一种可以测量速度、加速度、行程和力量的智能力量训练器及其测量方法与流程

本发明属于一种健身设备，尤其涉及一种力量训练器。

背景技术：

传统的力量训练器，基本原理是由拉绳的一端连接操作部(例如手柄、脚踏板、垫板等)，拉绳的另一端连接配重块，拉绳绕过滑轮组，使用者操作操作部，配重块被拉起放下，从而锻炼使用者肌肉。

但是，力量训练器使用者无法知道训练的速度、行程、瞬时力量等训练数据，无法准确评估锻炼相应肌肉的锻炼效果。

技术实现要素：

本发明提供一种可以测量速度、加速度、行程和力量的智能力量训练器，其目的是解决现有技术存在的缺点，让使用者可以及时得知运动动作的行程、运动次数、运动发挥的实际力量等数据。

本发明还提供上述智能力量训练器的测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可以测量速度、加速度、行程和力量的智能力量训练器，其特征在于：具有龙门架，龙门架上枢设有两个滑轮，两个滑轮之间具有一个滑轮固定件，中间滑轮用轴承17枢设在滑轮固定件上，称重传感器的一端与滑轮固定件固连，另一端与龙门架固连，中间滑轮用码盘螺钉6设有同轴的光码盘，滑轮固定件上设有与光码盘对应的光电传感器；上述称重传感器和光电传感器与数据采集模块电连接，数据采集模块与单片机电连接；一根拉绳分别绕过上述两个滑轮的上方和中间滑轮的下方，拉绳的两端分别为配重块和操作部。

具有螺杆穿过称重传感器的另一端及龙门架后与螺母配合而将称重传感器固连在龙门架上。

单片机与蓝牙或wifi模块电连接，具有与蓝牙或wifi模块连接的手机或电子显示屏。

一种可以测量速度、加速度、行程和力量的智能力量训练器的测量方法，其特征在于：

光码盘做顺时针运动时，光电传感器输出信号b滞后信号a90度，光码盘做逆时针运动时，光电传感器输出信号b超前信号a90度，单片机通过光电传感器输传输来的信号a和信号b的相位差判断配重块的运动方向；

训练器配重块从最低点到最高点的最大物理行程为l，光电传感器对应输出的脉冲数为nmax，由此得知每个脉冲对应的行程为：

s1＝l÷nmax；

当配重块在最低点时，称重传感器输出原始重量值，单片机对照预存的配重块起点位置重量值，确定配重块是否在起点位置；当配重块在起点位置时，单片机将光电传感器的脉冲数nmin清0；

若t1时刻mcu检测到的脉冲数为n1，则可计算出配重块该时刻相对于起点位置的高度h1为：

h1＝s1·n1；

若t2时刻mcu检测到的脉冲数为n2，则可计算出配重块4该时刻相对于起点位置的高度h2为：

h2＝s1·n2；

由速度计算公式v＝s/t，得t2时刻的速度：

v2＝|h2–h1|/(t2-t1)；

由加速度公式a＝△v/△t即可计算出配重块在某一时间段的加速度a；

当运动方向改变且行程达到设定值时，单片机即可判断为一次有效运动。

一种可以测量速度、加速度、行程和力量的智能力量训练器的测量方法，其特征在于：

拉绳拉力f的作用下，质量为m的配重块以加速度a向上运动，称重传感器在此状态下称出的数值经处理后得到数值m`，g为配重块重力，则有以下关系：

f–g＝ma；

f＝m`g；

g＝mg；

可得：

m`g–mg＝ma；

进一步可得：

m＝m`g/(a+g)；

上述m`为运动状态下单片机读取称重传感器采集的数据后计算出的数值，g为重力加速度常量9.8，加速度a可由单片机读取光电传感器7采集的位置信息后计算出；

以上m为在配重块以任意加速度运动时的质量。

本发明的有益之处在于：

本发明将光电传感器和称重传感器应用在传统力量训练器材上，将光电传感器和称重传感器安装在龙门架上的俩滑轮之间，测量配重块重量、运动方向、速度、次数，并计算时间、总计数、卡路里和行程，同时将数据传到电子表并显示数据，并可以通过蓝牙把数据传送到手机app。电子表和手机app可以根据自己已经设置的参数进行比较处理，及时通过声音和图像信息提醒和指导使用者，使之及时有效的提供运动指导和纠正使用者操作错误的信息，达到更好的训练效果。

本发明将用传感器总成取代传统的计数传感器、位置检测器等传感器，安装简单，布线简洁。本发明所述的软件自适应功能，降低了对机器加工精度的要求；本发明所述的动态称重算法，解决了传统的插销位置检测法等传感器多、灵敏度低、加工精度要求高、通用性差等问题；本发明所述的次数计算法，解决了传统的磁簧管、光电开关检测法布线多、安装难度大、通用性差等问题。电子表可以监测使用者的锻炼速度、加速度、行程、重量、瞬时力量、次数等运动数据，使锻炼不再盲目，不再枯燥。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明剖视图；

图2是本发明的仰角视图；

图3是滑轮固定件、滑轮、称重传感器、螺杆剖视图；

图4是光码盘顺时针运动时信号a和信号b相位图；

图5是光码盘逆时针运动时信号a和信号b相位图；

图6是配重块受力图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

如图1、图2、图3所示，本发明是一种进行力量训练的健身器械。

本发明具有龙门架1，龙门架1上枢设有两个滑轮2，滑轮2上方均有档线板3，具有一根拉绳5，拉绳5的两端分别为配重块4和操作部41。

本发明的改进之处在于，在两个滑轮2之间具有一个滑轮固定件9，中间滑轮16用轴承17枢设在滑轮固定件9上，称重传感器10的一端与滑轮固定件9固连，具有螺杆11穿过称重传感器10的另一端及龙门架1后与螺母22螺合而将称重传感器10固定在龙门架1上。

中间滑轮16用码盘螺钉6固设有同轴的光码盘19，滑轮固定件9上设有与光码盘19对应的光电传感器7；上述称重传感器10和光电传感器7与数据采集模块电连接，数据采集模块与单片机电连接，单片机与蓝牙或wifi模块电连接，具有与蓝牙或wifi模块连接的手机或电子显示屏。

拉绳5分别绕过上述两个滑轮2的上方和中间滑轮16的下方

测量重量拉力部分：

操作时，人拉放拉绳5的操作部，利用配重块4进行力量训练，拉绳5绕过两个滑轮2与中间滑轮16，中间滑轮16由于拉绳5两边的支点的分力，根据平行四边形法则，中间滑轮16受到一个向上的力，滑轮固定件9就受到向上的力，称重传感器10的两端分别固定在龙门架1上和滑轮固定件9上，会产生变形，由于压电效应，称重传感器10感应并发出数据到数据采集模块，数据采集模块发送数据到单片机，该数据与重量成一定的比例，单片机通过软件调整系数。从而得知操作者的运动重量数据。

测量速度、行程、次数部分：

操作时，拉绳5绕过两个滑轮2及中间滑轮16，由于拉绳5的线性摩擦作用，中间滑轮16也会随之转动，在转动的过程中，光电传感器7固定不动，光码盘19随中间滑轮16转动，在转动过程中，其光码盘19的的通孔等于一个开关的作用，到通孔处时，光电传感器7接收光，这是一个通电的过程；当光码盘19闭合时，光电传感器7不起作用，等于是一个断电的过程，所以这是一个不断的通断的过程，光电传感器7将这个数据传到数据采集模块，数据采集模块将数据传到单片机，单片机通过计算光码盘19的转数，就可以得出使用者操作的速度、加速度、行程以及次数。

单片机通过蓝牙或wifi将数据发到手机或电子显示屏显示。

i/o主要包括输入和输出部分，输入方式有按键设置输入、传感器检测输入和账户检测输入，输出方式有led指示，数码管显示，并配有蜂鸣器声音输出，数据存储通信方式有蓝牙通信和wifi通信，实现手机、服务器和设备的互联。

用户通过刷卡登入，使用力量器械，该设备将自动记录用户的运动数据，包括运动者运动的时间、总次数、次数、行程、卡路里、速度、重量、心率等数据。用户可以查询数据，并获得推荐健身数据指导。

本发明使用时运动数据测量方法如下：

行程及次数计算算法：

当图2中光码盘19随滑轮16做顺时针运动时，光电传感器7输出信号b滞后信号a90度，如图4所示；当图2中光码盘19随滑轮16做逆时针运动时，光电传感器7输出信号b超前信号a90度，如图5所示。mcu(单片机)通过光电传感器7输传输来的此编码信号即可判断配重块4的运动方向。

假设训练器配重块4从最低点到最高点的运动范围(以下称最大物理行程)为l，光电传感器对应输出的脉冲数为nmax，由此得知每个脉冲对应的行程为：

s1＝l÷nmax①式

当配重块在最低点(即未被拉起)时，称重传感器10输出原始重量值，电子表mcu利用此值即可确定配重块4是否在起点位置。当配重块4在起点位置时，mcu将光电传感器7的脉冲数nmin清0。

若t1时刻mcu检测到的脉冲数为n1，则可计算出配重块4该时刻相对于起点位置的高度h1为：

h1＝s1·n1②式

若t2时刻mcu检测到的脉冲数为n2，则可计算出配重块4该时刻相对于起点位置的高度h2为：

h2＝s1·n2③式

将②式③式代入速度计算公式v＝s/t，得t2时刻的速度：

v2＝|h2–h1|/(t2-t1)④式

由此可知，利用④式可计算出配重块4任意时刻的运动速度，得到速度v后，利用加速度公式a＝△v/△t即可计算出配重块4在某一时间段的加速度a。

综上所述，mcu利用光电传感器7输出的编码信号，即可判断配重块4的运动方向、运动行程、运动速度和加速度。当运动方向改变且行程达到设定值时，即可判断为一次有效运动，达到计算次数的目的。

动态称重算法：

如图6所示，假设在拉绳5拉力f的作用下，质量为m的配重块4以加速度a向上运动，称重传感器10在此状态下称出的数值经处理后得到数值m`，g为配重块重力，则有以下关系：

f–g＝ma⑤式

f＝m`g⑥式

g＝mg⑦式

将⑤式和⑥式代入⑦式，得：

m`g–mg＝ma⑧式

⑧式换算得：

m＝m`g/(a+g)⑨式

⑨式中，m`为运动状态下mcu读取称重传感器7采集的数据后计算出的数值，g重力加速度常量9.8，加速度a可由mcu读取光电传感器7采集的位置信息后计算出，由此可见，即使配重块4以任意加速度运动，也可计算出配重块4的质量m。

上述算法不仅可以计算出静止状态下的配重块4重量，还可以计算出运动状态下的配重块4的真实重量，还可以精确计算出使用者上下运动的次数。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。