多功能智能优化健身设备及其健身方法与流程

本发明涉及智能健身设备的技术领域，特别是指一种磁动重力训练设备。

背景技术：

市面上的各种力量训练健身器材大多采用重力阻尼，配重块通常100kg起步，最小调节量5kg，其较大的重量和繁琐的调节方法限制了在家用市场的推广。

健身器材也有采用旋转电机提供反作用力的阻力方案，但由于是被动式的调节阻力，作用力越大，反作用力(即阻力)也越大，阻力并非恒定，具有变化的力曲线，这使健身效果大打折扣。

再者，各种力量训练健身器材多为单功能设备或者功能很少，无法实现全身的综合训练，也容易让用户感到乏味；在有限的时间内使训练效果最大化至关重要，同时多样性和交叉训练对于维持兴趣也非常重要。

其次，所有具有反馈的健身器材，都是采集力反馈数据提供健身指导，无法智能识别用户的训练姿势和体态，指导效果有限。

另外，传统健身设备体积大、重量重，不利于运输和安装。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种轻便、易于调节负重模组且可基于训练者的健身数据提供个性化指导的多功能智能优化健身设备。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种多功能智能优化健身设备，包括：健身器械、智能工业平板电脑、直线电机磁感负重模组及具有视觉组件的传感器组件；所述健身器械包括机架及设置在机架上的训练操作平台、滑轮组及操作杆，滑轮组上设置有钢丝绳，钢丝绳连接操作杆及直线电机磁感负重模组的直线电机，所述智能工业平板电脑、直线电机磁感负重模组及传感器组件分别设置在机架上；智能工业平板电脑包括soc单片系统及连接soc单片系统的触摸屏显示器、负重模组控制器通讯端口、传感器组件接口，负重模组控制器通讯端口连接直线电机磁感负重模组，传感器组件接口连接传感器模组的视觉组件；直线电机磁感负重模组包括具有阻力线圈的直线电机及连接直线电机的直线电机控制器，直线电机控制器通过负重模组控制器通讯端口连接soc单片系统。

采用上述方案后，本发明多功能智能优化健身设备采用直线电机磁感负重模组来替代传统的笨重配重块，运用电磁感应原理，提供训练用的负重，结构更加轻便，也易于调节。本发明采用智能工业平板电脑及具有视觉组件的传感器组件，传感器组件的视觉组件采集训练者运动图像信息，通过传感器组件接口发送给智能工业平板电脑中的soc单片系统进行处理，soc单片系统解析出训练者图像信息，检测、判断分析操作杆的位置、训练者的训练姿态、动作及运动轨迹，并通过触摸屏显示器为训练者提供最佳训练指导并降低训练者受伤的风险。

进一步，所述滑轮组具有两组，两组滑轮组呈对称设置在训练操作平台的两侧，每一组滑轮组上装配有所述钢丝绳及一用以检测对应滑轮组上的钢丝绳的移动长度编码器，钢丝绳直接或间接连接操作杆。

进一步，所述智能工业平板电脑还包括连接所述soc单片系统的wifi模块、rj45网络端口、音频放大组件、扬声器、蓝牙模块及mic组件。

进一步，所述智能工业平板电脑还包括存储器及usb接口。

进一步，所述直线电机磁感负重模组的直线电机包括直线电机定子及直线电机动子；直线电机控制器包括pwm电机驱动器、直线电机控制接口及通讯端口，直线电机动子上安装有阻力线圈、温度传感器、电流传感器、位置传感器及直线电机接口，电流传感器用以测试阻力线圈的电流，直线电机定子的两端各安装一个安装位置极限开关，直线电机接口与直线电机控制接口通过软排线相连，所述pwm电机驱动器通过直线电机控制接口控制直线电机，直线电机控制器通过通讯端口与智能工业平板电脑上的负重模组控制器通讯端口相连，接收负重模组控制器通讯端口发出的控制指令，反馈直线电机的运动状态。

进一步，直线电机定子为磁轨，直线电机动子安装阻力线圈，pwm电机驱动器采用恒定线圈电流驱动模式，使所述直线电机动子产生恒定的推力，实现恒定的训练负重。

进一步，所述感器组件还包括行程开关组件及急停开关组件，所述行程开关组件通过传感器组件接口与智能工业平板电脑相连，所述急停开关组件与pwm电机驱动器相连。

进一步，所述视觉组件具有多个，多个视觉组件分布在健身器械机架的不同位置上，用以检测训练者手握的操作杆是都水平、操作杆的位置、握杆宽度、杆左右长度、步宽，其中杆左右长度包括杆左长度和杆右长度、躺卧上下幅度、背弧及训练者的训练移动轨迹和移动范围。

进一步，所述直线电机磁感负重模组的直线电机上设置有带风扇的散热片。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种轻便、易于调节负重模组且可基于训练者的健身数据提供个性化指导的多功能智能优化健身设备的健身方法。

一种使用所述的一种多功能智能优化健身设备的健身方法，其包括以下步骤：

步骤一：用户在“磁重力训练健身教练软件”界面上选择健身模式；

步骤二：用户移动及调整可调运动操作杆组件到对应健身模式的位置；

步骤三：用户按下“磁重力训练健身教练软件”界面上的“开始健身”按键；

步骤四：用户手握可调运动操作杆组件上的操作杆，上下推动操作杆三次，直线电机磁感负重模组检测到位置传感器的信息并转换成位移信息，发送给智能工业平板电脑；

步骤五：运行在智能工业平板电脑上的“磁重力训练健身教练软件”获取到三次的位移信息后，判断为是用户已就位的发送开始训练的请求，就发启动指令和用户设置的参数给直线电机磁感负重模组，并同时发出提示音；

步骤六：直线电机磁感负重模组收到启动指令和用户设置的参数后，解锁直线电机动子，依据参数值加载用户设置的负重值对应的三相线圈驱动电流；

步骤七：用户开始训练，施加力，操作杆将连接的钢丝绳拉出，再通过滑轮组拉动连接的直线电机磁感负重模组上的直线电机动子向上移动，直线电机控制器控制直线电机动子产生向下的推力，当拉动力大于向下的驱动力时，直线电机动子向上移动；相等时，直线电机动子静止；当拉动力小于向下的驱动力时，直线电机动子向下移动；即实现用户的手臂上下伸屈的负重训练；

在训练过程中，直线电机磁感负重模组检测到位置传感器的信息并转换成位移信息，发送给智能工业平板电脑，依据位移的位置、速度和加速度信息，智能工业平板电脑的soc单片系统自动计算用户的训练往复次数及判断用户是否力竭，力竭则依据设置的训练模式，自动降低负重或自动停止工作，并发出提示音；同时，视觉组件采集训练者的四肢运动范围视野内的物体红外反射时间信息，处理解析出训练者的四肢运动姿态3d图像信息，通过传感器组件接口发送给智能工业平板电脑中的soc单片系统处理，解析出训练者的四肢运动姿态图像信息，分析训练者的训练姿态、动作速度、运动轨迹，“磁重力训练健身教练软件”通过触摸屏显示器和语音提示指导训练者；

依据用户选择的训练模式，用户完成一组训练后，智能工业平板电脑上的“磁重力训练健身教练软件”自动计算判断用户已完成了一组训练后，会发送停止指令给直线电机磁感负重模组，停止工作，并发送提示音，驱动电流为零，无推动力，即无重力；

依据用户选择的训练模式，停止工作一段时间后，智能工业平板电脑上的“磁重力训练健身教练软件”会发送启动指令给直线电机磁感负重模组，进行应一轮的程序运行；

当用户要主动停止训练时，可按下操作杆上的急停按钮，或者脚踏训练站台上的急停按钮，直线电机磁感负重模组停止工作，并将信息传送给运行在智能工业平板电脑上的“磁重力训练健身教练软件”，同时发提示音。

采用上述方案后，采用本发明多功能智能优化健身设备的健身方法利用直线电机磁感负重模组来替代传统的笨重配重块，运用电磁感应原理，提供训练用的负重，结构更加轻便，也易于调节。本发明采用智能工业平板电脑及具有视觉组件的传感器组件，传感器组件的视觉组件采集训练者运动图像信息，通过传感器组件接口发送给智能工业平板电脑中的soc单片系统进行处理，soc单片系统解析出训练者图像信息，检测、判断分析操作杆的位置、训练者的训练姿态、动作及运动轨迹，并通过触摸屏显示器为训练者提供最佳训练指导并降低训练者受伤的风险。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明直线电机磁感负重模组的结构示意图。

图3为本发明直线电机磁感负重模组恒定负重的动作示意图。

图4为本发明动子移动速度及电流曲线示意图。

图5为本发明带钢丝绳的滑轮组结构示意图一。

图6为本发明带钢丝绳的滑轮组结构示意图一。

图7为本发明视觉检测项目示意图一。

图8为本发明视觉检测项目示意图二。

图9为本发明视觉检测项目示意图三。

图10为本发明的操作流程示意图。

图11为本发明速度检测示意图。

图12为本发明多功能智能优化健身设备其中一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

本发明涉及健身器材和系统中使用的智能工业平板电脑2及直线电机磁感负重模组3，利用智能工业平板电脑2管理、协调直线电机磁感负重模组3。本发明的直线电机磁感负重模组3通常代替现有健身器械中的重量，并带其他传统阻力元件的功能。

如图1及图12所示，本发明一种多功能智能优化健身设备，包括：健身器械1、智能工业平板电脑2、直线电机磁感负重模组3及传感器组件4。

所述健身器械1包括机架11、训练操作平台12、滑轮组13、钢丝绳14及操作杆15，所述智能工业平板电脑2、直线电机磁感负重模组3及传感器组件4分别设置在机架11上。健身器械1可为各种拉力健身器械、蹬腿机、辅助式双杠和引体向上机、仰卧推举机等等，健身器械1的机架11上设置有训练操作平台12，根据不同的健身器械1，操作平台12的设置各不相同，操作平台12可以是训练站台和/健身凳和/或躺椅等，所述滑轮组13设置在机架11上，且滑轮组13通常具有两组，两组滑轮组13呈对称设置在训练操作平台12上，对应操作者的左右手或左右脚，每一组滑轮组13上装配有钢丝绳14及一编码器，编码器用以检测对应滑轮组13上的钢丝绳14的移动长度，用来判断训练者的左右手/左右脚的操作是否平衡，滑轮组13及钢丝绳14根据不同的设备设置在不同的位置，钢丝绳14直接或间接连接操作杆15，操作杆15可为把手、拉环、皮带、推杆或类似部件，供用户施力，钢丝绳14的另一端连接直线电机磁感负重模组3，钢丝绳14安装在直流电机动子的一端，滑轮组13可滑动的配合在钢丝绳14上。

所述智能工业平板电脑2设置在健身器械1的机架11上，可位于健身器械1的正面或侧面，智能工业平板电脑2主要包括soc单片系统202、触摸屏显示器204、负重模组控制器通讯端口210及传感器组件接口211，soc单片系统202是智能工业平板电脑2的核心，soc单片系统202上安装有"磁重力训练健身教练软件"，触摸屏显示器204连接soc单片系统202，并显示所述“磁重力训练健身教练软件”的人机交互界面，提供用户操作并获取信息；负重模组控制器通讯端口210连接soc单片系统202及直线电机磁感负重模组3，使soc单片系统202可发送指令或接收直线电机磁感负重模组3的数据信息，实现soc单片系统202与直线电机磁感负重模组3的信息交互。传感器组件接口211连接soc单片系统202与传感器模组4，实现soc单片系统202与传感器模组4的信息交互。

除此以外，智能工业平板电脑2还包括电源201、soc单片系统202、存储器203、wifi模块205、rj45网络端口206、usb接口207、音频放大组件208、扬声器209、蓝牙模块212及mic组件213。所述soc单片系统202与电源201、存储器203、wifi模块205、rj45网络端口206、usb接口207、音频放大组件208、扬声器209、蓝牙模块212相连。电源201可为智能工业平板电脑2提供直流电源。所述存储器203与soc单片系统202相连，提供存储空间。所述wifi模块205、rj45网络端口206用于联网，使装设在soc单片系统202的“磁重力训练健身教练软件”可将训练者的健身历史数据、姿态图像等健身信息发送到云端服务器，便于训练者和健身专家在其它设备的获取健身信息。所述usb接口207方便训练者用u盘拷贝健身信息。所述音频放大组件208及扬声器209配合可实现语音播放功能。所述mic组件213可实现用户语音控制功能。

所述直线电机磁感负重模组3包括直线电机31及直线电机控制器32。所述直线电机31包括直线电机定子311及直线电机动子312，直线电机动子312上安装有直线电机接口313、电流传感器、温度传感器316及位置传感器317，直线电机定子311的两端各安装一个安装位置极限开关318，直线电机动子312安装有阻力线圈，所述电流传感器为测试阻力线圈电流的霍尔电流传感器。直线电机31可依据健身设备的不同和对负重要求的不同，选择定制。

所述直线电机控制器32包括pwm电机驱动器321、直线电机控制接口322及通讯端口323，直线电机接口313与直线电机控制接口322通过软排线相连，所述pwm电机驱动器321通过直线电机控制接口322控制直线电机31，直线电机控制器32通过通讯端口323与智能工业平板电脑2上的负重模组控制器通讯端口210相连，接收负重模组控制器通讯端口210发出的控制指令，反馈直线电机31的运动状态。pwm电机驱动器321采用恒定线圈电流驱动模式，使所述直线电机动子312产生恒定的推力，实现恒定的训练负重。pwm电机驱动器32的规格和直线电机31的规格配套。

传感器组件4包括视觉组件41、行程开关组件42及急停开关组件43。视觉组件41、行程开关组件42及急停开关组件43可使用外挂电缆分别安装在设备相应的位置。

所述行程开关组件42通过传感器组件接口211与智能工业平板电脑2相连，提供训练的开始和停止操作。

所述急停开关组件43与pwm电机驱动器321相连，提供应急的设备停止功能。

所述视觉组件41包含一组(多个)安装在健身器械1的视觉组件，针对不同的健身设备，有不同的安装数量和安装位置。视觉组件41采集训练者的四肢运动范围视野内的物体红外反射时间信息，处理解析出训练者的四肢运动姿态3d图像信息，片系统202处理通过传感器组件接口211发送给智能工业平板电脑)中的soc单，soc单片系统202解析出训练者的四肢运动姿态图像信息，检测、判断分析操作杆的位置、训练者的训练姿态、动作，运动轨迹，“磁重力训练健身教练软件”通过触摸屏显示器204和语音提示指导训练者。

如图2及图3所示，本发明直线电机磁感负重模组3的负重和电磁感应原理如下：

直线电机定子311为磁轨，直线电机动子312安装阻力线圈，pwm电机驱动器321采用恒定线圈电流驱动模式，当直线电机磁感负重模组3启动时，将单相交流电转换成三相交流电，通过直线电机控制接口322输入给直线电机31，使直线电机动子312产生恒定向下的驱动力即动子推力fout模拟重力。训练者向上拉动钢丝绳14，当拉动力fdo大于向下的驱动力(即动子推力fout)时，直线电机动子312向上移动；相等时，直线电机动子312静止；当拉动力fdo小于向下的驱动力(动子推力fout)时，直线电机动子312向下移动。

如图3配合图4所示，pwm电机驱动器321设置为恒线圈电流驱动模式，启动时，三相线圈驱动电流均值iout为已设置的电流均值，电流依据动子线圈电流检测值itest的变化，自动调节三相线圈驱动电流均值iout，使三相线圈实际电流均值ia保持恒定，即动子推力fout(模拟重力)保持恒定，即ia＝iout+irevfout＝cm*ia。

当直线电机动子312碰触到极限开关318时，直线电机极限开关状态salarm发生变化，pwm电机驱动器321立即停止工作，输出驱动电流为0。pwm电机驱动器32通过温度传感器316实时检测直线电机动子312的温度，当温度超过警戒值时，pwm电机驱动器321立即停止工作，输出驱动电流为0。

直线电机磁感负重模组3在开启过程中，通过位置传感器317实时将直线电机动子312的动子位置传感器检测位置编码信息ptest计算成绝对位移数据，通过直线电机控制器32中的通讯端口323发给智能工业平板电脑2。

本发明健身器械1中，滑轮组13及钢丝绳14其中一实施例的工作原理参照如图5所示，当训练者滑动臂拉出钢丝绳14的长度为l1，滑轮组13下降的长度l2＝l1/2；直线电机动子312上升的长度l3＝2l1，实现一边手拉钢丝绳的拉力是作用在动子上的拉力的1/2。滑轮组13上安装的两个编码器用于检测两端的钢丝绳14移动的长度，用来判断训练者的左右手的操作是否平衡。

本发明健身器械1中，滑轮组13及钢丝绳14另一实施例的工作原理参照如图6所示，当训练者拉出钢丝绳14长度为l1，滑轮组13下降l2＝l1/2；直线电机动子312上升l3＝2l1。滑轮组13上安装的两个编码器131用于检测两端的钢丝绳14移动的长度，用来判断训练者的左右手的操作是否平衡。

如图7、图8及图9所示，通过视觉组件41检测训练者手握的操作杆水平a、操作杆位置b、握杆宽度c、杆左右长度d、步宽e，其中杆左右长度d包括杆左长度d1和杆右长度d2、躺卧上下幅度f、背弧g及训练者的训练移动轨迹和移动范围。视觉组件41检测、判断分析操作杆的位置、训练者的训练姿态、动作，为训练者提供最佳训练指导并降低训练者受伤的风险。

如图10所示为本发明的具体操作流程图，操作说明如下：

①开始指令

用户通过触摸屏显示器204点击开始按钮，软件显示“是否开始”，选择“是”电机解锁，系统进入②倒数时间；若选择“否”，系统回复初始状态，并侦测“开始”指令；

②倒数时间

预设符合用户作准备就位的时间，系统进入倒计时，并在屏幕上显示具体的倒数时间；

③配合图11所示，图11为一个往复训练的速度检测示意图，速度通过位置传感器反馈的值计算获得，速度＝位移/时间，目的为计算用户当下的训练状态，位移信息也可从滑轮上安装的编码器获得，定义如下：

v+max：设置的动子正常向上移动的最大速度值；

v+min：设置的动子正常向上移动的最小速度值；

t1：测试的直线动机动子312向上移动达到最小速度值的时间；

t+max：设置的直线动机动子312在上顶点停留的最长时间；

t+min：设置的直线动机动子312在上顶点停留的最短时间；

t2：测试的直线动机动子312在上顶点停留的时间；

vtest:测试的动子移动的实际速度值；

ttest:测试的动子从停止到达v+min(向上移动)/v-min(向下移动)的实际时间；

v-max：设置的动子正常向下移动的最大速度值；

v-min：设置的动子正常向下移动的最小速度值；

t3：测试的动子向下移动达到最小速度值的时间

t0max：设置的动子在起始点停留的最长时间

t0min：设置的动子在起始点停留的最短时间

t4：测试的动子在起始点停留的时间

运行在智能工业平板电脑2上的磁重力训练健身教练软件获取直线电机磁感负重模组3传送的直线电机动子312的移动速度值；

直线电机动子312向上移动时，

ttest>t1，判断为力竭/在间竭停顿继续；

ttest<t1，延迟一小段时间，开始判断vtest，vtest>v+max，判断为负荷太轻；

t2>t+max或t2<t+min，判断为动作太快不规范；

直线电机动子312向下移动时，

ttest<t3，判断为力竭；

ttest>t3，延迟一小段时间，开始判断vtest，vtest>v-min，判断为动作太慢，可提示加快/正进行负行程负荷训练；vtest<v-max，判断为力竭/使用不当，危险；

t4>t0max或t4<t0min，判断为动作太快不规范；

④预选程序

用户经过训练后，可根据训练制定预选程序，存储于系统记忆；

⑤死点检测

用户需要在上顶点/起始点附近位置停留一定的时间再继续；

⑥减荷1

以原负荷％扣减；

⑦减荷2

以原负荷％扣减，但必须扣减多于减荷1；

⑧检测就位

针对一系列的启动动作，判定用户已就位。

比如：空载3下，然后到达起动点；

⑨用户紧急停机

采用脚踏、手按急停开关组件43或语音的方式实现。

图12为本发明的多功能智能优化健身设备的一种具体实施例，包括机架11、智能工业平板电脑2、直线电机磁感负重模组3、钢丝绳14、滑轮组13、可调运动操作杆组件15、训练站台121、健身凳122组成。配合配套的“磁重力训练健身教练软件”，形成一套完整的健身训练设备。

所述直线电机磁感负重模组3可选择较大额定推力的直线电机，由于启动过程中，直线电机线圈会发热，可在直线电机上增加带风扇的散热片。

所述钢丝绳14和滑轮组13采用图3所示结构。

所述可调运动操作杆组件15可自由上下移动及调整，移动及调整到对应健身模式的位置。

直线电机磁感负重模组可运用于蹬腿机、引体向上机、仰卧举重机等各类健身器材。

使用本发明多功能智能优化健身设备的健身方法，包括以下步骤：

步骤一：用户在“磁重力训练健身教练软件”界面上选择健身模式；肩推模式、拉背模式、前拉模式、深蹲模式、背推模式或硬拉模式；

步骤二：用户移动及调整可调运动操作杆组件15到对应健身模式的位置；

步骤三：用户按下“磁重力训练健身教练软件”界面上的“开始健身”按键；

步骤四：用户手握可调运动操作杆组件15上的操作杆，上下推动操作杆三次，直线电机磁感负重模组3检测到位置传感器317的信息并转换成位移信息，发送给智能工业平板电脑2；

步骤五：运行在智能工业平板电脑2上的“磁重力训练健身教练软件”获取到三次的位移信息后，判断为是用户已就位的发送开始训练的请求，就发启动指令和用户设置的参数给直线电机磁感负重模组3，并同时发出提示音；

步骤六：直线电机磁感负重模组3收到启动指令和用户设置的参数后，解锁直线电机动子312，依据参数值加载用户设置的负重值对应的三相线圈驱动电流；

步骤七：用户开始训练，施加力，所述操作杆将连接的钢丝绳14拉出，再通过滑轮组13拉动连接的直线电机磁感负重模组3上的直线电机动子312向上移动，直线电机控制器32控制直线电机动子312产生的向下的推力(模拟重力)，当拉动力大于向下的驱动力时，直线电机动子312向上移动；相等时，直线电机动子312静止；当拉动力小于向下的驱动力时，直线电机动子312向下移动；即实现用户的手臂上下伸屈的负重训练。在训练过程中，直线电机磁感负重模组3检测到位置传感器317的信息并转换成位移信息，发送给智能工业平板电脑2，依据位移的位置、速度和加速度信息，智能工业平板电脑2的soc单片系统202自动计算用户的训练往复次数及判断用户是否力竭，力竭则依据设置的训练模式，自动降低负重或自动停止工作，并发出提示音；同时，视觉组件41采集训练者的四肢运动范围视野内的物体红外反射时间信息，处理解析出训练者的四肢运动姿态3d图像信息，通过传感器组件接口211发送给智能工业平板电脑2中的soc单片系统202处理，解析出训练者的四肢运动姿态图像信息，分析训练者的训练姿态、动作速度、运动轨迹，“磁重力训练健身教练软件”通过触摸屏显示器204和语音提示指导训练者；

依据用户选择的训练模式，用户完成一组训练后，智能工业平板电脑2上的“磁重力训练健身教练软件”自动计算判断用户已完成了一组训练后，会发送停止指令给直线电机磁感负重模组3，停止工作，并发送提示音，驱动电流为零，无推动力，即无重力；

依据用户选择的训练模式，停止工作一段时间后，智能工业平板电脑2上的“磁重力训练健身教练软件”会发送启动指令给直线电机磁感负重模组3，进行应一轮的程序运行。

当用户要主动停止训练时，可按下操作杆上的急停按钮，或者脚踏训练站台上的急停按钮，直线电机磁感负重模组3停止工作，并将信息传送给运行在智能工业平板电脑2上的“磁重力训练健身教练软件”，同时发提示音。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。