CN109011346A - 一种智能水哑铃 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能水哑铃，该智能水哑铃的实现方法包括：采用相应传感器分别获取哑铃的位移和旋转角度、环境温湿度、运动手握处的温湿度数据、脉搏心率和肌电信号数据，将数据传输给微处理器后，微处理器对数据进行滤波处理并通过蓝牙4.0模块，将经处理过的数据传送到接受端并上传物联网平台从而可以通过手机APP或者PC机网页查看运动数据和生理数据情况并对数据进行多因素方差分析；一种智能水哑铃本体，包括左右中空容室、握持部、左右配重块、左水位开关、左注液孔、左进水电磁阀、微处理器。本发明能有效记录哑铃运动轨迹、提供运动者生理和运动状态数据，且具有配重调整便捷、方便携带、简单智能、经济实惠的优点。

Description

一种智能水哑铃

技术领域

本发明属于体育器材领域，具体涉及一种智能水哑铃。

背景技术

据统计，肌肉力量在人20岁到30岁之间达到一生中的最高峰，之后随着年龄的增长，肌肉组织功能逐渐退化，再加之现代人生活节奏加快，运动机会减少，肌耐力也会随之降低。强化肌力和肌耐力对人体健康有莫大的帮助，如降低罹患心脏疾病的风险、预防运动伤害、增进心理健康。因此有效进行肌肉运动越来越受到国家和群众的关注。哑铃是一种用于肌肉训练的简单健身器材，它不仅用于肌力训练以及复合肌肉动作训练，也针对肌肉受伤或者中风患者的复健。

传统的哑铃通常通过改变哑铃片的数量改变配重并且无动作分析、无生理测量和数据传输，从而不能实现方便携带、可随时改变配重的优点且对分析运动者运动效果优劣带来了极大的不便。

专利号为201520166360.9的中国专利公开了一种哑铃，该哑铃解决了目前的组合式哑铃容易划伤人体而且拆装费事的问题，但是其不足之处在于哑铃通过增减哑铃片改变配重，而哑铃片不方便携带且占空间，从而不能完成随时运动并且该哑铃无法实现运动数据检测和传输，无法分析运动效果。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种智能水哑铃，能够有效地解决传统哑铃携带不方便、配重调整不便捷、无数据测量、无数据传输和动作分析等问题。

本发明实施例是这样实现的，一种智能水哑铃实现方法包括以下步骤：

步骤一：采用MEMS惯性传感器获取哑铃的位移和旋转角度、采用DHT11温湿度传感器获取环境温湿度和运动手握处的温湿度数据、采用PVDF脉搏传感器测脉搏心率和肌肉电传感器获取肌电信号数据，将数据通过串行通讯总线传输给微处理器。

进一步，在步骤一中的MEMS惯性传感器包括MEMS加速度计和MEMS陀螺仪，由MEMS加速度计测得有一加速度向量R在X、Y、Z轴的投影分别为R_x、R_y、R_z，其与X轴、Y轴、Z轴的夹角分别为θ、φ，根据在直角坐标系下向量可得R²＝R_x ²+R_y ²+R_z ²，同时可得哑铃初始状态为其中其中a_x，a_z为哑铃在X轴和Z轴的加速度，G_x为哑铃旋转后在X轴方向上的受力，G_z为哑铃旋转后在Z轴上的受力，由此可得X轴和Y轴上的位移 其中λ是比例系数。由MEMS陀螺仪测得角速度值，有一惯性力矢量R，R在X、Y、Z轴的投影分别为R_x、R_y、R_z，R_xz、R_yz分别为向量R在XOZ平面和YOZ平面的分量，θ、分别表示R与平面XOZ和平面YOZ转角，陀螺仪测得转角的变化率θ2、为t2时刻的转角，θ1、为t1时刻的转角，用陀螺仪测得的转角变化率的数据对θ，进行更新得θ^*、 再根据角度θ^*、更新Gx、Gy、Gz、a_x、a_z、v_xn、v_yn、x、y。

进一步，在步骤一中的肌电信号数据是由肌肉电传感器测前臂二头肌运动变化所得。

步骤二：微处理器对MEMS惯性传感器检测到的哑铃加速度值进行中值滤波、对陀螺仪检测到的哑铃旋转角速度值进行均值滤波。

进一步，在步骤二中微处理器对加速度计检测到的加速度值进行中值滤波，设某一组单轴加速度数据a[i]的长度为L，滑动窗口大小为m，窗口中的数据按照数值大小的顺序依次排列，得到中值滤波后的输出为a[i]是指滑动窗口m中的数据按数值大小排列后序号为中间的数，将滤掉脉冲噪声、随机环境噪声后的数据传送给微处理器。

进一步，在步骤二中微处理器对陀螺仪检测到的哑铃角速度值进行均值滤波，其算法流程如下：

(1)首先对陀螺仪检测到的数据进行加窗处理，设窗口长度为K(K小于数据的长度)；

(2)对窗口中的数据进行均值处理，H(n)＝[I(n)+I(n-1)+…I(n-K+1)]/K；

(3)设置滑动窗口的步长，设为k，等到H(n)结束，H(n+1)进窗；

(4)循环(2)和(3)直到陀螺仪最后的一个数据进窗，输出哑铃的角速度。

步骤三：通过蓝牙4.0模块，将数据以低功耗蓝牙技术传送到接收端并上传物联网平台。

步骤四：通过手机APP或者PC机网页查看运动数据和生理数据情况并对数据进行多因素方差分析。

进一步，在步骤四中对物联网平台数据进行多因素方差分析，设有哑铃输出的三个因素A、B、C，A代表哑铃的位移，B代表哑铃的旋转角度因素，C代表运动者的脉搏次数，因素A取r个水平，分别记为A₁，A₂，……A_r，因素B取s个水平，分别记为B₁，B₂，……B_s，因素C取t个水平，分别记为C₁，C₂……C_t，在每一种组合水平(A_i，B_j，C_k)上重复试验c(c＞1)次得试验值X_ijk，i＝1，2，……r；j＝1，2，……s；k＝1，2，……t，在水平组合(A_i，B_j，C_k)下样本相互独立且X_ijk属于N(μ_ijk，σ²)，i＝1，2，……r；j＝1，2，……s；k＝1，2，……t。记 α_i＝μ_i..-μ，β_j＝μ_.j.-μ，γ_k＝μ_..k-μ，i＝1，2，……r；j＝1，2，……s；k＝1，2，……t，其中μ称为一般平均，α_i称为因子A在水平A_i的效应，β_j称为因子B在水平B_j的效应，γ_k称为因子C在水平C_k的效应，满足表达式 σ_ij表示A在第i个水平与B在第j个水平的交互作用，表示B在第j个水平与C在第k个水平的交互作用，τ_ik表示A在第i个水平与C在第k个水平的交互作用，η_ijk表示A在第i个水平、B在第j个水平以及C在第k个水平的交互作用，则数学模型为：

若F_ABC＞F_1-α((r-1)(s-1)(t-1)，rst(m-1))，则A、B、C相互作用显著，α是F分布中的分位点。

本发明实施例的另一目的在于提供一种智能水哑铃本体，包括左中空容室，握持部，右中空容室，所述左中空容室内设有左配重块，所述左中空容室上设有左水位开关，所述左中空容室上设有左注液孔，所述左注液孔与左进水电磁阀相连，所述握持部位于左中空容室和右中空容室之间，所述握持部内部设有微处理器，所述右中空容室内设有右配重块。

进一步，握持部表面设有PVDF脉搏传感器、第一DHT11温湿度传感器、第二DHT11温湿度传感器和肌肉电传感器。

进一步，左中空容室一侧设有左水位开关和左进水电磁阀。

进一步，由水位开关获取的信号传送至微处理器，由微处理器通过程序控制进水电磁阀的开关。

进一步，微处理器选用stm32F103。

本发明公开了一种智能水哑铃，该智能水哑铃的实现方法包括：采用相应传感器分别获取哑铃的位移和旋转角度、环境温湿度、运动手握处的温湿度数据、脉搏心率和肌电信号数据，将数据传输给微处理器后，微处理器对数据进行滤波处理并通过蓝牙4.0模块，将经处理过的数据传送到接受端并上传物联网平台从而可以通过手机APP或者PC机网页查看运动数据和生理数据情况并对数据进行多因素方差分析；一种智能水哑铃本体，包括左右中空容室、握持部、左右配重块、左水位开关、左注液孔、左进水电磁阀、微处理器。本发明能有效记录哑铃运动轨迹、提供运动者生理和运动状态数据，且具有配重调整便捷、方便携带、简单智能、经济实惠的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1为本发明一种智能水哑铃的实施例，一种智能水哑铃本体，包括左中空容室(1)，握持部(7)，右中空容室(1-1)，所述左中空容室(1)内设有左配重块(2)，所述左中空容室(1)上设有左水位开关(3)，所述左中空容室(1)上设有左注液孔(11)，所述左注液孔(11)与左进水电磁阀(12)相连，所述握持部(7)位于左中空容室(1)和右中空容室(1-1)之间，所述握持部(7)内部设有微处理器(8)，所述右中空容室(1-1)内设有右配重块(2-1)。

握持部(7)表面设有PVDF脉搏传感器(5)、第一DHT11温湿度传感器(4)、第二DHT11温湿度传感器(9)和肌肉电传感器(6)。

微处理器(8)选用stm32F103。

参阅图2为本发明一种智能水哑铃的实现方法包括以下步骤：

S201：采用MEMS惯性传感器获取哑铃的位移和旋转角度、采用DHT11温湿度传感器获取环境温湿度和运动手握处的温湿度数据、采用PVDF脉搏传感器测脉搏心率和肌肉电传感器获取肌电信号数据，将数据通过串行通讯总线传输给微处理器。

S202：微处理器对MEMS惯性传感器检测到的哑铃加速度值进行中值滤波、对陀螺仪检测到的哑铃旋转角速度值进行均值滤波。

S203：通过蓝牙4.0模块，将经处理过的数据以低功耗蓝牙技术传送到接收端并上传物联网平台。

S204：通过手机APP或者PC机网页查看运动数据和生理数据情况并对数据进行多因素方差分析。

本发明的实施例1：

在使用之前，运动者可根据自身需求设定水位线，通过微处理器、左进水电磁阀和左水位开关实现往左注液孔内自动注入液体，一旦达到指定的水位线，左水位开关反馈液面位置信号，并通过微处理器控制左进水电磁阀关闭。往左右中空容室充水以增加哑铃重量和配重块的运动阻力。当运动者手握握持部开始转动时，左右中空容室内的配重块会随之一起转动，借由左右两配重块旋转时所产生的离心力以及惯性力可通过使用者手的连接而带动使用者的身体摇晃，如此使得全身肌肉随之振动，达到锻炼全身肌肉的目的。同时使用者在运动过程中设置于握持部内部的MEMS惯性传感器获取哑铃的位移和旋转角度，设置于握持部表面的DHT11温湿度传感器获取环境温湿度和运动手握处的温湿度数据、PVDF脉搏传感器测脉搏心率和肌肉电传感器获取肌电信号数据，微处理器对MEMS惯性传感器首先检测到的哑铃加速度值进行中值滤波，设某一组单轴位移和旋转角度数据分别为a[i]，a[i]的长度为L，滑动窗口大小为m，窗口中的数据按照数值大小的顺序依次排列，得到中值滤波后的输出为a[i]是指滑动窗m中的数据按数值大小排列后序号为中间的数。将中值滤波处理后的加速度向量R投影到X、Y、Z轴，的投影分别为R_x、R_y、R_z，其与X轴、Y轴、Z轴的夹角分别为θ、φ，再根据在直角坐标系下向量可得R²＝R_x ²+R_y ²+R_z ²，同时可得哑铃初始状态为其中其中a_x，a_z为哑铃在X轴和Z轴的加速度，G_x为哑铃旋转后在X轴方向上的受力，G_z为哑铃旋转后在Z轴上的受力，由此可得哑铃在X轴和Y轴上的位移其中λ是比例系数。将位移x、y值、旋转角度θ、φ值、温湿度值、脉搏心率值、肌电信号值传送给微处理器。微处理器将数据以低功耗蓝牙技术传送到接收端并上传物联网平台。通过手机APP或者PC机网页查看运动数据和生理数据情况并对数据进行多因素方差分析。设有哑铃输出的三个因素A、B、C，A代表哑铃的位移，B代表哑铃的旋转角度因素，C代表运动者的脉搏次数，A取r个水平，分别记为A₁，A₂，……A_r，因素B取s个水平，分别记为B₁，B₂，……B_s，因素C取t个水平，分别记为C₁，C₂……C_t，在每一种组合水平(A_i，B_j，C_k)上重复试验c(c＞1)次得试验值X_ijk，i＝1，2，……r；j＝1，2，……s；k＝1，2，……t，在水平组合(A_i，B_j，C_k)下样本相互独立且X_ijk属于N(μ_ijk，σ²)，i＝1，2，……r；j＝1，2，……s；k＝1，2，……t。记α_i＝μ_i..-μ，β_j＝μ_.j-μ，γ_k＝μ_k-μ，i＝1，2，……r；j＝1，2，……s；k＝1，2，……t，其中μ称为一般平均，α_i称为因子A在水平A_i的效应，β_j称为因子B在水平B_j的效应，γ_k称为因子C在水平C_k的效应，满足表达式 σ_ij表示A在第i个水平与B在第j个水平的交互作用，表示B在第j个水平与C在第k个水平的交互作用，τ_ik表示A在第i个水平与C在第k个水平的交互作用，η_ijk表示A在第i个水平、B在第j个水平以及C在第k个水平的交互作用，则数学模型为：

若F_ABC＞F_1-α((r-1)(s-1)(t-1)，rst(m-1))，则A、B、C相互作用显著，即哑铃的位移、哑铃的旋转角度以及运动者的脉搏次数相互作用显著，α是F分布中的分位点。通过结构设计加上实现方法使得本发明一种智能水哑铃不仅能够实现自动充水、方便携带而且可以有效记录哑铃运动轨迹、运动者运动时段的生理和运动状态数据，以便分析运动效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.一种智能水哑铃实现方法，其特征在于，该智能水哑铃实现方法包括以下步骤：

步骤一：采用MEMS惯性传感器获取哑铃的位移和旋转角度、采用DHT11温湿度传感器获取环境温湿度和运动手握处的温湿度数据、采用PVDF脉搏传感器测脉搏心率和肌肉电传感器获取肌电信号数据，将数据通过串行通讯总线传输给微处理器；

步骤二：微处理器对MEMS惯性传感器检测到的哑铃加速度值进行中值滤波、对陀螺仪检测到的哑铃旋转角速度值进行均值滤波；

步骤三：通过蓝牙4.0模块，将数据以低功耗蓝牙技术传送到接收端并上传物联网平台；

步骤四：通过手机APP或者PC机网页查看运动数据和生理数据情况并对数据进行多因素方差分析。

2.如权利要求1所述的智能水哑铃实现方法，其特征在于，在步骤一中的MEMS惯性传感器包括MEMS加速度计和MEMS陀螺仪，由MEMS加速度计测得有一加速度向量R在X、Y、Z轴的投影分别为R_x、R_y、R_z，其与X轴、Y轴、Z轴的夹角分别为θ、φ，根据在直角坐标系下向量可得R²＝R_x ²+R_y ²+R_z ²，同时可得哑铃初始状态为其中 其中a_x，a_z为哑铃在X轴和Z轴的加速度，G_x为哑铃旋转后在X轴方向上的受力，G_z为哑铃旋转后在Z轴上的受力，由此可得X轴和Y轴上的位移其中λ是比例系数。由MEMS陀螺仪测得角速度值，有一惯性力矢量R，R在X、Y、Z轴的投影分别为R_x、R_y、R_z，R_xz、R_yz分别为向量R在XOZ平面和YOZ平面的分量，θ、分别表示R与平面XOZ和平面YOZ转角，陀螺仪测得转角的变化率 θ2、为t2时刻的转角，θ1、为t1时刻的转角，用陀螺仪测得的转角变化率的数据对θ，进行更新得θ^*、再根据角度θ^*、更新Gx、Gy、Gz、a_x、a_z、v_xn、v_yn、x、y。

3.如权利要求1所述的智能水哑铃实现方法，其特征在于，在步骤一中的肌电信号数据是由肌肉电传感器测前臂二头肌运动变化所得。

4.如权利要求1所述的智能水哑铃实现方法，其特征在于，在步骤二中微处理器对加速度计检测到的加速度值进行中值滤波，设某一组单轴加速度数据a[i]的长度为L，滑动窗口大小为m，窗口中的数据按照数值大小的顺序依次排列，得到中值滤波后的输出为a[i]是指滑动窗口m中的数据按数值大小排列后序号为中间的数，将滤掉脉冲噪声、随机环境噪声后的数据传送给微处理器。

5.如权利要求1所述的智能水哑铃实现方法，其特征在于，在步骤二中微处理器对陀螺仪检测到的哑铃角速度值进行均值滤波，其算法流程如下：

(1)首先对陀螺仪检测到的数据进行加窗处理，设窗口长度为K(K小于数据的长度)；

(2)对窗口中的数据进行均值处理，H(n)＝[I(n)+I(n-1)+…I(n-K+1)]/K；

(3)设置滑动窗口的步长，设为k，等到H(n)结束，H(n+1)进窗；

(4)循环(2)和(3)直到陀螺仪最后的一个数据进窗，输出哑铃的角速度。

6.如权利要求1所述的智能水哑铃实现方法，其特征在于，在步骤四中对物联网平台数据进行多因素方差分析，设有哑铃输出的三个因素A、B、C，A代表哑铃的位移，B代表哑铃的旋转角度因素，C代表运动者的脉搏次数，因素A取r个水平，分别记为A₁，A₂，……A_r，因素B取s个水平，分别记为B₁，B₂，……B_s，因素C取t个水平，分别记为C₁，C₂……C_t，在每一种组合水平(A_i，B_j，C_k)上重复试验c(c＞1)次得试验值X_ijk，i＝1，2，……r；j＝1，2，……s；k＝1，2，……t，在水平组合(A_i，B_j，C_k)下样本相互独立且X_ijk属于N(μ_ijk，σ²)，i＝1，2，……r；j＝1，2，……s；k＝1，2，……t。记 i＝1，2，……r；j＝1，2，……s；k＝1，2，……t，其中μ称为一般平均，α_i称为因子A在水平A_i的效应，β_j称为因子B在水平B_j的效应，γ_k称为因子C在水平C_k的效应，满足表达式 σ_ij表示A在第i个水平与B在第j个水平的交互作用，表示B在第j个水平与C在第k个水平的交互作用，τ_ik表示A在第i个水平与C在第k个水平的交互作用，η_ijk表示A在第i个水平、B在第j个水平以及C在第k个水平的交互作用，则数学模型为：

若F_ABC＞F_1-α((r-1)(s-1)(t-1)，rst(m-1))，则A、B、C相互作用显著，α是F分布中的分位点。

7.一种智能水哑铃本体，包括左中空容室(1)，握持部(7)，右中空容室(1-1)，所述左中空容室(1)内设有左配重块(2)，所述左中空容室(1)上设有左水位开关(3)，所述左中空容室(1)上设有左注液孔(11)，所述左注液孔(11)与左进水电磁阀(12)相连，所述握持部(7)位于左中空容室(1)和右中空容室(1-1)之间，所述握持部(7)内部设有微处理器(8)，所述右中空容室(1-1)内设有右配重块(2-1)。

8.如权利要求7所示的智能水哑铃，其特征在于，握持部(7)表面设有PVDF脉搏传感器(5)、第一DHT11温湿度传感器(4)、第二DHT11温湿度传感器(9)和肌肉电传感器(6)。

9.如权利要求7所述的智能水哑铃，其特征在于，左中空容室(1)一侧设有左水位开关(3)和左进水电磁阀(12)。

10.如权利要求7所述的智能水哑铃，其特征在于，由水位开关(3)获取的信号传送至微处理器(8)，微处理器(8)选用stm32F103，由微处理器(8)通过程序控制进水电磁阀(12)的开关。