徐維軍

摘 要：摔倒意外在跑步機(jī)跑步鍛煉中比較常見，而由于跑步機(jī)不具備智能性，不能預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)者的狀態(tài)，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)摔倒。在人摔倒以后，跑步機(jī)仍繼續(xù)高速運(yùn)行，容易給人身體和心理帶來嚴(yán)重的傷害。國(guó)內(nèi)外針對(duì)摔倒識(shí)別及預(yù)測(cè)的研究較為多樣化，但都基于日常生活中的防摔研究。文章通過分析跑步機(jī)的特殊性，及跑步機(jī)摔倒行為過程與日常生活中的行為過程的區(qū)別，如人體運(yùn)動(dòng)加速度的大小等，通過硬件平臺(tái)的選擇，研究設(shè)計(jì)一種可穿戴式，基于嵌入式傳感器的摔倒預(yù)測(cè)系統(tǒng)。提出新的跑步機(jī)跑步防止摔倒系統(tǒng)的研究。

關(guān)鍵詞：跑步機(jī)；摔倒檢測(cè)預(yù)防；運(yùn)動(dòng)傳感器；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）09-0020-02

1 課題研究的意義及現(xiàn)狀

跑步是目前國(guó)際流行并被醫(yī)學(xué)界和體育界給予高度評(píng)價(jià)的有氧健身運(yùn)動(dòng)，是保持身心健康最有效、最科學(xué)的健身方式之一，也越來越受到大家喜愛。為了鍛煉不受天氣等外部環(huán)境的影響，跑步機(jī)就成為很多家庭的必備運(yùn)動(dòng)器材。如今，跑步機(jī)已經(jīng)成為世界上最受歡迎的室內(nèi)健身器械。但隨之而來的是因跑步而受傷的人越來越多。人體防摔倒的研究很多，但如何在跑步機(jī)上防摔的研究卻很少。

關(guān)于跑步機(jī)防摔問題，目前國(guó)內(nèi)外的研究不是很多，主要借助的方法就是人體通過一根細(xì)線用磁鐵控制急停開關(guān)。要把跑步機(jī)上的緊急制動(dòng)夾片夾到衣服上。這個(gè)夾片與跑步機(jī)儀表控制板上的磁控開關(guān)相連，如果跑步者出現(xiàn)后仰或摔倒等身體失衡現(xiàn)象，跑步機(jī)能及時(shí)停下，避免傷害。

本課題中，根據(jù)人在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，把人在跑步機(jī)上的正常運(yùn)動(dòng)定義為平面運(yùn)動(dòng)、上坡爬行，跑步等，而摔倒或突然倒地等視為異常行為、重點(diǎn)是對(duì)摔倒這一特定的動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別。加速度傳感器具有尺寸小、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此更容易進(jìn)入穿戴式運(yùn)動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域。加速度傳感器響應(yīng)運(yùn)動(dòng)頻率和強(qiáng)度的變化，可以檢測(cè)方位角及個(gè)體移動(dòng)。加速度傳感器能夠進(jìn)行傾斜檢測(cè)，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等；可用于測(cè)量人體的移動(dòng)，進(jìn)而對(duì)人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行靈活準(zhǔn)確的評(píng)估。三維加速度傳感器系統(tǒng)將成為國(guó)內(nèi)外研究跌倒檢測(cè)的一個(gè)主要趨勢(shì)。

2 健身跑步機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)

2.1 多學(xué)科知識(shí)應(yīng)用于健身器材的設(shè)計(jì)與研制

健身器材經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由單一到多樣，科技含量不斷增加的發(fā)展過程。健身器材已不再是機(jī)械零件的簡(jiǎn)單組合，而是集電子、機(jī)械、光電，傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)技術(shù)于一體的新型運(yùn)動(dòng)器材。

2.2 新材料、新技術(shù)、新工藝應(yīng)用于健身器材的速度加快

新的檢測(cè)與控制技術(shù)使健身器材發(fā)生了革命性的變化，更具生命力。例如，美國(guó)市場(chǎng)最近出現(xiàn)了一種新型健身器材，能在鍛煉的不同階段發(fā)出聲光提示，并顯示出鍛煉者設(shè)定的程序和圖像，屏幕還具有先進(jìn)的畫中畫功能。這種集健身、娛樂于一體的健身器不僅具有良好的健身功能，而且還可以使人們從中體會(huì)到運(yùn)動(dòng)的樂趣。

2.3 健身器材廣泛的適用性與功能的針對(duì)性更有機(jī)地結(jié)合

健身運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練水平與人類身體素質(zhì)的不斷提高，促進(jìn)了健身器材廣泛的適用性與功能的針對(duì)性更有機(jī)的結(jié)合。

3 跑步機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能

跑步機(jī)控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，本文簡(jiǎn)要論述的是電動(dòng)跑步機(jī)的速度控制系統(tǒng)。第四代健身電動(dòng)跑步機(jī)采用單片機(jī)代替純模擬電路構(gòu)成直流有刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)。采用比例和積分調(diào)節(jié)器算法，效率高、電路簡(jiǎn)單、成本低、升級(jí)方便，具有過流、堵轉(zhuǎn)、安全保護(hù)功能，同時(shí)可以獲得運(yùn)行噪聲小、速度和扭矩控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。

速度控制系統(tǒng)是以PIC16F873單片機(jī)為核心的主控電路，配合相應(yīng)的外設(shè)電路，通過采集電機(jī)反饋，接收上位機(jī)信息等對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。電動(dòng)跑步機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，虛線框內(nèi)是下位機(jī)控制器設(shè)計(jì)。

3.1 轉(zhuǎn)速的測(cè)量原理

轉(zhuǎn)速是工程上常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)RPM（Revolutions Per Minute）來表示。其單位是r/min。轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多，在健身電動(dòng)跑步機(jī)中為節(jié)約成本，用50線的圓形碼盤和光電傳感器配合來測(cè)量轉(zhuǎn)速；在電機(jī)軸的末端安裝碼盤，碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過光電傳感器輸出脈沖信號(hào)至單片機(jī)即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。

3.2 有刷直流電機(jī)工作原理

直流電壓幅度決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此直流電源是一個(gè)線性激勵(lì)源。改變有刷直流電機(jī)速度的最有效方式是采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。PWM技術(shù)是以固定的頻率開關(guān)恒壓源，通過調(diào)整PWM信號(hào)的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。直流電源電壓的幅度等于PWM信號(hào)的平均幅度。

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加于電動(dòng)機(jī)兩端電壓大小有關(guān)。本系統(tǒng)用脈寬調(diào)制技術(shù)來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值時(shí)，增加導(dǎo)通脈寬，當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)則減小導(dǎo)通脈寬，從而使電動(dòng)機(jī)以設(shè)定的速度恒速旋轉(zhuǎn)。我們采用比例調(diào)節(jié)器算法：

Y=KP e（t）+KI ？蘩e（t）dt

式中：

Y為比例積分調(diào)節(jié)器輸出；

KP為比例系數(shù)；

KI為積分系數(shù)；

e（t）為調(diào)節(jié)器的輸入，一般為偏差值。

系統(tǒng)采用了比例積分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)在擾動(dòng)的作用下，通過PI調(diào)節(jié)器的作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到靜態(tài)無差。無靜差調(diào)速系統(tǒng)中，比例積分調(diào)節(jié)器的比例部分使動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快（無滯后），積分部分使系統(tǒng)消除靜差。

4 運(yùn)動(dòng)傳感器選擇

4.1 運(yùn)動(dòng)傳感器特性介紹

新型的高精度超小型姿態(tài)動(dòng)作捕捉傳感器，它使用Bluetooth通訊技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，高度滿足了在機(jī)械系統(tǒng)以及人體動(dòng)作信息測(cè)量應(yīng)用上的高精度計(jì)算，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。LPMS姿態(tài)傳感器使用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合算法，為用戶提供高精度高穩(wěn)定性的姿態(tài)動(dòng)作信息以及3軸加速度/角速度/地磁量/方位角等數(shù)據(jù)。應(yīng)用領(lǐng)域廣，如運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，醫(yī)療康復(fù)等。同時(shí)提供高靈活度的軟件編程支持，用戶可在不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)上利用LPMS的函數(shù)庫進(jìn)行快速編程，降低開發(fā)時(shí)間。

4.2 測(cè)量輸出

LPMS運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器是一個(gè)小型的、多功能慣性測(cè)量單元。設(shè)計(jì)單元很小，因此它可以獲得廣泛的使用，如在測(cè)量人體的運(yùn)動(dòng)等方面。姿態(tài)傳感器是基于MEMS技術(shù)的高性能三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。它包含三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)，三軸電子羅盤等運(yùn)動(dòng)傳感器，通過內(nèi)嵌的低功耗ARM處理器得到經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)娜S姿態(tài)與方位等數(shù)據(jù)，該單元可以測(cè)量360 ？觷范圍內(nèi)的任何方向。

利用基于四元數(shù)的三維算法和特殊數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)時(shí)輸出以四元數(shù)、歐拉角表示的零漂移三維姿態(tài)方位數(shù)據(jù)。

傳感器在內(nèi)部使用三種不同的傳感單元。這些單位是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的傳感器集成在一個(gè)小型化的復(fù)雜的機(jī)械和電子的微型裝置。在方向確定上使用的是一個(gè)3軸陀螺儀（檢測(cè)角速度），3軸加速度計(jì)（檢測(cè)地球重力場(chǎng)的定向）和一個(gè)3軸磁強(qiáng)計(jì)，以測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向。原則上，所有關(guān)于三個(gè)軸的方向數(shù)據(jù)可以從陀螺儀來的角速度數(shù)據(jù)通過積分確定。但是通過整合來自陀螺儀的測(cè)量誤差，雖然它可能是非常小的，對(duì)由此而來的指數(shù)角度值漂移的影響很大。為了糾正這些數(shù)據(jù)，通過從加速度計(jì)（滾動(dòng)和俯仰）和磁力計(jì)（偏航）來計(jì)算高精確度方位信息和穩(wěn)定性，同時(shí)保證快速采樣率。結(jié)合3個(gè)傳感器的方向信息，使用互補(bǔ)濾波器結(jié)合一個(gè)擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF），從而形成所謂的過濾器?？柭鼮V波器允許我們降低，尤其是降低運(yùn)動(dòng)時(shí)的測(cè)量誤差（如人體步態(tài)分析，車輛振動(dòng)分析等）。

5 結(jié) 語

健身電動(dòng)跑步機(jī)經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，已取得了很大的進(jìn)展。但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，更多的先進(jìn)新技術(shù)將應(yīng)用到健身跑步機(jī)上。通過Bluetooth等組網(wǎng)技術(shù)，把穿戴式運(yùn)動(dòng)設(shè)備與健身器材連接起來。在為用戶提供更多，更科學(xué)的運(yùn)動(dòng)方案的同時(shí)避免不必要的損傷。通過一系列的試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，LPMS運(yùn)動(dòng)傳感器在線性位移跟蹤的應(yīng)用方面非?？煽?。通過對(duì)線性加速度進(jìn)行雙重積分測(cè)量位移。對(duì)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和步態(tài)分析等非常有幫助，在跑步機(jī)防摔的研究方面必將有新的突破。

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