本發(fā)明屬于智能健身器材領(lǐng)域，具體地說，涉及一種多功能啞鈴，該啞鈴具有對每次啞鈴運動實際消耗的熱量及運動次數(shù)等信息的采集、分析和播放等功能。

背景技術(shù)：

隨著社會生活水平的日益提高，人們越來越注重健康與美，對體重的關(guān)心程度也日益增加。體重的增減是經(jīng)由能量的攝取和消耗來調(diào)節(jié)，當(dāng)攝取的熱量小于每天消耗的總熱量時，體內(nèi)會將已儲存的脂肪或體組織燃燒以產(chǎn)生熱量，因此體重會降低。個體每日所需的總熱量是由基礎(chǔ)代謝率、食物產(chǎn)熱效應(yīng)與身體活動三個體內(nèi)需能過程的總和來決定。基礎(chǔ)代謝率占每日總熱量消耗的百分之五十至七十，食物的產(chǎn)熱效應(yīng)占百分之十，身體的肌肉活動占總熱量消耗的百分之二十至四十?；A(chǔ)代謝消耗因個體間性別、身高、年齡、體重的差異而有所不同，適當(dāng)鍛煉并控制卡路里攝入是保持身體健康和減肥的有效方法。目前，通過體育運動消耗能量進行健身、減肥成為一種時尚的生活方式，對健身類器材的方便、實用、智能性需求也呈現(xiàn)快速上升的趨勢。從健身效果來看，如能及時了解人體運動時的能量消耗值，并將其用于健身活動的指導(dǎo)與控制，則更利于科學(xué)、合理健身，增強人堅持體育鍛煉的信心。

啞鈴是一種進行肌肉力量訓(xùn)練的簡單器材，對健身、減肥方面有一定功效。對于啞鈴的外觀、材質(zhì)、功能等方面，人們進行了很多研究，在功能上，國內(nèi)的啞鈴研究有：

(1)一種音樂啞鈴(專利號：cn203169902u)：該實用新型專利中設(shè)計的啞鈴內(nèi)置有電池、音樂芯片、喇叭等裝置，可快速方便地根據(jù)個體運動節(jié)奏選擇音樂節(jié)奏。

(2)一種多功能啞鈴(專利號：cn102908745a)：該發(fā)明設(shè)計的啞鈴，包括啞鈴本體、跳繩、發(fā)光二極管，既可單獨使用啞鈴，又可以把啞鈴當(dāng)成手把，配合跳繩。通過跳繩運動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化成電能，供給發(fā)光二極管發(fā)光，啞鈴還可以當(dāng)成手電筒使用。

(3)一種自發(fā)電嬰兒聲光啞鈴(專利號：cn203303566u)該實用新型公開了一種自發(fā)電嬰兒聲光啞鈴，啞鈴包括啞鈴?fù)鈿?，沖擊球，壓電陶瓷、led燈和電路集成塊；該實用新型提供的嬰兒啞鈴，利用聲光效果吸引嬰兒晃動啞鈴的興趣，起到鍛煉嬰兒手臂力量的作用，且無需安裝電池，依靠壓電陶瓷發(fā)電，對音樂芯片和led燈供電。

現(xiàn)有研究中對人們非常關(guān)心的能量消耗方面卻缺少統(tǒng)計、分析。因此，在啞鈴運動過程中，進行能量消耗的測定就更加有實際意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種多功能啞鈴，實現(xiàn)對每次啞鈴運動實際消耗的熱量及運動次數(shù)等信息的采集、分析和播放，以解決現(xiàn)有技術(shù)中人們對運動消耗能量數(shù)值的不確定，

使人們實時了解運動效果，更加科學(xué)、有效地進行鍛煉。

一種多功能啞鈴由啞鈴桿和連接在啞鈴桿兩端的啞鈴頭組成；所述啞鈴頭一側(cè)安裝有主控模塊、傳感器、電源模塊，另一側(cè)安裝有語音模塊；所述啞鈴頭上設(shè)有經(jīng)導(dǎo)線與電源模塊相連的開關(guān)；所述電源模塊的輸出端連接所述主控模塊、傳感器的輸入端；所述傳感器的輸出端連接主控模塊的輸入端，所述傳感器用于采集用戶的運動參數(shù)；所述啞鈴桿內(nèi)設(shè)有空腔；所述空腔內(nèi)有導(dǎo)線連接兩側(cè)啞鈴頭內(nèi)的主控模塊與語音模塊；所述電源模塊通過空腔內(nèi)的導(dǎo)線連接語音模塊的輸入端；所述傳感器包括三軸陀螺儀、mma8451加速度傳感器；所述三軸陀螺儀用于測量x、y、z三個軸的角速度，所述mma8451加速度傳感器用于測量x、y、z三軸上的加速度；所述主控模塊包括a/d采集模塊、微處理器、sci模塊、模擬i²c總線、人機交互界面；所述主控模塊通過a/d采集模塊實時獲取所述三軸陀螺儀的角速度信息；通過模擬i²c總線實時獲取所述mma8451加速度傳感器的加速度信息。

所述人機界面用于輸入鍛煉者的手臂長度、啞鈴質(zhì)量等信息。

所述傳感器模塊采集到的加速度和角速度數(shù)據(jù)基于三個軸向，當(dāng)人使用啞鈴進行不同方向鍛煉時，均可計算出作功和運動次數(shù)情況。

所述啞鈴運動的角速度變化有一定規(guī)律，通過統(tǒng)計角速度的變化，便可得到鍛煉者使用啞鈴健身的次數(shù)。

所述主控模塊對傳感器采集到的各個坐標(biāo)軸的角速度數(shù)值信息以及加速度的信息進行各坐標(biāo)軸與重力加速度方向之間標(biāo)定，對各軸上的動能進行分析、計算，并對計算出來的瞬態(tài)動能進行累加，得到運動消耗的總功。

所述控制模塊對運動消耗的能量值的具體步驟為：

1瞬時動能：根據(jù)(vi＝ωir，r是人的小臂長，ω是角速度)由瞬時角速度計算此刻啞鈴的瞬時動能。

2總動能：根據(jù)e＝∫eidt對瞬時動能進行時間積分便可得到，但由于計算機系統(tǒng)中傳遞的是離散的數(shù)字量，可經(jīng)過數(shù)學(xué)變換把積分轉(zhuǎn)變成累加求和，由

所述語音模塊包括語音識別終端、語音處理器、語音輸出終端、sci模塊、sd卡，具有語音識別和播放運動信息功能。

所述語音模塊具有語音識別和播放語音文件功能。可實時采集、識別鍛煉者的語音信息，反饋給單片機進行分析，通過設(shè)置不同的關(guān)鍵字，進行各種控制。在鍛煉者訓(xùn)練結(jié)束時，微處理器將運動信息通過sci模塊發(fā)送給語音模塊，語音模塊對運動所消耗熱能的總和及運動次數(shù)進行播報，使鍛煉者實時了解運動情況。并可以用語音選擇播放不同的音樂，實現(xiàn)人機互動的功能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的主要優(yōu)點是在健身強度檢測方向進行了探索，通過傳感器實時檢測啞鈴的位置信息，實現(xiàn)了對于鍛煉者每次訓(xùn)練所消耗的熱能和訓(xùn)練次數(shù)進行檢測和反饋，使鍛煉者對于運動強度有明確的認識，提高了鍛煉者對訓(xùn)練程度和自身運動能力的把握，有助于科學(xué)、合理健身。

附圖說明

圖1為本發(fā)明多功能啞鈴的剖面圖。

圖2為本發(fā)明多功能啞鈴控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理圖。

圖3為本發(fā)明多功能啞鈴控制系統(tǒng)軟件流程圖。

圖中數(shù)字表示：

1：主控模塊；1-1、a/d采集模塊；1-2、微處理器；1-3、sci模塊；、1-4、模擬i²c總線；1-5、人機交互界面；2：傳感器模塊；2-1、三軸陀螺儀；2-2、mma8451加速度傳感器3：語音模塊；3-1、語音識別終端；3-2、語音處理器；3-3、語音輸出終端；3-4、sci模塊、3-5、sd卡；4：電源模塊

具體實施方式

具體實施方式一：為使本文明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖1、附圖2和附圖3及實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本文明。

本發(fā)明實施一種多功能啞鈴，如圖1所示，由啞鈴桿和連接在啞鈴桿兩端的啞鈴頭組成。

所述啞鈴頭一側(cè)安裝有主控模塊(1)、傳感器(2)、電源模塊(4)，另一側(cè)安裝有語音模塊(3)；

所述啞鈴頭上設(shè)有經(jīng)導(dǎo)線與電源模塊相連的開關(guān)；

所述電源模塊(4)的輸出端連接所述主控模塊(1)、傳感器(2)的輸入端；

所述傳感器模塊(2)的輸出端連接主控模塊(1)的輸入端，所述傳感器(2)用于采集用戶的運動參數(shù)；

所述啞鈴桿內(nèi)設(shè)有空腔；

所述空腔內(nèi)有導(dǎo)線連接兩側(cè)啞鈴頭內(nèi)的主控模塊(1)與語音模塊(3)；

所述電源模塊(4)通過空腔內(nèi)的導(dǎo)線連接語音模塊(3)的輸入端；

如圖2所示，所述傳感器(2)包括三軸陀螺儀(2-1)、mma8451加速度傳感器(2-2)。

所述三軸陀螺儀(2-1)用于測量x、y、z三個軸的角速度，所述mma8451加速度傳感器(2-2)用于測量x、y、z三軸上的加速度。

所述主控模塊(1)包括a/d采集模塊(1-1)、微處理器(1-2)、sci模塊(1-3)、模擬i²c總線(1-4)、人機交互界面(1-5)。

所述主控模塊(1)通過a/d采集模塊(1-1)實時獲取所述三軸陀螺儀(2-1)的角速度信息；通過模擬i²c總線(1-4)實時獲取所述mma8451加速度傳感器(2-2)的加速度信息。

所述人機交互界面(1-5)用于輸入鍛煉者的手臂長度、啞鈴質(zhì)量等信息。

所述傳感器模塊(2)采集到的加速度和角速度數(shù)據(jù)基于三個軸向，所以當(dāng)人使用啞鈴進行不同方向鍛煉時，均可計算出作功和運動次數(shù)情況。

所述啞鈴運動的角速度變化有一定規(guī)律，通過統(tǒng)計角速度的變化，便可得到鍛煉者使用啞鈴健身的次數(shù)。

所述主控模塊(1)對傳感器(2)采集到的各個坐標(biāo)軸的角速度數(shù)值信息以及加速度的信息進行各坐標(biāo)軸與重力加速度方向之間標(biāo)定，對各軸上的動能進行分析、計算，并對計算出來的瞬態(tài)動能進行累加，得到運動消耗的總功。

所述主控模塊計算運動消耗的能量值的具體步驟為：

1瞬時動能：根據(jù)(vi＝ωir，r是人的小臂長，ω是角速度)由瞬時角速度計算此刻啞鈴的瞬時動能。

2勢能：根據(jù)ep＝mgl可以求出，但由于其只作為中間變量，對消耗的總功不影響，故實際數(shù)據(jù)處理時省略不計。

3總動能：根據(jù)e＝∫eidt對瞬時動能進行時間積分便可得到，但由于計算機系統(tǒng)中傳遞的是離散的數(shù)字量，可經(jīng)過數(shù)學(xué)變換把積分轉(zhuǎn)變成累加求和，由

所述語音模塊(3)包括語音識別終端(3-1)、語音處理器(3-2)、語音輸出終端(3-3)、sci模塊(3-4)、sd卡(3-5)。

所述語音模塊(3)具有語音識別和播放語音文件功能。可實時采集、識別鍛煉者的語音信息，反饋給單片機進行分析，通過設(shè)置不同的關(guān)鍵字，進行各種控制。在鍛煉者訓(xùn)練結(jié)束時，微處理器將運動信息通過sci模塊發(fā)送給語音模塊，語音模塊對運動所消耗熱能的總和及運動次數(shù)進行播報，使鍛煉者實時了解運動情況。并可以用語音選擇播放不同的音樂，實現(xiàn)人機互動的功能。

如圖3所示，鍛煉者開始鍛煉時，電源模塊(4)給啞鈴供電，主控模塊(1)控制電路處于待機狀態(tài)，當(dāng)語音模塊(3)接收到“開始”命令后，通過sci模塊(3-4)發(fā)送給微處理器(1-2)，主控模塊開始實時采集傳感器(2)的運動信息，在運動過程中，鍛煉者可間斷進行啞鈴運動，主控模塊計算并累計鍛煉者的運動次數(shù)和消耗熱能信息，在統(tǒng)計過程中，如果檢測到“播放運動信息”指令，微處理器(1-2)將運動信息進行分析、處理，再把運動信息通過sci模塊(1-3)傳遞到語音模塊。語音模塊通過sci模塊(3-4)接收微處理器(1-2)傳送的信息，語音處理器(3-2)執(zhí)行相應(yīng)的播放語音指令，通過語音輸出終端(3-3)播放出來。如果檢測到“結(jié)束”指令，主控模塊則控制語音模塊播放結(jié)束信息，主控制器進行待機狀態(tài)。

具體實施方式二：本實施方式為對實施方式一的進一步說明，主控模塊(1)還對訓(xùn)練者的鍛煉次數(shù)和運動消耗能量進行監(jiān)測，主控模塊可預(yù)先設(shè)定啞鈴運動最大次數(shù)，當(dāng)運動次數(shù)達到設(shè)置的最大值時，主控模塊(1)計算運動消耗能量，并通過sci模塊(1-3)給語音模塊(3)發(fā)送指令，語音處理器(3-2)接收到指令后，控制語音輸出終端(3-3)播放總次數(shù)和消耗的總能量，并提示鍛煉者注意休息。