一种多功能哑铃的制作方法

本发明属于智能健身器材领域，具体地说，涉及一种多功能哑铃，该哑铃具有对每次哑铃运动实际消耗的热量及运动次数等信息的采集、分析和播放等功能。

背景技术：

随着社会生活水平的日益提高，人们越来越注重健康与美，对体重的关心程度也日益增加。体重的增减是经由能量的摄取和消耗来调节，当摄取的热量小于每天消耗的总热量时，体内会将已储存的脂肪或体组织燃烧以产生热量，因此体重会降低。个体每日所需的总热量是由基础代谢率、食物产热效应与身体活动三个体内需能过程的总和来决定。基础代谢率占每日总热量消耗的百分之五十至七十，食物的产热效应占百分之十，身体的肌肉活动占总热量消耗的百分之二十至四十。基础代谢消耗因个体间性别、身高、年龄、体重的差异而有所不同，适当锻炼并控制卡路里摄入是保持身体健康和减肥的有效方法。目前，通过体育运动消耗能量进行健身、减肥成为一种时尚的生活方式，对健身类器材的方便、实用、智能性需求也呈现快速上升的趋势。从健身效果来看，如能及时了解人体运动时的能量消耗值，并将其用于健身活动的指导与控制，则更利于科学、合理健身，增强人坚持体育锻炼的信心。

哑铃是一种进行肌肉力量训练的简单器材，对健身、减肥方面有一定功效。对于哑铃的外观、材质、功能等方面，人们进行了很多研究，在功能上，国内的哑铃研究有：

(1)一种音乐哑铃(专利号：cn203169902u)：该实用新型专利中设计的哑铃内置有电池、音乐芯片、喇叭等装置，可快速方便地根据个体运动节奏选择音乐节奏。

(2)一种多功能哑铃(专利号：cn102908745a)：该发明设计的哑铃，包括哑铃本体、跳绳、发光二极管，既可单独使用哑铃，又可以把哑铃当成手把，配合跳绳。通过跳绳运动产生的机械能转化成电能，供给发光二极管发光，哑铃还可以当成手电筒使用。

(3)一种自发电婴儿声光哑铃(专利号：cn203303566u)该实用新型公开了一种自发电婴儿声光哑铃，哑铃包括哑铃外壳，冲击球，压电陶瓷、led灯和电路集成块；该实用新型提供的婴儿哑铃，利用声光效果吸引婴儿晃动哑铃的兴趣，起到锻炼婴儿手臂力量的作用，且无需安装电池，依靠压电陶瓷发电，对音乐芯片和led灯供电。

现有研究中对人们非常关心的能量消耗方面却缺少统计、分析。因此，在哑铃运动过程中，进行能量消耗的测定就更加有实际意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多功能哑铃，实现对每次哑铃运动实际消耗的热量及运动次数等信息的采集、分析和播放，以解决现有技术中人们对运动消耗能量数值的不确定，

使人们实时了解运动效果，更加科学、有效地进行锻炼。

一种多功能哑铃由哑铃杆和连接在哑铃杆两端的哑铃头组成；所述哑铃头一侧安装有主控模块、传感器、电源模块，另一侧安装有语音模块；所述哑铃头上设有经导线与电源模块相连的开关；所述电源模块的输出端连接所述主控模块、传感器的输入端；所述传感器的输出端连接主控模块的输入端，所述传感器用于采集用户的运动参数；所述哑铃杆内设有空腔；所述空腔内有导线连接两侧哑铃头内的主控模块与语音模块；所述电源模块通过空腔内的导线连接语音模块的输入端；所述传感器包括三轴陀螺仪、mma8451加速度传感器；所述三轴陀螺仪用于测量x、y、z三个轴的角速度，所述mma8451加速度传感器用于测量x、y、z三轴上的加速度；所述主控模块包括a/d采集模块、微处理器、sci模块、模拟i²c总线、人机交互界面；所述主控模块通过a/d采集模块实时获取所述三轴陀螺仪的角速度信息；通过模拟i²c总线实时获取所述mma8451加速度传感器的加速度信息。

所述人机界面用于输入锻炼者的手臂长度、哑铃质量等信息。

所述传感器模块采集到的加速度和角速度数据基于三个轴向，当人使用哑铃进行不同方向锻炼时，均可计算出作功和运动次数情况。

所述哑铃运动的角速度变化有一定规律，通过统计角速度的变化，便可得到锻炼者使用哑铃健身的次数。

所述主控模块对传感器采集到的各个坐标轴的角速度数值信息以及加速度的信息进行各坐标轴与重力加速度方向之间标定，对各轴上的动能进行分析、计算，并对计算出来的瞬态动能进行累加，得到运动消耗的总功。

所述控制模块对运动消耗的能量值的具体步骤为：

1瞬时动能：根据(vi＝ωir，r是人的小臂长，ω是角速度)由瞬时角速度计算此刻哑铃的瞬时动能。

2总动能：根据e＝∫eidt对瞬时动能进行时间积分便可得到，但由于计算机系统中传递的是离散的数字量，可经过数学变换把积分转变成累加求和，由

所述语音模块包括语音识别终端、语音处理器、语音输出终端、sci模块、sd卡，具有语音识别和播放运动信息功能。

所述语音模块具有语音识别和播放语音文件功能。可实时采集、识别锻炼者的语音信息，反馈给单片机进行分析，通过设置不同的关键字，进行各种控制。在锻炼者训练结束时，微处理器将运动信息通过sci模块发送给语音模块，语音模块对运动所消耗热能的总和及运动次数进行播报，使锻炼者实时了解运动情况。并可以用语音选择播放不同的音乐，实现人机互动的功能。

与现有技术相比，本发明的主要优点是在健身强度检测方向进行了探索，通过传感器实时检测哑铃的位置信息，实现了对于锻炼者每次训练所消耗的热能和训练次数进行检测和反馈，使锻炼者对于运动强度有明确的认识，提高了锻炼者对训练程度和自身运动能力的把握，有助于科学、合理健身。

附图说明

图1为本发明多功能哑铃的剖面图。

图2为本发明多功能哑铃控制系统的硬件结构原理图。

图3为本发明多功能哑铃控制系统软件流程图。

图中数字表示：

1：主控模块；1-1、a/d采集模块；1-2、微处理器；1-3、sci模块；、1-4、模拟i²c总线；1-5、人机交互界面；2：传感器模块；2-1、三轴陀螺仪；2-2、mma8451加速度传感器3：语音模块；3-1、语音识别终端；3-2、语音处理器；3-3、语音输出终端；3-4、sci模块、3-5、sd卡；4：电源模块

具体实施方式

具体实施方式一：为使本文明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1、附图2和附图3及实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本文明。

本发明实施一种多功能哑铃，如图1所示，由哑铃杆和连接在哑铃杆两端的哑铃头组成。

所述哑铃头一侧安装有主控模块(1)、传感器(2)、电源模块(4)，另一侧安装有语音模块(3)；

所述哑铃头上设有经导线与电源模块相连的开关；

所述电源模块(4)的输出端连接所述主控模块(1)、传感器(2)的输入端；

所述传感器模块(2)的输出端连接主控模块(1)的输入端，所述传感器(2)用于采集用户的运动参数；

所述哑铃杆内设有空腔；

所述空腔内有导线连接两侧哑铃头内的主控模块(1)与语音模块(3)；

所述电源模块(4)通过空腔内的导线连接语音模块(3)的输入端；

如图2所示，所述传感器(2)包括三轴陀螺仪(2-1)、mma8451加速度传感器(2-2)。

所述三轴陀螺仪(2-1)用于测量x、y、z三个轴的角速度，所述mma8451加速度传感器(2-2)用于测量x、y、z三轴上的加速度。

所述主控模块(1)包括a/d采集模块(1-1)、微处理器(1-2)、sci模块(1-3)、模拟i²c总线(1-4)、人机交互界面(1-5)。

所述主控模块(1)通过a/d采集模块(1-1)实时获取所述三轴陀螺仪(2-1)的角速度信息；通过模拟i²c总线(1-4)实时获取所述mma8451加速度传感器(2-2)的加速度信息。

所述人机交互界面(1-5)用于输入锻炼者的手臂长度、哑铃质量等信息。

所述传感器模块(2)采集到的加速度和角速度数据基于三个轴向，所以当人使用哑铃进行不同方向锻炼时，均可计算出作功和运动次数情况。

所述哑铃运动的角速度变化有一定规律，通过统计角速度的变化，便可得到锻炼者使用哑铃健身的次数。

所述主控模块(1)对传感器(2)采集到的各个坐标轴的角速度数值信息以及加速度的信息进行各坐标轴与重力加速度方向之间标定，对各轴上的动能进行分析、计算，并对计算出来的瞬态动能进行累加，得到运动消耗的总功。

所述主控模块计算运动消耗的能量值的具体步骤为：

1瞬时动能：根据(vi＝ωir，r是人的小臂长，ω是角速度)由瞬时角速度计算此刻哑铃的瞬时动能。

2势能：根据ep＝mgl可以求出，但由于其只作为中间变量，对消耗的总功不影响，故实际数据处理时省略不计。

3总动能：根据e＝∫eidt对瞬时动能进行时间积分便可得到，但由于计算机系统中传递的是离散的数字量，可经过数学变换把积分转变成累加求和，由

所述语音模块(3)包括语音识别终端(3-1)、语音处理器(3-2)、语音输出终端(3-3)、sci模块(3-4)、sd卡(3-5)。

所述语音模块(3)具有语音识别和播放语音文件功能。可实时采集、识别锻炼者的语音信息，反馈给单片机进行分析，通过设置不同的关键字，进行各种控制。在锻炼者训练结束时，微处理器将运动信息通过sci模块发送给语音模块，语音模块对运动所消耗热能的总和及运动次数进行播报，使锻炼者实时了解运动情况。并可以用语音选择播放不同的音乐，实现人机互动的功能。

如图3所示，锻炼者开始锻炼时，电源模块(4)给哑铃供电，主控模块(1)控制电路处于待机状态，当语音模块(3)接收到“开始”命令后，通过sci模块(3-4)发送给微处理器(1-2)，主控模块开始实时采集传感器(2)的运动信息，在运动过程中，锻炼者可间断进行哑铃运动，主控模块计算并累计锻炼者的运动次数和消耗热能信息，在统计过程中，如果检测到“播放运动信息”指令，微处理器(1-2)将运动信息进行分析、处理，再把运动信息通过sci模块(1-3)传递到语音模块。语音模块通过sci模块(3-4)接收微处理器(1-2)传送的信息，语音处理器(3-2)执行相应的播放语音指令，通过语音输出终端(3-3)播放出来。如果检测到“结束”指令，主控模块则控制语音模块播放结束信息，主控制器进行待机状态。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，主控模块(1)还对训练者的锻炼次数和运动消耗能量进行监测，主控模块可预先设定哑铃运动最大次数，当运动次数达到设置的最大值时，主控模块(1)计算运动消耗能量，并通过sci模块(1-3)给语音模块(3)发送指令，语音处理器(3-2)接收到指令后，控制语音输出终端(3-3)播放总次数和消耗的总能量，并提示锻炼者注意休息。