一种健身哑铃运动检测装置及健身哑铃运动检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种健身哑铃运动检测装置及检测方法。其检测电路包括微控制器模块，以及与所述微控制器模块电连接的惯性传感器模块、电池电源管理模块，和射频通讯模块，微控制器模块利用健身哑铃运动与位置检测算法，对数据进行处理，并将处理结果和传感器数据发送至手机或平板电脑，对用户提供直观的健身动作评估和提示。本发明能够精确检测出健身哑铃与用户的位置关系，解决了健身哑铃健身的卡路里消耗评估、哑铃健身动作标准性评估的问题。本发明同时提供一种健身哑铃运动检测的方法，利用惯性传感器测量得到的信息进行互补滤波解算出哑铃当前的角度、速度信息，利用特定哑铃健身动作的规范、人体关节的几何运动约束，解算出哑铃的位置。
【专利说明】—种健身哑铃运动检测装置及健身哑铃运动检测方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种健身哑铃运动检测装置及健身哑铃运动检测方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]个人在哑铃锻炼过程中，由于缺乏指导和监督，往往会有锻炼姿势不正确、锻炼过程缺乏科学规划、锻炼的计划无法有效执行、锻炼的结果无法评估等问题。由于个人锻炼的这些问题，使个人哑铃锻炼效果难以得到保障。
[0004]要想提高哑铃锻炼效果，一般需要通过学习大量的训练知识、参加哑铃锻炼的课程、聘请专业的私人教练等方法。这些方法对于普通锻炼者来说，或者需要耗费太多的精力、或者需要耗费大量的金钱，而且获取过程存在较多限制。目前在这个领域，尚没有通过特定的技术手段，来指导和监督普通哑铃锻炼者提升锻炼效果的硬件装置及方法。
[0005]
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效测量哑铃使用者的使用姿态、角度的健身哑铃运动检测装置，为此，本发明采用以下技术方案:
所述装置包括检测电路，所述检测电路包括微控制器模块3及与所述微控制器模块3电连接的惯性传感器模块2、电池电源管理模块5和射频通讯模块4，所述惯性传感器模块2包括分别用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴加速度的三轴加速度传感器与X轴、Y轴、Z轴三轴角速度的三轴角速度传感器，所述电池电源管理模块5用于为微控制器模块3、惯性传感器模块2、射频通讯模块4提供工作电源。
[0007]通过以上技术方案，本发明通过惯性传感器模块内的三轴加速度传感器和三轴角速度传感器互补滤波，测定出当前哑铃的二维倾角，且该倾角的测定值在哑铃加速运动状态下，仍然具有很高的准确性。
[0008]为了进一步的技术效果，本发明还可以采用如下技术方案:
所述检测电路还包括磁场传感器模块20，所述磁场传感器模块20包括检测X轴、Y轴、Z轴三轴磁场强度的三轴磁阻传感器。
[0009]通过以上技术方案，本发明通过装置内的三轴磁阻传感器，利用当地的地球磁场，测定出哑铃当前的方位角，该方位角不受运动加速度影响，解决了测量哑铃当前姿态、角度的问题。
[0010]本发明所解决的另一个技术问题是提供一种能够有效测量哑铃使用者的使用姿态、角度的健身哑铃运动检测方法，为此，本发明采用以下技术方案:
所述方法包括如下步骤:
首先，将所述健身哑铃运动检测装置与待测的健身哑铃固连；
其次，通过以下步骤进行测量: 1)测量并解算哑铃角度，即，测量传感器坐标与大地坐标系之间的转换角度关系，得到哑铃的倾角和方位角；
2)哑铃运动检测，判定哑铃是否处于运动状态；
3)哑铃初始角度校准，解决哑铃放置与用户握持哑铃的角度随意性造成的角度测量错
误；
4)哑铃运动计算，计算哑铃运动参数。
[0011]通过以上技术方案，该方法将前述的健身哑铃运动检测的装置安装在健身哑铃上，在装置跟随哑铃运动的同时，根据健身哑铃动作流程和人体关节运动的约束，可以依据本装置测算出的角度计算出健身哑铃与用户的位置关系，解决了健身哑铃运动及位置检测的问题。
[0012]
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明实施例1的一种健身哑铃运动检测装置的方框原理图；
图2为本发明实施例2的一种健身哑铃运动检测装置的控制流程图；
图3为本发明实施例2的一种健身哑铃运动检测装置的方框原理图；
图4为本发明实施例3的一种健身哑铃运动检测装置的使用原理图；
图5为本发明实施例4的一种健身哑铃运动检测装置的使用原理图；
图6为本发明实施例5的一种健身哑铃运动检测方法的使用示意图；
图7为本发明的一种健身哑铃运动检测方法的步骤2)流程图；
图8为本发明实施例6的一种健身哑铃运动检测方法的步骤3)的子步骤e、步骤f及步骤4)流程图。
[0014]
【具体实施方式】
[0015]本发明为一种健身哑铃运动检测装置，所述装置包括检测电路，所述检测电路包括微控制器模块3及与所述微控制器模块3电连接的惯性传感器模块2、电池电源管理模块5和射频通讯模块4，所述惯性传感器模块2包括分别用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴加速度的三轴加速度传感器与X轴、Y轴、Z轴三轴角速度的三轴角速度传感器，所述电池电源管理模块5用于为微控制器模块3、惯性传感器模块2、射频通讯模块4提供工作电源。
[0016]本发明所提供装置的微控制器模块可以带有数据存储功能，也可以通过蓝牙连接智能手机或平板电脑进行历史数据存储及处理。
[0017]所述检测电路还包括磁场传感器模块20，所述磁场传感器模块包括检测X轴、Y轴、Z轴三轴磁场强度的三轴磁阻传感器。
[0018]所述射频通讯模块4为蓝牙4.0射频通讯模块，所述微控制器模块3和射频通讯模块4采用型号为cc2541或nRF51822的片上系统处理芯片。
[0019]所述惯性传感器模块2采用型号为MPU-6050的六轴MEMS传感器芯片，也可采用ADXL345三轴加速度传感器芯片和L3G4200、ITG-3200等三轴角速度传感器芯片配合实现。
[0020]所述磁场传感器模块20采用型号为HMC5883L的三轴磁阻传感器芯片。[0021]本发明所述健身哑铃运动检测装置包括长方体的壳体1，所述惯性传感器模块2的X轴、Y轴、Z轴三轴与壳体I的长宽深方向对齐，所述磁场传感器模块20包括用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴磁场强度的三轴磁阻传感器，同时所述磁场传感器模块20的X轴、Y轴、Z轴三轴与壳体I的长宽深方向对齐。
[0022]本发明还包括人机交互模块6，所述电池电源管理模块用于为微控制器模块3、惯性传感器模块2、磁场传感器模块20、人机交互模块6、射频通讯模块4提供工作电源，当使用可充电电池时，电池电源管理模块5还可利用外部电源为电池充电。
[0023]所述人机交互模块6进一步包括OLED显示单元、按键单元和LED显示单元,所述按键单元包括用于选择OLED显示单元的显示内容的第一按键和用于复位装置的第二按键。
[0024]实施例1
本发明为一种健身哑铃运动检测的装置7，包括外壳I，外壳I内固定有检测电路，使用时，通过磁铁或魔术扎带将本装置7和健身哑铃固连。
[0025]本发明所述固连，指将本检测装置与健身哑铃固定相连，可以采用绑带磁铁的方式将本检测装置固定在健身哑铃的表面，也可以直接将其设置于健身哑铃内。
[0026]参照图1。在本实施例中，所述检测电路包括微控制器模块3及与所述微控制器模块3电连接的惯性传感器模块2、电池电源管理模块5和射频通讯模块4，所述惯性传感器模块2包括分别用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴加速度的三轴加速度传感器与X轴、Y轴、Z轴三轴角速度的三轴角速度传感器(微机械惯性传感器芯片)，所述电池电源管理模块5用于为微控制器模块3、惯性传感器模块2、射频通讯模块4提供工作电源。
[0027]实施例2
参考图3，本发明在实施例1的基础上为了检测哑铃的方位角，在电路上进一步设置一个磁场传感器模块20，本实施例中包括壳体1，所述壳体I内设有检测电路,所述检测电路包括微控制器模块3以及与所述微控制器模块3电连接的惯性传感器模块2、磁场传感器模块20、电池电源管理模块5、人机交互模块6和蓝牙4.0射频通讯模块4，所述惯性传感器模块2包括分别用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴加速度的三轴加速度传感器与X轴、Y轴、Z轴三轴角速度的三轴角速度传感器，同时所述惯性传感器模块2的X轴、Y轴、Z轴三轴与装置壳体I的长宽深方向对齐，所述磁场传感器模块20包括用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴磁场强度的三轴磁阻传感器，同时所述磁场传感器模块20的X轴、Y轴、Z轴三轴与装置壳体I的长宽深方向对齐，所述电池电源管理模块5用于为微控制器模块3、惯性传感器模块
2、磁场传感器模块20、人机交互模块6、蓝牙4.0射频通讯模块4提供工作电源，当使用可充电电池时，电池电源管理模块5还可利用外部电源为电池充电。
[0028]磁场传感器模块20所测量得到的X轴、Y轴、Z轴方向的磁场强度，能够反映健身哑铃所处环境的磁场强度，以及由于哑铃姿态变化造成的各个敏感轴上的磁场分量变化。值得注意的是，多数健身哑铃由铁、钢等磁性材料制成，某些测量轴上的磁场强度可能会超过磁场传感器的测量量程，造成测量错误，在具体的应用中:选用量程较大的磁阻传感器，如优选的HMC5883L，可以有效避免测量值超过量程造成的检测错误。考虑到静态功耗，磁场传感器模块20的测量输出经过IIC总线传输至微控制器模块3。本领域内的技术人员应该可知，各模块在实施例1中具有的技术特征及工作过程同样适用于本实施例，因此此处不做赘述。
[0029]其中，为了检测哑铃的姿态角，需要将装置通过壳体与健身哑铃固连，此时，惯性传感器模块2所测量得到的X轴、Y轴、Z轴方向的三轴加速度，X轴、Y轴、Z轴方向的三轴角速度，能够反应健身哑铃的对应运动。值得注意的是，在一些特别的哑铃健身动作中，某些测量轴上的加速度可能会超过加速度传感器的测量量程，造成测量错误，在具体的应用中:选用带有多量程选择的加速度传感器，如优选的MPU-6050，可以有效避免测量值超过量程造成的检测错误。考虑到静态功耗，惯性传感器模块2的测量输出经过IIC总线传输至微控制器t吴块3。
[0030]电池电源管理模块5完成电池放电时的稳压和电池充电控制，电池的放电电压与电池电量有关，并不稳定，电池放电电压高于系统内部工作电压，电池电源管理模块将电池放电电压降压稳压至系统内部工作电压2.0-3.0V的某一特定电压值上。考虑到本发明的低功耗要求，选用开关式降压稳压器，在具体应用实例中，该降压稳压器可采用开关式降压稳压芯片LM3670或TPS62730实现。当采用可充电电池时，电池充电控制需要对外部充电器的5V输出电压进行降压和限流，在电池电压过低时，采用恒流充电，在电池即将充满时，采用恒压充电，并提供电池充电状态的信号输出，在具体应用实例中，电池充电可采用单节电池充电芯片SE9017、SE9016或LTC4054实现，充电状态可由红、绿双色LED显示。
[0031]所述人机交互模块6进一步包括显示单元和按键单元，所述按键单元包括用于控制显示单元的第一按键和用于复位装置的第二按键。
[0032]人机交互模块6主要实现显示装置工作模式、显示锻炼数据、复位装置的功能。本发明装置的主要工作 模式为:1、睡眠模式，2、蓝牙可发现模式，3、蓝牙连接模式，4、锻炼模式；本发明装置的主要锻炼数据为:1、哑铃健身动作完成次数，2、哑铃健身消耗卡路里数，
3、哑铃健身动作评分；其中装置工作模式需要实时显示，而锻炼数据仅在用户锻炼过程中和锻炼完成时需要显示，锻炼过程中和锻炼结束后，锻炼数据由OLED屏幕显示，显示内容为1、哑铃健身动作完成次数，2、哑铃健身消耗卡路里数，3、哑铃健身动作评分。
[0033]微控制器模块3主要完成以下处理工作:1、接收惯性传感器模块2的输出信号，2、接收磁场传感器模块20的输出信号,3、检测按键状态,4、检测电池电压和充放电状态，
5、控制LED和OLED显示，6、控制蓝牙4.0射频通讯模块4工作，设定蓝牙发射参数、发射内容，接收蓝牙数据。7、根据本发明提出的健身哑铃运动与位置的检测方法，解算出哑铃的姿态角和哑铃与用户的位置关系。具体应用实例中，微控制器模块3可由cc2541实现或nRF51822片上系统芯片实现，该类芯片为射频片上系统芯片，其内部具有单片机内核和
2.4GHz射频收发器，并可运行蓝牙4.0低功耗协议栈。
[0034]参照图2.本发明主要具有以下工作模态，均由微控制器模块进行控制和调度:1、上电初始化模态，2、睡眠模态，3、蓝牙可发现模态，4、蓝牙连接模态，5、锻炼模态，6、锻炼完成模态。
[0035]参考图2，本实施例使用时，当装置7上电/复位后，装置7进入上述模态的上电初始化模态，主要初始化传感器、蓝牙协议栈等，初始化结束后，装置进入上述模态的睡眠模态，在睡眠模态中，系统每隔若干秒时间，检测一次加速度，若加速度的变化超过了设定的阈值，则认为装置发生了运动，那么装置退出睡眠模态进入蓝牙可发现模态，装置处于蓝牙可发现模态时，微控制器模块3控制蓝牙4.0射频通讯模块4发射广播帧，当智能手机、平板电脑等移动终端设备通过蓝牙连接本装置7后，装置进入蓝牙连接状态，如果智能手机、平板电脑等智能终端通过蓝牙操作本装置7开始锻炼后，本装置进入锻炼模态，在锻炼模态时，微控制器模块3配置惯性传感器模块2和磁场传感器模块20，使其进入20Hz高速采集模式，增加采样频率会增加功耗，但是也能提高健身哑铃姿态角和位置检测的精度和带宽，在锻炼模态下，微控制器模块3根据惯性传感器模块2和磁场传感器模块20的测量值，实时计算出健身哑铃姿态角和位置，并实时通过蓝牙4.0射频通讯模块4将测量结果和解算结果发送至智能手机或平板电脑，智能手机或平板电脑等智能终端根据上述数据，计算出锻炼次数、消耗卡路里数、运动评分，再通过蓝牙4.0射频通讯模块4返回给微控制器模块3，微控制器模块3根据返回数据，及检测到的第一按键状态，控制OLED循环显示上述锻炼数据，蓝牙连接断开后，装置进入睡眠模态。
[0036]蓝牙4.0射频通讯模块4负责蓝牙连接、蓝牙输出传输功能。具体应用实例中，蓝牙4.0射频通讯模块4可由cc2541或nRF51822片上系统芯片实现，该类芯片为射频片上系统芯片，其内部具有单片机内核和2.4GHz射频收发器，并可运行蓝牙4.0低功耗协议栈。
[0037]实施例1与实施例2说明的健身哑铃运动检测装置，其在使用过程中，可以作为独立设置的电路板组装在其他系统中，也可单独使用。因此，实施例3将其单独使用组装应用做一说明，本领域人员应该可以理解的是，此实施例并不构成其应用方式的限定。
[0038]实施例3
本实施例包括外壳1，如实施例1或实施例2所述的检测装置7固定在外壳I内部，在外壳I的一端面通过魔术扎带与哑铃手柄8相对固定。如图4所示，本实施例与健身哑铃固连后，装置内部的惯性传感器2和磁场传感器模块20能够跟随健身哑铃运动，测量哑铃运动产生的加速度、角速度、磁场变化，并经由本发明提出的健身哑铃运动及位置检测方法，解算出哑铃的姿态角和哑铃与用户位置关系。
[0039]实施例4
如实施例1或实施例2所述的一种健身哑铃运动检测装置7，仅包含电路，安装于健身哑铃9内部。参考图5所示，本实施例为其一具体应用实例的结构示意图，本实施例安装于健身哑铃内部，其惯性传感器模块和磁场传感器模块能够跟随健身哑铃运动，测量哑铃运动产生的加速度、角速度、磁场变化，并经由本发明提出的健身哑铃运动及位置检测方法，解算出哑铃的姿态角和哑铃与用户位置关系。
[0040]本发明还提供如下健身哑铃运动检测方法。所述方法包括如下步骤:
首先，将所述健身哑铃运动检测装置与待测的健身哑铃固连；
其次，通过以下步骤进行测量:
1)测量并解算哑铃角度，即，测量传感器坐标与大地坐标系之间的转换角度关系，得到哑铃的倾角和方位角；
2)哑铃运动检测，判定哑铃是否处于运动状态；
3)哑铃初始角度校准，解决哑铃放置与用户握持哑铃的角度随意性造成的角度测量错
误；
4)哑铃运动计算，计算哑铃运动参数。
[0041]所述步骤I)包括两个步骤:a、传感器数据采集，即:微控制器模块3对惯性传感器模块2和/或磁场传感器模块20发送传感器数据读取命令，当惯性传感器模块2和/或磁场传感器模块20接收到此数据读取命令时，会返回相应通道的传感器测量结果；b、哑铃角度解算，即:基于步骤a传感器数据采集得到的与健身哑铃固连的X轴、Y轴、Z轴三轴加速度传感器与三轴角速度传感器所测量得到的加速度、角速度数据，利用地球重力场作为垂直参考，计算得到哑铃相对于水平面的倾角，和/或，基于步骤a传感器数据采集得到的与哑铃固连的X轴、Y轴、Z轴三轴磁阻传感器所测量的到的磁场数据，利用地球磁场作为北向参考，计算的到哑铃在水平面内的指向，即方向角。
[0042]为了保证步骤b的解算精度，步骤a传感器数据采集需要达到一定的采样频率，考虑到用户使用哑铃的运动动态和奈奎斯特采样定律，步骤a的三轴加速度传感器和三轴角速度传感器数据采集的频率为5Hz以上。
[0043]所述步骤2)包括两个步骤:c、存储历史传感器采集数据，即，存储N次加速度传感器和角速度传感器的历史测量数据；d、运动类型判断，即，利用步骤c存储的加速度传感器和角速度传感器的历史测量数据，计算出最近N次加速度、角速度测量数据的期望和方差。 [0044]所述步骤c中N为3~15的整数。
[0045]所述步骤d中，当加速度、角速度方差大于6 I时，认为哑铃是运动的，当加速度、角速度方差小于于6 I且大于6 2，且角速度期望小于El时，认为哑铃是被用户手持，但静止的，当加速度、角速度方差小于6 2，且角速度期望小于E2时，认为哑铃是放置于固定物体上静止的，其中，6 1、6 2、E1、E2结合选用的加速度、角速度传感器测量、输出噪声性能，以及哑铃质量，综合确定。
[0046]具体来说，步骤2)哑铃运动检测是为了判定哑铃是否处于运动状态，哑铃运动状态分为3类:1、哑铃运动，2、哑铃被用户拿起，用户手持使哑铃静止，3、哑铃放置于固定物体上静止。为了区分上述3类运动状态，本发明利用步骤I)测量并解算哑铃角度的子步骤a传感器采集所得的3轴加速度传感器和三轴角速度传感器测量数据，参考图7，顺序进行如下2个子步骤来判断哑铃静止类型:C、存储历史传感器采集数据，d、运动类型判断。步骤2)哑铃运动检测的子步骤c中，微控制器模块，或通过蓝牙4.0连接本装置的智能手机与平板电脑，存储N次加速度传感器和角速度传感器的历史测量数据，为了兼顾步骤2)哑铃运动检测的子步骤2运动类型判断的准确性，和步骤2)哑铃运动检测的实时性，故N应取:3-15的整数，步骤2)哑铃运动检测的子步骤d利用子步骤c存储的传感器历史数据，计算出最近N次加速度、角速度测量数据的期望和方差，参考图7，当加速度、角速度方差大于6 I时，认为哑铃是运动的，当加速度、角速度方差小于于6 I且大于6 2，且角速度期望小于El时，认为哑铃是被用户手持，但静止的，当加速度、角速度方差小于6 2，且角速度期望小于E2时，认为哑铃是放置于固定物体上静止的，其中，6 1、6 2、E1、E2需要结合选用的加速度、角速度传感器测量、输出噪声性能，以及哑铃质量，通过实验综合确定。
[0047]所述步骤3)包括两个步骤:e、动作采样，即记录用户进行K次哑铃锻炼过程中由步骤I)解算哑铃角度所得到的哑铃倾角和/或方位角；f、计算初始角校准值，即，在步骤e存储的K次哑铃锻炼动作过程哑铃倾角和/或方位角中，判别出每次动作的最大角度值和最小角度值，并求出K次动作的最大角度平均值和最小角度平均值，计算出用户动作的中间位置角度平均值，并和对应的标准动作的中间位置角度相减，得到初始角度校准值，并在将来的动作检测中，使用该初始角度校准值来修正步骤I)解算哑铃角度所得到的哑铃的倾角和/或方位角。[0048]若步骤2)哑铃运动检测输出哑铃放置于固定物体上静止，则在下一次锻炼时重新进行步骤3)哑铃初始角度校准。
[0049]步骤I解算哑铃角度所得到的倾角和方位角，实际上是测量传感器坐标与大地坐标系之间的转换角度关系，而对于同一个哑铃健身动作，步骤I解算的到的角度，会因为用户握持哑铃的角度不同，而发生非常显著的差异，步骤3哑铃初始角度校准是为了解决哑铃放置与用户握持哑铃的角度随意性造成的角度测量错误，图8中包含两个子步骤:e、动作采样，f、计算初始角校准值，在步骤3)哑铃初始角度校准的子步骤e动作采样中，要求用户尽可能标准的进行连续K次实施哑铃锻炼动作，带有数据存储功能的模块，例如，微控制器模块，或通过蓝牙4.0连接相应的智能手机与平板电脑，将会记录用户进行K次哑铃锻炼过程中由步骤I)解算哑铃角度所得到的哑铃倾角和/或方位角，步骤3)哑铃初始校准的子步骤f计算初始角校准值过程，从步骤e存储的K次哑铃锻炼动作过程哑铃倾角和/或方位角中，判别出每次动作的最大角度值和最小角度值，并求出K次动作的最大角度平均值和最小角度平均值，计算出用户动作的中间位置角度平均值，并和对应的标准动作的中间位置角度相减，得到初始角度校准值，并在将来的动作检测中，使用该初始角度校准值来修正步骤I)解算哑铃角度所得到的哑铃的倾角和/或方位角，若步骤2)哑铃运动检测输出哑铃放置于固定物体上静止，那么可以认为下一次锻炼时，用户握持哑铃的角度会发生变化，此时，需要重新进行步骤3哑铃初始角度校准。
[0050]步骤4)为:经过步骤1、步骤2、步骤3的处理，可以得到对应某特定锻炼动作的哑铃角度。进一步，对上述计算得到的哑铃位置变化进行计数和计时，可以得到哑铃健身动作进行的周期和时长，具体来说，
步骤4)计算哑铃运动参数分为:g、计算哑铃角度；h、哑铃锻炼动作计数；1、计算哑铃运动卡路里消耗、评估哑铃锻炼运动品质，四个子步骤。在步骤4计算哑铃运动参数子步骤g计算哑铃角度中，利用步骤3得到的哑铃初值角度修正步骤I得到的哑铃倾角，可以得到对应某特定锻炼动作的哑铃角度。在步骤4计算哑铃运动参数子步骤h哑铃锻炼动作计数中，选取该锻炼动作过程中哑铃必然经过的两个角度，例如哑铃运动至接近预期最低点位置的角度，和哑铃运动至接近预期最低点位置的角度，假设这两个角度为“哑铃高位置判断角”和“哑铃低位置判断角”，当且仅当哑铃依次历经“哑铃低位置判断角”和“哑铃高位置判断角”，可认为哑铃锻炼完成了一次，将哑铃锻炼动作完成计数加一。在步骤4计算哑铃运动参数子步骤i计算哑铃运动卡路里消耗中，将人的上臂近似为摆杆装置，可以通过预先设定的上臂长L1、下臂长L2和哑铃角度，计算出哑铃当前的位置和哑铃当前相对于用户肩部的高度；进一步，通过上述步骤计算得到的哑铃位置和高度，结合预先输入的哑铃质量，可以得到哑铃健身所消耗的能量。在步骤4计算哑铃运动参数子步骤j评估哑铃锻炼运动品质中，对哑铃角度两次经过“哑铃高位置判断角”(或“哑铃低位置判断角”)的时间间隔进行计时，可以得到哑铃健身动作进行的时间周期，当哑铃健身动作周期变化大于设定阈值时，可认为用户在锻炼过程中发生“力竭”，锻炼至力竭程度能够获得较好的锻炼效果；对哑铃角度在“哑铃低位置判断角”上升至“哑铃高位置判断角”，进一步下降至“哑铃低位置判断角”的过程进行计时，可以得到哑铃健身运动单词动作持续的时长，当哑铃健身动作时长小于设定的阈值时，认为用户进行哑铃健身时动作较为松散，力量缺乏控制，锻炼效果较差，结合步骤4计算哑铃运动参数子步骤i计算哑铃运动卡路里消耗中计算得到的哑铃相对于用户肩部的高度最大值，当哑铃相对于用户肩部的高度最大值小于设定的门限时，认为用户进行哑铃健身时动作不够标准，当检测到用户进行哑铃锻炼的动作有上述不足时，可以对用户提出相应的提示和建议。
[0051]实施例5
在本实施例中，本发明提出的健身哑铃运动检测方法，是利用本例中前述得到的姿态角，结合特定哑铃健身运动的动作规范，和人体关节运动约束，求解健身哑铃与用户相对位置的方法。以仰卧飞鸟动作为例，参考图6，依据方法步骤I至步骤3，先进行哑铃角度校准，经过校准修正后，当安装有本发明装置的哑铃位于低位置14时，装置检测出的X敏感轴11上的倾角为α 1=0度，当安装有本发明装置的哑铃位于高位置10时，装置检测出的X敏感轴11上的倾角为α 2=90度，当安装有本发明装置的哑铃位于中间位置12时，依据方法步骤4，可以根据装置检测出的X敏感轴上的倾角α 3、预先输入的用户臂长L、和仰卧飞鸟动作的臂长系数K，计算出哑铃所处的位置高度Η13为:H=KLsin ( α 3)。根据检测出安装有本发明装置的哑铃经历高位置10和低位置14的次数N、时间Τ、和预先存入的哑铃质量m，可以评估出用户进行仰卧飞鸟运动消耗的能量W=KLNmg,用户进行仰卧飞鸟运动的功率，即用户力量评估P=W/T。
[0052]实施例6
在本实施例中，本发明提出的健身哑铃运动检测方法，是利用本例中前述得到的姿态角，结合特定哑铃健身运动的动作规范，和人体关节运动约束，求解健身哑铃与用户相对位置的方法。以弯举动作为例，参考图8，依据方法步骤I至步骤3，在未进行哑铃角度校准的情况下，提示用户尽可能标准的进行M次(M>=1)哑铃弯举动作练习，并记录M次哑铃弯举动作中步骤I所得到的哑铃的倾角。从上述存储的M次哑铃锻炼动作过程哑铃倾角中，判别出每次动作的最大角度值和最小角度值，并求出M次动作的最大角度平均值和最小角度平均值，参考图8，最大角度平均值为6度，最小角度平均值为-115度。进一步，利用最大角度平均值和最小角度平均值，计算出用户动作的中间位置角度平均值，并和对应的标准弯举动作的中间位置角度相减，得到初始角度校准值，并在将来的动作检测中，使用该初始角度校准值来修正步骤I所得到的哑铃的倾角，例如，对应图8所示动作,标准角度为范围:-80度至45度，那么标准动作的中间位置角度为:(45度-80度)/2= -17.5度，而用户动作的中间位置角度平均值为:(6度-115度)/2 = -54.5度，那么，初始角度校准值=-17.5度-(-54.5度)=37度。进一步，利用上述计算的到的初始角度校准值，修正前述得到的姿态角，得到用户锻炼过程中对应的角度，参考图8，哑铃角度校准后的倾角=哑铃未校准倾角+初始角度校准值，校准后的用户弯举动作最大角度平均值和最小角度平均值分别为:-78度和43度。进一步在获得校准后的哑铃角度的基础上，结合预先输入的下臂长度L2，如图8所示，可以求出当次哑铃练习的哑铃上升高度H=L2*sin(当次最大角度值)_L2*sin (当次最小角度值)，得到上升高度H，结合预先输入的哑铃质量m，可以计算出当次哑铃锻炼消耗的能量W=Hmg。进一步，对于弯举动作，设定了“哑铃低位置判断角”角度为:-70度，“哑铃高位置判断角”角度为:20度，那么，只有当哑铃角度校准后的倾角，在小于-70度之后，经过一定变化过程，最终大于20度之后，才认为用户进行了依次哑铃弯举动作，将哑铃锻炼计数加一。当哑铃角度从小于“哑铃低位置判断角”角度，增加至大于“哑铃低位置判断角”角度时，启动哑铃锻炼动作周期计时和哑铃锻炼动作持续时间计时，当哑铃角度历经大于“哑铃高位置判断角”角度，并经过一个变化过程，重新小于“哑铃低位置判断角”角度时，停止哑铃锻炼动作持续时间计时，将当前计时值作为当前次哑铃锻炼持续时间；在此基础上，当哑铃角度从小于“哑铃低位置判断角”角度，增加至大于“哑铃低位置判断角”角度时，停止哑铃锻炼动作周期计时，将当前计时值作为当前次哑铃锻炼周期，并重新启动哑铃锻炼动作周期计时和哑铃锻炼动作持续时间计时；当哑铃健身动作周期变化大于设定阈值时，可认为用户在锻炼过程中发生“力竭”，锻炼至力竭程度能够获得较好的锻炼效果，若在设定锻炼次数内，没有检测到用户发生“力竭”，则可以提示用户适当增加哑铃质量，提高锻炼强度；当哑铃健身动作时长小于设定的阈值时，认为用户进行哑铃健身时动作较为松散，力量缺乏控制，锻炼效果较差，可以提示用户改进锻炼动作质量。
[0053]与现有技术相比，本发明所提供的装置及方法具有以下有益效果:
(I)针对健身哑铃，能够可靠地检测出哑铃的姿态角。
[0054](2)针对健身哑铃，能够利用上述测得的哑铃姿态角、健身哑铃动作流程和人体关节运动约束，计算出健身哑铃和用户的位置关系。
[0055]( 3 )针对健身哑铃，能够利用上述测得的姿态角，统计用户使用哑铃进行特定健身动作训练的训练次数和时间，能够利用上述测得的健身哑铃和用户的位置关系和哑铃的质量，计算出用户进行哑铃健身运动消耗的卡路里数。
[0056](4)由于本发明设有射频通讯模块，因此能够与智能手机、智能平板电脑互联，对上述测量数据、统计数据进行进一步处理，为用户的健身质量和效果提供评估，并进一步指导用户的健身动作和健身计划。
[0057](5)采用低功耗芯片配置和针对低功耗的检测流程，能够实现长时间待机。
[0058](6)具有简单易用的人机交互接口，用户能够直观的了解装置的运行状态。
[0059]综上所述，本发明公开了一种健身哑铃运动检测装置和一种健身哑铃运动检测方法。其检测电路包括微控制器模块，以及与所述微控制器模块电连接的惯性传感器模块、磁场传感器模块、电池电源管理模块，和蓝牙射频通讯模块，惯性传感器模块包括分别用以检测加速度的三轴加速度传感器和用以检测角速度的三轴角速率传感器，磁场传感器模块包含用以检测装置所处环境磁场的三轴磁阻传感器，惯性传感器模块和磁场传感器模块的检测数据经过串行接口输入微控制器模块，微控制器模块利用健身哑铃运动与位置检测算法，对数据进行处理，并将处理结果和传感器数据通过蓝牙4.0射频通讯模块发送至手机或平板电脑，对用户提供直观的健身动作评估和提示。本发明安装于健身哑铃上之后，能够精确检测出健身哑铃与用户的位置关系，从而解决了健身哑铃健身的卡路里消耗评估、哑铃健身动作标准性评估的问题。本发明同时提供一种健身哑铃运动检测的方法，利用三轴加速度传感器测量得到的三轴加速度信息和三轴角速度传感器测量的到的角速度信息进行互补滤波解算出哑铃当前的角度、速度信息，利用上述获得的运动信息、特定哑铃健身动作的规范、人体关节的几何运动约束，解算出哑铃的位置。
[0060]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种健身哑铃运动检测装置，其特征在于所述装置包括检测电路，所述检测电路包括微控制器模块(3 )及与所述微控制器模块(3 )电连接的惯性传感器模块(2 )、电池电源管理模块(5)和射频通讯模块(4)，所述惯性传感器模块(2)包括分别用于检测X轴、Y轴、Z轴三轴加速度的三轴加速度传感器与X轴、Y轴、Z轴三轴角速度的三轴角速度传感器，所述电池电源管理模块(5)用于为微控制器模块(3)、惯性传感器模块(2)、射频通讯模块(4)提供工作电源。
2.如权利要求1所述一种健身哑铃运动检测装置，其特征在于所述检测电路还包括磁场传感器模块(20),所述磁场传感器模块(20)包括检测X轴、Y轴、Z轴三轴磁场强度的三轴磁阻传感器。
3.如权利要求1所述一种健身哑铃运动检测装置，其特征在于所述射频通讯模块(4)为蓝牙4.0射频通讯模块，所述微控制器模块(3)和射频通讯模块(4)采用型号为CC2541或nRF51822的片上系统处理芯片。
4.如权利要求1所述一种健身哑铃运动检测装置，其特征在于所述惯性传感器模块(2)采用型号为MPU-6050的六轴MEMS传感器芯片。
5.如权利要求1所述一种健身哑铃运动检测装置，其特征在于所述磁场传感器模块(20)采用型号为HMC5883L的三轴磁阻传感器芯片。
6.一种使用如权利要求1所述的健身哑铃运动检测装置的健身哑铃运动检测方法，其特征在于所述方法包括如下步骤: 首先，将所述健身哑铃运动检测装置与待测的健身哑铃固连； 其次，通过以下步骤进行测量: 测量并解算哑铃角度，即，测量传感器坐标与大地坐标系之间的转换角度关系，得到哑铃的倾角和方位角； 哑铃运动检测，判定哑铃是否处于运动状态； 哑铃初始角度校准，解决哑铃放置与用户握持哑铃的角度随意性造成的角度测量错误； 哑铃运动计算，计算哑铃运动参数。
7.如权利要求6所述一种健身哑铃运动检测方法，其特征在于所述步骤I)包括两个步骤:a、传感器数据采集，即:微控制器模块(3)对惯性传感器模块(2)和/或磁场传感器模块(20)发送传感器数据读取命令，当惯性传感器模块(2)和/或磁场传感器模块(20)接收到此数据读取命令时，会返回响应通道的传感器测量结果；b、哑铃角度解算，即:基于步骤a传感器数据采集得到的与健身哑铃固连的X轴、Y轴、Z轴三轴加速度传感器与三轴角速度传感器所测量得到的加速度、角速度数据，利用地球重力场作为垂直参考，计算得到哑铃相对于水平面的倾角，和/或，基于步骤a传感器数据采集得到的与哑铃固连的X轴、Y轴、Z轴三轴磁阻传感器所测量的到的磁场数据，利用地球磁场作为北向参考，计算的到哑铃在水平面内的指向， 即方向角。
8.如权利要求7所述一种健身哑铃运动检测方法，其特征在于为了保证步骤b的解算精度，步骤a的三轴加速度传感器和三轴角速度传感器数据采集的频率为5Hz以上。
9.如权利要求6所述一种健身哑铃运动检测方法，其特征在于所述步骤2)包括两个步骤:c、存储历史传感器采集数据，即，微控制器模块存储N次加速度传感器和角速度传感器的历史测量数据；d、运动类型判断，即，利用步骤C存储的加速度传感器和角速度传感器的历史测量数据，计算出最近N次加速度、角速度测量数据的期望和方差。
10.如权利要求9所述一种健身哑铃运动检测方法，其特征在于所述步骤c中N为:3-15的整数。
11.如权利要求6所述一种健身哑铃运动检测方法，其特征在于所述步骤3)包括两个步骤:e、动作采样，即记录用户进行K次哑铃锻炼过程中由步骤I)解算哑铃角度所得到的哑铃倾角和/或方位角；f、计算初始角校准值，即，在步骤e存储的K次哑铃锻炼动作过程哑铃倾角和/或方位角中，判别出每次动作的最大角度值和最小角度值，并求出K次动作的最大角度平均值和最小角度平均值，计算出用户动作的中间位置角度平均值，并和对应的标准动作的中间位置角度相减，得到初始角度校准值，并在将来的动作检测中，使用该初始角度校准值来修正步骤I)解算哑铃角度所得到的哑铃的倾角和/或方位角。
12.如权利要求12所述一种健身哑铃运动检测方法，其特征在于在步骤2)哑铃运动检测输出哑铃放置于固定物体上静止时，重新进行步骤3)哑铃初始角度校准。
13.如权利要求6所述一种健身哑铃运动检测方法，其特征在于步骤4)包括四个步骤:g、计算哑铃角度；h、哑铃锻炼动作计数；1、计算哑铃运动卡路里消耗；j、评估哑铃锻炼运动品质。
【文档编号】A63B71/06GK103933722SQ201410072246
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】陈隽永, 王圣捷, 卢卓来 申请人:永康市坤卓科技有限公司