CN203935596U - 一种健身哑铃运动检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种健身哑铃运动检测装置及检测方法。其检测电路包括微控制器模块，以及与所述微控制器模块电连接的惯性传感器模块、电池电源管理模块，和射频通讯模块，微控制器模块利用健身哑铃运动与位置检测算法，对数据进行处理，并将处理结果和传感器数据发送至手机或平板电脑，对用户提供直观的健身动作评估和提示。本实用新型能够精确检测出健身哑铃与用户的位置关系，解决了健身哑铃健身的卡路里消耗评估、哑铃健身动作标准性评估的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种健身哑铃运动检测装置。
背景技术
个人在哑铃锻炼过程中，由于缺乏指导和监督，往往会有锻炼姿势不正确、锻炼过程缺乏科学规划、锻炼的计划无法有效执行、锻炼的结果无法评估等问题。由于个人锻炼的这些问题，使个人哑铃锻炼效果难以得到保障。
要想提高哑铃锻炼效果，一般需要通过学习大量的训练知识、参加哑铃锻炼的课程、聘请专业的私人教练等方法。这些方法对于普通锻炼者来说，或者需要耗费太多的精力、或者需要耗费大量的金钱，而且获取过程存在较多限制。目前在这个领域，尚没有通过特定的技术手段，来指导和监督普通哑铃锻炼者提升锻炼效果的硬件装置及方法。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够有效测量哑铃使用者的使用姿态、角度的健身哑铃运动检测装置，为此，本实用新型采用以下技术方案：
所述装置包括检测电路，所述检测电路包括微控制器模块3及与所述微控制器模块3电连接的惯性传感器模块2、电池电源管理模块5和射频通讯模块4，所述惯性传感器模块2包括分别用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴加速度的三轴加速度传感器与X轴、Y轴、Z轴三轴角速度的三轴角速度传感器，所述电池电源管理模块5用于为微控制器模块3、惯性传感器模块2、射频通讯模块4提供工作电源。
通过以上技术方案，本实用新型通过惯性传感器模块内的三轴加速度传感器和三轴角速度传感器互补滤波,测定出当前哑铃的二维倾角，且该倾角的测定值在哑铃加速运动状态下，仍然具有很高的准确性。
为了进一步的技术效果，本实用新型还可以采用如下技术方案：
所述检测电路还包括磁场传感器模块20，所述磁场传感器模块20包括检测X轴、Y轴、Z轴三轴磁场强度的三轴磁阻传感器。
通过以上技术方案，本实用新型通过装置内的三轴磁阻传感器，利用当地的地球磁场，测定出哑铃当前的方位角，该方位角不受运动加速度影响，解决了测量哑铃当前姿态、角度的问题。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的一种健身哑铃运动检测装置的方框原理图；
图2为本实用新型实施例2的一种健身哑铃运动检测装置的控制流程图；
图3为本实用新型实施例2的一种健身哑铃运动检测装置的方框原理图；
图4为本实用新型实施例3的一种健身哑铃运动检测装置的使用原理图；
图5为本实用新型实施例4的一种健身哑铃运动检测装置的使用原理图；
具体实施方式
本实用新型为一种健身哑铃运动检测装置，所述装置包括检测电路，所述检测电路包括微控制器模块3及与所述微控制器模块3电连接的惯性传感器模块2、电池电源管理模块5和射频通讯模块4，所述惯性传感器模块2包括分别用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴加速度的三轴加速度传感器与X轴、Y轴、Z轴三轴角速度的三轴角速度传感器，所述电池电源管理模块5用于为微控制器模块3、惯性传感器模块2、射频通讯模块4提供工作电源。
本实用新型所提供装置的微控制器模块可以带有数据存储功能，也可以通过蓝牙连接智能手机或平板电脑进行历史数据存储及处理。
所述检测电路还包括磁场传感器模块20，所述磁场传感器模块包括检测X轴、Y轴、Z轴三轴磁场强度的三轴磁阻传感器。
所述射频通讯模块4为蓝牙4.0射频通讯模块，所述微控制器模块3和射频通讯模块4采用型号为cc2541或nRF51822的片上系统处理芯片。
所述惯性传感器模块2采用型号为MPU-6050的六轴MEMS传感器芯片，也可采用ADXL345三轴加速度传感器芯片和L3G4200、ITG-3200等三轴角速度传感器芯片配合实现。
所述磁场传感器模块20采用型号为HMC5883L的三轴磁阻传感器芯片。
本实用新型所述健身哑铃运动检测装置包括长方体的壳体1，所述惯性传感器模块2的X轴、Y轴、Z轴三轴与壳体1的长宽深方向对齐，所述磁场传感器模块20包括用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴磁场强度的三轴磁阻传感器，同时所述磁场传感器模块20的X轴、Y轴、Z轴三轴与壳体1的长宽深方向对齐。
本实用新型还包括人机交互模块6，所述电池电源管理模块用于为微控制器模块3、惯性传感器模块2、磁场传感器模块20、人机交互模块6、射频通讯模块4提供工作电源，当使用可充电电池时，电池电源管理模块5还可利用外部电源为电池充电。
所述人机交互模块6进一步包括OLED显示单元、按键单元和LED显示单元，所述按键单元包括用于选择OLED显示单元的显示内容的第一按键和用于复位装置的第二按键。
实施例1
本实用新型为一种健身哑铃运动检测的装置7，包括外壳1，外壳1内固定有检测电路，使用时，通过磁铁或魔术扎带将本装置7和健身哑铃固连。
本实用新型所述固连，指将本检测装置与健身哑铃固定相连，可以采用绑带磁铁的方式将本检测装置固定在健身哑铃的表面，也可以直接将其设置于健身哑铃内。
参照图1。在本实施例中，所述检测电路包括微控制器模块3及与所述微控制器模块3电连接的惯性传感器模块2、电池电源管理模块5和射频通讯模块4，所述惯性传感器模块2包括分别用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴加速度的三轴加速度传感器与X轴、Y轴、Z轴三轴角速度的三轴角速度传感器（微机械惯性传感器芯片），所述电池电源管理模块5用于为微控制器模块3、惯性传感器模块2、射频通讯模块4提供工作电源。
实施例2
参考图3，本实用新型在实施例1的基础上为了检测哑铃的方位角，在电路上进一步设置一个磁场传感器模块20，本实施例中包括壳体1，所述壳体1内设有检测电路，所述检测电路包括微控制器模块3以及与所述微控制器模块3电连接的惯性传感器模块2、磁场传感器模块20、电池电源管理模块5、人机交互模块6和蓝牙4.0射频通讯模块4，所述惯性传感器模块2包括分别用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴加速度的三轴加速度传感器与X轴、Y轴、Z轴三轴角速度的三轴角速度传感器，同时所述惯性传感器模块2的X轴、Y轴、Z轴三轴与装置壳体1的长宽深方向对齐，所述磁场传感器模块20包括用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴磁场强度的三轴磁阻传感器，同时所述磁场传感器模块20的X轴、Y轴、Z轴三轴与装置壳体1的长宽深方向对齐，所述电池电源管理模块5用于为微控制器模块3、惯性传感器模块2、磁场传感器模块20、人机交互模块6、蓝牙4.0射频通讯模块4提供工作电源， 当使用可充电电池时，电池电源管理模块5还可利用外部电源为电池充电。
磁场传感器模块20所测量得到的X轴、Y轴、Z轴方向的磁场强度，能够反映健身哑铃所处环境的磁场强度，以及由于哑铃姿态变化造成的各个敏感轴上的磁场分量变化。值得注意的是，多数健身哑铃由铁、钢等磁性材料制成，某些测量轴上的磁场强度可能会超过磁场传感器的测量量程，造成测量错误，在具体的应用中：选用量程较大的磁阻传感器，如优选的HMC5883L，可以有效避免测量值超过量程造成的检测错误。考虑到静态功耗，磁场传感器模块20的测量输出经过IIC总线传输至微控制器模块3。本领域内的技术人员应该可知，各模块在实施例1中具有的技术特征及工作过程同样适用于本实施例，因此此处不做赘述。
其中，为了检测哑铃的姿态角，需要将装置通过壳体与健身哑铃固连，此时，惯性传感器模块2所测量得到的X轴、Y轴、Z轴方向的三轴加速度，X轴、Y轴、Z轴方向的三轴角速度，能够反应健身哑铃的对应运动。值得注意的是，在一些特别的哑铃健身动作中，某些测量轴上的加速度可能会超过加速度传感器的测量量程，造成测量错误，在具体的应用中：选用带有多量程选择的加速度传感器，如优选的MPU-6050，可以有效避免测量值超过量程造成的检测错误。考虑到静态功耗，惯性传感器模块2的测量输出经过IIC总线传输至微控制器模块3。
电池电源管理模块5完成电池放电时的稳压和电池充电控制，电池的放电电压与电池电量有关，并不稳定，电池放电电压高于系统内部工作电压，电池电源管理模块将电池放电电压降压稳压至系统内部工作电压2.0~3.0V的某一特定电压值上。考虑到本实用新型的低功耗要求，选用开关式降压稳压器，在具体应用实例中，该降压稳压器可采用开关式降压稳压芯片LM3670或TPS62730实现。当采用可充电电池时，电池充电控制需要对外部充电器的5V输出电压进行降压和限流，在电池电压过低时，采用恒流充电，在电池即将充满时，采用恒压充电，并提供电池充电状态的信号输出，在具体应用实例中，电池充电可采用单节电池充电芯片SE9017、SE9016或LTC4054实现，充电状态可由红、绿双色LED显示。
所述人机交互模块6进一步包括显示单元和按键单元,所述按键单元包括用于控制显示单元的第一按键和用于复位装置的第二按键。
人机交互模块6主要实现显示装置工作模式、显示锻炼数据、复位装置的功能。本实用新型装置的主要工作模式为：1、睡眠模式，2、蓝牙可发现模式，3、蓝牙连接模式，4、锻炼模式；本实用新型装置的主要锻炼数据为：1、哑铃健身动作完成次数，2、哑铃健身消耗卡路里数，3、哑铃健身动作评分；其中装置工作模式需要实时显示，而锻炼数据仅在用户锻炼过程中和锻炼完成时需要显示，锻炼过程中和锻炼结束后，锻炼数据由OLED屏幕显示，显示内容为1、哑铃健身动作完成次数，2、哑铃健身消耗卡路里数，3、哑铃健身动作评分。
微控制器模块3主要完成以下处理工作：1、接收惯性传感器模块2的输出信号，2、接收磁场传感器模块20的输出信号，3、检测按键状态，4、检测电池电压和充放电状态，5、控制LED和OLED显示，6、控制蓝牙4.0射频通讯模块4工作，设定蓝牙发射参数、发射内容，接收蓝牙数据。7、根据本实用新型提出的健身哑铃运动与位置的检测方法，解算出哑铃的姿态角和哑铃与用户的位置关系。具体应用实例中，微控制器模块3可由cc2541实现或nRF51822片上系统芯片实现，该类芯片为射频片上系统芯片，其内部具有单片机内核和2.4GHz射频收发器，并可运行蓝牙4.0低功耗协议栈。
参照图2.本实用新型主要具有以下工作模态，均由微控制器模块进行控制和调度：1、上电初始化模态，2、睡眠模态，3、蓝牙可发现模态，4、蓝牙连接模态，5、锻炼模态，6、锻炼完成模态。
参考图2，本实施例使用时，当装置7上电/复位后，装置7进入上述模态的上电初始化模态，主要初始化传感器、蓝牙协议栈等，初始化结束后，装置进入上述模态的睡眠模态，在睡眠模态中，系统每隔若干秒时间，检测一次加速度，若加速度的变化超过了设定的阈值，则认为装置发生了运动，那么装置退出睡眠模态进入蓝牙可发现模态，装置处于蓝牙可发现模态时，微控制器模块3控制蓝牙4.0射频通讯模块4发射广播帧，当智能手机、平板电脑等移动终端设备通过蓝牙连接本装置7后，装置进入蓝牙连接状态，如果智能手机、平板电脑等智能终端通过蓝牙操作本装置7开始锻炼后，本装置进入锻炼模态，在锻炼模态时，微控制器模块3配置惯性传感器模块2和磁场传感器模块20，使其进入20Hz高速采集模式，增加采样频率会增加功耗，但是也能提高健身哑铃姿态角和位置检测的精度和带宽，在锻炼模态下，微控制器模块3根据惯性传感器模块2和磁场传感器模块20的测量值，实时计算出健身哑铃姿态角和位置，并实时通过蓝牙4.0射频通讯模块4将测量结果和解算结果发送至智能手机或平板电脑，智能手机或平板电脑等智能终端根据上述数据，计算出锻炼次数、消耗卡路里数、运动评分，再通过蓝牙4.0射频通讯模块4返回给微控制器模块3，微控制器模块3根据返回数据，及检测到的第一按键状态，控制OLED循环显示上述锻炼数据，蓝牙连接断开后，装置进入睡眠模态。
蓝牙4.0射频通讯模块4负责蓝牙连接、蓝牙输出传输功能。具体应用实例中，蓝牙4.0射频通讯模块4可由cc2541或nRF51822片上系统芯片实现，该类芯片为射频片上系统芯片，其内部具有单片机内核和2.4GHz射频收发器，并可运行蓝牙4.0低功耗协议栈。
实施例1与实施例2说明的健身哑铃运动检测装置，其在使用过程中，可以作为独立设置的电路板组装在其他系统中，也可单独使用。因此，实施例3将其单独使用组装应用做一说明，本领域人员应该可以理解的是，此实施例并不构成其应用方式的限定。
实施例3
本实施例包括外壳1，如实施例1或实施例2所述的检测装置7固定在外壳1内部，在外壳1的一端面通过魔术扎带与哑铃手柄8相对固定。如图4所示，本实施例与健身哑铃固连后，装置内部的惯性传感器2和磁场传感器模块20能够跟随健身哑铃运动，测量哑铃运动产生的加速度、角速度、磁场变化，并经由本实用新型提出的健身哑铃运动及位置检测方法，解算出哑铃的姿态角和哑铃与用户位置关系。
实施例4
如实施例1或实施例2所述的一种健身哑铃运动检测装置7，仅包含电路，安装于健身哑铃9内部。参考图5所示，本实施例为其一具体应用实例的结构示意图，本实施例安装于健身哑铃内部，其惯性传感器模块和磁场传感器模块能够跟随健身哑铃运动，测量哑铃运动产生的加速度、角速度、磁场变化，并经由本实用新型提出的健身哑铃运动及位置检测方法，解算出哑铃的姿态角和哑铃与用户位置关系。
与现有技术相比，本实用新型所提供的装置具有以下有益效果：
（1）针对健身哑铃，能够可靠地检测出哑铃的姿态角。
（2）针对健身哑铃，能够利用上述测得的哑铃姿态角、健身哑铃动作流程和人体关节运动约束，计算出健身哑铃和用户的位置关系。
（3）针对健身哑铃，能够利用上述测得的姿态角，统计用户使用哑铃进行特定健身动作训练的训练次数和时间，能够利用上述测得的健身哑铃和用户的位置关系和哑铃的质量，计算出用户进行哑铃健身运动消耗的卡路里数。
（4）由于本实用新型设有射频通讯模块，因此能够与智能手机、智能平板电脑互联，对上述测量数据、统计数据进行进一步处理，为用户的健身质量和效果提供评估，并进一步指导用户的健身动作和健身计划。
（5）采用低功耗芯片配置和针对低功耗的检测流程，能够实现长时间待机。
（6）具有简单易用的人机交互接口，用户能够直观的了解装置的运行状态。
综上所述，本实用新型公开了一种健身哑铃运动检测装置。其检测电路包括微控制器模块，以及与所述微控制器模块电连接的惯性传感器模块、磁场传感器模块、电池电源管理模块，和蓝牙射频通讯模块，惯性传感器模块包括分别用以检测加速度的三轴加速度传感器和用以检测角速度的三轴角速率传感器，磁场传感器模块包含用以检测装置所处环境磁场的三轴磁阻传感器，惯性传感器模块和磁场传感器模块的检测数据经过串行接口输入微控制器模块，微控制器模块利用健身哑铃运动与位置检测算法，对数据进行处理，并将处理结果和传感器数据通过蓝牙4.0射频通讯模块发送至手机或平板电脑，对用户提供直观的健身动作评估和提示。本实用新型安装于健身哑铃上之后，能够精确检测出健身哑铃与用户的位置关系，从而解决了健身哑铃健身的卡路里消耗评估、哑铃健身动作标准性评估的问题。
上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种健身哑铃运动检测装置，其特征在于所述装置包括检测电路，所述检测电路包括微控制器模块（3）及与所述微控制器模块（3）电连接的惯性传感器模块（2）、电池电源管理模块（5）和射频通讯模块（4），所述惯性传感器模块（2）包括分别用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴加速度的三轴加速度传感器与X轴、Y轴、Z轴三轴角速度的三轴角速度传感器，所述电池电源管理模块（5）用于为微控制器模块（3）、惯性传感器模块（2）、射频通讯模块（4）提供工作电源。
2.如权利要求1所述一种健身哑铃运动检测装置，其特征在于所述检测电路还包括磁场传感器模块（20），所述磁场传感器模块（20）包括检测X轴、Y轴、Z轴三轴磁场强度的三轴磁阻传感器。
3.如权利要求1所述一种健身哑铃运动检测装置，其特征在于所述射频通讯模块（4）为蓝牙4.0射频通讯模块，所述微控制器模块（3）和射频通讯模块（4）采用型号为cc2541或nRF51822的片上系统处理芯片。
4.如权利要求1所述一种健身哑铃运动检测装置，其特征在于所述惯性传感器模块（2）采用型号为MPU-6050的六轴MEMS传感器芯片。
5.如权利要求1所述一种健身哑铃运动检测装置，其特征在于所述磁场传感器模块（20）采用型号为HMC5883L的三轴磁阻传感器芯片。
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
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Effective date of registration: 20160603 Address after: Hangzhou City, Zhejiang province Xihu District three pier 310013 West Road No. 10 room H103 Patentee after: Exercise dumbbell movement detecting device Address before: 523 A West, 525 Xixi Road, Hangzhou, Zhejiang, Xihu District 310023, China Patentee before: HANGZHOU ARTIWARES NETWORK TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Correction item: Patentee|Address Correct: Hangzhou Qiwang Technology Co., Ltd.|Hangzhou City, Zhejiang province Xihu District three pier 310013 West Road No. 10 room H103 False: Exercise dumbbell movement detecting device|Hangzhou City, Zhejiang province Xihu District three pier 310013 West Road No. 10 room H103 Number: 25 Volume: 32 |
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| CU01 | Correction of utility model | ||
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Effective date of registration: 20210115 Address after: 310000 room 312, building 1, 952-1, Wener West Road, Wuchang Street, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province Patentee after: Hangzhou red rabbit Sports Technology Co.,Ltd. Address before: Room H103, No.10, Sandun Xiyuan Road, Xihu District, Hangzhou City, Zhejiang Province, 310013 Patentee before: HANGZHOU QIWANG TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20141112 |