一種基于視頻的跑步機自適應調速系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于視頻的跑步機自適應調速系統(tǒng)，包括攝像機視頻采集模塊、上位機分析和控制模塊、電機驅動模塊等，電機驅動模塊連接電機，驅動電機轉動，電機帶動跑步機跑帶轉動。在本文發(fā)明中，通過位置可調的攝像機視頻采集模塊，實時獲取跑步者在跑步過程中，跑步者人體中心點的位置、相對位移ΔS、運動周期時間t、身體軀干角度Δθ等參數，由所建立的加速度與運動周期時間t、人體中心點的位置、相對位移ΔS、身體軀干傾斜角度Δθ的關系模型計算得出加速度，并根據加速度向電機驅動模塊發(fā)送控制命令，調節(jié)電機轉速，進而實現(xiàn)跑步機的速度自適應。
【專利說明】
-種基于視頻的跑步機自適應調速系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及計算機視覺、模式識別和健身設備技術領域，設計一種基于視頻的跑 步機自適應調速系統(tǒng)，對運動者的走、跑視頻圖像進行處理分析及特征提取，獲得運動對象 的運動特征，通過建立的數學模型控制跑步機電機轉速，實現(xiàn)跑步機的速度自適應控制。
【背景技術】
[0002] 隨著時代的發(fā)展，人們的物質生活水平不斷提高，健康意識也隨之不斷增強。走、 跑作為一種健康的有氧代謝健身活動，受到國內外體育界與醫(yī)學界的高度重視。運種運動 在提高屯、肺功能、增加肌肉與骨骼強度方面都有顯著效果，如今已廣泛應用于運動鍛煉、醫(yī) 療復健等領域。由于現(xiàn)代生活節(jié)奏的變化W及戶外跑步受環(huán)境、天氣、場地等自然客觀因素 的限制，人們選擇跑步機用來代替與模擬戶外自由跑步環(huán)境，從而達到健身目的，運一健身 方式倍受青睞。同時，在醫(yī)療健康領域，通過讓患者在跑步機上進行重復的、特定任務的訓 練，
[0003] 使重組中的大腦皮質通過深刻的體驗來學習和儲存正確的運動模式，W達到復健 目的。減重訓練(Body Wei曲t Su卵orted Training,BWST)的方法就是根據運個原理，成為 針對下肢或脊椎損傷的病患進行康復治療的重要方法之一。由于跑步機通常安置在室內， 相比室外開放的環(huán)境，具有更好的安全與便捷性。
[0004] 跑步機又可分為機械式跑步機與電動式跑步機。機械跑步機的傳動系統(tǒng)是由一個 傳送帶套，兩端各有一根固定軸把傳送帶拉緊，有一個軸和滾軸連接，一個可調式開關和一 個固定架構成，主要是依靠跑步者腳與跑步帶的摩擦力帶動來運行的；電動跑步機是依靠 電機帶動跑步帶運行，通過變頻器來控制馬達轉速實現(xiàn)調節(jié)跑步時的速度變化。而機械跑 步機通過人體帶動跑帶運行，表面上看起來似乎能消耗更多的能量，但是由于跑步過程中 為了使跑帶能向后運轉而故意向后產生的扭力，其過度集中在初帶、關節(jié)等幾個關鍵受力 部位，運種扭力更容易使受力部位肌腫組織產生慢性疲勞，從而打破運部分組織的局部平 衡、損傷其健康。后者雖然克服了運一缺點，但傳統(tǒng)的電動式跑步機的調速依然是通過按鍵 等人機交互完成，運動者的自由度受到極大的限制。因此，研究人體在跑步機上的運動特征 W及速度變化的規(guī)律，根據運一規(guī)律調整電機速度，W達到跑步機的速度自適應運一目的， 對于改善健身者的跑步體驗、拓展跑步機的應用范圍具有重要意義。
[0005] 現(xiàn)有技術有公開號為CN102319503B的發(fā)明專利"一種基于柔性陣列壓力傳感器的 跑步機自適應調速系統(tǒng)"，該方法在跑步機上安裝柔性陣列壓力傳感器，通過采集足底壓力 信號來獲取運動特征，構造成本高，設備體積大，調速系統(tǒng)依賴特定跑步機，不易于普遍應 用。其中接近的現(xiàn)有技術還有公開號為CN102961847B的發(fā)明專利"一種跑步機速度跟隨自 適應控制方法及裝置"，該方法需要跑步者在身上穿戴一套力測量裝置，通過測力信號反饋 跑步者相對于跑步機的運動趨勢，據此來調節(jié)跑步機的速度，但穿戴于身上的測量設備，在 一定程度上束縛了跑步者的自由，影響運動效果，且運動過程對信號采集的精度產生干擾。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的技術解決問題:克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于視頻的跑步機自適 應調速系統(tǒng)，依據跑步者在跑步過程中的實時視頻信息來實現(xiàn)對跑步機速度的自適應調 T。
[0007] 本發(fā)明的技術方案是:一種基于視頻的跑步機自適應調速系統(tǒng)，包括：
[0008] 采集視頻的攝像機，實時獲取跑步者在跑步過程中的視頻圖像的信息，視頻圖像 的信息包括人體中屯、點的位置、相對位移A S、運動周期時間t和身體軀干傾斜角度Δ Θ ;
[0009] 上位機分析模塊，將攝像機檢測到跑步者的實時視頻信息通過USB接口傳送到上 位機，上位機分析模塊進行對視頻信息的處理和分析，得出人體中屯、點的位置、相對位移Δ S、運動周期時間t和身體軀干傾斜角度Δ Θ ;
[0010] 上位機控制模塊，依據上位機分析模塊得出視頻信息，通過機器學習，建立加速度 在運動周期時間t內與人體中屯、點的位置、相對位移AS、運動周期時間t和身體軀干傾斜角 度A Θ的關系模型計算出加速度，并根據所得加速度向電機驅動模塊發(fā)送控制命令；
[0011] 電機驅動模塊，其接受上位機控制模塊發(fā)送的控制命令，控制電機的轉動速度，進 而實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)跑步機跑帶的速度。
[0012] 所述的采集跑步者視頻的攝像機安裝在可W拍攝到跑步者的全身的地方，可W依 據跑步者的身高、體重等指標進行調整位置。
[0013] 所述的關系模型計算得出速適
其加速度a = V%t+kp(2 Δ S)， V%是當前跑步者沒加速之前的速度，AS為圖像中中屯、點的位移之差，即相對位移，t為運 動周期時間，kp為修正系數，范圍為0~1之間。
[0014] 所述通過身體軀干傾斜角度ΔΘ的關系模型計算得出速度V。(t)=Vt(t)+kpΔΘ，其 加速度a = kpA 0t+Vt(t)t，其中kp為修正系數，范圍為0~1之間，Δ Θ為連續(xù)兩帖圖片的軀干 傾斜角的差值。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有的有益效果在于：
[0016] (1)速度自適應跑步機是目前人們室內跑步的重要需求，使得跑步者可W在跑步 機上實現(xiàn)變速跑，可是在目前流行的電動跑步機W及傳統(tǒng)跑步機上都不能實現(xiàn)運一功能， 都是通過按鍵或者遙控設備使跑步機減速或加速，運使得跑步者鍛煉達不到預期的效果。 本發(fā)明中的跑步機自適應調速系統(tǒng)，使得跑步者在跑步機上練習變速跑成為可能。不管跑 步者是加速還是減速，通過攝像機實時采集跑步者的視頻圖像，上位機分析視頻圖像的數 據，如人體中屯、點的位置、相對位移Δ S、運動周期時間t和身體軀干傾斜角度Δ Θ信息參數， 都能夠實時動態(tài)調節(jié)跑步機跑帶的速度W適應跑步者的速度。
[0017] (2)通過攝像機實時采集視頻的信息，相比于柔性陣列壓力傳感器采集足底壓力 特征信號，本發(fā)明不需要在跑步機上安裝大量的壓力傳感器，降低成本，減少跑步機自身的 體積和重量，攝像機采集視頻信息簡單，并通過模式識別W及圖像處理方法，分析視頻中跑 步者運動的姿態(tài)，并提取運動特征，建立加速度與運動周期時間t內與人體中屯、點位置、相 對位移Δ S和身體軀干傾斜角度Δ Θ的關系模型，實時計算跑步者的運動加速度并通過電機 驅動模塊來調整跑步機跑帶的速度，實現(xiàn)跑步機速度自適應控制。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的結構示意圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明的原理框圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0021] 如圖1所示，采集視頻的攝像機1固定在能拍攝到跑步者5在跑步機6跑帶4上全身 的地方，可W依據跑步者的身高、體重等指標進行調整。
[0022] 如圖2所示，PC機2中有上位機系統(tǒng)控制模塊中，實時接收通過攝像機采集到的視 頻信息，包括人體中屯、點的位置、相對位移A S、運動周期時間t和身體軀干傾斜角度Δ Θ。
[0023] 所述的機器學習為，跑步者分別在已設定的3個速度值(3km/h，6km A，1 Okm/h)跑 步3分鐘，同時攝像機采集不同速度之下的人體中屯、點的位置、相對位移AS、運動周期時間 t和身體軀干傾斜角度Δ Θ等參數，通過上位機分析，依據人體中屯、點的位置、相對位移Δ S、 運動周期時間t，根據公式a = V'pt+kp(2 Δ S)計算出適合該跑步者加速度a與修正系數kp，跑 步者經過訓練之后，獲取適合的修正系數;在實際跑步過程中，依據測得人體中屯、點的位 置、相對位移AS、運動周期時間t，計算得出加速度，并根據所得加速度向電機驅動模塊3發(fā) 送控制命令，調整電機的轉動速度。
[0024] 如圖3所示，本發(fā)明的工作流程是:上位機2通過USB方式獲取攝像機采集的視頻序 列1，經過對圖像處理W及運動圖像特征的分析，得出跑步者人體中屯、點的位置、相對位移 AS、運動周期時間t和身體軀干傾斜角度ΔΘ的參數信息，計算出加速度的大小，進而自適 應控制跑步機的速度。若加速度小于0,則依據當前速度及加速度的值發(fā)送命令至控制器， 通知電機減速到適應的速度;若加速度為0時，則保持當前速度不變;若加速度大于0，則依 據當前速度及加速度的值發(fā)送命令至控制器，通知電機加速到相應速度。
[0025] 上述關系模型為加速度a = V'pt+kp(2ΔS)，其中V/p為跑步者當前的速度，t為運動 周期時間，AS為人體中屯、點的相對位移，kp為修正系數，取值范圍為0~1之間。通過機器學 習，計算出適合個人的修正系數，從而實現(xiàn)跑步者在改變速度時計算準確的加速度大小，發(fā) 送至電機驅動模塊3，改變電機的速度去適應跑步者的速度。電機驅動模塊3，其接受上位機 2發(fā)送的控制命令，控制電機的轉動速度，進而實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)跑步機跑帶的速度。
[0026] 本發(fā)明包括攝像機采集模塊1、上位機分析和控制模塊2、電機驅動模塊3等。依據 跑步者5在跑步過程中攝像機采集到的視頻序列而獲得信息實現(xiàn)對跑步機速度的自適應調 節(jié)。通過機器學習，捕獲個體跑步的特征，得到修正系數，建立適合個體的加速度關系模型。
[0027] 本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。
[0028] W上通過具體的實施例詳細的描述了本發(fā)明，但本領域技術人員應該明白，本發(fā) 明并不局限于W上所述實施例，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何領域，等同替換 等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于視頻的跑步機自適應調速系統(tǒng)，其特征在于包括:攝像機視頻采集模塊、上 位機分析和控制模塊、電機驅動模塊和跑帶，其中： 攝像機視頻采集模塊，實時獲取跑步者在跑步過程中的視頻圖像的信息，所述視頻圖 像的信息包括人體中心點的位置、相對位移A S、運動周期時間t和身體軀干傾斜角度Δ Θ ; 上位機分析和控制模塊，分析采集到視頻圖像中的信息以及整個系統(tǒng)控制模塊，依據 攝像機獲取的跑步者的人體中心點的位置、相對位移A S、運動周期時間t和身體軀干傾斜 角度△ Θ ;通過機器學習，建立加速度在運動周期時間t內與人體中心點、相對位移△ S、身體 軀干傾斜角度A Θ的關系模型計算出加速度，并根據所得加速度向電機驅動模塊發(fā)送控制 命令； 電機驅動模塊，接受上位機中控制模塊發(fā)送的控制命令，控制電機的轉動速度，從而實 現(xiàn)動態(tài)調節(jié)跑步機跑帶的速度。2. 根據權利要求1所述的基于視頻的跑步機自適應調速系統(tǒng)，其特征在于:所述采集跑 步者視頻的攝像機安裝在可以拍攝到跑步者的全身的地方，可以依據跑步者的身高、體重 指標進行調整位置。3. 根據權利要求1所述的基于視頻的跑步機自適應調速系統(tǒng)，其特征在于:所述的關系 ( ")Λ C 模型計算得出速度^> =Pp +t( )，其加速度a = VP't+kP(2 Δ S)，其中VP'是當前跑步者 沒加速之前的速度，A S為圖像中心點的位移之差，即相對位移，t為運動周期時間，kP為修 正系數，范圍為O~1之間。4. 根據權利要求1所述的基于視頻的跑步機自適應調速系統(tǒng)，其特征在于:所述通過身 體軀干傾斜角度A Θ作為輔助技術測量加速度的關系模型計算得出速度VJt) =Vt(t)+kP Δ Θ，其加速度a = kP Δ Θt+Vt(t) t，其中kP為修正系數，范圍為O~I，t為運動時間周期，Δ Θ為連 續(xù)兩幀圖片的軀干傾斜角的差值，Vt(t)是當前跑步機的速度。
【文檔編號】A63B71/06GK105879305SQ201610229061
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】許金林, 李曉風, 張夢龍, 元沐南, 呂波, 李皙茹, 黃萬風
【申請人】中國科學院合肥物質科學研究院