一种弹力药球及弹力药球系统的制作方法

本实用新型涉及运动医疗领域，特别是涉及一种弹力药球及弹力药球系统。

背景技术：

随着人民生活水平的提高，越来越多的人开始追求生活品质，大家都走进健身房来提高自己的身体素质。因此，涌现出一系列的健身器材。近几年来，有一种健身器材出现在健身房中，那就是药球。药球，也称为健身球，在运动医疗领域有十分重要的作用，它特殊的设计构造使得训练更加具备功能性，如投掷类训练，因此药球常用于爆发力和核心训练当中，可以提高锻炼者的力量和能量，被很多专业健身者所青睐。传统药球有单耳药球、双耳药球、绳索药球、弹力药球和非弹力药球。但传统的弹力药球在锻炼时无法得知具体的锻炼数据，例如抛掷时的出球速度，抛球的力量，抛出的距离以及消耗的卡路里，这使得锻炼者无法得知具体的锻炼效果，从而无法合理的安排锻炼计划，还有一些使用药球的锻炼者因为动作不规范而导致肌肉损伤等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种弹力药球及弹力药球系统，能够获取锻炼者在掷球过程中的锻炼数据，克服锻炼者因盲目锻炼而导致肌肉损伤或锻炼效果不佳的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种弹力药球，所述弹力药球包括：球壳体、模块壳体和数据采集模块；

所述模块壳体可拆卸的嵌于所述球壳体的内部；所述数据采集模块设置于所述模块壳体的内部；

所述数据采集模块用于采集所述球壳体抛掷过程的运动状态数据，所述运动状态数据包括三轴加速度数据和三轴角速度数据。

可选的，所述弹力药球还包括：单片机和数据传输模块；

所述单片机和所述数据传输模块均设置于所述模块壳体的内部；

所述单片机分别与所述数据采集模块、所述数据传输模块连接，所述单片机用于获取所述运动状态数据，并控制所述数据传输模块传输所述运动状态数据。

可选的，所述数据采集模块包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪；

所述三轴加速度传感器的信号输出端与所述单片机连接，所述三轴加速度传感器用于采集所述球壳体在抛掷瞬间的第一三轴加速度、首次落地时的第二三轴加速度和在抛掷瞬间至首次落地之间的空中运动过程的不同时间点的多个第三三轴加速度，并将所述第一三轴加速度、所述第二三轴加速度和多个所述第三三轴加速度均传输至所述单片机；

所述三轴陀螺仪的信号输出端与所述单片机连接，所述三轴陀螺仪用于采集所述球壳体在首次落地时的三轴角速度，并将所述三轴角速度传输至所述单片机。

可选的，所述弹力药球还包括：多个按键和突起；

多个所述按键均设置于所述模块壳体上；所述突起设置在所述球壳体的内表面；

多个所述按键均与所述单片机连接；

所述模块壳体放置在所述球壳体的内部时，所述球壳体的重量所对应的按键与所述突起对应设置。

可选的，所述弹力药球还包括：电源模块和无线充电线圈；

所述电源模块和所述无线充电线圈均设置于所述模块壳体的内部；

所述电源模块与所述无线充电线圈连接。

可选的，所述球壳体包括：内壳球体和外壳球体；

所述外壳球体包裹在所述内壳球体的外表面；所述突起设置在所述内壳球体的内表面；所述模块壳体设置于所述内壳球体的内部。

一种弹力药球系统，所述弹力药球系统包括：所述的弹力药球和上位机；

所述弹力药球的数据传输模块与所述上位机连接；所述弹力药球用于将运动状态数据通过所述数据传输模块传输至所述上位机；

所述上位机用于根据所述运动状态数据确定锻炼者在掷球过程中的锻炼数据；所述锻炼数据包括抛掷瞬间的抛掷速度、抛掷距离和抛掷力量。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供的弹力药球及弹力药球系统中，弹力药球内部的数据采集模块获取锻炼者在掷球过程中的运动状态数据，上位机根据运动状态数据得到具体的锻炼数据，锻炼数据包括：抛掷瞬间的抛掷速度、抛掷距离和抛掷力量，锻炼者可以根据锻炼数据调整锻炼方案，提高了锻炼的效率和效果，克服了锻炼者因盲目锻炼而导致肌肉损伤或锻炼效果不佳的问题。

本实用新型将数据采集模块、单片机、数据传输模块和电源模块均设置于模块壳体的内部，形成一个整体的检测装置，便于检测装置和弹力药球的组装和拆卸，使检测装置能够适配不同规格的弹力药球。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的模块壳体的结构图；

图2为本实用新型提供的弹力药球系统的结构框图；

图3为本实用新型提供的弹力药球系统的工作流程示意图；

符号说明：1-数据采集模块，101-三轴陀螺仪，102-三轴加速度传感器，2-单片机，3-数据传输模块，4-电源模块，5-按键，6-上位机，7-模块壳体。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种弹力药球及弹力药球系统，能够获取锻炼者在掷球过程中的锻炼数据，克服锻炼者因盲目锻炼而导致肌肉损伤或锻炼效果不佳的问题。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供了一种弹力药球，弹力药球包括：球壳体、模块壳体7和数据采集模块。

模块壳体7可拆卸的嵌于球壳体的内部。数据采集模块设置于模块壳体7的内部。当需要采集数据时，模块壳体7可以方便的安装在球壳体的内部；当不需要采集数据时，模块壳体7也可以方便的从球壳体的内部拆卸下来。所以，模块壳体7可以适配不同规格的弹力药球。

数据采集模块用于采集球壳体抛掷过程的运动状态数据，运动状态数据包括三轴加速度数据和三轴角速度数据。

弹力药球还包括：单片机和数据传输模块。单片机和数据传输模块均设置于模块壳体7的内部。单片机分别与数据采集模块、数据传输模块连接，单片机用于获取运动状态数据，并控制数据传输模块传输运动状态数据。优选地，单片机为stm32f103单片机，数据传输模块为蓝牙模块。

数据采集模块包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪。

三轴加速度传感器的信号输出端与单片机连接，三轴加速度传感器用于采集球壳体在抛掷瞬间的第一三轴加速度、首次落地时的第二三轴加速度和在抛掷瞬间至首次落地之间的空中运动过程的不同时间点的多个第三三轴加速度，并将第一三轴加速度、第二三轴加速度和多个第三三轴加速度均传输至单片机。

三轴陀螺仪的信号输出端与单片机连接，三轴陀螺仪用于采集球壳体在首次落地时的三轴角速度，并将三轴角速度传输至单片机。

弹力药球还包括：多个按键和突起。如图1所示，多个按键均设置于模块壳体7上。突起设置在球壳体的内表面。多个按键均与单片机连接。模块壳体7放置在球壳体的内部时，球壳体的重量所对应的按键与突起对应设置。优选地，模块壳体7上设有多个凹槽，多个按键分别一一对应地设置在多个凹槽中。

弹力药球有不同规格的重量。优选地，在模块壳体7上设置3个按键，分别表示3kg，5kg，10kg重量级。在球壳体的内表面设置一个小突起，当药球重量为3kg时，将表示3kg的按键对应安装在药球内部的小突起上，则表示3kg的按键被按下。若药球重量为5kg或10kg时，则将表示5kg或10kg的按键对应安装在小突起上，则相应的按键被按下。

弹力药球还包括：电源模块和无线充电线圈。电源模块和无线充电线圈均设置于模块壳体7的内部。电源模块与无线充电线圈连接。优选地，电源模块为锂电池，当电量耗尽时，无线充电线圈接收电能为锂电池充电，使弹力药球可以重复使用。

球壳体包括：内壳球体和外壳球体。外壳球体包裹在内壳球体的外表面。突起设置在内壳球体的内表面。模块壳体7设置于内壳球体的内部。内壳球体是铁制品材质的圆球，有一定的质量。外壳球体是橡胶材质由皮革包裹，让弹力药球具有一定的弹性，并且外壳球体作为外部包裹保护壳，可以保护弹力药球内部的各个模块不受磨损，增加使用寿命。内壳球体和外壳球体中间用橡胶或pu塑料废料填充，在需要时可增加铁、铝金属作为配重物。

本实用新型实施例将数据采集模块、单片机、数据传输模块和电源模块均设置于模块壳体的内部，形成一个整体的检测装置，便于检测装置和弹力药球的组装和拆卸，即，检测装置可拆卸、可移植。

本实用新型还提供了一种弹力药球系统，如图2所示，弹力药球系统包括：弹力药球和上位机。

弹力药球的数据传输模块与上位机连接。弹力药球用于将运动状态数据通过数据传输模块传输至上位机，如图3所示。

上位机用于根据运动状态数据确定锻炼者在掷球过程中的锻炼数据。锻炼数据包括抛掷瞬间的抛掷速度、抛掷距离和抛掷力量。

上位机还可以显示弹力药球的重量，锻炼者结合抛掷瞬间的抛掷速度、抛掷距离、抛掷力量和弹力药球的重量，及时更改锻炼计划。

优选地，上位机可以是pc端、手机端、平板端或者云端。若上位机为云端，则可与电视(影音系统)进行交互，将数据投放到影音系统中。

运动状态数据以地面坐标系为基准。

上位机根据运动状态数据确定抛掷瞬间的抛掷速度，具体包括：

利用公式计算球壳体被抛掷瞬间的抛掷速度，其中，三轴指的是x轴、y轴和z轴，v1(t)表示球壳体被抛掷瞬间的抛掷速度，a1(t)表示球壳体被抛掷瞬间的第一加速度，ax1(t)表示第一三轴加速度在x轴上的加速度，ay1(t)表示第一三轴加速度在y轴上的加速度，az1(t)表示第一三轴加速度在z轴上的加速度，t1表示球壳体被抛掷瞬间的时间。

上位机根据运动状态数据确定抛掷距离，具体包括：

利用公式得到三轴水平加速度。

对三轴水平加速度进行积分，利用公式和得到三轴水平位移。

根据三轴水平位移，利用公式得到球壳体的抛掷距离。

其中，表示第二三轴加速度的i轴的水平加速度，i轴为x轴、y轴或z轴，ai2(t)表示第二三轴加速度在i轴上的加速度，θi2表示第二三轴角速度在i轴上的偏差角度，αi2表示第二三轴角速度在i轴上的角速度，表示三轴水平速度，表示三轴水平位移，s表示球壳体的抛掷距离，表示三轴水平位移在x轴上的水平位移，表示三轴水平位移在y轴上的水平位移，表示三轴水平位移在z轴上的水平位移，t2表示球壳体首次落地所经历的时间。

由于三轴陀螺仪和三轴加速度传感器存在的噪声和干扰会影响数据的准确性，因此将三轴陀螺仪和三轴加速度传感器检测到的数据传输至stm32f103单片机后，首先进行卡尔曼滤波，然后利用滤波后的数据计算，大大减小误差，提高数据的精准度。卡尔曼滤波主要应用在陀螺仪和加速度传感器数据进行融合的时候。

卡尔曼滤波作为现有技术常用的滤波算法，是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。对于每个时刻的系统扰动和观测误差(即噪声)，只要对它们的统计性质作某些适当的假定，通过对含有噪声的观测信号进行处理，就能在平均的意义上，求得误差为最小的真实信号的估计值。卡尔曼滤波的实时性比较高，可以对采集的数据进行实时的更新和处理。

卡尔曼滤波算法的使用方法为：在stm32f103单片机运行卡尔曼滤波算法，将陀螺仪和加速度计的获得的数据输入卡尔曼滤波系统，进行综合和校正，输出观测数据，对系统状态进行最优估计，从输入的存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态，获得最优估计的数据。

卡尔曼滤波的五个计算方程如下：

先验估计：x(k|k-1)＝ax(k-1|k-1)+bu(k)

其中，x(k|k-1)是利用上一状态预测的结果，x(k-1|k-1)是上一状态最优的结果，u(k)是现在状态的控制量，可为0，a和b均为系统参数。

误差协方差：p(k|k-1)＝ap(k-1|k-1)a^t+q

其中，p(k|k-1)是x(k|k-1)对应的协方差，p(k-1|k-1)是x(k-1|k-1)对应的协方差，a^t表示a的转置矩阵，q是系统过程的协方差。

卡尔曼增益：kg(k)＝p(k|k-1)h^t/(hp(k|k-1)h^t+r)

其中，kg(k)为卡尔曼增益，h是测量系统的参数，r是系统过程的均值。

修正估计：x(k|k)＝x(k|k-1)+kg(k)(z(k)-hx(k|k-1))

其中，x(k|k)是k状态下最优的估算值，z(k)是k时刻的测量值。

更新误差协方差：p(k|k)＝(i-kg(k)h)p(k|k-1)

其中，p(k|k)为k状态下x(k|k)的协方差，i为1的矩阵。

上位机根据运动状态数据确定锻炼者的抛掷力量，具体包括：

利用公式计算第一加速度、第二加速度和多个第三加速度。

利用公式计算加速度平均值。

其中，an(t)表示第n加速度，n＝1,2或3，axn(t)表示第n加速度在x轴上的加速度，ayn(t)表示第n加速度在y轴上的加速度，azn(t)表示第n加速度在z轴上的加速度，a(t)表示加速度平均值，a1(t)表示第一加速度，a2(t)表示第二加速度，a3(t)表示第三加速度，m表示加速度的个数。

加速度平均值越大，说明锻炼者的手部力量越大。

优选地，以教练的抛掷力量为标准力量，将力量划分为弱、强。低于健身教练标准的抛掷力量的为弱，高于健身教练标准的抛掷力量的为强。

上位机还用于获取锻炼者的体重，根据体重、锻炼时间和弹力药球运动的活动强度系数，计算锻炼者使用弹力药球进行锻炼所消耗的卡路里，具体包括：

利用公式：消耗的卡路里＝体重×活动强度系数×运动小时数，计算消耗的卡路里。

本实用新型还可以规范锻炼者使用弹力药球的动作姿势，首先采集健身教练标准抛掷动作数据，采集过程为：当健身教练做好标准的抛掷弹力药球的姿势时的抛球瞬间，三轴陀螺仪采集此时手部姿势下的标准三轴角速度，上位机对标准三轴角速度进行积分，得到标准三轴偏差角度，以标准三轴偏差角度作为参考标准。当锻炼者使用弹力药球时，获取锻炼者抛掷弹力药球瞬间的三轴偏差角度，将锻炼者的三轴偏差角度与标准三轴偏差角度进行比较，指导并纠正锻炼者抛球时的手部姿势，规范抛球动作，避免了由于锻炼者的动作不标准导致的肌肉损伤问题。

其中，根据三轴角速度，利用公式计算弹力药球在抛掷瞬间的抛掷三轴偏差角度，θi1表示第一三轴角速度在i轴上的偏差速度，αi1表示第一三轴角速度在i轴上的角速度。

本实用新型提供了一种能够准确记录锻炼者在锻炼时的数据的弹力药球及弹力药球系统。数据采集模块获取锻炼者在掷球过程中的运动状态数据，上位机根据运动状态数据得到具体的锻炼数据，锻炼数据包括：抛掷瞬间的抛掷速度、抛掷距离和抛掷力量，锻炼者可以根据锻炼数据调整锻炼方案，提高了锻炼的效率和效果，克服了锻炼者因盲目锻炼而导致肌肉损伤或锻炼效果不佳的问题。

本实用新型提供的弹力药球及弹力药球系统，还可以应用到运动员上肢训练中，运动员根据锻炼数据，及时调整抛球姿势、抛球速度和抛球力量，既能缩短运动员的训练时间，又能提高运动员进行上肢训练的效果，从而在有限时间内提高了运动员的水平。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。