[發(fā)明專(zhuān)利]一種人機(jī)合一的跑步機(jī)控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110342706.6
• 申請(qǐng)日: 2021-03-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112973042A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫顯其
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海厘成智能科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): A63B24/00
• 分類(lèi)號(hào): A63B24/00;A63B22/02;A63B71/06
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本專(zhuān)利只是針對(duì)具有跑道的直線運(yùn)動(dòng)跑步機(jī)的控制技術(shù)，要在這樣的跑步機(jī)上實(shí)現(xiàn)人機(jī)合一的控制目的，最根本的任務(wù)是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)跑步機(jī)上的伺服電機(jī)進(jìn)行精確控制，更進(jìn)一步的，是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的輸出扭矩進(jìn)行精確控制，即控制伺服電機(jī)輸出與使用者的體重和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相匹配的扭矩大小和方向，更進(jìn)一步的，是如何通過(guò)傳感器獲得信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工處理，以獲得伺服電機(jī)控制模塊的輸出扭矩控制信號(hào)的大小和方向。

技術(shù)領(lǐng)域

本專(zhuān)利涉及一種跑步機(jī)控制方法，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)實(shí)無(wú)差別的原地行走、奔跑、起跑、停止、加速、勻速和減速，這一過(guò)程完全由使用者自主控制，所以才稱之為“人機(jī)合一”，這種技術(shù)可以應(yīng)用于健身、娛樂(lè)、虛擬現(xiàn)實(shí)和智能穿戴等相關(guān)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在傳統(tǒng)的健身跑步機(jī)領(lǐng)域，主要分為動(dòng)力跑步機(jī)和無(wú)動(dòng)力跑步機(jī)，這兩種跑步機(jī)都與使用者之間沒(méi)有任何交互。動(dòng)力跑步機(jī)只是單純的輸出動(dòng)力，使用者只是被動(dòng)的按照跑步機(jī)的轉(zhuǎn)速跑動(dòng)。無(wú)動(dòng)力跑步機(jī)是依靠飛輪旋轉(zhuǎn)的慣性迫使使用者跑動(dòng)，這種跑步機(jī)的跑道是前高后低的，使用者既對(duì)飛輪輸出動(dòng)力維持其轉(zhuǎn)動(dòng)，又在飛輪的慣性驅(qū)動(dòng)下跑動(dòng)，但是飛輪的慣性與人體的慣性是不一致的，與現(xiàn)實(shí)中的跑動(dòng)體驗(yàn)差別很大，這種技術(shù)只是作為動(dòng)力跑步機(jī)的廉價(jià)替代品。這兩種跑步機(jī)的安全性和舒適性都欠佳。

在新興的虛擬現(xiàn)實(shí)和智能穿戴領(lǐng)域，有一種所謂的虛擬現(xiàn)實(shí)跑步機(jī)，雖然有各種不同的結(jié)構(gòu)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，使摩擦力盡量接近于零，使用者能夠穿著特制的鞋子在原地跑動(dòng)，事實(shí)上，這是原地滑動(dòng)，沒(méi)有現(xiàn)實(shí)中跑動(dòng)的阻力和慣性，使用體驗(yàn)仍然很差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到虛擬現(xiàn)實(shí)的水平。這種跑步機(jī)沒(méi)有傳統(tǒng)跑步機(jī)的跑道，可以實(shí)現(xiàn)360度的全向跑動(dòng)，但是仍然解決不了本質(zhì)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本專(zhuān)利只是針對(duì)具有跑道的直線運(yùn)動(dòng)跑步機(jī)的控制技術(shù)，要在這樣的跑步機(jī)上實(shí)現(xiàn)人機(jī)合一的控制目的，最根本的任務(wù)是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)跑步機(jī)上的伺服電機(jī)進(jìn)行精確控制，更進(jìn)一步的，是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的輸出扭矩進(jìn)行精確控制，即控制伺服電機(jī)輸出與使用者的體重和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相匹配的扭矩大小和方向，更進(jìn)一步的，是如何通過(guò)傳感器獲得信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工處理，以獲得伺服電機(jī)控制模塊的輸出扭矩控制信號(hào)的大小和方向。

人在現(xiàn)實(shí)的跑動(dòng)過(guò)程中，人體與地面不存在滑動(dòng)摩擦，如果不考慮影響極小的風(fēng)的阻力，人體感受到的阻力是零，人體跑動(dòng)時(shí)只是在維持和改變自身的慣性。對(duì)人體跑動(dòng)過(guò)程的動(dòng)力分析，可以很容易得出一個(gè)結(jié)論，就是人體跑動(dòng)時(shí)，重心是在一個(gè)水平線上做類(lèi)似于正弦波形式的上下震蕩，這個(gè)類(lèi)似于正弦波形式的震蕩當(dāng)然會(huì)消耗人體的動(dòng)能，消耗的人體動(dòng)能，本質(zhì)上，就是前腳落地時(shí)與地面的沖擊所消耗的能量，所以在理想的勻速跑動(dòng)狀態(tài)下，是后腳蹬地的動(dòng)作補(bǔ)充了前腳與地面沖擊所消耗的能量，從未周而復(fù)始的維持了人體的勻速跑動(dòng)。同樣的，起跑、停止、加速和減速過(guò)程中，也遵循類(lèi)似的規(guī)律，只是前腳落地消耗的能量與后腳蹬地補(bǔ)充的能量之間的相互平衡。要實(shí)現(xiàn)人機(jī)合一的控制目的，最核心的問(wèn)題是，在前腳落地和后腳蹬地的循環(huán)動(dòng)作中，控制跑步機(jī)的伺服電機(jī)輸出相應(yīng)的扭矩大小和方向。

實(shí)現(xiàn)人機(jī)合一的控制目的，需要解決的第一個(gè)問(wèn)題是，使跑步機(jī)內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力歸零，進(jìn)一步的講，是使伺服電機(jī)輸出一個(gè)扭矩，這個(gè)扭矩正好可以抵消上述摩擦力形成的扭矩，這個(gè)扭矩是由跑步機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)本身決定的，是固定不變的定量，是可以通過(guò)系統(tǒng)自檢而精確測(cè)量的，在此設(shè)定為t1。