基于“互联网+”的智能家用哑铃设计与实现

（湖南三一工业职业技术学院 湖南·长沙 410100）

1 设计简介

1.1 研制背景及意义

随着我国逐渐越来越多的人热爱健身，健身器材逐渐走进家庭，哑铃类产品作为一种常见的健身器材，受到广大人民群众的欢迎，随之而来的，人们的健身安全意识也逐步提高，因为哑铃类产品需要自己手动拆卸配重块，十分不便且具有安全隐患，市场急需一款能够自动配重的智能哑铃，以避免事故的发生，从而给人们提供安全便捷的健身器材。该产品还能够对运动数据进行分析和对运动进行指导，具备非常广泛的市场前景。

1.2 研制意义

通过收集不同健身群体的意见，创意设计出更加安全方便的哑铃，能够智能指导运动训练，记录运动数据，并智能识别指令并进行配重，为我国的健身人群提供更好的便捷性和安全性，为家庭、健身房和竞技比赛提供更好的健身器材。

2 设计方案

2.1 总体设计构想

本次设计的整体构想为采用新的结构设计，新的材料以及技术开发出一款新型智能化且高安全的智能哑铃，以达到保证健身人们的人身安全的目的，利用新型技术给人们提供便捷性、安全性。

本智能哑铃产品采用机电结合设计，整体主要由底座、哑铃体、配重片三部分组成，由机械化结构实现哑铃配重片的增加和减少，由电气部分实现智能运动控制以及数据记录和分析。本产品具有智能配重调节和智能运动数据分析、健身指导功能，使用者可以通过手机APP记录和得到健身指导与时间提醒，智能调节所需配重。也可以手动进行操作，按动哑铃上的重量增减按钮，来实现哑铃重量的调节，动力电源从底座通过触点传输至哑铃，只要拿起哑铃便不会有误触掉落风险。

2.2 一键自动拆装配重

传统的哑铃或者目前市场使用较多的哑铃，存在拆装配重片需要手动进行操作，并且配重片存在运动过程中掉落的危险。现在哑铃上设计一键自动拆装配重的功能，通过控制减速电机，连接减速箱，带动丝杆转动，利用内滑管移动不同距离实现锁住和松开放置在底座上的不同配重片。只有当哑铃体放置在底座上时，电源才连通，动力电源从底座通过触点传输至哑铃，只要拿起哑铃即断开连接，锁住后配重片便不会有误触掉落风险。

2.3 智能运动数据记录

采用K60系列32位单片机，通过三轴加速度传感器对数据采集，实现对训练者每次训练所消耗的功的计算和统计总共做的次数的功能，以此反馈给训练者相适合的训练计划；通过语音识别模块采集语音信息，反馈给MCU并进行分析，再通过控制扬声器进行语音反馈，实现人机互动的功能；由于练习有时会感到很枯燥，可以配合自己喜欢的音乐练习，或跟随音乐做哑铃健身操，其中智能哑铃会根据你的选择为训练提供相适合有节奏的音乐环境；液晶显示和按键操作，通过设置相应的模式和进行相应的查询功能，更加便捷、有效地进行科学的锻炼计划。

2.4 智能手机互联

可连接手机APP通过对记录的运动数据进行分析，反馈制定合适的训练计划，更具人性化，能更好地实现对健身计划的指导作用。

3 理论设计计算

3.1 总体尺寸设计

此作品最大特点在于采用机电结合设计，因此只有设计好机械结构尺寸和电气线路才能合理、协调地实现其功能。整体外形尺寸：考虑到适合人们的使用以及场地空间的占用，智能哑铃整体尺寸取450mm×234mm。配重片尺寸：根据市场主流配重片，为了符合不同配重的选择，配重片分为4种尺寸，由大到小依次递减，直径分别为210mm、200mm、190mm、160mm。主体管尺寸：考虑到主体管的承重，中间管直径为30mm，两端管径为26mm。

3.2 强度与刚度校核

智能哑铃在使用时处于承重状态，且各处机构处于收缩状态，强度设计有特别要求，必须满足使用条件。在设计哑铃结构时，需要考虑配重片与内滑管连接处强度是否足够，计算使用寿命是否满足使用年限等。我们参考了市场上性能类似配重片的选材，并结合此作品的结构及设计要求对承重构件进行了校核。

已知丝杆与内滑管通过螺纹连接，对其进行受力分析可知，丝杆主要受弯矩作用，最大弯曲正应力小于许用弯曲应力，满足强度要求。立主体管受弯矩与剪切力合成作用，得到其受力图、弯矩图、剪力图，可知主体管危险截面为两端截面，计算得出最大弯曲正应力小于许用弯曲应力，最大剪应力小于许用剪切应力，主体管承受最大载荷状态下的最大变形量（挠度）完全满足使用要求。已知主体管长410mm，当加上4块配重片后，主体管承受竖直重力，设计重心落在主体管轴线上，计算得出主体管寿命高于预期寿命，符合条件。

4 工作原理及主要功能

4.1 一键自动拆装配重的实现

哑铃体两端的端盖中设置有卧式12GAN20-236减速电机，并与减速箱连接，带动丝杆转动，以调节内滑管移动来锁住和松开放置在底座上的配重片目的。按动哑铃支架盖板上的重量增减键，来实现哑铃重量的调节，动力电源从底座通过触点传输至哑铃，只要拿起哑铃即断开连接，配重片便不会有误触掉落风险。如图1所示。

图1：自动拆装配重过程

图2：智能哑铃硬件系统结构图

4.2 智能运动数据采集记录的实现

哑铃体主体管中设置主控芯片、传感器模块和语音模块，实现能够采集、处理训练信息，并将训练结果记录加以语音播放。采用飞思卡尔公司的K60微控制器为主控芯片，处理传感器模块采集的信息，并对语音模块进行信息交互和实时控制，为了能够采集有效信息，传感器采用对运动量可以精确采集的MMA8451三轴加速度计和三轴陀螺仪，它们能够有效地采集训练的信息量，并周期性的发送给MCU。语音模块作为本设计中的人机交互通道，把MCU处理后的有效信息通过语音播报的形式反馈给训练者，并把训练者的语音控制指令传输给MCU，用语音对哑铃进行控制，如选择播放不同的音乐等，实现人机互动的功能。如图2所示。

4.3 智能手机互联的实现

可通过下载配套的手机APP，哑铃主控芯片记录的运动数据上传至软件中进行分析，与传统哑铃机械式的锻炼方式相比，能更好地实现对健身计划的指导作用，达到科学健身的目的。

5 创新点及应用

5.1 创新点

智能化，简单高效：一键自动拆装配重，精准到位，不会有拧不紧螺丝进而发生危险，并节省准备时间。高安全且实用：电源从底座通过触点传输至哑铃，只要拿起哑铃便不会有误触掉落风险。利用新型技术给人们提供便捷性、安全性。网络化，成为智能教练：与智能终端网络互联，实时记录锻炼数据，并进行健身指导，可连接手机APP通过握手部分测得心率，及时播报提示最佳运动状态，后期也能通APP拓展更多智能服务。

5.2 应用

这款新型哑铃，融合现代科技为广大健身者提供多功能服务。在面对各类健身者时，均能满足他们个性化与人性化的需求，推广范围广泛。智能化、安全化、网络化的结合，具有重要的优势和良好的市场前景。