CN107469292A - 具有力量调节杆的智能力量训练器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有力量调节杆的智能力量训练器，该训练器包括：融合红外数据采集传感器单元的力量调节杆、数据处理单元、数据分析管理***；力量调节杆包含力量杆和数据连接导线，以及多个数据采集单元；数据处理单元包含LED状态指示单元、网络通信模块(wifi无线/有线网络通信模块)、MCU运算单元及三轴加速度传感器；数据分析管理***用于管理训练者生理参数、训练数据、制定训练处方、与数据读取单元进行数据交互以及分析训练数据。该训练器方案结构简单、稳定可靠，且成本低廉。

Description

具有力量调节杆的智能力量训练器

技术领域

本发明涉及一种智能力量训练器及其使用方法，特别是一种基于红外传感技术和物联技术的智能力量训练器。

背景技术

从竞技训练的范畴来看，力量训练对大部分项目的运动员竞技成绩起到支撑作用。运动员在进行力量训练时，存在着训练指标难以手工采集、训练行为盲目性、训练计划难以保障等问题，可能会影响整体训练的效果。通过智能力量训练器的研发，在***界面上实时显示训练时的配重负荷、速度、次数与组数等指标，并与教练员制定的训练计划进行匹配和对照，量化反映运动员的训练情况，综合运动员竞技成绩等因素，优化运动员的训练方案，提高运动员的竞技水平，具有较高的推广价值。

从大众健身的范畴来看，由于生活方式不良造成的疾病如高血压、糖尿病等越来越多，据权威部门统计，截止到2011年，全国的高血压人群已经超过2亿人，20岁以上的糖尿病患者超过9000万。如此庞大的患者不但要承受疾病带来的痛苦，而且也给国家财政带来巨大医药支出负担。众所周知，预防这些疾病的关键是改变现在的不良生活方式，适度增加体育锻炼和体力活动，其中通过力量训练去改善大众的健康水平是重要的方式之一。以糖尿病为例，研究表明，通过力量训练改善骨骼肌内代谢和骨骼肌功能对于控制糖尿病有着重要作用。但是对于已患病的人群来说，盲目进行力量训练更容易造成损伤，结果只能适得其反。利用智能力量训练器，根据锻炼者本身的身体情况制定个性化的运动处方，并在***的数据指标量化监控下，进行处方和训练的实时调整，使之符合锻炼者的身体需求水平，对于提高大众的健康水平具有十分重要的意义。

目前国内也存在一些与智能力量训练器相关的技术，如利用机械开关检测配重块的技术、采用绳检测配重运动状态的技术以及通过角度传感器检测配重运动速度技术，但是这些技术都存在一个共同的缺点：(1)不能同时采集负荷重量和负荷运动的速度、次数；(2)没有训练指导功能。国外有些厂商生产出一些智能力量训练器产品，例如意大利泰诺健的电子教练***力量练习器材，电子显示屏可显示运动时间，锻炼次数，所加配重负荷等运动数据并能对训练过程中发力大小进行曲线显示。其技术方案是采用激光测距技术，激光发射和接收装置设计在重块导向轴的上部，激光发射对正重块插销的柄部，通过检测插销柄部的位置确定重块的重量和重块运动的速度。芬兰的HUR公司推出的一系列力量训练产品，负荷采用电磁阻尼方式，通过电子表可控制力量大小以及运动功能的选择。这些产品不但可以采集负荷、速度、组数、次数等数据，而且具有训练指导功能，在电子屏幕上显示下个动作的详细要求，指导训练者按照要求进行科学有针对性的训练；但是这些产品也有其共同缺点：(1)价格昂贵，成本较高，难以普及；(2)训练指导方案非常有限。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种具有力量调节杆的智能力量训练器，可以实时采集训练者进行力量训练时的负荷、速度、次数、组数等参数，并在显示单元上显示出来，同时进行数据保存，供教练员日后分析；还可以把制定好的训练计划(包括负荷、速度、次数、组数等数据)通过WiFi无线或者有线网络模块从数据分析管理***传送到手机APP或者PC-web端显示指导训练者按照训练方案进行训练。

具体而言，本发明提供的技术方案如下：

具有力量调节杆的智能力量训练器，该训练器包括：融合红外数据采集传感器单元的力量调节杆、数据处理单元、数据分析管理***；

所述力量调节杆包含力量杆和数据连接导线，以及多个数据采集单元；

所述的数据处理单元包含LED状态指示单元、WiFi无线或者有线网络模块、MCU运算单元及三轴加速度传感器；通过LED状态指示单元可以实时显示外接电源、网络连接状态。

所述数据分析管理***用于管理训练者生理参数、训练数据、制定训练处方、与数据读取单元进行数据交互以及分析训练数据。

优选地，所述红外数据采集传感器单元与所述数据读取单元通过导线相连接；所述的数据读取单元通过WiFi无线或者有线网络模块与数据分析管理***进行数据存取交换。

优选地，每个所述数据采集单元由一个红外发光二极管和一个红外接收二极管一一对应组成。

优选地，所述红外数据采集传感器单元通过多个采集单元采集负荷的位置信息，所述负荷由重块组成；所述多个数据采集单元从下向上，分别对齐每一块重块的水平中心；插销末端处于发光管与接收管之间。

优选地，所述MCU运算单元，根据所述红外接收二极管发出的中断信号、三轴加速度传感器采集的数据及对应的时间，求解出训练数据。

优选地，所述训练数据，通过WIFI无线或者有线网络模块传送到数据分析管理***，并在客户终端进行显示。

优选地，训练结束后，所述数据处理单元通过WiFi无线或者有线网络模块将所述训练数据传送到数据分析管理***，数据分析管理***对本次训练进行评估并根据分析结果制定下次训练处方；训练者下次进行训练时，数据分析管理***首先把所述训练处方通过WiFi无线或者有线网络方式传送到客户终端显示出来，以指导训练者进行训练。

优选地，所述训练数据是负荷、功率、速度、次数、组数数据。

优选地，所述训练数据的求解方式为：

通过对x，y，z轴方向上的加速度值各自平方，求和，再开方，然后再进行积分，得到加速度模块的运动速度进行积分，得到加速度模块的运动速度和运动时间；

再基于所述运动速度和运动时间，获取训练数据。

优选地，上述求解方式具体可以采用以下多种方式中的一种或其组合：具体而言，用户在一个完整的拉升与下降动作过程中，其速度曲线变化是程近似的周期变化的，每一个变化的周期，可以统计为一次计数，也即次数，而一定的次数组合，即构成了组数，例如可以是4/5/6个等完整的动作为一组，此处仅作为例举，不应视为对本发明保护范围的限定。而用户锻炼过程中的负荷，则可以通过用户完成一个完整动作的做功量来判断，两者之间是正比关系，至于做功量的具体计算，则可以通过多种方式，例如对于精度要求不高的情况，可以通过简单的预设高度及重块的重量，依据力学乘积关系，求解近似做功量来判断，在精度要求较高的情况下，可以通过速度等数据的变化曲线关系，进行积分求解，根据力学关系，计算出总体做功量。而用户提升过程中的速度变化，则可以通过三轴传感器来获得，当然，作为另一种可替代的方式，也可以通过红外传感器计算连续两个传感器被遮挡或感测到红外线的时间差及传感器间的距离关系，来计算得到较粗略的速度变化曲线，当然，也可以采用本领域中惯用的其他的常规方式作为替换或与前述的各种方式进行组合求解，例如可以用不同的方式求解不同的参数数据，也可以通过不同的方式求解同样的数据，在对各个结果进行加权平均等。

优选地，通过MCU运算单元对红外数据采集传感及三轴加速度原始信号进行分析处理，获得负荷、以及负荷运动的速度、次数、组数。通过WIFI或者有线网络模块实时传输当前的负荷、以及负荷运动的速度、次数、组数，速度以曲线的方式或柱型条等方式显示，令教练员和训练者一目了然。

本发明的有益效果是：

具有力量调节杆的智能力量训练器实现方法，红外数据采集传感器单元的主要零件是红外发光二极管和红外接收二极管，价格低廉，训练数据实时显示，令教练员和训练者一目了然；

另外，还可以同时传输当前的速度与训练处方预设的速度，通过手机APP或者web端训练者根据预设的速度实时调整自己的训练速度，提高训练效果。数据读取单元，通过WiFi无线或者有线网络方式存取训练的结果和训练处方，把训练数据传送到数据分析管理***，对训练数据进行科学分析，然后根据分析结果制订新的训练计划，提升了训练计划的科学性和针对性。由于本智能化技术方案结构简单，成本低廉，性能可靠，使用方便，更深受广大教练员及体育爱好者的欢迎。

附图说明

图1是具有力量调节杆的智能力量训练器的结构示意图；

图2是力量训练器数据处理单元结构图；

图3是智能力量训练器的数据采集监测电路结构示意图；

图4是具有力量调节杆智能力量训练器实现方法的工作流程图；

图5力量训练器受力示意图；

图6力量训练器训练过程中的速度变化曲线图；

图7力量训练器训练过程中的加速度变化曲线图；

图8力量训练器训练过程中的合力变化曲线图；

图9力量训练器训练过程中的拉力变化曲线图。

其中：100是融合红外数据采集传感器单元的力量调节杆；200是数据处理单元；300是数据分析管理***；400是APP或WEB端；110是红外接收二极管；120是插销；130是红外发光二极管；220是LED状态指示单元；230是WiFi无线模块；240是MCU运算单元；250是三轴加速度传感器。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而该些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本发明明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本发明的保护范围的理解。

以下特将结合说明书附图1至4对本发明的细部结构及设计理念进行说明，详细陈述如下：

如附图中1的结构图及附图4中的工作过程图所指，当训练者开始训练时，如附图1中400所指，首先登录APP或者web端，注册登录后，通过扫描二维码，使用者ID与智能力量训练器设备ID匹配，数据分析管理***读取到使用者的ID，然后通过WiFi无线或者有线网络模块，把ID数据传输到如附图1中200所指数据分析管理***，数据分析管理***检索出本ID对应的最新的训练处方，APP或者web端接到训练处方后显示；训练者根据显示的训练处方设定的负荷，调整插销的位置，并根据处方设定的次数、组数、速度开始训练。

附图1中100所指，是红外数据采集传感器单元，红外数据采集传感器单元垂直插销与重块平行安装，在插销尾部一侧；如附图3中，红外发射二极管发出红外射线，感应模组接受红外线后转为电路信号，插销尾端***到红外发射、接收二极管之间，当重块上下运动时，插销附图1中120尾端在红外发光二极管附图1中130与红外接收二极管附图1中110之间随重块上下切割红外光运动，红外接收二极管发出的中断信息以及附图1中250三轴加速度传感器数据经过MCU运算单元附图1中240计算分析求解出速度、负荷、次数、组数等常规训练中需要关注的数据参数，把这些数据经红外数据采集传感器单元附图1中100与WIFI无限模块传送到数据分析管理***，在APP或者web对比显示当前及处方设定的速度、负荷、次数、组数，训练者根据显示，随时调整训练的速度等参数，达到最佳训练效果。

当然，本领域技术人员还可以在上述参数的教导下，罗列出其他的训练参数数据作为参考，以应用于其他相似的训练器械中，例如臂力训练器、腿部训练器、腹肌训练器等等，当然，上述方式也可以应用于例如弹簧式的力量训练器中，以对弹簧弹力变化曲线的测量，求解出对应的负荷、次数、距离等需要关注的训练数据。上述这些常规的变化和更改均应视为落入本发明的保护范围之中。

训练结束后，训练数据通过WiFi无线或者有线网络模块从数据读取单元传送到数据分析管理***附图1中300上，数据分析管理***对训练数据进行存储分析，并根据分析结果制订新的训练处方，训练者下次进行训练时，训练处方首先通过WiFi无线或者有线网络模块传送到APP或者web端显示，指导训练者根据显示的速度、负荷、次数、组数进行训练。

如图2所示，所述的数据处理单元包含一个LED状态指示单元，一个WiFi无线或者有线网络模块，一个MCU运算单元及一个三轴加速度传感器；

数据处理单元上的MCU运算单元，根据图3中的这些红外接收二极管发出的中断信号，以及三轴加速度传感器的采集的数据及对应的时间，运用相关算法，求解出负荷、速度、次数和组数；这些计算得出的参数通过WIFI无线模块传送到数据分析管理***，通过开发接口方式可以在手机APP、web端进行显示。

在一具体的实施方式中，相关算法可以是通过对加速度值和时间进行积分，得到加速度模块的运动距离和运动时间；再基于所述运动距离和运动时间，获取训练数据。

在一具体的实施方式中，所述相关算法可以是通过对加速度值和时间进行积分，得到加速度模块的运动距离和运动时间；再基于所述运动距离和运动时间，求解出负荷、速度、次数和组数数据。具体而言，用户在一个完整的拉升与下降动作过程中，其速度曲线变化是程近似的周期变化的，每一个变化的周期，可以统计为一次计数，也即次数，而一定的次数组合，即构成了组数，例如可以是4/5/6个完整的动作为一组，此处仅作为例举，不应视为对本发明保护范围的限定。而用户锻炼过程中的负荷，则可以通过用户完成一个完整动作的做功量来判断，两者之间是正比关系，至于做功量的具体计算，则可以通过多种方式，例如对于精度要求不高的情况，可以通过简单的预设高度及重块的重量，依据力学乘积，求解近似做功量来判断，在精度要求较高的情况下，可以通过速度等数据的变化曲线关系，进行积分求解，根据力学关系，计算出总体做功量。而用户提升过程中的速度变化，则可以通过三轴传感器来获得，当然，作为另一种可替代的方式，也可以通过红外传感器计算连续两个传感器被遮挡或感测到红外线的时间差及传感器间的距离关系，来计算得到较粗略的速度变化曲线，当然，也可以采用本领域中惯用的其他的常规方式，该些常规方式的替换使用，均应视为落入本发明的保护范围之内。

以下结合图5至图9，以一更为优选的实施方式为例，说明较为精确的计算方式的上述相关算法：

如图5所示，力量训练器原理如图中所示，以中午的升降进行肌肉力量训练。

对重物进行受力分析，重物受到重力为mg，其中m为重物质量，g为重力加速度；受到人的拉力为F，绳与滑轮的摩擦力较小，暂时忽略不计；设重物受到的合力为F1，以垂直向上为正方向，则F1＝F-mg；物体的加速度为a＝F1/m，即a＝(F-mg)/m；物体的速度为：

现对该物的速度进行分析，分别有上升和下降两个阶段，图6示出了在一个运动过程中的速度变化曲线。对应的，可以递推出加速度a与重物受的合力F1，即：

F1＝am；F＝F1+mg＝ma+mg；

如图7至图9所示，给出了在训练过程中的每个小动作单位中，加速度、合力、拉力的变化曲线。

因此通过三维加速度传感器输出的加速度即可求出拉力F的变化情况和速度v的变化情况，然后根据P＝FV，即可得出用户的功率变化情况；再根据功即可求出用户一次拉重物过程中的功，也即用户一次拉重物过程中的负荷。

在又一具体的实施例中，上述应用于重块的各参数计算方式，可以变更为应用于弹簧类的力量训练器的方式，以红外探测器检测用户对弹力的调整档位，以获取到对应的弹簧弹力，以红外探测器探测弹簧的拉伸距离，获取对应的用户拉伸、放松的距离，并且可以根据三轴传感器监测用户的速度、加速度变化，以对时间、加速度的积分，求得其他的训练数据。本领域技术人员了解，弹簧弹力的这一变化方式，是与重块的拉升、下降相似的，因此，可以将上述优选实施例中的具体的积分算法做简单变化，应用于弹力类的力量训练器中，而该些变更方式，均应视为落入本发明的保护范围之内。

以上重块类、弹力/弹簧类力量训练器仅作为例举，本领域技术人员了解，该些具体的求解方式及检测方式，还可以应用于其他类型的力量训练器之中。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.具有力量调节杆的智能力量训练器，其特征在于，所述训练器包括：融合红外数据采集传感器单元的力量调节杆、数据处理单元、数据分析管理***；

所述力量调节杆包含：力量杆和数据连接导线，以及多个数据采集单元；

所述的数据处理单元包含：LED状态指示单元、通信模块、MCU运算单元及三轴加速度传感器；

所述数据分析管理***用于管理训练者生理参数、训练数据、制定训练处方、与数据读取单元进行数据交互以及分析训练数据。

2.根据权利要求1所述的训练器，其特征在于：所述红外数据采集传感器单元与所述数据读取单元通过导线相连接；所述的数据读取单元可以通过WiFi无线或者有线网络方式与数据分析管理***进行数据存取交换。

3.根据权利要求1所述的训练器，其特征在于：每个所述数据采集单元由一个红外发光二极管和一个红外接收二极管一一对应组成。

4.根据权利要求3所述的训练器，其特征在于：所述红外数据采集传感器单元通过多个采集单元采集负荷的位置信息，所述负荷由重块组成。

5.根据权利要求4所述的训练器，其特征在于：所述多个数据采集单元从下向上，分别对齐每一块重块的水平中心；插销末端处于发光管与接收管之间。

6.根据权利要求4所述的训练器，其特征在于：所述MCU运算单元，根据所述红外接收二极管发出的中断信号、三轴加速度传感器采集的数据及对应的时间，求解出训练数据。

7.根据权利要求6所述的训练器，其特征在于：所述训练数据，通过WIFI无线模块或者有线网络通信传送到数据分析管理***，并在客户终端进行显示。

8.根据权利要求6所述的训练器，其特征在于：训练结束后，所述数据处理单元通过WiFi无线模块或者有线网络通信模块将所述训练数据传送到数据分析管理***，数据分析管理***对本次训练进行评估并根据分析结果制定下次训练处方；训练者下次进行训练时，数据分析管理***首先把所述训练处方通过WiFi无线或者有线网络通信模块传送到客户终端显示出来，以指导训练者进行训练。

9.根据权利要求6所述的训练器，其特征在于：所述训练数据是负荷、速度、次数、组数数据。

10.根据权利要求6所述的训练器，其特征在于，所述训练数据通过以下方式获得：

通过对x，y，z轴方向上的加速度值各自平方，求和，再开方，然后再进行积分，得到加速度模块的运动速度和运动时间；

基于所述数据采集单元中的对应设置的红外发光二极管和红外接收二极管，判断所得的配重重量；

再基于所述运动速度和运动时间，求得功率、次数数据。