[发明专利]一种人机合一的跑步机控制方法

说明书

本专利只是针对具有跑道的直线运动跑步机的控制技术，要在这样的跑步机上实现人机合一的控制目的，最根本的任务是如何实现对跑步机上的伺服电机进行精确控制，更进一步的，是如何实现对伺服电机的输出扭矩进行精确控制，即控制伺服电机输出与使用者的体重和运动趋势相匹配的扭矩大小和方向，更进一步的，是如何通过传感器获得信号并对信号进行加工处理，以获得伺服电机控制模块的输出扭矩控制信号的大小和方向。

技术领域

本专利涉及一种跑步机控制方法，理论上能够实现与现实无差别的原地行走、奔跑、起跑、停止、加速、匀速和减速，这一过程完全由使用者自主控制，所以才称之为“人机合一”，这种技术可以应用于健身、娱乐、虚拟现实和智能穿戴等相关领域。

背景技术

在传统的健身跑步机领域，主要分为动力跑步机和无动力跑步机，这两种跑步机都与使用者之间没有任何交互。动力跑步机只是单纯的输出动力，使用者只是被动的按照跑步机的转速跑动。无动力跑步机是依靠飞轮旋转的惯性迫使使用者跑动，这种跑步机的跑道是前高后低的，使用者既对飞轮输出动力维持其转动，又在飞轮的惯性驱动下跑动，但是飞轮的惯性与人体的惯性是不一致的，与现实中的跑动体验差别很大，这种技术只是作为动力跑步机的廉价替代品。这两种跑步机的安全性和舒适性都欠佳。

在新兴的虚拟现实和智能穿戴领域，有一种所谓的虚拟现实跑步机，虽然有各种不同的结构形式，但是其基本原理都是把使用者固定在原地，并且把地面做的非常的光滑，使摩擦力尽量接近于零，使用者能够穿着特制的鞋子在原地跑动，事实上，这是原地滑动，没有现实中跑动的阻力和惯性，使用体验仍然很差，远远达不到虚拟现实的水平。这种跑步机没有传统跑步机的跑道，可以实现360度的全向跑动，但是仍然解决不了本质问题。

发明内容

本专利只是针对具有跑道的直线运动跑步机的控制技术，要在这样的跑步机上实现人机合一的控制目的，最根本的任务是如何实现对跑步机上的伺服电机进行精确控制，更进一步的，是如何实现对伺服电机的输出扭矩进行精确控制，即控制伺服电机输出与使用者的体重和运动趋势相匹配的扭矩大小和方向，更进一步的，是如何通过传感器获得信号并对信号进行加工处理，以获得伺服电机控制模块的输出扭矩控制信号的大小和方向。

人在现实的跑动过程中，人体与地面不存在滑动摩擦，如果不考虑影响极小的风的阻力，人体感受到的阻力是零，人体跑动时只是在维持和改变自身的惯性。对人体跑动过程的动力分析，可以很容易得出一个结论，就是人体跑动时，重心是在一个水平线上做类似于正弦波形式的上下震荡，这个类似于正弦波形式的震荡当然会消耗人体的动能，消耗的人体动能，本质上，就是前脚落地时与地面的冲击所消耗的能量，所以在理想的匀速跑动状态下，是后脚蹬地的动作补充了前脚与地面冲击所消耗的能量，从未周而复始的维持了人体的匀速跑动。同样的，起跑、停止、加速和减速过程中，也遵循类似的规律，只是前脚落地消耗的能量与后脚蹬地补充的能量之间的相互平衡。要实现人机合一的控制目的，最核心的问题是，在前脚落地和后脚蹬地的循环动作中，控制跑步机的伺服电机输出相应的扭矩大小和方向。

实现人机合一的控制目的，需要解决的第一个问题是，使跑步机内部传动系统的摩擦力归零，进一步的讲，是使伺服电机输出一个扭矩，这个扭矩正好可以抵消上述摩擦力形成的扭矩，这个扭矩是由跑步机传动系统本身决定的，是固定不变的定量，是可以通过系统自检而精确测量的，在此设定为t1。