CN117046036B - 一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制电路及控制方法，通过所述安全控制电路和控制方法的设计持续监测气囊气压，一方面通过将气囊气压控制在安全阀值范围，另一方面在气囊异常破裂时通过硬件电子电路触发跑步机下控制器紧急停止跑步机运行。确保跑步者不会由于跑台失去气囊支撑而跌倒被运行的跑带带动甩出受伤，以杜绝安全隐患。同时本发明可以在不增加硬件成本情况下，通过内置在单片机存储中的算法软件监测跑步姿态，提醒跑步者纠正跑姿，避免长期跑姿错误引起的膝盖受伤等运动伤害。

Description

一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制电路及控制方法

技术领域

本发明属于健身器材技术领域，具体涉及一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制电路及控制方法。

背景技术

跑步机是常用的健身器材，广泛用于家庭和商业健身场所。为了降低跑台冲击力，特别是为了能调节跑台的减振缓冲弹性量，越来越多的跑步机采用气囊作为跑台跑步板的弹性功能支撑部件。

但现有的公开技术都没有考虑在气囊异常破裂时跑步者会由于跑台失去气囊支撑而跌倒，特别是在速度高的情况下更为危险，这种气囊减震缓冲机构存在重大安全隐患。

如中国发明专利申请公布号CN 113018766 A《一种实现跑板软硬度自调节的跑板及跑步机》发明包括框架和跑板本体和气囊，跑板本体安装在框架上，气囊设于框架上，气囊的顶部抵于跑板本体，还包括用于对跑板本体下沉幅度进行监测的下沉监测器和红外光发射管，根据下沉监测器的监测数据，对气囊进行充/放气调节跑板本体的硬度；该专利只考虑根据检测的下沉幅度自动调节气囊气压达到实现跑板软硬度自调节，而红外发射和接收管容易被灰尘遮盖而失效而不能正常控制气囊气压，而且该专利没有考虑到气囊异常破裂引起的安全隐患。

再如中国发明专利申请公布号CN113663285A《一种具有减震功能的跑步机及其减震性能自适应调节方法》，跑台底架以及设置于跑台底架上的跑板，跑板和跑台底架之间设置有减震装置，减震装置包括于跑台底架上设置的安装座以及于安装座内设置的气囊，气囊上顶面与跑板下底面抵接或间隙配合，跑台底架上设置有与气囊内部连通的气压传感器和气泵，气囊上设置有控制阀，跑台底架上设置有与气泵、控制阀和气压传感器信号连接的控制系统。主要也是通过气囊气压检测，自动调节气囊气压达到适应体重的减脂功能，该专利也没有考虑到气囊破裂引起的安全隐患。

采用气囊式减振缓冲机构的跑步机确实能通过调节气囊气压达到良好的减振缓冲效果，提高跑步舒适度，减少对膝盖冲击，但是由于气囊在跑步过程的不断冲击，存在气囊气压调节失控，或气囊老化，或尖锐异物碰撞等异常情况引起的气囊破裂，气囊破裂后跑台失去重要的支撑部位，容易引起跑者跌倒，特别在跑步带高速运行中跌倒更为危险。现有技术无法解决该问题。

另一方面，随着越来越多的人在跑步机上跑步锻炼，但是很多人由于长期跑步姿态不正确，比如左、右脚落地步或身体左右摆动不平衡，或腾空太高引起反冲力太大等问题，都将引起膝盖损伤等运动伤害。目前跑步姿态监测纠正主要是在鞋子或腰部上挂夹跑姿传感器，但由于外挂设备即不方便使用，而且挂夹的方式不正确也影响监测准确性。另外，虽然有的专业的运动跑台采用多台摄像机多个角度监测跑姿，但成本非常高，无法推广到大众化使用，有鉴于此，遂有了本方案的产生。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制电路及控制方法，一方面它能够监测跑步机运行情况在异常时停止跑步机运行，另一方面它能检测用户跑步姿势纠正指导用户正确跑步。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制电路，包括跑步机主系统，还包括左气囊气压传感器、右气囊气压传感器、左气压电信号放大器、右气压电信号放大器和控制系统；所述左气囊气压传感器与左气压电信号放大器电连接，所述右气囊气压传感器与右气压电信号放大器电连接，所述控制系统与左气囊气压传感器、右气囊气压传感器、左气压电信号放大器和右气压电信号放大器电连接，所述控制系统与跑步机主系统电连接。

进一步，所述控制电路还包括单片机、左模数转换器、右模数转换器、气泵驱动器、气泵电机、左进出电气阀模组和右进出电气阀模组。所述左模数转换器与所述左气压电信号放大器电连接，所述左模数转换器与单片机电连接；所述右模数转换器与所述右气压电信号放大器电连接，所述右模数转换器与单片机电连接；所述单片机与所述气泵驱动器电连接，所述气泵驱动器与气泵电机电连接；所述单片机与跑步机主系统电连接。

进一步，所述单片机内置存储媒介，所述单片机内置存储媒介存储跑步姿态监测算法软件代码模块，所述存储媒介包括涉及脚步落地和身体摆动姿态的跑步腾空时长算法模块、跑步触地时长模块、左右平衡比例算法模块、跑步步数步频算法模块、步幅算法模块。

一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制方法，包括以下步骤：

S1、跑步机正常待机或者正常运作下，控制系统输出预设电平信号，跑步机主系统不触发动作；

S2、通过检测气囊气压传感器的电信号用于判断跑步机是否正常；

S3、当气囊气压传感器感应到低气压的电信号，跑步机停止。

进一步，步骤S1具体步骤如下：在跑步机待机或有用户跑步运行情况下，气囊气压随着脚步起落变化，控制系统输出预设电平信号，不会触发跑步机主系统的动作。

进一步，步骤S2和步骤S3的具体步骤如下：当用户引起落下脚步冲击力太大超过气囊气压上限或气囊破损，对应气囊气压急速降低，左气囊气压传感器或右气囊气压传感器感应到很低气压的电信号，对应的电信号触发对应的气压电信号放大器输出反向电平信号，反向电平信号输入至控制系统，控制系统输出反向电平信号，触发跑步机主系统的关闭跑步机主电机驱动电路电源，停止跑步带运行，确保用户不会被运行的跑步带甩出受伤。

进一步，所述步骤S2中通过单片机内置存储媒介检测跑步者的跑步姿态是否正常，单片机内置存储媒介存储跑步着地方式监测算法软件代码模块，跑步着地方式监测算法软件代码模块根据左脚和右脚着地时采集的过程对应的左气囊气压值和右气囊气压值变化波形判断着地方式，着地方式为前脚掌着地、全脚掌着地和脚跟着地三种。

1.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过通过控制系统的设计持续监测气囊气压，一方面通过将气囊气压控制在安全阀值范围，另一方面在气囊异常破裂时通过左气囊气压传感器、右气囊气压传感器、左气压电信号放大器和右气压电信号放大器的配合，相应破损部位的气囊气压传感器和电信号放大器发生电信号给控制系统，使得控制系统发生电信号给跑步机主系统，跑步机主系统紧急停止跑步机运行，确保跑步者不会由于跑台失去气囊支撑而跌倒，以杜绝安全隐患。

2.在不增加硬件成本情况下，通过内置在单片机存储中的算法软件监测跑步姿态，提醒跑步者纠正跑姿，避免长期跑姿错误引起的运动伤害。

附图说明

图1为本发明中控制电路的电路原理结构示意图；

图2为本发明中前脚掌着地的曲线图；

图3为本发明中全脚掌着地的曲线图；

图4为本发明中脚跟着地的曲线图。

图中标记：1、跑步机主系统；2、左气囊气压传感器；3、右气囊气压传感器；4、左气压电信号放大器；5、右气压电信号放大器；6、控制系统；7、单片机；8、左模数转换器；81、右模数转换器；9、气泵驱动器；91、气泵电机；10、左进出电气阀模组；101、右进出电气阀模组。

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1-4所示，本实施例提供一种跑步机，包括跑步机本体、跑步带、气囊和控制电路。

跑步带安装在跑步机本体的跑步区，跑步带中部具有跑步板，气囊为长方形状或椭圆形状，安装在跑步板下方左和右两边作为跑步板部分支撑点。

控制电路包括跑步机主系统1、左气囊气压传感器2、右气囊气压传感器3、左气压电信号放大器4、右气压电信号放大器5、控制系统6、单片机7、左模数转换器8、右模数转换器81、气泵驱动器9、气泵电机91、左进出电气阀模组10和右进出电气阀模组101。

左气囊气压传感器2与左气压电信号放大器4电连接，右气囊气压传感器3与右气压电信号放大器5电连接，控制系统6与左气囊气压传感器2、右气囊气压传感器3、左气压电信号放大器4和右气压电信号放大器5电连接，控制系统6与跑步机主系统1电连接。

跑步机主系统1用于控制跑步机跑步带的主电机的开启和停止，左模数转换器8与左气压电信号放大器4电连接，左模数转换器8与单片机7电连接；右模数转换器81与右气压电信号放大器5电连接，右模数转换器81与单片机7电连接；单片机7与气泵驱动器9电连接，气泵驱动器9与气泵电机91电连接；气泵电机91与气囊连通，单片机7与跑步机主系统1电连接。

单片机7内置存储媒介，单片机7内置存储媒介存储跑步姿态监测算法软件代码模块，存储媒介包括涉及脚步落地和身体摆动姿态的跑步腾空时长算法模块、跑步触地时长模块、左右平衡比例算法模块、跑步步数步频算法模块、步幅算法模块。

跑步姿态监测算法软件代码模块内置气囊气压门槛值，以此判断离地腾空和触地状态和时长，其算法为：

上门槛值为P_threshold_high和下门槛值为P_threshold_low。

跑步机开始运行前，检测校准修正上门槛值和下门槛值。

假设跑步过程中，第n次左气囊气压数值为：P_left_n。

第n次右气囊气压数值为：P_right_n。

当:P_left_n<P_threshold_low。

记录左脚离地腾空时间：t_left_awayn。

左脚离地气囊气压：P_left_away_n＝P_left_n。

并设置左脚状态标志为1，即离地腾空状态：Left_foot_status＝1。

当:P_right_n<P_threshold_low。

记录右脚离地腾空时间：t_right_awayn。

右脚离地气囊气压：P_right_away_n＝P_right_n。

并设置右脚状态标志为1，即离地腾空状态：right_foot_status＝1。

当:P_left_n>P_threshold_high和Left_foot_status＝1。

记录左脚触地时间：t_left_touchn。

左脚触地气囊气压：P_left_touch_n＝P_left_n。

并设置左脚状态标志为0，即触地状态：Left_foot_status＝0。

当:P_right_n>P_threshold_high和right_foot_status＝1。

记录右脚触地时间：t_right_touchn。

右脚触地气囊气压：P_right_touch_n＝P_right_n。

并设置右脚状态标志为0，即触地状态：right_foot_status＝0。

跑步腾空时长算法模块包括：每次的左脚腾空时长、每次的右脚腾空时长，和总平均左脚腾空时长、总平均右脚腾空时长，以及每次右脚驱动双脚腾空时长、总平均右脚驱动双脚腾空时长、每次左脚驱动双脚腾空时长、总平均左脚驱动双脚腾空时长计算，其算法为：(触地指的是脚落下接触跑步带，并通过跑步带冲击跑步板，然后通过跑步板传递冲击力给跑步板下方左右两边的气囊)

第n次左脚腾空时长：

T_left_awayn＝t_left_touchn-t_left_awayn。

第n次右脚腾空时长计算：

T_rightt_awayn＝t_right_touchn-t_right_awayn。

总平均左脚腾空时长：

总平均右脚腾空时长：

第n次双脚腾空时长

在左脚在前情况下：当t_left_touchn>t_right_awayn。

右脚驱动的第n次双脚腾空时长：

T_body_away_1n＝t_left_touchn-t_right_awayn。

总平均右脚驱动双脚腾空时长

在右脚在前情况下：当t_right_touchn>t_left_awayn。

左脚驱动的第n次双脚腾空时长：

T_body_away_2n＝t_right_touchn-t_left_awayn。

总平均左脚驱动双脚腾空时长

跑步触地时长算法模块包括：每次的左脚触地时长、每次的右脚触地时长，总平均左脚触地时长、总平均右脚触地时长计算，其算法为：

第n次左脚触地时长:

T_left_touchn＝t_left_awayn+1-t_left_touchn。

总平均左脚触地时长：

第n次右脚触地时长:

T_right_touchn＝t_right_awayn+1-t_right_touchn。

总平均右脚触地时长：

左右平衡比例算法模块包括总平均左右触地时长平衡比例和总平均左右触地冲击平衡比例计算，即：

总平均左右触地时长平衡比例，其算法为：

左触地时长比例：T_Balance_Ratio_left＝T_left_touch/(T_left_touch+T_right_touch)*100％。

右触地时长比例：T_Balance_Ratio_right＝T_right_touch/(T_left_touch+T_right_touch)*100％。

第n次左脚触地冲击力:F_left_touch_n＝P_left_touch_n-P_left_away_n。

总平均左脚触地冲击力:

第n次右脚触地冲击力:F_right_touch_n＝P_right_touch_n-P_right_away_n。

总平均右触地冲击力:

总平均左右触地冲击力平衡比例，其算法为：

左脚触地冲力比例:F_Balance_Ratio_left＝F_left_touch/(F_left_touch+F_right_touch)。

右脚触地冲力比例:F_Balance_Ratio_right＝F_right_touch/(F_left_touch+F_right_touch)。

跑步步数步频算法模块其算法为：步数计数器Step_counter，秒累加器Second_Timer。

跑步机待机时，设置步数计数器Step_counter＝0。

跑步机运行后：秒累加器Second_Timer开始计时：

当右脚状态标志right_foot_status从1至0时，Step_counter+1。

当左脚状态标志left_foot_status从1至0时，Step_counter+1。

即步数为：Step_counter。

平均步频为：Cadence＝Step_counter/(Second_Timer/60)。

本方案采用了上述结构又提供了一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制方法，包括以下步骤：

S1、跑步机正常待机或者正常运作下，控制系统6输出预设电平信号，跑步机主系统1不触发动作；步骤S1具体步骤如下：在跑步机待机或有用户跑步运行情况下，气囊气压随着脚步起落变化，控制系统6输出预设电平信号，不会触发跑步机主系统1的动作。

S2、通过检测气囊气压传感器的电信号用于判断跑步机是否正常；

S3、当气囊气压传感器感应到低气压的电信号，跑步机停止。

步骤S2和步骤S3的具体步骤如下：当用户引起落下脚步冲击力太大超过气囊气压上限或气囊破损，对应气囊气压急速降低，左气囊气压传感器2或右气囊气压传感器3感应到很低气压的电信号，对应的电信号触发对应的气压电信号放大器输出反向电平信号，反向电平信号输入至控制系统6，控制系统6输出反向电平信号，触发跑步机主系统1的关闭跑步机主电机驱动电路电源，停止跑步带运行，确保用户不会被运行的跑步带甩出受伤。

其中步骤S2中通过单片机7内置存储媒介检测跑步机是否正常，单片机7内置存储媒介存储跑步着地方式监测算法软件代码模块，跑步着地方式监测算法软件代码模块根据左脚和右脚着地时采集的过程对应的左气囊气压值和右气囊气压值变化波形判断着地方式，着地方式为前脚掌着地、全脚掌着地和脚跟着地三种，如图2-4所示。

以上显示和描述了本发明创造的基本原理和主要特征及本发明的优点，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。

Claims (4)

1.一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、跑步机正常待机或者正常运作下，控制系统输出预设电平信号，跑步机主系统不触发动作；

S2、通过检测气囊气压传感器的电信号用于判断跑步机是否正常；

S3、当气囊气压传感器感应到低气压的电信号，跑步机停止；

控制电路包括跑步机主系统、左气囊气压传感器、右气囊气压传感器、左气压电信号放大器、右气压电信号放大器和控制系统；所述左气囊气压传感器与左气压电信号放大器电连接，所述右气囊气压传感器与右气压电信号放大器电连接，所述控制系统与左气囊气压传感器、右气囊气压传感器、左气压电信号放大器和右气压电信号放大器电连接，所述控制系统与跑步机主系统电连接；

步骤S1具体步骤如下：在跑步机待机或有用户跑步运行情况下，气囊气压随着脚步起落变化，控制系统输出预设电平信号，不会触发跑步机主系统的动作；

步骤S2和步骤S3的具体步骤如下：当用户引起落下脚步冲击力太大超过气囊气压上限或气囊破损，对应气囊气压急速降低，左气囊气压传感器或右气囊气压传感器感应到很低气压的电信号，对应的电信号触发对应的气压电信号放大器输出反向电平信号，反向电平信号输入至控制系统，控制系统输出反向电平信号，触发跑步机主系统的关闭跑步机主电机驱动电路电源，停止跑步带运行，确保用户不会被运行的跑步带甩出受伤。

2.根据权利要求1所述的一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制方法，其特征在于：所述步骤S2中通过单片机内置存储媒介检测跑步机是否正常，单片机内置存储媒介存储跑步着地方式监测算法软件代码模块，跑步着地方式监测算法软件代码模块根据左脚和右脚着地时采集的过程对应的左气囊气压值和右气囊气压值变化波形判断着地方式，着地方式为前脚掌着地、全脚掌着地和脚跟着地三种。

3.根据权利要求1所述的一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制方法，其特征在于：所述控制电路还包括单片机、左模数转换器、右模数转换器、气泵驱动器、气泵电机、左进出电气阀模组和右进出电气阀模组；所述左模数转换器与所述左气压电信号放大器电连接，所述左模数转换器与单片机电连接；所述右模数转换器与所述右气压电信号放大器电连接，所述右模数转换器与单片机电连接；所述单片机与所述气泵驱动器电连接，所述气泵驱动器与气泵电机电连接；所述单片机与跑步机主系统电连接。

4.根据权利要求3所述的一种跑步机的气囊式减振缓冲机构的控制方法，其特征在于：所述单片机内置存储媒介，所述单片机内置存储媒介存储跑步姿态监测算法软件代码模块，所述存储媒介包括涉及脚步落地和身体摆动姿态的跑步腾空时长算法模块、跑步触地时长模块、左右平衡比例算法模块、跑步步数步频算法模块、步幅算法模块。