基于步法的跑步机速度跟踪控制方法研究.pdf

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1、基于步法的跑步机速度跟踪控制方法研究王宇基于步法的跑步机速度跟踪控制方法研究王宇(陕西交通职业技术学院陕西西安，710018)摘要：通过在传统跑步机的跑带下加装两块测力平台，设计了一种基于步法的跑步机速度跟踪控制方法，根据脚底与跑步机之间的作用力，分析运动者的步态特征，判别其运动趋势，并据此控制电机速度变化。实验表明，该方法可实现速度跟踪目的，可为电动跑步机技术优化提供参数依据。关键词：跑步机；速度跟踪；步法；控制方法中图分类号：TPl3文献标识码：ADOI编码：10．14016／j．cnki．1001—9227

2、．2016．11．024Abstract：inthisp印er，thIDughintraditionaltreadmillmnningbelt6ttedwithtwofbI℃emeasuringplatfoⅡn，designatreadmillspeedtrackingcontrolbasedonhumanpace，accordingtothemotionanalysisoftheforcebetweenthes01eandthetI℃admiIlgaitfeature，discdminantthemovemen

3、ttrend，andaccordingtothecontrolofmotorspeedchange．Theexperimentalresultsshowthatthemethodcanrealizethespeedtracking，whichcanprovidethebasisfbrtheoptimizationoftheelectrictreadInill．Keywords：treadmiⅡ；speedtracking；gail；controlmetIlod0引言跑步机包括机械式和电动式两种，前者主要依靠人力驱

4、动跑步机运转，后者则是以马达为动力迫使人体被动跟随运动，这样难免会限制运动者的运动自由。因此，本文试图通过对跑步机上人体运动和速度变化规律的分析，达到根据运动者需求自动调节马达速度的目的，并据此提出了一种基于步法的跑步机速度跟踪控制方法，以为运动者提供更舒适的运动体验。文章结合了跑步机及压力传感器优势，在传统跑步机的跑带下加装了两块测力平台来获取运动者的实时步态信息，判别运动者的加、减速趋势，最终实现跑步机速度跟踪控制。1系统总体结构及工作原理系统总体结构包括主电机驱动模块、升降模块、数据采集模块和上位机等部分，

5、如图1所示。圈1系统总体结构上位机即为平板电脑，它借助于人机交互界面控制运动者的跑步过程，并实现对数据的存储、分析与显示；主电机驱动与升降模块接受上位机命令后，分别执行电机转动与跑步机坡度控制任务；数据采集模块包括数据采集电路与压力传感器，数据采集电路将测力平台传感器感应的信号进行滤波、放大、A／D转换及数字滤波，经由uSB接口传输至上位机，通收稿日期：2016一07—04作者简介：王宇(1982一)，男，陕西西安人，讲师，主要研究方向为体育教育。·24·过上位机软件分析计算压力中心c0P和实时速度等步态参数，判

6、别加、减速趋势。2跑步机速度跟踪控制方法2．1速度跟踪控制基本原理在跑步机跑带下方安装两块测力平台，取两块测力平台的中心为坐标原点，定义Y+为走／跑的正前方向，x+为右手方向，z为脚底正压力方向，为分析方便，本文将每个走／跑周期过程等效为匀(变)速过程，速度跟踪控制原理如图2所示。，rY‘vhx／

7、”，Z●mPp’△SH图2透度跟踪控制原理图如图2所示，在不考虑左右脚差异的基础上，设每个走／跑周期为t，t范围内开始与结束时脚底压力中心COP位置为P与P'，等效加速度为a，P与P’之间的相对距离为△s，跑步带速度为

8、V，。当a=0，即运动者在单个周期内匀速运动时，V．即为运动者的速度，运动者的质心m在Y方向上的投影相对地面未发生变化，其脚着地时产生的cOP落在H范围内，此时H值较小，△s接近于0。当a>0，即运动者在单个周期内加速运动时，设运动者相对于跑步带、跑步带相对于地面以及运动者相对于地面移动的距离分别为s。、s：与△s，由s。=v。t+0．5at2，S：=V。t，可得到△s=S。一s：=0．5at2，则运动者在t时间范围内的速度变化△V=at=2△s／t，据此得到跑步机速度跟随控制公式为：V，=VP，+K，2△s／t

9、，K，为修正系数，且0≤K，≤1．0。2．2数据采集与分析本文在跑步机上安装的压力传感器选择的是上下两层结构，上下层表面之间会形成一个接触电阻，其值随接触面积及接触压力的增加表现为准线性减小趋势，在检测电路的基础《自动化与仪器仪表》2叭6年第11期(总第205期)上便可得到接触电阻的变化情况，再经标定矩阵解算便可得到相应敏感元或区域的压力值，测量面积为120cm×40cm