徐維軍

摘 要：摔倒意外在跑步機跑步鍛煉中比較常見，而由于跑步機不具備智能性，不能預測運動者的狀態(tài)，不能準確預測摔倒。在人摔倒以后，跑步機仍繼續(xù)高速運行，容易給人身體和心理帶來嚴重的傷害。國內(nèi)外針對摔倒識別及預測的研究較為多樣化，但都基于日常生活中的防摔研究。文章通過分析跑步機的特殊性，及跑步機摔倒行為過程與日常生活中的行為過程的區(qū)別，如人體運動加速度的大小等，通過硬件平臺的選擇，研究設(shè)計一種可穿戴式，基于嵌入式傳感器的摔倒預測系統(tǒng)。提出新的跑步機跑步防止摔倒系統(tǒng)的研究。

關(guān)鍵詞：跑步機；摔倒檢測預防；運動傳感器；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）09-0020-02

1 課題研究的意義及現(xiàn)狀

跑步是目前國際流行并被醫(yī)學界和體育界給予高度評價的有氧健身運動，是保持身心健康最有效、最科學的健身方式之一，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，跑步機就成為很多家庭的必備運動器材。如今，跑步機已經(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，但如何在跑步機上防摔的研究卻很少。

關(guān)于跑步機防摔問題，目前國內(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線用磁鐵控制急停開關(guān)。要把跑步機上的緊急制動夾片夾到衣服上。這個夾片與跑步機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，跑步機能及時停下，避免傷害。

本課題中，根據(jù)人在跑步機上運動的特點，把人在跑步機上的正常運動定義為平面運動、上坡爬行，跑步等，而摔倒或突然倒地等視為異常行為、重點是對摔倒這一特定的動作進行識別。加速度傳感器具有尺寸小、精度高、功耗低等優(yōu)點，因此更容易進入穿戴式運動檢測應用領(lǐng)域。加速度傳感器響應運動頻率和強度的變化，可以檢測方位角及個體移動。加速度傳感器能夠進行傾斜檢測，運動檢測等；可用于測量人體的移動，進而對人體運動姿態(tài)進行靈活準確的評估。三維加速度傳感器系統(tǒng)將成為國內(nèi)外研究跌倒檢測的一個主要趨勢。

2 健身跑步機發(fā)展的趨勢

2.1 多學科知識應用于健身器材的設(shè)計與研制

健身器材經(jīng)歷了由簡單到復雜，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械零件的簡單組合，而是集電子、機械、光電，傳感技術(shù)、計算機技術(shù)及自動控制技術(shù)等多學科知識技術(shù)于一體的新型運動器材。

2.2 新材料、新技術(shù)、新工藝應用于健身器材的速度加快

新的檢測與控制技術(shù)使健身器材發(fā)生了革命性的變化，更具生命力。例如，美國市場最近出現(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到運動的樂趣。

2.3 健身器材廣泛的適用性與功能的針對性更有機地結(jié)合

健身運動的發(fā)展，運動訓練水平與人類身體素質(zhì)的不斷提高，促進了健身器材廣泛的適用性與功能的針對性更有機的結(jié)合。

3 跑步機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能

跑步機控制系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成，本文簡要論述的是電動跑步機的速度控制系統(tǒng)。第四代健身電動跑步機采用單片機代替純模擬電路構(gòu)成直流有刷電動機轉(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、電路簡單、成本低、升級方便，具有過流、堵轉(zhuǎn)、安全保護功能，同時可以獲得運行噪聲小、速度和扭矩控制精度高等優(yōu)點。

速度控制系統(tǒng)是以PIC16F873單片機為核心的主控電路，配合相應的外設(shè)電路，通過采集電機反饋，接收上位機信息等對電動機的運行狀態(tài)進行控制。電動跑步機控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示，虛線框內(nèi)是下位機控制器設(shè)計。

3.1 轉(zhuǎn)速的測量原理

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)速的測量方法很多，在健身電動跑步機中為節(jié)約成本，用50線的圓形碼盤和光電傳感器配合來測量轉(zhuǎn)速；在電機軸的末端安裝碼盤，碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過光電傳感器輸出脈沖信號至單片機即可計算出轉(zhuǎn)速。

3.2 有刷直流電機工作原理

直流電壓幅度決定了電機的轉(zhuǎn)速，因此直流電源是一個線性激勵源。改變有刷直流電機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信號的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機的速度。直流電源電壓的幅度等于PWM信號的平均幅度。

直流電動機的轉(zhuǎn)速與施加于電動機兩端電壓大小有關(guān)。本系統(tǒng)用脈寬調(diào)制技術(shù)來控制電動機的轉(zhuǎn)速。當電動機轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值時，增加導通脈寬，當大于設(shè)定值時則減小導通脈寬，從而使電動機以設(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，簡稱PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)在擾動的作用下，通過PI調(diào)節(jié)器的作用使電動機的轉(zhuǎn)速達到靜態(tài)無差。無靜差調(diào)速系統(tǒng)中，比例積分調(diào)節(jié)器的比例部分使動態(tài)響應比較快（無滯后），積分部分使系統(tǒng)消除靜差。

4 運動傳感器選擇

4.1 運動傳感器特性介紹

新型的高精度超小型姿態(tài)動作捕捉傳感器，它使用Bluetooth通訊技術(shù)對數(shù)據(jù)進行無線傳輸，高度滿足了在機械系統(tǒng)以及人體動作信息測量應用上的高精度計算，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。LPMS姿態(tài)傳感器使用了先進的數(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)。應用領(lǐng)域廣，如運動學分析，醫(yī)療康復等。同時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)平臺上利用LPMS的函數(shù)庫進行快速編程，降低開發(fā)時間。

4.2 測量輸出

LPMS運動姿態(tài)傳感器是一個小型的、多功能慣性測量單元。設(shè)計單元很小，因此它可以獲得廣泛的使用，如在測量人體的運動等方面。姿態(tài)傳感器是基于MEMS技術(shù)的高性能三維運動姿態(tài)測量系統(tǒng)。它包含三軸陀螺儀、三軸加速度計，三軸電子羅盤等運動傳感器，通過內(nèi)嵌的低功耗ARM處理器得到經(jīng)過溫度補償?shù)娜S姿態(tài)與方位等數(shù)據(jù)，該單元可以測量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)，實時輸出以四元數(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。這些單位是微機電系統(tǒng)（MEMS）的傳感器集成在一個小型化的復雜的機械和電子的微型裝置。在方向確定上使用的是一個3軸陀螺儀（檢測角速度），3軸加速度計（檢測地球重力場的定向）和一個3軸磁強計，以測量地球磁場的方向。原則上，所有關(guān)于三個軸的方向數(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量誤差，雖然它可能是非常小的，對由此而來的指數(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（滾動和俯仰）和磁力計（偏航）來計算高精確度方位信息和穩(wěn)定性，同時保證快速采樣率。結(jié)合3個傳感器的方向信息，使用互補濾波器結(jié)合一個擴展卡爾曼濾波器（EKF），從而形成所謂的過濾器。卡爾曼濾波器允許我們降低，尤其是降低運動時的測量誤差（如人體步態(tài)分析，車輛振動分析等）。

5 結(jié) 語

健身電動跑步機經(jīng)歷了由簡單到復雜，已取得了很大的進展。但隨著科學技術(shù)的進步，更多的先進新技術(shù)將應用到健身跑步機上。通過Bluetooth等組網(wǎng)技術(shù)，把穿戴式運動設(shè)備與健身器材連接起來。在為用戶提供更多，更科學的運動方案的同時避免不必要的損傷。通過一系列的試驗及數(shù)據(jù)分析，LPMS運動傳感器在線性位移跟蹤的應用方面非?？煽?。通過對線性加速度進行雙重積分測量位移。對運動檢測和步態(tài)分析等非常有幫助，在跑步機防摔的研究方面必將有新的突破。

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