本實用新型屬于跑步器械領域，涉及一種防摔電子控制裝置，尤其是一種跑步器械的探測識別與防摔電子控制裝置。

背景技術：

跑步是目前國際流行并被醫學界和體育界給予高度評價的有氧健身運動，是保持身心健康最有效的健身方式之一，越來越受到大家喜愛。為了鍛煉不受天氣等外部環境的影響，跑步器械就成為很多家庭的必備運動器材。

目前跑步鍛煉器械所采用的技術比較簡單，很少采用智能控制裝置。目前，跑步機已經成為世界上最受歡迎的室內健身器械。但隨之而來的是因跑步而受傷的人越來越多。當運動失穩時容易造成運動人員摔傷。近年來，越來越多的運動器械事故出現，事故率頻繁上升，使得有跑步需求的對象需求跑步的同時更加注重自身安全。很多跑步者在器械跑步時可能因為各種問題需要立即停止器械運轉。跑步機控制有很多種，目前的市面跑步機功能很簡單，大多使用繼電器控制啟停，不能連續調速。由于跑步裝置本來較為昂貴，而且現有技術所需要的加工手段以及條件較為苛刻，致使現有技術不能很好地被采用，關于安全方面的判別方式欠缺，檢測體系不夠完善，可能會致使誤判等，不能較好地實現防摔倒的目的。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種結構簡單，可以準確判斷使用者在使用跑步器械時的運動狀態，并實時調整電機運動速率，實現智能化控制跑步器械的探測識別與防摔電子控制裝置。

本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的：

這種跑步器械的探測識別與防摔電子控制裝置包括控制器、電機控制單元和檢測單元；所述控制器通過輸入端接收檢測單元的檢測信號，控制器通過輸出端控制電機控制單元。

進一步，上述檢測單元包括距離檢測系統，所述距離檢測系統由至少兩個距離傳感器組成。

進一步，上述距離傳感器為超聲波傳感器。

進一步，上述超聲波傳感器至少為2個，且每個超聲波傳感器發出不同頻率的聲波脈沖。

進一步，上述檢測單元還包括腳踏板信號檢測系統，所述腳踏板信號檢測系統包括振動傳感器，所述振動傳感器包括多個振動檢測探頭。

進一步，上述檢測單元還包括聲音檢測系統。

進一步，上述聲音檢測系統包括聲音輸入裝置，所述聲音輸入裝置為麥克風。

進一步，上述電機控制單元為電機電子調速器，所述電機電子調速器通過輸出脈寬調制信號、電壓信號或電流信號控制電機轉速。

進一步，上述控制器為單片機。

進一步，上述單片機為51單片機或32位單片機。

本實用新型所達到的有益效果：

1.本實用新型驅動系統采用電子調速器控制電機速度，有利于智能防摔檢測系統靈活操作。

2.本實用新型的控制器利用超聲傳感器檢測人體與探測器之間的距離，來調節跑步器械的電機轉動速度，使人保持在跑步器械中段運動。人跑得快的時候，跑步器械的電機轉動就快一些；人跑的速度降下來，電機則隨之減速。

3.采用超聲探測識別傳感器檢測上身傾斜程度，結合其他相關信息由控制器判斷是否存在摔倒危險。

4.附帶腳踏板信號檢測系統。通過檢測腳步震動的輕重與頻率，來判定人體是否處于正常均勻，平衡運動狀態。結合上身姿態檢測，一旦發現人體失穩，立刻控制驅動電機減速或停止。

5.腳踏板信號檢測系統設置有振動檢測探頭，通過測先后順序算出距離，進一步判斷使用者的使用狀態是否存在異常狀況，及時避免危險情況發生。

6.附帶聲音檢測系統。若有超出環境背景聲音或普通說話語音的較大喊叫或驚叫聲音，可以快速停止驅動電機，實現了當使用者有驚叫時急停，無驚叫時則只減速，避免急停對使用者造成驚嚇。

7.本實用新型可以通過判斷人體距離控制面板的遠近自動調整速度。跑得快時，人就越來越接近面板，跑步機就相應轉的快些讓人遠離。同理，跑得慢時候人遠離面板，跑步機會自動減速。當一旦人停下來，測出人體迅速遠離面板，機器也可以自動迅速停下來。也就是使人體位置達到適中。該跑步器械更加具備人性化。

8.本實用新型采用多種檢測系統進行檢測，確保了判斷的準確性，當測到異常情況時，可通過智能判斷，控制電機加速、減速或停止，來恢復正常運動姿態或避免嚴重摔傷。

9.超聲波模塊技術成熟、價格便宜，降低了智能跑步機的成本。

附圖說明

圖1為本實用新型跑步器械的探測識別與防摔電子控制裝置功能框圖；

圖2為本實用新型超聲波傳感器上身傾角檢測電路示意圖；

圖3為本實用新型的腳踏板信號檢測系統俯視圖；

圖4為本實用新型的腳踏板信號檢測系統主視圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步詳細描述：

如圖1至圖4所示，本實用新型一種跑步器械的探測識別與防摔電子控制裝置包括控制器、電機控制單元和檢測單元；所述控制器通過輸入端接收檢測單元的檢測信號，控制器通過輸出端控制電機控制單元。

檢測單元包括距離檢測系統，所述距離檢測系統由至少兩個距離傳感器組成。

距離傳感器為超聲波傳感器。

超聲波傳感器至少為2個，且每個超聲波傳感器發出不同頻率的聲波脈沖。

檢測單元還包括腳踏板信號檢測系統，所述腳踏板信號檢測系統包括振動傳感器，所述振動傳感器包括多個振動檢測探頭。

檢測單元還包括聲音檢測系統。

聲音檢測系統包括聲音輸入裝置，所述聲音輸入裝置為麥克風。

電機控制單元為電機電子調速器，所述電機電子調速器通過輸出脈寬調制信號、電壓信號或電流信號控制電機轉速?？刂破鳛閱纹瑱C；單片機為51單片機或32位單片機。

這種跑步器械的探測識別與防摔電子控制裝置的控制方法為：使用超聲波測距傳感器，測量出超聲波測距傳感器到人體上身的距離；通過調節跑步器械的速度，控制人體到傳感器的距離，實現平穩運轉。具體如下：

如果人體大幅后移，控制系統測量到超聲波測距傳感器到人體的間距大于預設的閾值，則使跑步器械均勻降低速度，相反則加速；多個超聲波測距傳感器測量的距離采取加權平均計算出傳感器與人體的距離；多個超聲波測距傳感器檢測人上體的多個位置到超聲波測距傳感器的距離，計算出上體的傾斜程度；一旦檢測到嚴重失穩的傾斜狀態，控制運動系統調節跑步器械的速度或急停。兩個超聲波測距傳感器縱向間隔一定，兩個回聲信號測量的距離差與縱向間隔的比值為人體上身傾角的正切函數，其反正切值為人體上身傾角度；對于兩個以上傳感器測量值，采取逐差法求平均；采取神經網絡智能算法計算出人體上身傾角。

或者：在腳踏板上安裝兩個以上的聲波傳感器，通過腳踏板上的聲波傳感器，測量腳踏點大致位置和踏步節奏，檢測到失穩步態時，控制系統降低速度或急停；

或者：在腳踏板上安裝兩個聲波傳感器，利用兩個聲波傳感器測量到震動信號的時間差，計算出延跑步方向上腳踏點的直線位置，利用兩個相鄰踏步點位置和跑步機運轉速度，計算出步幅和頻率。

或者：在腳踏板上安裝三個或以上的聲波傳感器，利用三個聲波傳感器測量到震動信號的時間，和三角定位方法計算出腳踏點在踏板上的二維坐標位置，利用兩個相鄰踏步點位置和跑步機運轉速度，計算出步幅和頻率。

或者：通過麥克風語音檢測，判斷驚叫聲或進行語音識別，控制系統的急停或實現加速或減速。

本實用新型采用成熟的技術手段和簡單的制造工藝，利用對運動人體的多方面檢測，實現基本的防摔功能。

方案一，如圖2所示，采用超聲波測距探頭，檢測運動人體上身的位置和傾斜角度。超聲波傳感器利用回波時間即可精確計算出傳感器與反射物之間的距離。通過連續監測距離變動，還可以計算出運動速度。多個位置傳感器檢測到的距離，可以綜合計算出反射聲波物體的傾斜角度。

利用距離信息，可以控制驅動電機不斷調整轉速，使運動人體保持在跑步裝置的中部區間。當運動人體跑得較快上身趨近探測器的時候，跑步機電機轉動就加快一些；當運動人體跑的速度降下來逐漸遠離探測器的時候，機器可以減速。如果人的運動停止，電機也可以盡快停下，實現運動速度的自動控制。

檢測運動人體上身傾斜角度過大，發生嚴重傾倒時，可立刻停止運行或短時反向運行以糾正運動失衡。當難以判定是否傾倒時，可以適度降低運轉速度。

為避免多個超聲波傳感器之間相互干擾，每個超聲波發聲器只發出固定頻率f1,f2,f3的短脈沖。接收到的聲波脈沖，可從頻率上分辨出是哪個發聲器發出的，這有助于避免上身傾角計算錯誤。

智能控制系統可采用51單片機或其他32位甚至64位單片機。目前單片機的計算速度足以實時、快速實現不同超聲波信號頻率的分辨和回聲時間、位置的計算。智能系統需要濾除噪音等干擾信號的不良影響。需要分辨出擺臂信號與運動人體上身較強反射信號之間的差異，去除擺臂信號造成對上身傾角計算的偏差。

多路短脈沖超聲波信號可以由智能控制系統的CPU(單片機)生成，經過簡單放大后送至超聲波發聲器發出。超聲波頻率選擇20kHz-1000kHz范圍內任意頻率。超聲波脈沖寬度選擇1μs-1ms范圍內任意值。

超聲波接收信號直接傳給智能控制系統的高速AD輸入端，或將超聲波接收信號放大成方波信號傳給智能控制系統的高速數字輸入端口。由智能控制系統判讀超聲波信號的接收延時和頻率。

電機控制部分由大功率電子器件構成，具備驅動較大功率電機的能力。驅動功率能力在10W-1kW范圍內可選。由智能控制系統按照計算結果輸出脈寬調制信號(PWM)控制電機轉速。也可由智能控制系統的DA輸出端輸出的電壓或電流信號控制電機轉速。

方案二，如圖3，圖4所示，在方案一的基礎上可以附加腳踏板信號檢測。利用振動傳感器信號可以計算出多個振動檢測探頭之間信號的時間差，以此確定落腳點在踏板上的大致位置。如果相鄰兩個落腳點都均勻落在安全區間，表明運動人體處于平穩狀態。如果步幅或踏步時間間隔突然發生混亂，很可能是發生了運動失衡，控制系統需盡快減速或停機。

振動信號時間差的計算由智能控制系統的CPU(單片機)完成。將震動波形信號由AD端口采集后，通過相關運算等數學算法計算獲得。

方案三，在方案一的基礎上，可以附加聲音檢測系統。濾除環境背景聲音和一般強度語音，一旦檢測到驚叫或較大的聲音，也可以迅速減速或停機。起到輔助防止嚴重摔傷功能。若采用功能更強的計算系統，可以進一步實現語音識別、控制功能。

本實用新型可用2-5個傳感器測距，計算上身傾斜角度。由于人體重心位于上身，測量上身狀態最重要。測量上身信號時，易受到擺臂的影響，需要排除干擾并用多個探頭避免誤判。

如果必要還可以測量頭部反射信號，但對不同身高的人會有較大差異。需要對應調整高度。也可以橫向測量腳部信號，如果腳比上身更靠前，肯定不致前傾摔倒。

本實用新型還可以測量腳部踏在踏板上的位置，對比上身位置來判斷重心是否處于兩腳之間。

通過判斷步幅和頻率，也可以發現跌倒前的異常，一旦發現異常，首先是減速。如果發現嚴重異常(伴隨驚叫聲)，可以立刻停止，以免嚴重摔傷。