跑步机运动防摔人体姿态识别研究

徐维军

摘 要：摔倒意外在跑步机跑步锻炼中比较常见，而由于跑步机不具备智能性，不能预测运动者的状态，不能准确预测摔倒。在人摔倒以后，跑步机仍继续高速运行，容易给人身体和心理带来严重的伤害。国内外针对摔倒识别及预测的研究较为多样化，但都基于日常生活中的防摔研究。文章通过分析跑步机的特殊性，及跑步机摔倒行为过程与日常生活中的行为过程的区别，如人体运动加速度的大小等，通过硬件平台的选择，研究设计一种可穿戴式，基于嵌入式传感器的摔倒预测系统。提出新的跑步机跑步防止摔倒系统的研究。

关键词：跑步机；摔倒检测预防；运动传感器；嵌入式系统

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）09-0020-02

1 课题研究的意义及现状

跑步是目前国际流行并被医学界和体育界给予高度评价的有氧健身运动，是保持身心健康最有效、最科学的健身方式之一，也越来越受到大家喜爱。为了锻炼不受天气等外部环境的影响，跑步机就成为很多家庭的必备运动器材。如今，跑步机已经成为世界上最受欢迎的室内健身器械。但随之而来的是因跑步而受伤的人越来越多。人体防摔倒的研究很多，但如何在跑步机上防摔的研究却很少。

关于跑步机防摔问题，目前国内外的研究不是很多，主要借助的方法就是人体通过一根细线用磁铁控制急停开关。要把跑步机上的紧急制动夹片夹到衣服上。这个夹片与跑步机仪表控制板上的磁控开关相连，如果跑步者出现后仰或摔倒等身体失衡现象，跑步机能及时停下，避免伤害。

本课题中，根据人在跑步机上运动的特点，把人在跑步机上的正常运动定义为平面运动、上坡爬行，跑步等，而摔倒或突然倒地等视为异常行为、重点是对摔倒这一特定的动作进行识别。加速度传感器具有尺寸小、精度高、功耗低等优点，因此更容易进入穿戴式运动检测应用领域。加速度传感器响应运动频率和强度的变化，可以检测方位角及个体移动。加速度传感器能够进行倾斜检测，运动检测等；可用于测量人体的移动，进而对人体运动姿态进行灵活准确的评估。三维加速度传感器系统将成为国内外研究跌倒检测的一个主要趋势。

2 健身跑步机发展的趋势

2.1 多学科知识应用于健身器材的设计与研制

健身器材经历了由简单到复杂，由单一到多样，科技含量不断增加的发展过程。健身器材已不再是机械零件的简单组合，而是集电子、机械、光电，传感技术、计算机技术及自动控制技术等多学科知识技术于一体的新型运动器材。

2.2 新材料、新技术、新工艺应用于健身器材的速度加快

新的检测与控制技术使健身器材发生了革命性的变化，更具生命力。例如，美国市场最近出现了一种新型健身器材，能在锻炼的不同阶段发出声光提示，并显示出锻炼者设定的程序和图像，屏幕还具有先进的画中画功能。这种集健身、娱乐于一体的健身器不仅具有良好的健身功能，而且还可以使人们从中体会到运动的乐趣。

2.3 健身器材广泛的适用性与功能的针对性更有机地结合

健身运动的发展，运动训练水平与人类身体素质的不断提高，促进了健身器材广泛的适用性与功能的针对性更有机的结合。

3 跑步机控制系统的结构及功能

跑步机控制系统由上位机和下位机两部分组成，本文简要论述的是电动跑步机的速度控制系统。第四代健身电动跑步机采用单片机代替纯模拟电路构成直流有刷电动机转速的控制系统。采用比例和积分调节器算法，效率高、电路简单、成本低、升级方便，具有过流、堵转、安全保护功能，同时可以获得运行噪声小、速度和扭矩控制精度高等优点。

速度控制系统是以PIC16F873单片机为核心的主控电路，配合相应的外设电路，通过采集电机反馈，接收上位机信息等对电动机的运行状态进行控制。电动跑步机控制系统总体设计框图如图1所示，虚线框内是下位机控制器设计。

3.1 转速的测量原理

转速是工程上常用的参数，旋转的转速常以每分钟的转数RPM（Revolutions Per Minute）来表示。其单位是r/min。转速的测量方法很多，在健身电动跑步机中为节约成本，用50线的圆形码盘和光电传感器配合来测量转速；在电机轴的末端安装码盘，码盘旋转时，通过光电传感器输出脉冲信号至单片机即可计算出转速。

3.2 有刷直流电机工作原理

直流电压幅度决定了电机的转速，因此直流电源是一个线性激励源。改变有刷直流电机速度的最有效方式是采用脉宽调制（PWM）技术。PWM技术是以固定的频率开关恒压源，通过调整PWM信号的脉冲宽度可以调节电机的速度。直流电源电压的幅度等于PWM信号的平均幅度。

直流电动机的转速与施加于电动机两端电压大小有关。本系统用脉宽调制技术来控制电动机的转速。当电动机转速小于设定值时，增加导通脉宽，当大于设定值时则减小导通脉宽，从而使电动机以设定的速度恒速旋转。我们采用比例调节器算法：

Y=KP e（t）+KI ？蘩e（t）dt

式中：

Y為比例积分调节器输出；

KP为比例系数；

KI为积分系数；

e（t）为调节器的输入，一般为偏差值。

系统采用了比例积分调节器，简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的作用使电动机的转速达到静态无差。无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快（无滞后），积分部分使系统消除静差。

4 运动传感器选择

4.1 运动传感器特性介绍

新型的高精度超小型姿态动作捕捉传感器，它使用Bluetooth通讯技术对数据进行无线传输，高度满足了在机械系统以及人体动作信息测量应用上的高精度计算，以及数据传输的要求。LPMS姿态传感器使用了先进的数据融合算法，为用户提供高精度高稳定性的姿态动作信息以及3轴加速度/角速度/地磁量/方位角等数据。应用领域广，如运动学分析，医疗康复等。同时提供高灵活度的软件编程支持，用户可在不同的操作系统平台上利用LPMS的函数库进行快速编程，降低开发时间。

4.2 测量输出

LPMS运动姿态传感器是一个小型的、多功能惯性测量单元。设计单元很小，因此它可以获得广泛的使用，如在测量人体的运动等方面。姿态传感器是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据，该单元可以测量360 ？觷范围内的任何方向。

利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据。

传感器在内部使用三种不同的传感单元。这些单位是微机电系统（MEMS）的传感器集成在一个小型化的复杂的机械和电子的微型装置。在方向确定上使用的是一个3轴陀螺仪（检测角速度），3轴加速度计（检测地球重力场的定向）和一个3轴磁强计，以测量地球磁场的方向。原则上，所有关于三个轴的方向数据可以从陀螺仪来的角速度数据通过积分确定。但是通过整合来自陀螺仪的测量误差，虽然它可能是非常小的，对由此而来的指数角度值漂移的影响很大。为了纠正这些数据，通过从加速度计（滚动和俯仰）和磁力计（偏航）来计算高精确度方位信息和稳定性，同时保证快速采樣率。结合3个传感器的方向信息，使用互补滤波器结合一个扩展卡尔曼滤波器（EKF），从而形成所谓的过滤器。卡尔曼滤波器允许我们降低，尤其是降低运动时的测量误差（如人体步态分析，车辆振动分析等）。

5 结 语

健身电动跑步机经历了由简单到复杂，已取得了很大的进展。但随着科学技术的进步，更多的先进新技术将应用到健身跑步机上。通过Bluetooth等组网技术，把穿戴式运动设备与健身器材连接起来。在为用户提供更多，更科学的运动方案的同时避免不必要的损伤。通过一系列的试验及数据分析，LPMS运动传感器在线性位移跟踪的应用方面非常可靠。通过对线性加速度进行双重积分测量位移。对运动检测和步态分析等非常有帮助，在跑步机防摔的研究方面必将有新的突破。

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