[发明专利]一种基于视频的跑步机自适应调速系统

说明书

技术领域

本发明涉及计算机视觉、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

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。这种运动在提高心肺功能、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以及户外跑步受环境、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，这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，

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，以达到复健目的。减重训练(Body Weight Supported Training,BWST)的方法就是根据这个原理，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。

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，其过度集中在韧带、关节等几个关键受力部位，这种扭力更容易使受力部位肌腱组织产生慢性疲劳，从而打破这部分组织的局部平衡、损伤其健康。后者虽然克服了这一缺点，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以及速度变化的规律，根据这一规律调整电机速度，以达到跑步机的速度自适应这一目的，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。

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

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节。

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：

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心点的位置、相对位移ΔS、运动周期时间t和身体躯干倾斜角度Δθ；

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，得出人体中心点的位置、相对位移ΔS、运动周期时间t和身体躯干倾斜角度Δθ；

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内与人体中心点的位置、相对位移ΔS、运动周期时间t和身体躯干倾斜角度Δθ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，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。

所述的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、体重等指标进行调整位置。

所述的关系模型计算得出速度其加速度a＝V′_pt+k_p(2ΔS)，V′_p是当前跑步者没加速之前的速度，ΔS为图像中中心点的位移之差，即相对位移，t为运动周期时间，k_p为修正系数，范围为0～1之间。