一种基于视频的跑步机自适应调速系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于视频的跑步机自适应调速系统，包括摄像机视频采集模块、上位机分析和控制模块、电机驱动模块等，电机驱动模块连接电机，驱动电机转动，电机带动跑步机跑带转动。在本文发明中，通过位置可调的摄像机视频采集模块，实时获取跑步者在跑步过程中，跑步者人体中心点的位置、相对位移ΔS、运动周期时间t、身体躯干角度Δθ等参数，由所建立的加速度与运动周期时间t、人体中心点的位置、相对位移ΔS、身体躯干倾斜角度Δθ的关系模型计算得出加速度，并根据加速度向电机驱动模块发送控制命令，调节电机转速，进而实现跑步机的速度自适应。
【专利说明】
-种基于视频的跑步机自适应调速系统
技术领域
[0001] 本发明设及计算机视觉、模式识别和健身设备技术领域，设计一种基于视频的跑 步机自适应调速系统，对运动者的走、跑视频图像进行处理分析及特征提取，获得运动对象 的运动特征，通过建立的数学模型控制跑步机电机转速，实现跑步机的速度自适应控制。
【背景技术】
[0002] 随着时代的发展，人们的物质生活水平不断提高，健康意识也随之不断增强。走、 跑作为一种健康的有氧代谢健身活动，受到国内外体育界与医学界的高度重视。运种运动 在提高屯、肺功能、增加肌肉与骨骼强度方面都有显著效果，如今已广泛应用于运动锻炼、医 疗复健等领域。由于现代生活节奏的变化W及户外跑步受环境、天气、场地等自然客观因素 的限制，人们选择跑步机用来代替与模拟户外自由跑步环境，从而达到健身目的，运一健身 方式倍受青睐。同时，在医疗健康领域，通过让患者在跑步机上进行重复的、特定任务的训 练，
[0003] 使重组中的大脑皮质通过深刻的体验来学习和储存正确的运动模式，W达到复健 目的。减重训练(Body Wei曲t Su卵orted Training,BWST)的方法就是根据运个原理，成为 针对下肢或脊椎损伤的病患进行康复治疗的重要方法之一。由于跑步机通常安置在室内， 相比室外开放的环境，具有更好的安全与便捷性。
[0004] 跑步机又可分为机械式跑步机与电动式跑步机。机械跑步机的传动系统是由一个 传送带套，两端各有一根固定轴把传送带拉紧，有一个轴和滚轴连接，一个可调式开关和一 个固定架构成，主要是依靠跑步者脚与跑步带的摩擦力带动来运行的；电动跑步机是依靠 电机带动跑步带运行，通过变频器来控制马达转速实现调节跑步时的速度变化。而机械跑 步机通过人体带动跑带运行，表面上看起来似乎能消耗更多的能量，但是由于跑步过程中 为了使跑带能向后运转而故意向后产生的扭力，其过度集中在初带、关节等几个关键受力 部位，运种扭力更容易使受力部位肌腫组织产生慢性疲劳，从而打破运部分组织的局部平 衡、损伤其健康。后者虽然克服了运一缺点，但传统的电动式跑步机的调速依然是通过按键 等人机交互完成，运动者的自由度受到极大的限制。因此，研究人体在跑步机上的运动特征 W及速度变化的规律，根据运一规律调整电机速度，W达到跑步机的速度自适应运一目的， 对于改善健身者的跑步体验、拓展跑步机的应用范围具有重要意义。
[0005] 现有技术有公开号为CN102319503B的发明专利"一种基于柔性阵列压力传感器的 跑步机自适应调速系统"，该方法在跑步机上安装柔性阵列压力传感器，通过采集足底压力 信号来获取运动特征，构造成本高，设备体积大，调速系统依赖特定跑步机，不易于普遍应 用。其中接近的现有技术还有公开号为CN102961847B的发明专利"一种跑步机速度跟随自 适应控制方法及装置"，该方法需要跑步者在身上穿戴一套力测量装置，通过测力信号反馈 跑步者相对于跑步机的运动趋势，据此来调节跑步机的速度，但穿戴于身上的测量设备，在 一定程度上束缚了跑步者的自由，影响运动效果，且运动过程对信号采集的精度产生干扰。
【发明内容】
[0006] 本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足，提供一种基于视频的跑步机自适 应调速系统，依据跑步者在跑步过程中的实时视频信息来实现对跑步机速度的自适应调 T。
[0007] 本发明的技术方案是:一种基于视频的跑步机自适应调速系统，包括：
[0008] 采集视频的摄像机，实时获取跑步者在跑步过程中的视频图像的信息，视频图像 的信息包括人体中屯、点的位置、相对位移A S、运动周期时间t和身体躯干倾斜角度Δ Θ ;
[0009] 上位机分析模块，将摄像机检测到跑步者的实时视频信息通过USB接口传送到上 位机，上位机分析模块进行对视频信息的处理和分析，得出人体中屯、点的位置、相对位移Δ S、运动周期时间t和身体躯干倾斜角度Δ Θ ;
[0010] 上位机控制模块，依据上位机分析模块得出视频信息，通过机器学习，建立加速度 在运动周期时间t内与人体中屯、点的位置、相对位移AS、运动周期时间t和身体躯干倾斜角 度A Θ的关系模型计算出加速度，并根据所得加速度向电机驱动模块发送控制命令；
[0011] 电机驱动模块，其接受上位机控制模块发送的控制命令，控制电机的转动速度，进 而实现动态调节跑步机跑带的速度。
[0012] 所述的采集跑步者视频的摄像机安装在可W拍摄到跑步者的全身的地方，可W依 据跑步者的身高、体重等指标进行调整位置。
[0013] 所述的关系模型计算得出速适
其加速度a = V%t+kp(2 Δ S)， V%是当前跑步者没加速之前的速度，AS为图像中中屯、点的位移之差，即相对位移，t为运 动周期时间，kp为修正系数，范围为0~1之间。
[0014] 所述通过身体躯干倾斜角度ΔΘ的关系模型计算得出速度V。(t)=Vt(t)+kpΔΘ，其 加速度a = kpA 0t+Vt(t)t，其中kp为修正系数，范围为0~1之间，Δ Θ为连续两帖图片的躯干 倾斜角的差值。
[0015] 本发明与现有技术相比具有的有益效果在于：
[0016] (1)速度自适应跑步机是目前人们室内跑步的重要需求，使得跑步者可W在跑步 机上实现变速跑，可是在目前流行的电动跑步机W及传统跑步机上都不能实现运一功能， 都是通过按键或者遥控设备使跑步机减速或加速，运使得跑步者锻炼达不到预期的效果。 本发明中的跑步机自适应调速系统，使得跑步者在跑步机上练习变速跑成为可能。不管跑 步者是加速还是减速，通过摄像机实时采集跑步者的视频图像，上位机分析视频图像的数 据，如人体中屯、点的位置、相对位移Δ S、运动周期时间t和身体躯干倾斜角度Δ Θ信息参数， 都能够实时动态调节跑步机跑带的速度W适应跑步者的速度。
[0017] (2)通过摄像机实时采集视频的信息，相比于柔性阵列压力传感器采集足底压力 特征信号，本发明不需要在跑步机上安装大量的压力传感器，降低成本，减少跑步机自身的 体积和重量，摄像机采集视频信息简单，并通过模式识别W及图像处理方法，分析视频中跑 步者运动的姿态，并提取运动特征，建立加速度与运动周期时间t内与人体中屯、点位置、相 对位移Δ S和身体躯干倾斜角度Δ Θ的关系模型，实时计算跑步者的运动加速度并通过电机 驱动模块来调整跑步机跑带的速度，实现跑步机速度自适应控制。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的结构示意图；
[0019] 图2为本发明的原理框图；
[0020] 图3为本发明的工作流程图。
【具体实施方式】
[0021] 如图1所示，采集视频的摄像机1固定在能拍摄到跑步者5在跑步机6跑带4上全身 的地方，可W依据跑步者的身高、体重等指标进行调整。
[0022] 如图2所示，PC机2中有上位机系统控制模块中，实时接收通过摄像机采集到的视 频信息，包括人体中屯、点的位置、相对位移A S、运动周期时间t和身体躯干倾斜角度Δ Θ。
[0023] 所述的机器学习为，跑步者分别在已设定的3个速度值(3km/h，6km A，1 Okm/h)跑 步3分钟，同时摄像机采集不同速度之下的人体中屯、点的位置、相对位移AS、运动周期时间 t和身体躯干倾斜角度Δ Θ等参数，通过上位机分析，依据人体中屯、点的位置、相对位移Δ S、 运动周期时间t，根据公式a = V'pt+kp(2 Δ S)计算出适合该跑步者加速度a与修正系数kp，跑 步者经过训练之后，获取适合的修正系数;在实际跑步过程中，依据测得人体中屯、点的位 置、相对位移AS、运动周期时间t，计算得出加速度，并根据所得加速度向电机驱动模块3发 送控制命令，调整电机的转动速度。
[0024] 如图3所示，本发明的工作流程是:上位机2通过USB方式获取摄像机采集的视频序 列1，经过对图像处理W及运动图像特征的分析，得出跑步者人体中屯、点的位置、相对位移 AS、运动周期时间t和身体躯干倾斜角度ΔΘ的参数信息，计算出加速度的大小，进而自适 应控制跑步机的速度。若加速度小于0,则依据当前速度及加速度的值发送命令至控制器， 通知电机减速到适应的速度;若加速度为0时，则保持当前速度不变;若加速度大于0，则依 据当前速度及加速度的值发送命令至控制器，通知电机加速到相应速度。
[0025] 上述关系模型为加速度a = V'pt+kp(2ΔS)，其中V/p为跑步者当前的速度，t为运动 周期时间，AS为人体中屯、点的相对位移，kp为修正系数，取值范围为0~1之间。通过机器学 习，计算出适合个人的修正系数，从而实现跑步者在改变速度时计算准确的加速度大小，发 送至电机驱动模块3，改变电机的速度去适应跑步者的速度。电机驱动模块3，其接受上位机 2发送的控制命令，控制电机的转动速度，进而实现动态调节跑步机跑带的速度。
[0026] 本发明包括摄像机采集模块1、上位机分析和控制模块2、电机驱动模块3等。依据 跑步者5在跑步过程中摄像机采集到的视频序列而获得信息实现对跑步机速度的自适应调 节。通过机器学习，捕获个体跑步的特征，得到修正系数，建立适合个体的加速度关系模型。
[0027] 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
[0028] W上通过具体的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发 明并不局限于W上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何领域，等同替换 等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于视频的跑步机自适应调速系统，其特征在于包括:摄像机视频采集模块、上 位机分析和控制模块、电机驱动模块和跑带，其中： 摄像机视频采集模块，实时获取跑步者在跑步过程中的视频图像的信息，所述视频图 像的信息包括人体中心点的位置、相对位移A S、运动周期时间t和身体躯干倾斜角度Δ Θ ; 上位机分析和控制模块，分析采集到视频图像中的信息以及整个系统控制模块，依据 摄像机获取的跑步者的人体中心点的位置、相对位移A S、运动周期时间t和身体躯干倾斜 角度△ Θ ;通过机器学习，建立加速度在运动周期时间t内与人体中心点、相对位移△ S、身体 躯干倾斜角度A Θ的关系模型计算出加速度，并根据所得加速度向电机驱动模块发送控制 命令； 电机驱动模块，接受上位机中控制模块发送的控制命令，控制电机的转动速度，从而实 现动态调节跑步机跑带的速度。2. 根据权利要求1所述的基于视频的跑步机自适应调速系统，其特征在于:所述采集跑 步者视频的摄像机安装在可以拍摄到跑步者的全身的地方，可以依据跑步者的身高、体重 指标进行调整位置。3. 根据权利要求1所述的基于视频的跑步机自适应调速系统，其特征在于:所述的关系 ( ")Λ C 模型计算得出速度^> =Pp +t( )，其加速度a = VP't+kP(2 Δ S)，其中VP'是当前跑步者 没加速之前的速度，A S为图像中心点的位移之差，即相对位移，t为运动周期时间，kP为修 正系数，范围为O~1之间。4. 根据权利要求1所述的基于视频的跑步机自适应调速系统，其特征在于:所述通过身 体躯干倾斜角度A Θ作为辅助技术测量加速度的关系模型计算得出速度VJt) =Vt(t)+kP Δ Θ，其加速度a = kP Δ Θt+Vt(t) t，其中kP为修正系数，范围为O~I，t为运动时间周期，Δ Θ为连 续两帧图片的躯干倾斜角的差值，Vt(t)是当前跑步机的速度。
【文档编号】A63B71/06GK105879305SQ201610229061
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】许金林, 李晓风, 张梦龙, 元沐南, 吕波, 李皙茹, 黄万风
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院