（湖南三一工業(yè)職業(yè)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)生，從而給人們提供安全便捷的健身器材。該產(chǎn)品還能夠對運動數(shù)據(jù)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(chuàng)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(shù)據(jù)，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(fā)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(chǎn)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(xiàn)啞鈴配重片的增加和減少，由電氣部分實現(xiàn)智能運動控制以及數(shù)據(jù)記錄和分析。本產(chǎn)品具有智能配重調節(jié)和智能運動數(shù)據(jù)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(jié)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(xiàn)啞鈴重量的調節(jié)，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(tǒng)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?，F(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)記錄

采用K60系列32位單片機，通過三軸加速度傳感器對數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對訓練者每次訓練所消耗的功的計算和統(tǒng)計總共做的次數(shù)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(xiàn)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(jù)你的選擇為訓練提供相適合有節(jié)奏的音樂環(huán)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(lián)

可連接手機APP通過對記錄的運動數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xié)調地實現(xiàn)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(jù)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(tài)，且各處機構處于收縮狀態(tài)，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(tài)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(xiàn)

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(jié)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(xiàn)啞鈴重量的調節(jié)，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(tǒng)結構圖

4.2 智能運動數(shù)據(jù)采集記錄的實現(xiàn)

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(xiàn)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(fā)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(xiàn)人機互動的功能。如圖2所示。

4.3 智能手機互聯(lián)的實現(xiàn)

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

5 創(chuàng)新點及應用

5.1 創(chuàng)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(fā)生危險，并節(jié)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(wǎng)絡化，成為智能教練：與智能終端網(wǎng)絡互聯(lián)，實時記錄鍛煉數(shù)據(jù)，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(tài)，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(xiàn)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(wǎng)絡化的結合，具有重要的優(yōu)勢和良好的市場前景。