基于“互聯網+”的智能家用啞鈴設計與實現

（湖南三一工業職業技術學院 湖南·長沙 410100）

1 設計簡介

1.1 研制背景及意義

隨著我國逐漸越來越多的人熱愛健身，健身器材逐漸走進家庭，啞鈴類產品作為一種常見的健身器材，受到廣大人民群眾的歡迎，隨之而來的，人們的健身安全意識也逐步提高，因為啞鈴類產品需要自己手動拆卸配重塊，十分不便且具有安全隱患，市場急需一款能夠自動配重的智能啞鈴，以避免事故的發生，從而給人們提供安全便捷的健身器材。該產品還能夠對運動數據進行分析和對運動進行指導，具備非常廣泛的市場前景。

1.2 研制意義

通過收集不同健身群體的意見，創意設計出更加安全方便的啞鈴，能夠智能指導運動訓練，記錄運動數據，并智能識別指令并進行配重，為我國的健身人群提供更好的便捷性和安全性，為家庭、健身房和競技比賽提供更好的健身器材。

2 設計方案

2.1 總體設計構想

本次設計的整體構想為采用新的結構設計，新的材料以及技術開發出一款新型智能化且高安全的智能啞鈴，以達到保證健身人們的人身安全的目的，利用新型技術給人們提供便捷性、安全性。

本智能啞鈴產品采用機電結合設計，整體主要由底座、啞鈴體、配重片三部分組成，由機械化結構實現啞鈴配重片的增加和減少，由電氣部分實現智能運動控制以及數據記錄和分析。本產品具有智能配重調節和智能運動數據分析、健身指導功能，使用者可以通過手機APP記錄和得到健身指導與時間提醒，智能調節所需配重。也可以手動進行操作，按動啞鈴上的重量增減按鈕，來實現啞鈴重量的調節，動力電源從底座通過觸點傳輸至啞鈴，只要拿起啞鈴便不會有誤觸掉落風險。

2.2 一鍵自動拆裝配重

傳統的啞鈴或者目前市場使用較多的啞鈴，存在拆裝配重片需要手動進行操作，并且配重片存在運動過程中掉落的危險。現在啞鈴上設計一鍵自動拆裝配重的功能，通過控制減速電機，連接減速箱，帶動絲桿轉動，利用內滑管移動不同距離實現鎖住和松開放置在底座上的不同配重片。只有當啞鈴體放置在底座上時，電源才連通，動力電源從底座通過觸點傳輸至啞鈴，只要拿起啞鈴即斷開連接，鎖住后配重片便不會有誤觸掉落風險。

2.3 智能運動數據記錄

采用K60系列32位單片機，通過三軸加速度傳感器對數據采集，實現對訓練者每次訓練所消耗的功的計算和統計總共做的次數的功能，以此反饋給訓練者相適合的訓練計劃；通過語音識別模塊采集語音信息，反饋給MCU并進行分析，再通過控制揚聲器進行語音反饋，實現人機互動的功能；由于練習有時會感到很枯燥，可以配合自己喜歡的音樂練習，或跟隨音樂做啞鈴健身操，其中智能啞鈴會根據你的選擇為訓練提供相適合有節奏的音樂環境；液晶顯示和按鍵操作，通過設置相應的模式和進行相應的查詢功能，更加便捷、有效地進行科學的鍛煉計劃。

2.4 智能手機互聯

可連接手機APP通過對記錄的運動數據進行分析，反饋制定合適的訓練計劃，更具人性化，能更好地實現對健身計劃的指導作用。

3 理論設計計算

3.1 總體尺寸設計

此作品最大特點在于采用機電結合設計，因此只有設計好機械結構尺寸和電氣線路才能合理、協調地實現其功能。整體外形尺寸：考慮到適合人們的使用以及場地空間的占用，智能啞鈴整體尺寸取450mm×234mm。配重片尺寸：根據市場主流配重片，為了符合不同配重的選擇，配重片分為4種尺寸，由大到小依次遞減，直徑分別為210mm、200mm、190mm、160mm。主體管尺寸：考慮到主體管的承重，中間管直徑為30mm，兩端管徑為26mm。

3.2 強度與剛度校核

智能啞鈴在使用時處于承重狀態，且各處機構處于收縮狀態，強度設計有特別要求，必須滿足使用條件。在設計啞鈴結構時，需要考慮配重片與內滑管連接處強度是否足夠，計算使用壽命是否滿足使用年限等。我們參考了市場上性能類似配重片的選材，并結合此作品的結構及設計要求對承重構件進行了校核。

已知絲桿與內滑管通過螺紋連接，對其進行受力分析可知，絲桿主要受彎矩作用，最大彎曲正應力小于許用彎曲應力，滿足強度要求。立主體管受彎矩與剪切力合成作用，得到其受力圖、彎矩圖、剪力圖，可知主體管危險截面為兩端截面，計算得出最大彎曲正應力小于許用彎曲應力，最大剪應力小于許用剪切應力，主體管承受最大載荷狀態下的最大變形量（撓度）完全滿足使用要求。已知主體管長410mm，當加上4塊配重片后，主體管承受豎直重力，設計重心落在主體管軸線上，計算得出主體管壽命高于預期壽命，符合條件。

4 工作原理及主要功能

4.1 一鍵自動拆裝配重的實現

啞鈴體兩端的端蓋中設置有臥式12GAN20-236減速電機，并與減速箱連接，帶動絲桿轉動，以調節內滑管移動來鎖住和松開放置在底座上的配重片目的。按動啞鈴支架蓋板上的重量增減鍵，來實現啞鈴重量的調節，動力電源從底座通過觸點傳輸至啞鈴，只要拿起啞鈴即斷開連接，配重片便不會有誤觸掉落風險。如圖1所示。

圖1：自動拆裝配重過程

圖2：智能啞鈴硬件系統結構圖

4.2 智能運動數據采集記錄的實現

啞鈴體主體管中設置主控芯片、傳感器模塊和語音模塊，實現能夠采集、處理訓練信息，并將訓練結果記錄加以語音播放。采用飛思卡爾公司的K60微控制器為主控芯片，處理傳感器模塊采集的信息，并對語音模塊進行信息交互和實時控制，為了能夠采集有效信息，傳感器采用對運動量可以精確采集的MMA8451三軸加速度計和三軸陀螺儀，它們能夠有效地采集訓練的信息量，并周期性的發送給MCU。語音模塊作為本設計中的人機交互通道，把MCU處理后的有效信息通過語音播報的形式反饋給訓練者，并把訓練者的語音控制指令傳輸給MCU，用語音對啞鈴進行控制，如選擇播放不同的音樂等，實現人機互動的功能。如圖2所示。

4.3 智能手機互聯的實現

可通過下載配套的手機APP，啞鈴主控芯片記錄的運動數據上傳至軟件中進行分析，與傳統啞鈴機械式的鍛煉方式相比，能更好地實現對健身計劃的指導作用，達到科學健身的目的。

5 創新點及應用

5.1 創新點

智能化，簡單高效：一鍵自動拆裝配重，精準到位，不會有擰不緊螺絲進而發生危險，并節省準備時間。高安全且實用：電源從底座通過觸點傳輸至啞鈴，只要拿起啞鈴便不會有誤觸掉落風險。利用新型技術給人們提供便捷性、安全性。網絡化，成為智能教練：與智能終端網絡互聯，實時記錄鍛煉數據，并進行健身指導，可連接手機APP通過握手部分測得心率，及時播報提示最佳運動狀態，后期也能通APP拓展更多智能服務。

5.2 應用

這款新型啞鈴，融合現代科技為廣大健身者提供多功能服務。在面對各類健身者時，均能滿足他們個性化與人性化的需求，推廣范圍廣泛。智能化、安全化、網絡化的結合，具有重要的優勢和良好的市場前景。