CN108452480B - 一种跑步机及跑步机上跑步姿势的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种跑步机及跑步机上跑步姿势的检测方法，通过跑步机上安装的压力传感器，测得压力传感器的数据，计算确定跑步者各个方向的下落力度，进而算出跑步者跑步姿态的各项参数如下落踩踏力度、跑步的步幅、步频、跑步平衡状态等，可以通过检测到的数据对跑步者进行提醒和指导，同时对跑步机进行优化调速，改善跑步者跑步习惯。

Description

一种跑步机及跑步机上跑步姿势的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种跑步机及跑步机上跑步姿势的检测方法和检测装置。

背景技术

普通的跑步机只具有跑步的使用功能，跑步姿势是否准确合理，只能通过教练等专业人士进行指导调整，并也多从视觉和经验上来判断。随着生活水平的提高，对专业健身的需求的增加，建设者需要更准确、更便捷的跑步指导。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种跑步机上跑步姿势的检测方法，该方法通过跑步者的使用获取跑步中的跑姿数据。为此，本发明采用以下技术方案：

一种跑步机上跑步姿势的检测方法，包含如下几个步骤：

a) 首先跑步机上电，初始化跑步机各个组件,然后启动压力传感器，读取各个位置上压力传感器的压力数据；

b) 压力传感器校零：在跑步机空载时，对各个压力传感器值进行读取，将该值记为相应传感器的初始值，校零时间完成后，再次读取各个压力传感器数据，压力传感器再次读取的数据与相应压力传感器的初始值做差值处理，校零完成；

c)跑步时压力的读取：当跑者进入跑步状态时，主控制器开始读取并处理校零后的压力传感器数据，实时记录跑板各个位置压力传感器的跑步压力数据；

d) 检测波谷位置：根据c）步骤最终得到的跑步压力数据，寻找跑步压力数据波形的波谷；

e) 计算触地时间：根据d)中，相邻的波谷开始与结束点之间即为一个完整的触地时间，触地时间 = 波谷结束时间-波谷开始时间；

f) 计算波峰位置：根据d)中，遍历相邻的波谷开始与结束之间的所有的压力点的压力数据，数值最高为波峰位置，即触地；

g) 判断触地左右脚触地：在波峰位置，计算当前左侧传感器与右侧传感器值与各自传感器平均值之间的偏差，若左侧传感器当前值高于左侧传感器平均值且右侧传感器当前值低于右侧传感器平均值则为左脚，反之为右脚；若两侧传感器的数值同时大于或小于各自传感器的均值，则判断偏移比例，左侧传感器偏移比例更大则为左脚触地，右侧传感器偏移比例更大则为右脚触地；

h) 判断前后脚掌触地：对压力传感器的压力数据进行求导，从波谷开始到波峰的段的导数都大于零，即压力数据递增，前脚掌触地；如果出现小于零的值，即压力数据减少，判断为后脚跟触地；

i) 左右平衡， 根据公式：左右平衡 = 左右脚触地时间的平均值 = (左脚平均触地时间 /（左脚平均触地时间+右脚平均触地时间）)*100% :(右脚平均触地时间 /（左脚平均触地时间+右脚平均触地时间）*100%), 分别计算左脚和右脚从平均触地时间，左脚平均触地时间=左脚触地总时间/左脚步数；

j)步频，根据步骤d)和f)中每次得到的波峰数据及波谷数据，每一次波峰的出现，均为一次落地，通过波峰次数可以得到跑者的跑步步频；

k)步幅，根据j）中得到的跑者步频，在一段时间内，步幅=距离/步频；

l)实时监测算法处理：跑步机实时监测压力数据，重复上述c）--k）所有步骤。

进一步的，使用125HZ的采样频率读取压力传感器上的压力数据和跑步压力数据。

进一步的，采集数据的同时，对压力传感器数据进行滤波和去噪。

进一步的，跑步机将通过无线方式将压力相关数据或者跑姿相关数据传输给应用软件，该无线方式为蓝牙、WiFi或ANT+。

进一步的， 步骤b）中，差值处理上下浮动的误差可通过滑动均值滤波处理并减小。

进一步的， 步骤d）中，判断波谷的开始条件为:1.当前值高于零阈值，2.前一值低于零阈值；判断压力波谷结束条件为：1.当前值低于零阈值，2.前一值高于零阈值。

本发明还包括以下技术方案，一种跑步机，包括跑板及跑步机铁架，所述跑板内设有跑带，跑板下方为跑步机铁架，跑步机铁架与跑板通过连接件连接，所述连接件外套设有缓冲件、压力传感器及压力传感器支架，所述压力传感器及压力传感器支架设于缓冲件下部。

进一步的，所述连接件为螺丝，所述缓冲件为橡胶垫。

进一步的，所述压力传感器设有四个，所述压力传感器分别安装在跑板两侧。两侧各有一前一后两个压力传感器。

本发明还包括以下技术方案，该技术方案装置用于实现上述方法：

一种跑步机上跑步姿势的检测装置，包括主控制器模块、压力传感器、无线通信模块和压力传感器数据采集及转换模块，主控制器模块通过通信线缆与压力传感器数据采集及转换模块相连接构建硬件通信链路，压力传感器通过通信线缆连接到传感器数据采集及转换模块的输入口，由此建立起一条从跑步机主处理芯片到压力传感器的通讯通道，主控制器利用SPI或者UART（通用异步收发传输器）等硬件通信协议通过压力传感器数据采集及转换模块对各个压力传感器进行读写操作，得到跑步机跑板的每一个位置上相应的压力数据，主控制器模块上连接无线通信模块（如蓝牙模块、WIFI模块，ANT+（天线接口）模块），无线通信模块通过通信将主控制器模块的跑步数据传入手持设备。

进一步的，所述的主控制器模块为由主处理器芯片和***电路组成的主控制电路模块。主处理芯片为Cortex-M0芯片。***电路包括主处理器芯片***电路、按键控制电路、数码管显示电路、蜂鸣器控制电路、***指示灯电路及电源稳压电路。

进一步的，主控制器模块对压力传感器数据采集及转换模块获取的压力数据进行分析打包，通过UART串口通信将其发送给无线通信模块。

进一步的，所述的压力传感器模块为差分信号输出的压力传感器，属于全桥应变式电子微型压力称重传感器，包含一组电源正负输入信号线和一组压力模拟信号正负输出信号线，配合相应的传感器数据采集及转换模块使用。

进一步的，所述的传感器数据采集及转换模块包括芯片及带晶振的***电路、电源稳压电路、***指示灯电路，芯片采用的是TI公司的ADS1256,该芯片具有多个模拟信号输入引脚，每一组差分输入可以由两个AD输入引脚构成，芯片支持差分输入、信号放大和模数转换等功能，配合压力传感器使用，再通过SPI（串行外设接口）通信方式或USART（通用同步/异步串行接收/发送器）方式将转换后的数字信号传输给主控制器模块。

进一步的，所述的无线通信模块包括无线芯片、无线芯片***电路、电源稳压电路、***指示灯电路及USART电路，该无线芯片可以是WiFi芯片、蓝牙芯片或者ANT+芯片，USART串口用以接收主控制器模块传来的数据信息，该数据信息是指通过主控制器模块运算处理后所得的跑姿数据信息或者为压力传感器测得的直接数据。

通过以上技术方案，本发明通过测量和计算确定跑步者各个方向的下落力度，进而算出跑步者跑步姿态的各项参数如下落踩踏力度、跑步的步幅、步频、跑步平衡状态等，可以通过检测到的数据对跑步者进行提醒和指导，同时对跑步机进行优化调速，改善跑步者跑步习惯。

附图说明

图1是本发明一种跑步机结构示意图。

图2是本发明一种跑步机上跑步姿势的检测装置模块示意图。

具体实施方式

参照附图1。一种跑步机，包括跑板1及跑步机铁架2，所述跑板内设有跑带3，跑板1下方为跑步机铁架2，跑步机铁架2与跑板1通过连接件连接4，所述连接件4外套设有缓冲件5、压力传感器6及压力传感器支架7，所述压力传感器5及压力传感器支架7设于缓冲件下部。所述压力传感器支架7位于压力传感器6下方。所述连接件4为螺丝，所述缓冲件5为橡胶垫。所述压力传感器5设有四个，分别安装在跑板1两侧，两侧各有一前一后两个压力传感器4。

安装时，螺丝穿过橡胶圈和压力传感器连接跑步机铁架2和跑板1上的螺丝孔，从而固定跑板1和跑步机铁架2。

采用上述跑步机，一种跑步机上跑步姿势的检测方法，包含如下几个步骤：

a) 首先跑步机上电，初始化跑步机各个组件, 然后启动压力传感器，读取各个位置上压力传感器的压力数据。

b) 压力传感器校零：在跑步机空载时，对各个压力传感器值进行读取，跑步机程序利用2000ms的时间，利用平均值滤波的方式将该值记为相应传感器的初始值，校零时间完成后，再次读取各个压力传感器数据，压力传感器再次读取的数据与相应压力传感器的初始值做差值处理，校零完成。理论上空载时得到的结果都是零值，实际是在零值附近上下浮动，差值处理上下浮动的误差可通过滑动均值滤波处理并减小。

c)跑步时压力的读取：当跑者进入跑步状态时，主控制器开始读取并处理校零后的压力传感器数据，实时记录跑板各个位置压力传感器的跑步压力数据。

d) 检测波谷位置：根据c）步骤最终得到的跑步压力数据，寻找跑步压力数据波形的波谷；判断波谷的开始条件为:1.当前值高于零阈值，2.前一值低于零阈值；判断压力波谷结束条件为：1.当前值低于零阈值，2.前一值高于零阈值。

e) 计算触地时间：根据d)中，相邻的波谷开始与结束点之间即为一个完整的触地时间，触地时间 = 波谷结束时间-波谷开始时间。

f) 计算波峰位置：根据d)中，遍历相邻的波谷开始与结束之间的所有的压力点的压力数据，数值最高为波峰位置，即触地。

g) 判断触地左右脚触地：在波峰位置，计算当前左侧传感器与右侧传感器值与各自传感器平均值之间的偏差，若左侧传感器当前值高于左侧传感器平均值且右侧传感器当前值低于右侧传感器平均值则为左脚，反之为右脚；若两侧传感器的数值同时大于或小于各自传感器的均值，则判断偏移比例，左侧传感器偏移比例更大则为左脚触地，右侧传感器偏移比例更大则为右脚触地；

h) 判断前后脚掌触地：对压力传感器的压力数据进行求导，从波谷开始到波峰的段的导数都大于零，即压力数据递增，前脚掌触地；如果出现小于零的值，即压力数据减少，判断为后脚跟触地。

i) 左右平衡， 根据公式：左右平衡 = 左右脚触地时间的平均值 = (左脚平均触地时间 /（左脚平均触地时间+右脚平均触地时间）)*100% :(右脚平均触地时间 /（左脚平均触地时间+右脚平均触地时间）*100%), 分别计算左脚和右脚从平均触地时间，左脚平均触地时间=左脚触地总时间/左脚步数。

j)步频，根据步骤d)和f)中每次得到的波峰数据及波谷数据，每一次波峰的出现，均为一次落地，通过波峰次数可以得到跑者的跑步步频。

k)步幅，根据j）中得到的跑者步频，在一段时间内，步幅=距离/步频。

l)实时监测算法处理：跑步机实时监测压力数据，重复上述c）--k）所有步骤。

使用125HZ的采样频率读取压力传感器上的压力数据和跑步压力数据。

本发明通过自适应算法确定出跑步者跑步时的下落位置及下落力度，进而判断出跑步者跑步姿态的各项参数，例如下落踩踏力度、跑步的步幅、步频、跑步平衡状态、触地时间、前后脚掌落地情况等等。通过跑步者跑姿，我们可以对跑步者进行提醒，同时对跑步机进行优化调速，改善跑步者跑步习惯等。

参照附图2，实现上述一种跑步机上跑步姿势检测方法的检测装置，包括主控制器模块100、压力传感器300、无线通信模块200和压力传感器300数据采集及转换模块400，主控制器模块100通过通信线缆与压力传感器300数据采集及转换模块相连接构建硬件通信链路，压力传感器300通过通信线缆连接到传感器数据采集及转换模块的输入口，由此建立起一条从跑步机主处理芯片到压力传感器300的通讯通道，主控制器利用SPI或者UART（通用异步收发传输器）等硬件通信协议通过压力传感器300数据采集及转换模块对各个压力传感器300进行读写操作，得到跑步机跑板的每一个位置上相应的压力数据，主控制器模块100上连接无线通信模块200（如蓝牙模块、WIFI模块，ANT+（天线接口）模块），无线通信模块200通过通信将主控制器模块100的跑步数据传入手持设备。

所述的主控制器模块100为由主处理器芯片和***电路120组成的主控制电路模块。主处理芯片110为Cortex-M0主芯片。***电路120包括主处理器芯片***电路121、按键控制电路122、数码管显示电路123、蜂鸣器控制电路124、***指示灯电路125及电源稳压电路126 。

主控制器模块100对压力传感器300数据采集及转换模块获取的压力数据进行分析打包，通过UART串口通信将其发送给无线通信模块200。

所述的压力传感器300模块为差分信号输出的压力传感器300，属于全桥应变式电子微型压力称重传感器，包含一组电源正负输入信号线和一组压力模拟信号正负输出信号线，配合相应的传感器数据采集及转换模块使用。

所述的传感器数据采集及转换模块400为包括AD芯片401及带晶振的***电路402、电源稳压电路403、***指示灯电路404，AD芯片采401用的是TI公司的ADS1256,该芯片具有多个模拟信号输入引脚，每一组差分输入可以由两个AD输入引脚构成，芯片支持差分输入、信号放大和模数转换等功能，配合压力传感器300使用，再通过SPI（串行外设接口）通信方式或USART方式将转换后的数字信号传输给主控制器模块100。

所述的无线通信模块200包括无线芯片201、无线芯片***电路202、电源稳压电路203、***指示灯电路204及USART电路205，该无线芯片可以是WiFi芯片、蓝牙芯片或者ANT+芯片，USART串口用以接收主控制器模块100传来的数据信息。

本发明能通过无线方式将传感器的压力数据或者跑姿相关数据传输给应用软件，该无线方式可以是蓝牙、WiFi、ANT+等。该算法的实现平台可以放在跑步机主控制板的软件内，也可以利用蓝牙或者WiFi等无线的方式将实时数据传输给手持设备500的APP，在APP编写该算法实现各个跑姿参数的计算。

由以上算法得到各组跑者跑步姿态相关数据后，APP、WEB、PC端软件可以通过每一个跑者的跑步姿态进行分析、评估、打分，给出姿势提升建议及指导，也可以通过调整跑步机的各项参数来帮助改善跑者的跑姿。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理前提下，可以对本发明进行多种改型或改进，这些均被视为本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种跑步机上跑步姿势的检测方法，其特征在于，包含如下几个步骤：

a)首先跑步机上电，初始化跑步机各个组件,然后启动压力传感器，读取各个位置上压力传感器的压力数据；

b)压力传感器校零：在跑步机空载时，对各个压力传感器的值进行读取，将该值记为相应传感器的初始值，校零时间完成后，再次读取各个压力传感器数据，压力传感器再次读取的数据与相应压力传感器的初始值做差值处理，校零完成；

c)跑步时的压力读取：当跑者进入跑步状态时，主控制器开始读取并处理校零后的压力传感器数据，实时记录跑板各个位置压力传感器的跑步压力数据；

d)检测波谷位置：根据c)步骤最终得到的跑步压力数据，寻找跑步压力数据波形的波谷；

e)计算触地时间：根据d)中，相邻的波谷开始与结束点之间即为一个完整的触地时间，触地时间＝波谷结束时间-波谷开始时间；

f)计算波峰位置：根据d)中，遍历相邻的波谷开始与结束之间的所有压力点的压力数据，数值最高为波峰位置，即触地；

g)判断触地左右脚触地：在波峰位置，计算当前左侧传感器与右侧传感器值与各自传感器平均值之间的偏差，若左侧传感器当前值高于左侧传感器平均值且右侧传感器当前值低于右侧传感器平均值则为左脚，反之为右脚；若两侧传感器的数值同时大于或小于各自传感器的均值，则判断偏移比例，左侧传感器偏移比例更大则为左脚触地，右侧传感器偏移比例更大则为右脚触地；

i)左右平衡，根据公式：左右平衡＝左右脚触地时间的平均值＝(左脚平均触地时间/(左脚平均触地时间+右脚平均触地时间))*100％:(右脚平均触地时间/(左脚平均触地时间+右脚平均触地时间)*100％),分别计算左脚和右脚从平均触地时间，左脚平均触地时间＝左脚触地总时间/左脚步数；

j)步频，根据步骤d)和f)中每次得到的波峰数据及波谷数据，每一次波峰的出现，均为一次落地，通过波峰次数可以得到跑者的跑步步频；

k)步幅，根据j)中得到的跑者步频，在一段时间内，步幅＝距离/步频；

l)实时监测算法处理：跑步机实时监测压力数据，重复上述c)--k)所有步骤；

采集数据的同时，对压力传感器数据进行滤波和去噪。

2.根据权利要求1所述的一种跑步机上跑步姿势的检测方法，其特征在于，使用125HZ的采样频率读取压力传感器上的压力数据和跑步压力数据。

3.根据权利要求1所述的一种跑步机上跑步姿势的检测方法，其特征在于，跑步机将通过无线方式将压力相关数据或者跑姿相关数据传输给应用软件，该无线方式为蓝牙、WiFi或ANT+。

4.根据权利要求1所述的一种跑步机上跑步姿势的检测方法，其特征在于，步骤b)中，差值处理上下浮动的误差可通过滑动均值滤波处理并减小。

5.根据权利要求1所述的一种跑步机上跑步姿势的检测方法，其特征在于，步骤d)中，判断波谷的开始条件为:1.当前值高于零阈值，2.前一值低于零阈值；判断压力波谷结束条件为：1.当前值低于零阈值，2.前一值高于零阈值。

6.根据权利要求1所述的一种跑步机上跑步姿势的检测方法，其特征在于，该种跑步机，包括跑板及跑步机铁架，所述跑板内设有跑带，其特征在于，跑板下方为跑步机铁架，跑步机铁架与跑板通过连接件连接，所述连接件外套设有缓冲件、压力传感器及压力传感器支架，所述压力传感器及压力传感器支架设于缓冲件下部。