节依赖按键 或者运动者的心率变化 导致运动者需要不断地 被动变速 以适应跑步机 严重的限制 了运动者的自 由运动 因此 研究跑步机上人体运动和速度变化 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 9 修改 日期 2 0 1 4 1 1 1 9 的规律 调节马达速度 以适应人体运动速度变化 对 于改善健身者的跑步体验 拓展跑步机 的应用范围 具有重要意义 目前 国内外的一些研究对速度跟随方法进行 了有益尝试 通过束缚在人体上的装置 实时检测人 体 位 置 控 制 马 达 转 速 将 人 体 向既 定 位 置 带 动 这类方法存在一些瓶颈 问题 同样 的位 置偏差可能是由远及近引起 也可能是 由近及远 引 起 极易引起误判 马达会在脚触板的任意时刻变 速 人体很难控制 易引起加减速震荡 束缚在肢 体上的位置检测装置影响人的正常运动 本文提 出了一 种基于步法的速度跟踪控制方 法 不在运动者身上安装任何测量装置 而是通过检 测运动者运动时脚底与跑步机之间的作用力信号 第 2期 刘 洋 周 旭等 基于步法的跑步机速度跟踪控制方法 2 1 9 2 2 步行或者跑步周期的划分 当正常人在跑步带上行走时 实际产生的压力 中心 C O P如图 3 b 所示 形如 蝴蝶 F F C 分别 为左 右脚着地 瞬问 的压力 中心点 F O F O 分别为左 右脚离地瞬间时的压力 中心点 行走过程 中存在 双脚 支撑 阶段 即 F C 一 F O R或者 F C R F O 产生交叉 曲线 当人在跑步带上跑步时 出现 双脚腾空阶段 双脚 支撑 阶段消失 交叉 曲线消失 F O F O 分别 为左 右脚着 地瞬问 的压力 中心点 F C F C 分别为左 右脚离地 瞬间的压 力 中心点 此时仅存在 F O 一 F 右脚 和 F O 一 F c 左脚 两条曲线 走 的步态 周期可划分 为 左 右 脚离 地一 右 左 脚 支撑一左 右 脚着 地一 双脚 支撑一 右 左 脚离地 蝴蝶 曲线 中 F O L或 F C R即为实际 的 P点 下一步 为 P 点 跑 的步态 周期 可划 分为 左 右 脚着地一左 右 脚支撑一左 右 脚 离地 腾 空期 一 右 左 脚 着地 蝴蝶 曲线 中 F O L或 F O R即为 实 际的 P点 下 一步 为 P 点 P P 的距离 之 差 即为 值 两 点 的 时 间 间隔 即 为 t 2 3 基于测力平台的变速特征提取 如图 2所示 F i t i 1 8 表示传感器 i在 t 时刻所采集到压力数值 则测力平 台在 t 时刻所检 测到的人运动产生的 Z向垂直力为 8 F F 2 i l 在 t 时刻 根据力矩平衡方程可知 C O P t Y t 其中 F n t 一 F m Wx 了 一 3 F i 1 y F n 一 F m J 一 n 1 2 m 8 F n 一 F m x N n 5 6 m 3 4 8 F i 4 因此 可 获得 人 在 跑 步机 上走 跑 时 F t X t Y t 的实 时曲线 经过分析可 以划分出步态 周期中的各个阶段 l 人在跑步机上行走或者跑步 时的 P P 位置分别如 图 4 图 5所示 其 中由于跑 步时腾空期间的 C O P无法获知 本文将腾空前瞬 间 的 C O P值作为其值 并假设保持不变 图 4 图 5显示测试结果与以往研究一致 卜 H 验证 了本文实验装置获取的信息是准确 的 地地 地地 地 图 4 在跑 步机 上行 走时 F t t 与 l t 的曲线图 地 地 地 地 图5 在跑步机上跑步时 F f 与 y 的曲线图 3实验与 结果分析 为了对本文提出的跑步机速度跟踪控制方法进 行验证 在中科院合肥智能机械研究所运动与健康 信息技术研究中心搭建了实验平台 如图 6所示 图 6 买验 平 台 以一名男性测试者 2 4岁 1 7 4 c m 6 0 k g 为实 验对象 该实验对象经过 2 0 min左右 的学习适应后 取 K 0 5 5 已经能够很好地在该 系统上完成 自 主速度 跟 随实 验 图 7 图 8为变速过程 中检测到 的 A s t 曲线 图 9为速度跟踪 曲线 图 l 0为速度匹配过程中的误 差 曲线 实验表 明 运动人体变速时 引起单个周期 内的相对移动距离和周期变化 根据式 1 可得 到 期望的速度 系统控制马达转速不断与之匹配 从而 达到速度跟随的效果 湖 枷 瑚 o 枷 枷 2 2 0 传感技术学报 w w w c h i n a t r a n s d u c e r s c o i n 第 2 8卷 1 5 0 1 o o 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 O 一 2 o o O 1 1 2 2 3 3 4 4 时间 s 图 7 运动过程 中的 A s m i l 1 曲线 图 时间 s 图 8 运动过程周期 t s 曲线 图 时间 s 图 9 跑步机速度 K m h 曲线 0 4 结束语 1 l 2 2 3 3 时间 s 图 l 0误差 曲线 图 本文提出了一种基于步法的跑步机速度跟踪控 制方法 不需要在运动者身上安装任何装置 只在脚 着地的时刻控制伺服马达转速 跟 随运动人体速度 的变化趋势 实验结果表 明 该方法可 以在一定 范 围内实现跑步机速度的跟随控制 为进一步研究奠 定 了基础 本文 尚未使用 目前跑步机市场上广泛采用的变 频器 而采用伺服电机达到控制效果 且未考虑异常 步态H 左右脚 的步态差异性 这将是笔者下一步 的研究重点 参考文献 1 郭峰 健身走 跑在全 民健身 中运用 的方法探 索 J 安徽 电子 信息职业技 术学院学报 2 0 1 0 9 5 1 0 8 1 1 0 2 爱莲郎 跑步 健 身与科学选择 跑步机 J 文体用 品与科技 2 0 0 4 5 1 1 3 朱梁 健康监测跑步机 的研发 D 浙江理 T大学 2 0 1 3 4 崔文琪 李 峰 下肢康复机器人系统 中的跑步机速度 跟随 白适 应控制疗法 J 现代制造 工程 2 0 1 3 9 3 0 3 4 5 L i c h t e n s t c i n L B a r a b b a s J Wo o d s L R e l a 1 A F e e d b a c k C o n t r o l l e d I n t e i f a c e f o r T r e a d m i l l L o c o m o t i o n i n V i s u a l E n v i r o n m e n t s J A C M T r a n s a c t i o n o n A p p l i e d P e r c e p t i o n 2 O O 7 4 1 卜2 2 6 Mi n e t t i A E B o l d r in i L B r u s a m o l in L e t a 1 A F e e d b a c k C o n t r o l l e d T r e a d m i l l T r e a d n fil l o n D e m a n d a n d t h e S p o n t a n e o u s S p e e d o f Wa l k i n g a n d R u n n i n g i n H m n a n s J J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i o l o g y 2 0 0 3 9 5 2 8 3 8 8 4 3 7 刘文静 王民慧 汪亚霖 强磁场下 微弱信号 检测系统 的设计 J 传感技 术学报 2 0 1 3 2 6 6 8 6 5 8 7 0 8 钱竞光 宋雅伟 叶强 步行 动作 的生物 力学 原理及其 步态分 析 J 南京体育学 院学报 2 0 0 6 5 4 3 2 3 9 1 9 R o e r d i n k M e l v y n C o o l e n e t a 1 O n l i n e G a i t E v e n t D e t e c t i o n U s i n g A L a r g e F o r c e P l f o r m E mb e d d e d in A T r e a d mil l f J I J o u r n a l o f B i o me c h a n i e s 2 0 0 8 4 1 1 2 2 6 2 8 2 6 3 2 1 1 0 V e r k e r k e G H o f A Z i j l s t r a W e l a 1 D e t e r m i n i n g t h e C e n t r e u f Pr e s s u r e Du ri n g W a l k in g a n d Ru n n in g Us in g An I n s t r u me n t e d T r e a d mi l l J J o u r n a l o f B i o me e h a n i c s 2 0 0 5 3 8 9 1 8 8 1 1 8 8 5 1 1 C r o s s R S t a n d i n g Wa l k i n g R u n n in g a n d J u m p i n g o n A F o r c e P l a t e J A me r i c a n J o u r n a l o f P h y s i c s 1 9 9 9 6 7 4 3 0 4 3 0 9 1 2 Kr a i n R G r i ffi n T M D o n e l a n J M e t a 1 F o r c e T r e a d mi l l f o r Me a s u r in g V e r t ic a l a n d H o r iz o n t a l G r o u n d R e a c t io n F o t v e s J J