跑步機運動防摔人體姿態識別研究

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，不能準確預測摔倒。在人摔倒以后，跑步機仍繼續高速運行，容易給人身體和心理帶來嚴重的傷害。國內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，研究設計一種可穿戴式，基于嵌入式傳感器的摔倒預測系統。提出新的跑步機跑步防止摔倒系統的研究。

關鍵詞：跑步機；摔倒檢測預防；運動傳感器；嵌入式系統

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狀

跑步是目前國際流行并被醫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，跑步機已經成為世界上最受歡迎的室內健身器械。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。

關于跑步機防摔問題，目前國內外的研究不是很多，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。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相連，如果跑步者出現后仰或摔倒等身體失衡現象，跑步機能及時停下，避免傷害。

本課題中，根據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、功耗低等優點，因此更容易進入穿戴式運動檢測應用領域。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進行靈活準確的評估。三維加速度傳感器系統將成為國內外研究跌倒檢測的一個主要趨勢。

2 健身跑步機發展的趨勢

2.1 多學科知識應用于健身器材的設計與研制

健身器材經歷了由簡單到復雜，由單一到多樣，科技含量不斷增加的發展過程。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、計算機技術及自動控制技術等多學科知識技術于一體的新型運動器材。

2.2 新材料、新技術、新工藝應用于健身器材的速度加快

新的檢測與控制技術使健身器材發生了革命性的變化，更具生命力。例如，美國市場最近出現了一種新型健身器材，能在鍛煉的不同階段發出聲光提示，并顯示出鍛煉者設定的程序和圖像，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合

健身運動的發展，運動訓練水平與人類身體素質的不斷提高，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合。

3 跑步機控制系統的結構及功能

跑步機控制系統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。第四代健身電動跑步機采用單片機代替純模擬電路構成直流有刷電動機轉速的控制系統。采用比例和積分調節器算法，效率高、電路簡單、成本低、升級方便，具有過流、堵轉、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點。

速度控制系統是以PIC16F873單片機為核心的主控電路，配合相應的外設電路，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進行控制。電動跑步機控制系統總體設計框圖如圖1所示，虛線框內是下位機控制器設計。

3.1 轉速的測量原理

轉速是工程上常用的參數，旋轉的轉速常以每分鐘的轉數RPM（Revolutions Per Minute）來表示。其單位是r/min。轉速的測量方法很多，在健身電動跑步機中為節約成本，用50線的圓形碼盤和光電傳感器配合來測量轉速；在電機軸的末端安裝碼盤，碼盤旋轉時，通過光電傳感器輸出脈沖信號至單片機即可計算出轉速。

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制（PWM）技術。PWM技術是以固定的頻率開關恒壓源，通過調整PWM信號的脈沖寬度可以調節電機的速度。直流電源電壓的幅度等于PWM信號的平均幅度。

直流電動機的轉速與施加于電動機兩端電壓大小有關。本系統用脈寬調制技術來控制電動機的轉速。當電動機轉速小于設定值時，增加導通脈寬，當大于設定值時則減小導通脈寬，從而使電動機以設定的速度恒速旋轉。我們采用比例調節器算法：

Y=KP e（t）+KI ？蘩e（t）dt

式中：

Y為比例積分調節器輸出；

KP為比例系數；

KI為積分系數；

e（t）為調節器的輸入，一般為偏差值。

系統采用了比例積分調節器，簡稱PI調節器，使系統在擾動的作用下，通過PI調節器的作用使電動機的轉速達到靜態無差。無靜差調速系統中，比例積分調節器的比例部分使動態響應比較快（無滯后），積分部分使系統消除靜差。

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動作捕捉傳感器，它使用Bluetooth通訊技術對數據進行無線傳輸，高度滿足了在機械系統以及人體動作信息測量應用上的高精度計算，以及數據傳輸的要求。LPMS姿態傳感器使用了先進的數據融合算法，為用戶提供高精度高穩定性的姿態動作信息以及3軸加速度/角速度/地磁量/方位角等數據。應用領域廣，如運動學分析，醫療康復等。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平臺上利用LPMS的函數庫進行快速編程，降低開發時間。

4.2 測量輸出

LPMS運動姿態傳感器是一個小型的、多功能慣性測量單元。設計單元很小，因此它可以獲得廣泛的使用，如在測量人體的運動等方面。姿態傳感器是基于MEMS技術的高性能三維運動姿態測量系統。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，通過內嵌的低功耗ARM處理器得到經過溫度補償的三維姿態與方位等數據，該單元可以測量360 ？觷范圍內的任何方向。

利用基于四元數的三維算法和特殊數據融合技術，實時輸出以四元數、歐拉角表示的零漂移三維姿態方位數據。

傳感器在內部使用三種不同的傳感單元。這些單位是微機電系統（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，所有關于三個軸的方向數據可以從陀螺儀來的角速度數據通過積分確定。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，對由此而來的指數角度值漂移的影響很大。為了糾正這些數據，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定性，同時保證快速采樣率。結合3個傳感器的方向信息，使用互補濾波器結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（如人體步態分析，車輛振動分析等）。

5 結 語

健身電動跑步機經歷了由簡單到復雜，已取得了很大的進展。但隨著科學技術的進步，更多的先進新技術將應用到健身跑步機上。通過Bluetooth等組網技術，把穿戴式運動設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據分析，LPMS運動傳感器在線性位移跟蹤的應用方面非常可靠。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。

參考文獻：

[1] 鄭捷文.可穿戴實時診斷、報警、移動健康監護系統[D].北京：中國人民解放軍軍事醫學科學院，2008.

[2] 曹玉診，蔡偉超，程楊.基于MEMS加速度傳感器的人體姿態檢測技術[J].納米技術與精密工程，2010，（1）.

[3] 陳煒，佟麗娜，宋全軍，等.基于慣性傳感器件的跌倒檢測系統設計[J].傳感器與微系統，2010，（8）.

[4] David Kammer（美），李靜（譯）.藍牙應用開發指南[M].北京：北京科學出版社，2003.