CN106823279A

CN106823279A - 智能化的俯仰运动系统

Info

Publication number: CN106823279A
Application number: CN201710172974.1A
Authority: CN
Inventors: 樊启高; 孙艳; 庄祥鹏; 孙壁文
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2017-06-13

Abstract

本发明所述的一种智能化的俯仰运动系统，其特征在于：包括仰卧起坐板、支撑座、勾脚架、前后支撑座、显示器、陀螺仪、加速度计、腕部脉搏传感器、温度计、分析模块、计时模块、无线模块、声音模块、电源模块；仰卧起坐板、支撑座、勾脚架以及前后支撑座是完成仰卧起坐的设备；显示器用于显示个数、脉搏、体温、消耗的卡路里数以及评估；陀螺仪和加速度计的输出数据用于计算使用者运动过程中的角度；腕部脉搏传感器用于监测使用者运动过程中的脉搏变化；温度计用于检测使用者运动过程中的体温；分析模块用于判断使用者的运动角度是否符合标准仰卧起坐的角度；计时模块用于实时测量运动时间；无线模块用于传输数据。

Description

智能化的俯仰运动系统

技术领域

本发明涉及一种俯仰运动系统，尤其涉及一种智能化的俯仰运动系统。

背景技术

俯仰运动中的仰卧起坐是一种常见且有效的健身方式，主要锻炼腹部和腰部的肌肉。平躺，弯曲膝盖，放松背肌和脊柱，两腿并拢并伸直，身体抬起，脚部保持不动，直到身体与地面成90°为止，视为完成一个仰卧起坐。

通常，人们都是通过人工计数的方式来统计仰卧起坐的个数，易计数不准。市场也出现了一些基于红外线的仰卧起坐装置，但此类仰卧起坐装置功能简单，使用不便，同时传统的仰卧起坐装置还未有系统的评估与监测。

因此本发明提出一种智能化的俯仰运动系统，解决传统仰卧起坐装置出现的问题。

发明专利

本发明的目的在于提供一种智能化的俯仰运动系统，提供使用者的完成个数、脉搏、体温、消耗的卡路里数据，并且通过这些数据来评估人的健身效果。

本发明所述的智能化的俯仰运动系统，计数功能步骤如下所示：

步骤1)使用者平躺在仰卧起坐板上，双脚放入勾脚架，屈膝成90度，陀螺仪与加速度分别计算出此刻使用者腹部的角度(俯仰角)，即为初始角度；使用者坐起，直至双肘触膝，陀螺仪与加速度计再次计算出使用者腹部的角度(俯仰角)，即为终止角度；

步骤2)将上述初始角度和终止角度作为判断基准储存起来；

步骤3)使用开始锻炼，再次平躺在仰卧起坐板上，获得相应的角度；

步骤4)将上述角度与初始角度进行对比判断，若上述角度等于初始角度，则表示使用者平躺到位，若上述角度不等于初始角度，则表示使用者未平躺到位，并进行语音播报，提示使用者平躺到位；

步骤5)使用者坐起，直至双肘触膝，再次获得使用者腹部相应的角度；

步骤6)将上述角度与终止角度进行对比判断，若上述角度大于或者等于终止角度，则表示使用者动作到位，并计数增加一次，若上述角度小于终止角度，则重复步骤5；

步骤7)重复步骤3到6，直至锻炼结束，需要注意的是，平躺与坐起的角度都符合判断，才计数增加一次。

本发明所述的一种智能化的俯仰运动系统具有评估系统，其评估标准包括：完成的个数、消耗的卡路里数以及运动有无规律性。消耗的卡路里数可以根据使用者的体重以及运动完成的个数来计算得到，运动规律性可有单个仰卧起坐的时间t_m(m＝1,2,3，…I,i表示运动个数)来表示，如果在时间t_m均在一定的范文内，则表示运动有规律；如果时间t_m差异较大，则表明运动无规律。同时根据使用者运动中体温与脉搏的变化来监测使用者的状态，避免意外的发生。

本发明的有益效果为：

1.本发明结构简单，使用方便，适合男女老少使用，并且能精确稳定的实时计数，并且有评估系统对使用者的运动进行合理的评估，同时也实时监测使用者的运动状况，避免意外发生。

2.本发明通过检测使用者的起始时腹部角度和终止时腹部的角度，可以达到规范使用者运动姿势的效果；

3.本发明所提出的算法可以获得精确并稳定的角度，上位机系统判断的准确性得到提高，并且误判率得到降低。

附图说明

图1为本发明的仰卧起坐标准计数与监测评估系统的结构示意图。

图2为本发明的仰卧起坐标准计数与监测评估系统的原理图。

图3为本发明的智能化的俯仰运动系统使用流程图。

图4为本发明的仰卧起坐装置的评估系统的评价标准。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明。

如图1所示，本发明的仰卧起坐标准计数与监测评估系统包括陀螺仪、加速度计、腕部脉搏传感器、温度计、分析模块、计时模块、无线模块、声音模块、电源模块；陀螺仪和加速度计的输出数据用于计算使用者运动过程中的角度；腕部脉搏传感器用于监测使用者运动过程中的脉搏变化；温度计用于检测使用者运动过程中的体温；分析模块用于判断使用者的运动角度是否符合标准仰卧起坐的角度；计时模块用于实时测量运动时间；无线模块用于传输数据。

参阅图2，使用者躺在仰卧起坐板上，双脚放入勾脚架上，将陀螺仪与加速度计以及温度计集成的惯性传感器佩戴在使用者的腹部，将腕部脉搏传感器佩戴在使用者的腕部，在使用者运动的过程中，通过加速度计与陀螺仪得到角度并经过组合滤波，得到更精确的角度来进行计数，同时计时模块对使用者的运动时间进行计数，并且通过计算出的相关数据对使用者的运动进行评估；温度计和腕部脉搏传感器通过监测使用者的运动状态，防止意外发生。

如图3，为本发明的具体使用流程，步骤如下：

步骤S1，打开电源开关，完成使用装置的初始化，输入使用者的相关信息，比如姓名、年龄等，以便储存使用者的相关数据。

步骤S2，在使用者的腹部安装上相关传感器，以及在腕部安装上腕部脉搏传感器。

步骤S3，使用者平躺在仰卧起坐板上，双脚放入勾脚架，屈膝成90度，陀螺仪与加速度分别计算出此刻使用者腹部的角度(俯仰角)，即为初始角度；使用者坐起，直至双肘触膝，陀螺仪与加速度计再次计算出使用者腹部的角度(俯仰角)，即为终止角度；存入使用者相对应的数据库里。

步骤S4，按下计数按钮与计时按钮，使用者开始锻炼，做仰卧起坐。

步骤S5，使用者躺在仰卧起坐板上，计算出此刻腹部与仰卧起坐板之间的角度。

步骤S6，在使用者一开始运动的时候，腕部脉搏传感器与温度计实时计算使用者的脉搏与体温，监测使用者的体温与脉搏的变化。

步骤S7，若使用者的脉搏与体温超出正常范围，则跳转步骤S13，拖脉搏与体温的变化始终在正常的范围内，则执行步骤S8。

步骤S8，判断上述测量的角度是否等于初始角度，若测量角度不等于初始角度，则返回步骤S5，若测量角度等于初始角度，则执行步骤S9。

步骤S9，使用者坐起，直至双肘触膝，实时获得使用者腹部与仰卧起坐板的角度。

步骤S10，判断上述测量角度是否大于或等于终止角度，若测量角度小于终止角度，则跳转步骤S9，若测量角度大于或等于终止角度，则执行步骤S11。

步骤S11，计数器自动加1。

步骤S12，计数器是否被认为按下，若计数器没被按下，则跳转步骤S5，若计数器被按下，则执行步骤S13。

步骤S13，使用者锻炼结束，使用者在仰卧起坐板上可短暂休息，同时等待系统的评估结果。

步骤S14，保存好相关数据，关闭电源。

如图4，本发明的智能化的俯仰运动系统的评估系统标准包括：运动个数的多少，消耗卡路里的多少以及运动是否有规律。其中，运动个数的多少通过计数器得到；消耗的卡路里数通过使用者的体重、运动个数等相关数据计算得到；运动的规律性可由单个仰卧起坐的时间来表示。如果运动个数多、消耗的卡路里多、运动有规律，表明使用者的体能很好，十分厉害；若运动个数多、消耗的卡路里多、运动没有规律，则表明使用者体能较好，继续保持；若运动个数多、消耗的卡路里少、运动有规律，则表明使用者体能较好，继续保持；若运动个数多、消耗的卡路里少、运动无规律，则表明使用者体力一般，需加强锻炼；若运动个数少、消耗的卡路里多、运动有规律，则表明使用者体力一般，需加强锻炼；若运动个数少、消耗的卡路里多、运动无规律，则表明使用者体能较差，需改进方案；若运动个数少、消耗的卡路里少、运动有规律，则表明使用者体能较差，需改进方案；若运动个数少、消耗的卡路里少、运动无规律，则表明使用者体能很差，需要咨询教练。

Claims

1.本发明所述的一种智能化的俯仰运动系统，其特征在于：包括仰卧起坐板、支撑座、勾脚架、前后支撑座、显示器、陀螺仪、加速度计、腕部脉搏传感器、温度计、分析模块、计时模块、无线模块、声音模块、电源模块；仰卧起坐板、支撑座、勾脚架以及前后支撑座是完成仰卧起坐的设备；显示器用于显示个数、脉搏、体温、消耗的卡路里数以及评估；陀螺仪和加速度计的输出数据用于计算使用者运动过程中的角度；腕部脉搏传感器用于监测使用者运动过程中的脉搏变化；温度计用于检测使用者运动过程中的体温；分析模块用于判断使用者的运动角度是否符合标准仰卧起坐的角度；计时模块用于实时测量运动时间；无线模块用于传输数据。

2.根据权利要求1所述的一种智能化的俯仰运动系统，其特征在于，具有计数功能，具体步骤如下：

步骤2)将上述初始角度和终止角度作为判断基准储存起来；

步骤5)使用者坐起，直至双肘触膝，再次获得使用者背部相应的角度；

3.根据权利要求2所述的根据角度判断进行计数，其特征在于，上述加速度计和陀螺仪的输出值均用于计算出使用者的俯仰角，并对两者的计算值进行互补滤波，提高角度的准确性，判断仰卧起坐的个数更加精确与稳定，避免多数或少数仰卧起坐的个数。

4.根据权利要求3所述的角度计算以及互补滤波器设计如下所示：

基于加速度计的俯仰角θ_a计算公式：

γ_{a} = \{\begin{matrix} \arctan (\frac{- f_{x}^{b}}{f_{z}^{b}}); f_{z}^{b} < 0 \\ \arctan (\frac{- f_{x}^{b}}{f_{z}^{b}}) + π; f_{z}^{b} > 0, \arctan (\frac{- f_{x}^{b}}{f_{z}^{b}}) < 0 \\ \arctan (\frac{- f_{x}^{b}}{f_{z}^{b}}) - π; f_{z}^{b} > 0, \arctan (\frac{- f_{x}^{b}}{f_{z}^{b}}) > 0 \\ \frac{π}{2}; f_{x}^{b} > 0, f_{z}^{b} = 0 \\ - \frac{π}{2}; f_{x}^{b} < 0, f_{z}^{b} = 0 \end{matrix}

θ_{a} = \arctan \frac{f_{y}^{b}}{f_{z}^{b} {cosγ}_{a} - f_{x}^{b} {sinγ}_{a}}

式中，γ_a表示横滚角，f_x ^b、f_y ^b、f_z ^b表示加速度计的三向输出值。

基于陀螺仪的俯仰角θ_g计算如下所示：

C_{b}^{n} = [\begin{matrix} 1 - 2 q_{2}^{2} - 2 q_{3}^{2} & 2 q_{1} q_{2} - 2 q_{0} q_{3} & 2 q_{1} q_{3} + 2 q_{0} q_{2} \\ 2 q_{1} q_{2} + 2 q_{0} q_{3} & 1 - 2 q_{1}^{2} - 2 q_{3}^{2} & 2 q_{2} q_{3} - 2 q_{0} q_{1} \\ 2 q_{1} q_{3} - 2 q_{0} q_{2} & 2 q_{2} q_{3} + 2 q_{0} q_{1} & 1 - 2 q_{1}^{2} - 2 q_{2}^{2} \end{matrix}]

\overset{\cdot}{q} = \frac{1}{2} q &CircleTimes; w^{b}

θ_{g} = - \arcsin (2 q_{1} q_{3} - 2 q_{0} q_{2}); [- \frac{π}{2}, \frac{π}{2}]

式中，q＝[q₀q₁q₂q₃]，w^b表示陀螺仪的三向输出。

互补滤波器的传递函数：

θ = \frac{{sK}_{P} + K_{I}}{s^{2} + {sK}_{P} + K_{I}} θ_{a} + \frac{s^{2}}{s^{2} + {sK}_{P} + K_{I}} θ_{g}

式中，K_P、K_I用于调节滤波器的截至带宽。

通过调节K_P、K_I调整加速度计和陀螺仪的权重，抑制姿态的误差，提高其精确性与稳定性。

5.根据权利要求1所述的智能化的俯仰运动系统，其特征在于，根据体温、脉搏的变化来监测使用者的运动状态，避免意外发生。同时可根据完成的个数、消耗的卡路里数、以及完成过程中有无规律性这三个方面对对使用者的运动效果进行合理的评估。

6.根据权利要求5所述的一种智能化的俯仰运动系统，其特征在于，所述的消耗的卡路里数可以根据使用者的体重、运动完成的个数等相关数据计算得到。

7.根据权利要求5所述的一种智能化的俯仰运动系统，其特征在于，所述的运动规律性可由单个仰卧起坐的时间t_m(m＝1,2,3，…I,i表示运动个数)来表示，如果在时间t_m均在一定的范围内，则表示运动有规律；如果时间t_m差异较大，则表明运动无规律。