基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能家用啞鈴設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（湖南三一工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南·長(zhǎng)沙 410100）

1 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

1.1 研制背景及意義

隨著我國(guó)逐漸越來(lái)越多的人熱愛(ài)健身，健身器材逐漸走進(jìn)家庭，啞鈴類產(chǎn)品作為一種常見(jiàn)的健身器材，受到廣大人民群眾的歡迎，隨之而來(lái)的，人們的健身安全意識(shí)也逐步提高，因?yàn)閱♀忣惍a(chǎn)品需要自己手動(dòng)拆卸配重塊，十分不便且具有安全隱患，市場(chǎng)急需一款能夠自動(dòng)配重的智能啞鈴，以避免事故的發(fā)生，從而給人們提供安全便捷的健身器材。該產(chǎn)品還能夠?qū)\(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行指導(dǎo)，具備非常廣泛的市場(chǎng)前景。

1.2 研制意義

通過(guò)收集不同健身群體的意見(jiàn)，創(chuàng)意設(shè)計(jì)出更加安全方便的啞鈴，能夠智能指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并智能識(shí)別指令并進(jìn)行配重，為我國(guó)的健身人群提供更好的便捷性和安全性，為家庭、健身房和競(jìng)技比賽提供更好的健身器材。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)構(gòu)想

本次設(shè)計(jì)的整體構(gòu)想為采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，新的材料以及技術(shù)開發(fā)出一款新型智能化且高安全的智能啞鈴，以達(dá)到保證健身人們的人身安全的目的，利用新型技術(shù)給人們提供便捷性、安全性。

本智能啞鈴產(chǎn)品采用機(jī)電結(jié)合設(shè)計(jì)，整體主要由底座、啞鈴體、配重片三部分組成，由機(jī)械化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)啞鈴配重片的增加和減少，由電氣部分實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)動(dòng)控制以及數(shù)據(jù)記錄和分析。本產(chǎn)品具有智能配重調(diào)節(jié)和智能運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析、健身指導(dǎo)功能，使用者可以通過(guò)手機(jī)APP記錄和得到健身指導(dǎo)與時(shí)間提醒，智能調(diào)節(jié)所需配重。也可以手動(dòng)進(jìn)行操作，按動(dòng)啞鈴上的重量增減按鈕，來(lái)實(shí)現(xiàn)啞鈴重量的調(diào)節(jié)，動(dòng)力電源從底座通過(guò)觸點(diǎn)傳輸至啞鈴，只要拿起啞鈴便不會(huì)有誤觸掉落風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 一鍵自動(dòng)拆裝配重

傳統(tǒng)的啞鈴或者目前市場(chǎng)使用較多的啞鈴，存在拆裝配重片需要手動(dòng)進(jìn)行操作，并且配重片存在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中掉落的危險(xiǎn)?，F(xiàn)在啞鈴上設(shè)計(jì)一鍵自動(dòng)拆裝配重的功能，通過(guò)控制減速電機(jī)，連接減速箱，帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，利用內(nèi)滑管移動(dòng)不同距離實(shí)現(xiàn)鎖住和松開放置在底座上的不同配重片。只有當(dāng)啞鈴體放置在底座上時(shí)，電源才連通，動(dòng)力電源從底座通過(guò)觸點(diǎn)傳輸至啞鈴，只要拿起啞鈴即斷開連接，鎖住后配重片便不會(huì)有誤觸掉落風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 智能運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)記錄

采用K60系列32位單片機(jī)，通過(guò)三軸加速度傳感器對(duì)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練者每次訓(xùn)練所消耗的功的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)總共做的次數(shù)的功能，以此反饋給訓(xùn)練者相適合的訓(xùn)練計(jì)劃；通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊采集語(yǔ)音信息，反饋給MCU并進(jìn)行分析，再通過(guò)控制揚(yáng)聲器進(jìn)行語(yǔ)音反饋，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的功能；由于練習(xí)有時(shí)會(huì)感到很枯燥，可以配合自己喜歡的音樂(lè)練習(xí)，或跟隨音樂(lè)做啞鈴健身操，其中智能啞鈴會(huì)根據(jù)你的選擇為訓(xùn)練提供相適合有節(jié)奏的音樂(lè)環(huán)境；液晶顯示和按鍵操作，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的模式和進(jìn)行相應(yīng)的查詢功能，更加便捷、有效地進(jìn)行科學(xué)的鍛煉計(jì)劃。

2.4 智能手機(jī)互聯(lián)

可連接手機(jī)APP通過(guò)對(duì)記錄的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，反饋制定合適的訓(xùn)練計(jì)劃，更具人性化，能更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)健身計(jì)劃的指導(dǎo)作用。

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 總體尺寸設(shè)計(jì)

此作品最大特點(diǎn)在于采用機(jī)電結(jié)合設(shè)計(jì)，因此只有設(shè)計(jì)好機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸和電氣線路才能合理、協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)其功能。整體外形尺寸：考慮到適合人們的使用以及場(chǎng)地空間的占用，智能啞鈴整體尺寸取450mm×234mm。配重片尺寸：根據(jù)市場(chǎng)主流配重片，為了符合不同配重的選擇，配重片分為4種尺寸，由大到小依次遞減，直徑分別為210mm、200mm、190mm、160mm。主體管尺寸：考慮到主體管的承重，中間管直徑為30mm，兩端管徑為26mm。

3.2 強(qiáng)度與剛度校核

智能啞鈴在使用時(shí)處于承重狀態(tài)，且各處機(jī)構(gòu)處于收縮狀態(tài)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)有特別要求，必須滿足使用條件。在設(shè)計(jì)啞鈴結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮配重片與內(nèi)滑管連接處強(qiáng)度是否足夠，計(jì)算使用壽命是否滿足使用年限等。我們參考了市場(chǎng)上性能類似配重片的選材，并結(jié)合此作品的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求對(duì)承重構(gòu)件進(jìn)行了校核。

已知絲桿與內(nèi)滑管通過(guò)螺紋連接，對(duì)其進(jìn)行受力分析可知，絲桿主要受彎矩作用，最大彎曲正應(yīng)力小于許用彎曲應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。立主體管受彎矩與剪切力合成作用，得到其受力圖、彎矩圖、剪力圖，可知主體管危險(xiǎn)截面為兩端截面，計(jì)算得出最大彎曲正應(yīng)力小于許用彎曲應(yīng)力，最大剪應(yīng)力小于許用剪切應(yīng)力，主體管承受最大載荷狀態(tài)下的最大變形量（撓度）完全滿足使用要求。已知主體管長(zhǎng)410mm，當(dāng)加上4塊配重片后，主體管承受豎直重力，設(shè)計(jì)重心落在主體管軸線上，計(jì)算得出主體管壽命高于預(yù)期壽命，符合條件。

4 工作原理及主要功能

4.1 一鍵自動(dòng)拆裝配重的實(shí)現(xiàn)

啞鈴體兩端的端蓋中設(shè)置有臥式12GAN20-236減速電機(jī)，并與減速箱連接，帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)節(jié)內(nèi)滑管移動(dòng)來(lái)鎖住和松開放置在底座上的配重片目的。按動(dòng)啞鈴支架蓋板上的重量增減鍵，來(lái)實(shí)現(xiàn)啞鈴重量的調(diào)節(jié)，動(dòng)力電源從底座通過(guò)觸點(diǎn)傳輸至啞鈴，只要拿起啞鈴即斷開連接，配重片便不會(huì)有誤觸掉落風(fēng)險(xiǎn)。如圖1所示。

圖1：自動(dòng)拆裝配重過(guò)程

圖2：智能啞鈴硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 智能運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集記錄的實(shí)現(xiàn)

啞鈴體主體管中設(shè)置主控芯片、傳感器模塊和語(yǔ)音模塊，實(shí)現(xiàn)能夠采集、處理訓(xùn)練信息，并將訓(xùn)練結(jié)果記錄加以語(yǔ)音播放。采用飛思卡爾公司的K60微控制器為主控芯片，處理傳感器模塊采集的信息，并對(duì)語(yǔ)音模塊進(jìn)行信息交互和實(shí)時(shí)控制，為了能夠采集有效信息，傳感器采用對(duì)運(yùn)動(dòng)量可以精確采集的MMA8451三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，它們能夠有效地采集訓(xùn)練的信息量，并周期性的發(fā)送給MCU。語(yǔ)音模塊作為本設(shè)計(jì)中的人機(jī)交互通道，把MCU處理后的有效信息通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)的形式反饋給訓(xùn)練者，并把訓(xùn)練者的語(yǔ)音控制指令傳輸給MCU，用語(yǔ)音對(duì)啞鈴進(jìn)行控制，如選擇播放不同的音樂(lè)等，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的功能。如圖2所示。

4.3 智能手機(jī)互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)

可通過(guò)下載配套的手機(jī)APP，啞鈴主控芯片記錄的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)上傳至軟件中進(jìn)行分析，與傳統(tǒng)啞鈴機(jī)械式的鍛煉方式相比，能更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)健身計(jì)劃的指導(dǎo)作用，達(dá)到科學(xué)健身的目的。

5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

5.1 創(chuàng)新點(diǎn)

智能化，簡(jiǎn)單高效：一鍵自動(dòng)拆裝配重，精準(zhǔn)到位，不會(huì)有擰不緊螺絲進(jìn)而發(fā)生危險(xiǎn)，并節(jié)省準(zhǔn)備時(shí)間。高安全且實(shí)用：電源從底座通過(guò)觸點(diǎn)傳輸至啞鈴，只要拿起啞鈴便不會(huì)有誤觸掉落風(fēng)險(xiǎn)。利用新型技術(shù)給人們提供便捷性、安全性。網(wǎng)絡(luò)化，成為智能教練：與智能終端網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)時(shí)記錄鍛煉數(shù)據(jù)，并進(jìn)行健身指導(dǎo)，可連接手機(jī)APP通過(guò)握手部分測(cè)得心率，及時(shí)播報(bào)提示最佳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，后期也能通APP拓展更多智能服務(wù)。

5.2 應(yīng)用

這款新型啞鈴，融合現(xiàn)代科技為廣大健身者提供多功能服務(wù)。在面對(duì)各類健身者時(shí)，均能滿足他們個(gè)性化與人性化的需求，推廣范圍廣泛。智能化、安全化、網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)合，具有重要的優(yōu)勢(shì)和良好的市場(chǎng)前景。