基于步法的跑步機速度跟蹤控制方法

劉 洋,周 旭*,孫怡寧,劉 遙,馬書芳

(1.中國科學技術大學自動化系,合肥 230026;2.中國科學院合肥智能機械研究所,合肥 230031)

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基于步法的跑步機速度跟蹤控制方法

劉 洋1,2,周 旭1,2*,孫怡寧2,劉 遙1,2,馬書芳1,2

(1.中國科學技術大學自動化系,合肥 230026;2.中國科學院合肥智能機械研究所,合肥 230031)

目前,電動跑步機的加減速都是通過手動按鈕控制,制約了健身者改變速度的自由性,對于電動跑步機應用拓展也產生了諸多不利影響。本文提出了一種基于步法的跑步機速度跟蹤控制方法:通過在電動跑步機跑步帶下安裝壓力傳感器,獲取運動時腳底與跑步機之間的作用力信號,分析運動時的步法信息,判別人體的運動趨勢,據此控制電機加速或減速,使得跑步機速度隨著人體運動速度的變化而改變。實驗表明,該方法能夠達到預期的速度跟蹤效果,可為今后的進一步研發和電動跑步機技術升級提供有益參考。

跑步機;步法;速度跟蹤;控制方法

走、跑是康復醫學和運動健身領域最常見的有氧健身運動,也是促進健康最簡捷、最有效、最科學的運動健身方式之一[1]。近年來,由于氣候、環境、場地和生活方式等因素的影響,戶外跑步健身變得越來越困難,用于室內健身的運動器材受到人們的普遍青睞。其中,跑步機最為普及。

跑步機分為機械式和電動式:前者以人力為動力,驅動跑步機運轉,需要人體付出更大的蹬力,容易產生疲勞和運動損傷,目前逐漸被電動跑步機替代[2];后者以馬達為動力,克服了機械式跑步機的缺點。但是,當前電動跑步機的速度調節依賴按鍵或者運動者的心率變化[3],導致運動者需要不斷地被動變速,以適應跑步機,嚴重的限制了運動者的自由運動。因此,研究跑步機上人體運動和速度變化的規律,調節馬達速度以適應人體運動速度變化,對于改善健身者的跑步體驗、拓展跑步機的應用范圍具有重要意義。

目前,國內外的一些研究對速度跟隨方法進行了有益嘗試:通過束縛在人體上的裝置,實時檢測人體位置,控制馬達轉速,將人體向既定位置帶動[4-6]。這類方法存在一些瓶頸問題:①同樣的位置偏差可能是由遠及近引起,也可能是由近及遠引起,極易引起誤判;②馬達會在腳觸板的任意時刻變速,人體很難控制,易引起加減速震蕩;③束縛在肢體上的位置檢測裝置影響人的正常運動。

本文提出了一種基于步法的速度跟蹤控制方法:不在運動者身上安裝任何測量裝置,而是通過檢測運動者運動時腳底與跑步機之間的作用力信號,實時進行步態分析,獲取人的步法特征,判別運動人體的加、減速趨勢,據此在下一步觸地時刻調整伺服馬達的轉速,實現跑步機的速度跟隨控制,可有效克服前述方法的不足。

1 系統結構與工作原理

系統總體結構如圖1所示。改造傳統電動跑步機,在跑帶下方安裝兩塊測力平臺,檢測腳底與跑步機之間的作用力(簡化系統考慮,本文只檢測Z向壓力,測力平臺尺寸:L=650 mm,N=50 mm,W=350 mm)。兩塊測力平臺按圖2所示安裝。

圖1 系統總體結構

圖2 兩塊測力平臺安裝示意圖

數據采集電路將測力平臺傳感器感應的信號進行濾波、放大、A/D轉換及數字濾波[7],經由USB接口傳輸至上位機。上位機根據實時數據進行分析處理、計算壓力中心COP和實時速度,判別加、減速趨勢,轉換成馬達速度指令,通過串口發送至馬達控制器。

2 跑步機速度跟蹤控制方法

2.1 速度跟蹤控制基本原理

取兩塊測力平臺的中心為坐標原點,定義Y+為走/跑的正前方向,X+為右手方向,Z為腳底正壓力方向,如圖3所示。

圖3 跑步機上的運動模型

走/跑是周期性的動作,每個周期可分為失去平衡、恢復平衡兩種階段[8],為分析方便,本文將每個周期過程等效為勻(變)速過程。

如圖3(a)所示,忽略左右腳的差異,設P、P′分別為每個周期開始、結束(也是下個周期的開始)時腳底壓力中心COP位置,t為周期,Δs為P、P′的相對距離,a為每個周期內的等效加速度,Vt為跑步帶的速度。

當人在單個周期內勻速運動,即等效加速度a=0時,人的速度為Vt,人的質心m的Y軸上的投影相對地面保持不變,其腳著地時產生的COP落在很小的范圍H內,相鄰兩次的落點之間的相對距離Δs近似為0。

當人在單個周期內加速時,人相對于跑步帶移動的距離大小為S1=Vtt+0.5at2,而跑步帶相對地面移動距離大小為S2=Vtt,故人相對于地面移動的距離Δs=S1-S2=0.5at2,則在t時間內人的速度的變化為ΔV=at=2Δs/t。據此,提出了跑步機速度跟隨控制的公式:

VP=VP′+KP2Δs/t

(1)

其中Kp為修正系數,范圍為0～1.0。

2.2 步行或者跑步周期的劃分

當正常人在跑步帶上行走時,實際產生的壓力中心COP如圖3(b)所示,形如“蝴蝶”[9],FCL、FCR分別為左、右腳著地瞬間的壓力中心點,FOL、FOR分別為左、右腳離地瞬間時的壓力中心點,行走過程中存在雙腳支撐階段,即FCL→FOR或者FCR→FOL,產生交叉曲線。當人在跑步帶上跑步時,出現雙腳騰空階段,雙腳支撐階段消失,交叉曲線消失,FOR、FOL分別為左、右腳著地瞬間的壓力中心點,FCR、FCL分別為左、右腳離地瞬間的壓力中心點,此時僅存在FOL→FCL(右腳)和FOR→FCR(左腳)兩條曲線。

“走”的步態周期可劃分為:左(右)腳離地→右(左)腳支撐→左(右)腳著地→雙腳支撐→右(左)腳離地,“蝴蝶”曲線中FOL或FCR即為實際的P點(下一步為P′點)?！芭堋钡牟綉B周期可劃分為:左(右)腳著地→左(右)腳支撐→左(右)腳離地→騰空期→右(左)腳著地,“蝴蝶”曲線中FOL或FOR即為實際的P點(下一步為P′點)。P、P′的距離之差即為Δs值,兩點的時間間隔即為t。

2.3 基于測力平臺的變速特征提取

如圖2所示,F(i,t)(i=1～8)表示傳感器i在t時刻所采集到壓力數值,則測力平臺在t時刻所檢測到的人運動產生的Z向垂直力為:

(2)

在t時刻,根據力矩平衡方程可知COP(X(t),Y(t)),其中:

(3)

(4)

因此,可獲得人在跑步機上走、跑時,F(t)、X(t)、Y(t)的實時曲線,經過分析可以劃分出步態周期中的各個階段[10],人在跑步機上行走或者跑步時的P、P′位置分別如圖4、圖5所示。其中由于跑步時騰空期間的COP無法獲知,本文將騰空前瞬間的COP值作為其值,并假設保持不變。

圖4、圖5顯示測試結果與以往研究一致[11-14],驗證了本文實驗裝置獲取的信息是準確的。

圖4 在跑步機上行走時,F(t)、X(t)與Y(t)的曲線圖

圖5 在跑步機上跑步時,F(t)、X(t)與Y(t)的曲線圖

3 實驗與結果分析

為了對本文提出的跑步機速度跟蹤控制方法進行驗證,在中科院合肥智能機械研究所運動與健康信息技術研究中心搭建了實驗平臺,如圖6所示。

圖6 實驗平臺

以一名男性測試者(24歲,174cm,60kg)為實驗對象,該實驗對象經過20min左右的學習適應后(取Kp=0.55),已經能夠很好地在該系統上完成自主速度跟隨實驗。

圖7、圖8為變速過程中檢測到的Δs、t曲線,圖9為速度跟蹤曲線,圖10為速度匹配過程中的誤差曲線。實驗表明,運動人體變速時,引起單個周期內的相對移動距離和周期變化,根據式(1)可得到期望的速度,系統控制馬達轉速不斷與之匹配,從而達到速度跟隨的效果。

圖7 運動過程中的Δs(mm)曲線圖

圖8 運動過程周期t(s)曲線圖

圖9 跑步機速度V/(Km/h)曲線

圖10 誤差曲線圖

4 結束語

本文提出了一種基于步法的跑步機速度跟蹤控制方法,不需要在運動者身上安裝任何裝置,只在腳著地的時刻控制伺服馬達轉速,跟隨運動人體速度的變化趨勢。實驗結果表明,該方法可以在一定范圍內實現跑步機速度的跟隨控制,為進一步研究奠定了基礎。

本文尚未使用目前跑步機市場上廣泛采用的變頻器,而采用伺服電機達到控制效果,且未考慮異常步態[15]、左右腳的步態差異性,這將是筆者下一步的研究重點。

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Method of Treadmill Speed-Tracking Control Based on Human Pace

LIUYang1,2,ZHOUXu1,2*,SUNYining2,LIUYao1,2,MAShufang1,2

(1.Department of Automation of University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China;2.Institute of Intelligent Machines,Chinese Academy of Science,Hefei 230031,China)

At present,the speed of electric treadmill is controlled by manual button,which limits the freedom of changing the speed and also produces negative influence on expanding applications of the electric treadmill.This paper proposes a method of speed-tracking control of electric treadmill which is based on human pace.By mounting force sensors under the treadmill belt,the method can obtain the force signal of foot when taking exercises on the treadmill,and the information of human pace can be acquired by analyzing the signal.It can tell the trend of the movement and send the command to drive motor at the same time.Thus,the speed of the electric treadmill changes as the speed of the human changes.The experimental results show that this control algorithm can reach a satisfying effect on speed-tracking control,and also provides reference for the further research and technology upgrading of electric treadmill.

treadmill;pace;speed-tracking;control strategy

劉 洋(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向為人體運動行為感知技術,798285127@qq.com;

周 旭(1975-),男,碩士生導師,安徽樅陽人,研究方向為HMI信息獲取方法與測試裝置、智能康體裝備、人體運動行為感知技術、自動控制及嵌入式系統等,xzhou@iim.ac.cn。

2014-09-09 修改日期:2014-11-19

C:7210A

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.02.012

TP275;TP274.2

A

1004-1699(2015)02-0217-04