跑步机安全控制方法

技术领域

本发明涉及跑步机控制技术领域，具体涉及一种跑步机安全控制方法。

背景技术

电动跑步机作为一种不受天气影响，可以方便地通过调节速度、坡度控制运动强度的有氧健身器材，越来越多进入家庭，满足居家健身运动需求。但电动跑步机作为一种人被动运动的健身器材，存在一定的安全隐患，特别是在家庭环境下，没有教练专业评估指导运动强度、监控跑步过程，经常发生运动强度过大、运动强度过小、跑姿不正确、身体状态不佳等情况引起运动效果不良或运动伤害；虽然也有一些公开的技术有事先评测运动能力而制定跑步方案，过程通过心率监控自动调整跑步速度、坡度，解决运动强度控制的问题；但是这些技术存在片面性，因为运动心率体现的只是身体对运动强度内在状态的反应，并不是身体状态的的全面反馈，在评测过程或执行运动方案过程的自动调节运动强度中存在一定风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种跑步机安全控制方法，实时检测用户身体状态的整体表现，在跑步方案执行过程中管控跑步机的运行驱动，在保证运动效果时，同时最大限度保证运动安全性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

跑步机安全控制方法，包括：

跑步中，跑步机下位机与上位机交互并根据跑步程式执行，下位机采集跑步中的三维加速度数据以及跑步带电机的脉动电流数据、平均电流数据来计算和判断用户左脚和右脚的跑姿动态参数并交互给上位机；

当用户左脚和右脚的实时参数差值超过预设阀值时判定为异常脚步，当累计的异常脚步数量超过预设值时判断为跑步状态异常，下位机降低跑步带电机的速度并向上位机发送报警信息。

进一步地，跑步中，跑步机上位机获取外部设备输入的跑步中身体状态数据，所述跑步中身体状态数据包括心率、体温、血氧饱和度、动态血压、心电图中的一种或多种。

进一步地，所述下位机连接有脉动电流采集电路和平均电流采集电路，所述脉动电流数据通过脉动电流采集电路输入下位机，所述平均电流数据通过平均电流采集电路输入下位机，平均电流采集电路自动调节脉动电流采集电路的增益，保证准确采集运动脚步触地脉动电流数据。

优选地，跑步带电机的正极电连接有采样电阻，所述脉动电流采集电路和平均电流采集电路并联连接在跑步带电机正极和采样电阻之间；所述脉动电流采集电路包括第一电阻、程控增益放大器和第一模数转换器，所述第一电阻电连接在采样电阻和跑步带电机正极之间而第一电阻的另一端电连接所述程控增益放大器，所述程控增益放大器的输出端电连接第一模数转换器，所述第一模数转换器电连接下位机的输入端；所述平均电流采集电路包括依次连接的第二电阻、第三电阻、第一电容、第一放大器和第二模数转换器，所述第二电阻的一端电连接在采样电阻和跑步带电机正极之间，所述第二模数转换器电连接下位机的输入端和程控增益放大器。

进一步地，所述下位机还连接有电压比较电路，在跑步中当平均电流数据超过阈值，通过电压比较电路自动断开电源以使得跑步带电机停机。

优选地，所述电压比较电路包括比较器、第四电阻、第五电阻、可变电阻，所述第四电阻与第一放大器输出端和比较器的输入端电连接，所述第五电阻和可变电阻的共同端电连接比较器的另一输入端，所述可变电阻另一端接地，所述比较器输出端与继电器驱动电路电连接，所述继电器驱动电路电连接继电器的线圈，所述继电器的常开触点电连接电源电路和整流桥的交流输入端之间。

进一步地，所述下位机还连接有电压采集电路，在跑步中通过所述电压采集电路采集跑步带电机实时电压，下位机结合所述跑步带电机的电压数据和平均电流数据计算跑步带电机的实时转速，以此监测跑步带电机运行状态。

进一步地，所述跑步带电机的正负极连接有二极管续流电路，通过二极管续流电路保证跑步带电机稳定转速运行。

优选地，所述跑姿动态参数包括左脚和右脚交替的脚步实时触地时长、冲击力峰值、步频、腾空时长，下位机计算跑姿动态参数的方法如下：

当在第n1个脚步下落脉动电流数据超过所述平均电流数据即开始计时Tn1.0和计数Cn，在脚步下落脉动电流数据达到峰值计时Tn1.1，当双脚离地时脉动电流数据减少到谷值计时Tn1.2，所述峰值脉动电流数据与预设的常数进行比例运算获得冲击力峰值Pn1；

当在第n2个脚步下落脉动电流数据超过所述平均电流数据即开始计时Tn2.0和计数Cn+1，在脚步下落脉动电流数据达到峰值计时Tn2.1，当双脚离地时脉动电流数据减少到谷值计时Tn2.2，所述峰值脉动电流数据与预设的常数进行比例运算获得冲击力峰值Pn2；

当在第n3个脚步下落脉动电流数据超过所述平均电流数据即开始计时Tn3.0和计数Cn+2，在脚步下落脉动电流数据达到峰值计时Tn3.1，当双脚离地时脉动电流数据减少到谷值计时Tn3.2，所述峰值脉动电流数据与预设的常数进行比例运算获得冲击力峰值Pn3；

每一步触地时长计算：

第n1脚触地时长=Tn1.1-Tn1.0

第n2脚触地时长=Tn2.2-Tn2.0

第n3脚触地时长=Tn3.2-Tn3.0

第ni脚触地时长=Tni.2-Tni.0

平均触地时长=(第n1脚触地时长+第n2脚触地时长+第n3脚触地时长+……+第ni脚触地时长)/i；

每一步腾空时长计算：

第n2脚腾空时长=Tn2.0-Tn1.2

第n3脚腾空时长=Tn3.0-Tn2.2

第n4脚腾空时长=Tn4.0-Tn3.2

第ni+1脚腾空时长=Tni+1.0-Tni.2

平均腾空时长=(第n2脚腾空时长+第n3脚腾空时长+第n4脚腾空时长+……+第ni+1脚腾空时长)/i；

步频计算：步频=(计数Cn+i)/(Tni.0–Tn1.0)。

进一步地，该安全控制还方法还包括：跑步前，跑步机上位机采集用户运动健康基础数据并自动生成跑步程式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用下位机采集跑步中的跑步带电机的脉动电流和平均电流数据，并结合三维加速度数据分析获取左脚和右脚的跑姿动态参数，实时监测跑步表现状态，同时上位机结合用户的实时身体状态信息，在有氧跑步能力评测和个性化跑步方案执行过程中全面管控跑步机的运行驱动，在异常状态及时调整运动强度，在极端异常情况逐级降低跑步带速度直至停止，以达到执行有氧跑步能力评测和个性化跑步运动方案的安全性。

本发明在跑步带电机的正极连接采样电阻并在跑步带电机正极和采样电阻之间并联连接有脉动电流采集电路和平均电流采集电路，平均电流采集电路的输出端连接下位机和脉动电流采集电路中的程控增益放大器，平均电流数据采集电路自动调节其脉动电流数据采集电路的增益，保证准确采集运动脚步触地脉动电流数据，实时监测跑步表现状态，在异常状态及时调整跑步带速度直至停止，以达到执行跑步运动方案的安全性。

本发明的平均电流采集电路将采集和转换得到所述跑步带电机的平均电流数据，输送到程控增益放大器的控制输入端和所述下位机的输入端：当所述平均电流数据大时，所述程控增益放大器的增益自动降低；当所述平均电流数据小时，所述程控增益放大器的增益自动升高。如此通过自动升降所述程控增益放大器的增益，使得采集的所述跑步带电机的脉动电流产生的电压降在所述程控增益放大器的线性区间放大，高保真地体现跑步机上用户脚步起落的脉动电流趋势，并通过所述第一模数转换器转换为脉动电流数据输入到所述下位机，所述下位机结合脉动电流数据和所述平均电流数据获得左脚和右脚交替的脚步实时触地时长、冲击力峰值、步频、腾空时长等跑姿动态参数，当跑步左脚和右脚的实时参数差值超过预设阀值时判定为异常脚步，当累计的异常脚步数量超过预设值时判断为跑步状态异常，即用户体能不适跟不上跑步机运行节奏，此时降低跑步机跑步带电机的转速并更新跑步程式的速度/坡度参数，以此保证用户在安全运动状态。

附图说明

图1为本发明安全控制电路和下位机电路图。

图2为本发明跑步带电机驱动电路的电路图。

图3为本发明脉动电流采集电路的电路图。

图4为本发明平均电流采集电路和电压比较电路的电路图。

图5为本发明电压采集电路的电路图。

图6为本发明继电器驱动电路的电路图。

图7为本发明跑步机安全控制方法示意图。

图中标记：100、跑步带电机；200、坡度升降电机；10、下位机；11、整流桥；12、下接口电路；13、三维加速度传感器模组；14、坡度升降电机驱动电路；21、采样电阻；22、第一功率管；23、跑步带电机控制电路；24、电阻器；25、电容器；26、滤波电阻；27、第三电容；28、续流快速恢复二极管；31、第一电阻；32、程控增益放大器；33、第一模数转换器；41、第二电阻；42、第三电阻；43、第一电容；44、第一放大器；45、第二模数转换器；51、比较器；52、第四电阻；53、第五电阻；54、可变电阻；55、继电器驱动电路；56、继电器；61、第六电阻；62、第七电阻；63、第二电容；64、稳压二极管；65、第三模数转换器；71、第八电阻；72、第九电阻；73、第十电阻；74、第十一电阻；75、第一三极管；76、第二三极管；77、第三三极管；78、光耦器。

具体实施方式

为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图7所示，本实施例提供一种跑步机安全控制方法，跑步机包括上位机和下位机10，其安全控制方法包括：跑步前，跑步机上位机采集用户运动健康基础数据并自动生成跑步程式；跑步中，跑步机下位机10与上位机交互并根据跑步程式执行，下位机10采集跑步中的三维加速度数据以及跑步带电机100的脉动电流数据、平均电流数据来计算和判断用户左脚和右脚的跑姿动态参数并交互给上位机；当用户左脚和右脚的实时参数差值超过预设阀值时判定为异常脚步，当累计的异常脚步数量超过预设值时判断为跑步状态异常，下位机10降低跑步带电机100的速度并向上位机发送报警信息；上位机收到报警信息后更新跑步程式，降低速度和/或坡度参数来调整运动强度，下位机10再根据更新后的跑步程式执行。若用户仍然跟不上跑步程式，则循环调整、逐级降速直至停机。

所述上位机连接有触控电路、显示电路、语音播报电路、外部通讯电路和上接口电路，在跑步中，跑步机上位机通过外部通讯电路与外部设备例如心率监测设备、心电监测设备等连接并获取外部设备输入的跑步中身体状态数据，例如心率、体温、血氧饱和度、动态血压、心电图。所述下位机10内置程序储存媒介，所述程序储存媒介包含安全控制软件模块、跑步带电机控制软件模块、坡度升降电机控制软件模块、运算软件模块和异常处理模块。所述下位机10还连接有电源电路、安全控制电路、下接口电路12、坡度升降电机驱动电路14和三维加速度传感器模组13。

上位机通过显示电路、触控电路、语音播放电路与用户交互，获取运动健康基础数据，包括用户基本信息（例如性别、年龄、身高、体重等）、运动历史数据、身体状态数据和运动目的数据。当用户选择有氧跑步能力测试时，跑步机执行有氧跑步能力程式，上位机结合用户基本信息和测试结果数据计算最大摄氧量，上位机结合用户的所述最大摄氧量、身体状况信息、运动历史信息、运动目的信息等，运算生成用户个性化的跑步程式，通过跑步带电机100的速度和坡度升降电机200的坡度来改变跑步程式各阶段的运动强度。上位机结合所述用户实时身体状态信息与下位机10的安全控制电路及方法联动，评估身体状态内外表现，在跑步锻炼过程中全程发挥作用确保用户安全。

具体而言，如图1-图6所示，安全控制电路包括跑步带电机驱动电路、脉动电流采集电路、平均电流采集电路、电压比较电路、电压采集电路、二极管续流电路，跑步带电机100的正极电连接有采样电阻21，所述脉动电流采集电路和平均电流采集电路并联连接在跑步带电机100正极和采样电阻21之间。

所述跑步带电机驱动电路包括跑步带电机控制电路23和第一功率管22，所述跑步带电机控制电路23电连接下位机10输出端，所述跑步带电机控制电路23可采用现有常规的脉宽调制PWM方法控制转速。所述第一功率管22的集电极电连接整流桥11的输出端正极，所述第一功率管22的栅极电连接在跑步带电机控制电路23的输出端，所述第一功率管22的发射极电连接采样电阻21，所述第一功率管22的集电极和发射极之间还电连接有电阻器24和电容器25，跑步带电机100的负极电连接整流桥11的输出端负极，如此实现下位机10通过跑步带电机驱动电路驱动和调节跑步带电机100的转速。

所述二极管续流电路包括滤波电阻26、第三电容27和两个续流快速恢复二极管28，所述滤波电阻26和第三电容27的一端并联连接在跑步带电机100的负极，所述滤波电阻26和第三电容27的另一端并联连接在跑步带电机100的正极，两个续流快速恢复二极管28的正极电连接跑步带电机100的负极，两个续流快速恢复二极管28的负极通过采样电阻21电连接至跑步带电机100的正极。由于在脉宽调制PWM供电为无电压输出周期时，所述跑步带电机驱动电路的第一功率管22为关闭状态，跑步带电机100作为电感性负载将产生反电动势电压，其感应电流将通过两个所述续流快速恢复二极管28续流，以此保护所述第一功率管22不受反电动势电压冲击损坏，同时保证跑步带电机100稳定转速运行。

所述脉动电流数据通过脉动电流采集电路输入下位机10，所述脉动电流采集电路包括第一电阻31、程控增益放大器32和第一模数转换器33，所述第一电阻31电连接在采样电阻21和跑步带电机100正极之间而第一电阻31的另一端电连接程控增益放大器32，所述程控增益放大器32的输出端电连接第一模数转换器33，所述第一模数转换器33电连接下位机10的输入端。

所述平均电流数据通过平均电流采集电路输入下位机10，所述平均电流采集电路包括依次连接的第二电阻41、第三电阻42、第一电容43、第一放大器44和第二模数转换器45，所述第二电阻41的一端电连接在采样电阻21和跑步带电机100正极之间，所述第二模数转换器45电连接下位机10的输入端和程控增益放大器32。

所述平均电流采集电路采集和转换得到所述跑步带电机100的平均电流数据，输送到程控增益放大器32的控制输入端和所述下位机10的输入端，平均电流采集电路自动调节脉动电流采集电路的增益，保证准确采集运动脚步触地脉动电流数据。具体的：当所述平均电流数据大时，所述程控增益放大器32的增益自动降低；当所述平均电流数据小时，所述程控增益放大器32的增益自动升高；如此通过自动升降所述程控增益放大器32的增益，使得采集的所述跑步带电机100的脉动电流产生的电压降在所述程控增益放大器32的线性区间放大，高保真地体现跑步机上用户脚步起落的脉动电流趋势，并通过所述第一模数转换器33转换为脉动电流数据输入到所述下位机10，所述下位机10内置的运算软件模块处理所述脉动电流数据和所述平均电流数据，获得左脚和右脚交替的脚步实时触地时长、冲击力峰值、步频、腾空时长等跑姿动态参数，以及平均跑姿参数、平均电流数据，同时通过电连接在下位机10上的下接口电路12向上位机发送相关参数数据。

下位机10计算跑姿动态参数的方法如下：

当在第n1个脚步下落脉动电流数据超过所述平均电流数据即开始计时Tn1.0和计数Cn，在脚步下落脉动电流数据达到峰值计时Tn1.1，当双脚离地时脉动电流数据减少到谷值计时Tn1.2，所述峰值脉动电流数据与预设的常数进行比例运算获得冲击力峰值Pn1；

当在第n2个脚步下落脉动电流数据超过所述平均电流数据即开始计时Tn2.0和计数Cn+1，在脚步下落脉动电流数据达到峰值计时Tn2.1，当双脚离地时脉动电流数据减少到谷值计时Tn2.2，所述峰值脉动电流数据与预设的常数进行比例运算获得冲击力峰值Pn2；

当在第n3个脚步下落脉动电流数据超过所述平均电流数据即开始计时Tn3.0和计数Cn+2，在脚步下落脉动电流数据达到峰值计时Tn3.1，当双脚离地时脉动电流数据减少到谷值计时Tn3.2，所述峰值脉动电流数据与预设的常数进行比例运算获得冲击力峰值Pn3；

每一步触地时长计算：

第n1脚触地时长=Tn1.1-Tn1.0

第n2脚触地时长=Tn2.2-Tn2.0

第n3脚触地时长=Tn3.2-Tn3.0

第ni脚触地时长=Tni.2-Tni.0

平均触地时长=(第n1脚触地时长+第n2脚触地时长+第n3脚触地时长+……+第ni脚触地时长)/i；

每一步腾空时长计算：

第n2脚腾空时长=Tn2.0-Tn1.2

第n3脚腾空时长=Tn3.0-Tn2.2

第n4脚腾空时长=Tn4.0-Tn3.2

第ni+1脚腾空时长=Tni+1.0-Tni.2

平均腾空时长=(第n2脚腾空时长+第n3脚腾空时长+第n4脚腾空时长+……+第ni+1脚腾空时长)/i；

步频计算：步频=(计数Cn+i)/(Tni.0–Tn1.0)。

所述三维加速度数据通过三维加速度传感器模组13获得，三维加速度传感器模组13安装在垂直于跑带运行方向的跑步平台中间，三维加速度传感器模组13电连接下位机10，下位机10内置的算法软件模块通过所述三维加速度数据计算判断跑姿参数的左、右脚属性；上位机通过上接口电路接收下位机10的下接口电路12传输的数据，包括左脚和右脚的脚步实时触地时长、冲击力峰值、步频、腾空时长等跑姿动态参数，以及平均跑姿参数，并通过文字、图片、视频、语音展示，同时展示正确跑姿方法，指导用户正确跑步。

当跑步左脚和右脚的实时参数差值超过预设阀值时判定为异常脚步，当累计的异常脚步数量超过预设值时判断为跑步状态异常，即用户体能不适跟不上跑步机运行节奏，此时下位机10内置的异常处理程序模块启动工作，降低跑步机跑步带电机100的转速，以此保证用户在安全运动状态，并通过下接口电路12向上上位机发送报警信息。上位机收到报警信息后更新跑步程式，降低速度和/或坡度参数来调整运动强度并发出声音、文字提示信息，下位机10再根据更新后的跑步程式执行。若用户仍然跟不上跑步程式，则循环调整、逐级降速直至停机。

在跑步中当平均电流数据超过阈值，通过电压比较电路自动断开电源以使得跑步带电机100停机。所述电压比较电路包括比较器51、第四电阻52、第五电阻53、可变电阻54，所述第四电阻52与第一放大器44输出端和比较器51的输入端电连接，所述第五电阻53和可变电阻54的共同端电连接比较器51的另一输入端，所述可变电阻54另一端接地，所述比较器51输出端与继电器驱动电路55电连接，继电器驱动电路55可采用现有常规电路模块，所述继电器驱动电路55电连接继电器56的线圈，所述继电器56的常开触点电连接电源电路的AC2端和整流桥11的交流输入端之间，整流桥11的另一交流输入端通过保险丝连接电源电路的AC1端。当平均电流超过阈值时，所述第一放大器44输出的电压超过阀值，所述比较器51输出端的反转电位触发所述继电器驱动电路55，关断继电器56，从而切断跑步带电机100的电源，以防止跑步带电机驱动电路的第一功率管22过流过热烧坏短路，避免由此短路引起跑步带电机100速度过快导致用户摔倒危险。

继电器驱动电路55包括第八电阻71、第九电阻72、第十电阻73、第十一电阻74、第一三极管75、第二三极管76、第三三极管77和光耦器78，所述比较器51的输出端通过第八电阻71接至第一三极管75的基极，第一三极管75的集电极接至光耦器78的输入端正极而第一三极管75的发射极连接第九电阻72；所述单片机10通过第十电阻73接至第二三极管76的基极，所述第二三极管76的集电极接至光耦器78的输入端负极而第二三极管76的发射极接地；所述光耦器78的输出端发射极通过第十一电阻74接至第三三极管77的基极，所述第三三极管77的发射极接地而第三三极管77的集电极接至继电器56的线圈一端，所述继电器56的线圈另一端接至光耦器78的输出端集电极，如图6所示，正常启动跑步机运行时继电器56开始闭合，而当停机或出现平均电流超过限制时断开。

通过所述电压采集电路采集跑步带电机100实时电压，在跑步中下位机10结合所述跑步带电机100的电压数据和平均电流数据计算跑步带电机100的实时转速，以此监测跑步带电机100运行状态，作为安全控制辅助因子。如图5所示，所述电压采集电路包括第六电阻61、第七电阻62、第二电容63、稳压二极管64和第三模数转换器65，所述第三模数转换器65与下位机10的输入端电连接，所述第六电阻61的一端电连接第三模数转换器65而另一端电连接跑步带电机100的负极，所述第二电容63、第七电阻62和稳压二极管64的一端并联连接在第六电阻61和第三模数转换器65之间，所述第二电容63、第七电阻62和稳压二极管64的另一端均接地。

以上显示和描述了本发明创造的基本原理和主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明创造精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。