鄺智煒 李漾 曹克成

摘要：由于全球新冠疫情蔓延，世界各地普拉提工作室面臨關(guān)閉停業(yè)，普拉提愛好者沒有機(jī)會(huì)到工作室如常鍛煉，為了讓全球普拉提愛好者能夠在疫情封閉期間依然保持普拉提運(yùn)動(dòng)鍛煉，全球普拉提工作室、普拉提床品牌都需要開展在線教學(xué)和鍛煉活動(dòng)，因此急需家用普拉提床設(shè)備。詳細(xì)描述了家用智能普拉提床的硬件、軟件和云平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)提出一種適用于全球范圍的商業(yè)化解決方案，打造家用在線普拉提練習(xí)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：普拉提床;物聯(lián)網(wǎng);傳感器

中圖分類號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0144-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Development of Smart Home Pilates Reformer Based on Internet of Things Technology

Kuang Zhiwei1，Li Yang2， 3，Cao Kecheng4

（1. Guangzhou Xnutshell Limited， Guangzhou 510160， China;

2. Foshan Hengsheng Medical Automation Co.， Ltd.， Foshan， Guangdong 528248， China;

3. South China University of Technology， Guangzhou 510640， China;

4. Guangzhou Likang Fitness Equipment Limited， Guangzhou 510420， China）

Abstract： Due to the spread of the global COVID， Pilates studios are closed all over the world， Pilates enthusiasts have no chance to exercise in the studios as usual. In order to support Pilates enthusiasts around the world to maintain Pilates exercises during the lock-down period， global Pilates studios and Pilates reformer brands need to start online training and exercise activities. Therefore， there is an urgent need for home Pilates reformer. The design and implementation of home smart Pilates reformer both at hardware， software and cloud platform were described in details， using sensor technology， Internet of Things technology， cloud computing technology， a feasible commercial solution applicable to the global scope was proposed to create a home online Pilates practice environment.

Key words： Pilates reformer; Internet of Things; sensor

0 引言

普拉提的英文是 Pilates （Pilates Method），即“普拉提”（或稱“普拉提技術(shù)”）。是以德國人約瑟夫·休伯特斯·普拉提（Joseph Hubertus Pilates）姓氏命名的一種運(yùn)動(dòng)方式和技能。普拉提生前對(duì)自創(chuàng)的這一套獨(dú)特訓(xùn)練動(dòng)作、運(yùn)動(dòng)的技能稱為“控制術(shù)”（Contrology）。

狹義普拉提運(yùn)動(dòng)的范圍：普拉提夫婦總共創(chuàng)造了超500個(gè)動(dòng)作，大部分是拍成照片或記錄片被保存下來的。它們包括了墊上操及普拉提先生所發(fā)明的工作室器械的動(dòng)作，這就是狹義的普拉提運(yùn)動(dòng)的概念。廣義的普拉提運(yùn)動(dòng)概念：普拉提首先是一種運(yùn)動(dòng)，它主要是鍛煉人體深層的小肌肉群，維持和改善外觀正?；顒?dòng)姿勢(shì)、達(dá)到身體平衡、創(chuàng)展軀干和肢體的活動(dòng)范圍和活動(dòng)能力、強(qiáng)調(diào)對(duì)核心肌群的控制、加強(qiáng)人腦對(duì)肢體及骨骼肌肉組織的神經(jīng)感應(yīng)及支配，再配合正確的呼吸方法所進(jìn)行的一項(xiàng)全身協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

普拉提集體健身課是專為在辦公室工作的人群設(shè)計(jì)的，他們由于長(zhǎng)時(shí)間在辦公桌和電腦前工作而導(dǎo)致肌肉發(fā)展失衡，這種課程主要是針對(duì)腹肌、髖肌群、肩、背等部位的肌肉訓(xùn)練。有規(guī)律地進(jìn)行普拉提鍛煉可糾正身體姿態(tài)，放松腰部、頸部，解決肩部問題，收緊手臂、腹部的松弛肌肉。很多專業(yè)的運(yùn)動(dòng)員也用普拉提練習(xí)來避免運(yùn)動(dòng)損傷或治療腰痛[1-2]。近年來美國、澳洲、歐洲等發(fā)達(dá)國家/地區(qū)涌現(xiàn)了諸如Solidcore、Lagree fitness 、 Club Pilates 等知名普拉提工作室品牌，通過普拉提床（Pilates reformer）在工作室中開展團(tuán)課訓(xùn)練，配合強(qiáng)勁而帶有節(jié)奏感的音樂，在教練的帶動(dòng)和指導(dǎo)下，使練習(xí)者高效鍛煉45 min就可達(dá)到身心放松、姿態(tài)調(diào)整、運(yùn)動(dòng)康復(fù)等功效。國內(nèi)各體育院校也對(duì)普拉提運(yùn)動(dòng)進(jìn)行深入研究分析、推廣和普及，證明了其科學(xué)性和對(duì)身體、心理的積極影響[3-4]。

自新冠肺炎席卷全球以來，幾乎所有普拉提工作室和健身房都面臨停業(yè)，大批從業(yè)者和工作室會(huì)員停止了日常訓(xùn)練，導(dǎo)致對(duì)生活、工作和學(xué)習(xí)造成身心影響。健身運(yùn)動(dòng)行業(yè)順勢(shì)而為踏上互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展快車，拓展線上訓(xùn)練活動(dòng)，其中表現(xiàn)突出的有 Peloton 、Keep等知名在線健身運(yùn)動(dòng)品牌[5-6]。目前國內(nèi)外在線健身運(yùn)動(dòng)基本集中于團(tuán)操、力量訓(xùn)練、動(dòng)感單車等常規(guī)項(xiàng)目，沒有涉及普拉提運(yùn)動(dòng)這類專業(yè)的、需教練同步訂制訓(xùn)練方案的方式。由于傳統(tǒng)普拉提床體積偏大，缺乏智能監(jiān)控和檢測(cè)功能，導(dǎo)致長(zhǎng)期難以開展線上練習(xí)，使全球普拉提愛好者在新冠肺炎肆虐期間失去了鍛煉的機(jī)會(huì)。為了解決這個(gè)需求和矛盾，本文主要闡述基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的家用智能普拉提床的開發(fā)、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，借此為全球普拉提運(yùn)動(dòng)愛好者提供家用智能設(shè)備，結(jié)合全球各大普拉提工作室、品牌的團(tuán)課 App和在線培訓(xùn)教練，以便其繼續(xù)鍛煉身心，以正能量方式迎接全球新冠疫情，為共建人類命運(yùn)共同體出一份力。

1 硬件設(shè)計(jì)

普拉提床主要由床主架、導(dǎo)軌、滑墊、阻力器（彈力帶、彈簧、液壓缸、氣壓缸）、前墊、后墊、拉繩與滑輪、腳把和跳板等組成。工作室用普拉提床一般長(zhǎng)2.3～3 m ，寬60～70 cm ，高40 cm ，家用普拉提床則以輕便、易于收納、易于移動(dòng)為主。

1.1 普拉提床設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的家用普拉提床，在主架中央加入活頁結(jié)構(gòu)，使用者可從中間提起，將普拉提床折疊，其長(zhǎng)度可縮短一半，易于收納于雜物房、車庫、床下等地方，如圖1所示。

1.1.1 結(jié)構(gòu)概述

普拉提床前墊處設(shè)計(jì)皮革綁帶，用于練習(xí)者固定腳步使用。導(dǎo)軌采用不銹鋼方管，滑墊下安裝4個(gè)滾輪，滾輪在不銹鋼導(dǎo)軌上滑動(dòng)，滾輪分兩組，其中一組為水平方向放置，用于限定滑墊左右移動(dòng)，另一組為垂直方向放置，用于支撐滑墊和使用者負(fù)荷。前墊下部裝有5根彈簧固定柱，固定柱用于安裝不同阻力的彈簧或彈力帶，如需要實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)，則可以改為液壓或氣壓阻力缸。彈簧固定柱的下方設(shè)計(jì)有微動(dòng)開關(guān)，當(dāng)彈簧環(huán)壓下后，觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)通斷，從而發(fā)送信號(hào)到總控制器，獲知當(dāng)前掛上彈簧的總拉力。

普拉提床后端設(shè)計(jì)兩根支柱，支柱上的萬向軸承連接滑輪，拉繩（布繩或鐵索）通過滑輪并讓練習(xí)者緊握手把，練習(xí)者施加拉力便能和阻力器聯(lián)動(dòng)產(chǎn)生不同程度的阻力，用于普拉提練習(xí)。

1.1.2 可調(diào)腳把設(shè)計(jì)

腳把用于普拉提運(yùn)動(dòng)時(shí)手部、腳部支撐，從而鍛煉核心肌群。鑒于不同角度對(duì)發(fā)力點(diǎn)、平衡點(diǎn)和目標(biāo)肌群有不同作用，腳把設(shè)計(jì)為可調(diào)角度型。通過側(cè)面角度定位孔板和易插拔彈力銷，練習(xí)者可以方便地改變腳把角度，完成不同動(dòng)作，如圖2所示。

1.1.3 跳板設(shè)計(jì)

跳板（Jumpboard）用于普拉提運(yùn)動(dòng)中有氧訓(xùn)練，練習(xí)者臥于滑墊上，通過雙腳踩踏跳板以及阻力器的牽引，形成水平方向阻力的彈跳運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)將跳板設(shè)計(jì)成分離可拆式，當(dāng)不需要使用跳板時(shí)，可松開跳板支腳固定銷并取出跳板，如需要使用則對(duì)著床身上的定位孔插入使用。其中跳板和可調(diào)腳把可以配合使用或各自單獨(dú)使用，取決于具體課程的編制和教練對(duì)練習(xí)會(huì)員的指導(dǎo)。

1.2 傳感器設(shè)計(jì)

家用智能普拉提床，除了傳統(tǒng)普拉提床的機(jī)械部分外，還需要配備智能傳感器，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量和傳送，配合在線課程 App和線上教練、會(huì)員互動(dòng)。在傳遞運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)中包含如消耗的能量、滑動(dòng)的次數(shù)、當(dāng)前阻力值等，其中實(shí)時(shí)消耗能量具有指導(dǎo)意義，在線課程中教練需要根據(jù)練習(xí)者鍛煉的強(qiáng)度與消耗能量的情況，從而調(diào)整其課程訓(xùn)練和動(dòng)作組合。在多人在線教學(xué)中，也可以通過每位練習(xí)者的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行競(jìng)賽以提高其趣味性和參與性。鍛煉數(shù)據(jù)的采集還可以根據(jù)大數(shù)據(jù)與類似人群的對(duì)比，以及練習(xí)者自身鍛煉歷史的習(xí)慣和消耗，系統(tǒng)提供定制化的飲食餐單以及熱量消耗表，兩者結(jié)合使鍛煉效果更佳，為運(yùn)動(dòng)成果加分[7]。

實(shí)時(shí)消耗能量計(jì)算如下：

式中： E 為練習(xí)者訓(xùn)練做功的總消耗能量， J ， 1 J =0.2389 cal;α為制造誤差修正系數(shù);f為彈簧阻力，N; W 為練習(xí)者體重，kg;w 為滑墊架重量，kg;g 為重力系數(shù)，g≈9.8 N/kg;u 為滑墊架滾輪的滾動(dòng)摩擦因數(shù);s 為單次滑墊架運(yùn)動(dòng)位移，m ，對(duì) s 微分得到速度 v ，v 的運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)所走過的位移s 為單次滑墊架運(yùn)動(dòng)位移;i為每次位移的記號(hào)（對(duì)si求和即得到練習(xí)者訓(xùn)練做功的總位移）。

1.2.1 滑墊架距離傳感器

作為普拉提床最核心的部件“滑墊”，通過滑輪在主架導(dǎo)軌上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其位移是重要測(cè)量參數(shù)。由于練習(xí)過程中需要頻繁切換動(dòng)作，練習(xí)者可能會(huì)和測(cè)距傳感器產(chǎn)生干涉，因此本文采用非接觸式距離測(cè)量，在前墊中部設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距傳感器[8]或紅外激光測(cè)距傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量滑墊離開、靠近前墊時(shí)的距離 s ，通過微分運(yùn)算即可得到實(shí)時(shí)滑墊速度 v 和運(yùn)動(dòng)方向（前或后），從而可以累計(jì)計(jì)算練習(xí)者滑動(dòng)的次數(shù) c （運(yùn)動(dòng)方向反向則計(jì)數(shù)為滑動(dòng)一次）。為了降低練習(xí)者平躺時(shí)對(duì)超聲波傳感器的信號(hào)干擾（頭發(fā)，衣服或運(yùn)動(dòng)時(shí)手臂、腿部的擺動(dòng)等），選擇檢測(cè)錐度范圍小的超聲波測(cè)距傳感器是關(guān)鍵，將超聲波測(cè)距傳感器安裝在彈簧固定住后壁中部位置，對(duì)準(zhǔn)滑墊架底部平面金屬，同樣可以提高檢測(cè)精度和減少測(cè)量誤差。具體設(shè)計(jì)如圖3所示?？紤]到家用場(chǎng)合燈光變化對(duì)紅外激光測(cè)距傳感器的影響，如使用紅外激光測(cè)距傳感器，需要將測(cè)量探頭設(shè)計(jì)在導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)遮光面。綜合考慮性能與成本，采用超聲波測(cè)距傳感器具有明顯優(yōu)勢(shì)，因而本文設(shè)計(jì)的智能普拉提床采用超聲波測(cè)距傳感器，其測(cè)量定位精度為±3 mm ，重復(fù)定位精度為±3mm ，優(yōu)于普拉提項(xiàng)目的訓(xùn)練要求。

1.2.2 彈簧座開關(guān)傳感器

彈簧是普拉提床阻力發(fā)生裝置，此處也可以引入可調(diào)液壓/氣動(dòng)缸和微型控制器做連續(xù)線性可調(diào)裝置，本文僅討論機(jī)械式彈簧座裝置。通過不同的彈簧組合，可以讓使用者獲得不同的阻力值。根據(jù)不同的訓(xùn)練強(qiáng)度和課程，調(diào)節(jié)阻力值可讓訓(xùn)練更高效。本設(shè)計(jì)采用微動(dòng)開關(guān)，安裝在彈簧座的彈簧柱下，當(dāng)被更換的彈簧掛上后，施加向下的壓力，觸發(fā)開關(guān)信號(hào)。對(duì)開關(guān)通/斷狀態(tài)進(jìn)行編碼，1 為壓下，0為松開，或取反后用8位 （1字節(jié)）記錄并通過 MCU的藍(lán)牙模塊發(fā)送到練習(xí)者和教練的智能手機(jī)、平板電腦中，App采集該信號(hào)并對(duì)相應(yīng)彈簧拉力進(jìn)行匯總，即得出當(dāng)前總的彈簧阻力，此數(shù)據(jù)用于上文提及的使用者消耗能量的拉力值f。具體設(shè)計(jì)如圖4所示。彈簧掛鉤套入彈簧固定柱后，掛鉤上半圓按壓小型圓柱銷，銷體向下運(yùn)動(dòng)推動(dòng)微動(dòng)開光并實(shí)現(xiàn)閉合/松開兩個(gè)狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式控制器設(shè)計(jì)

本裝置采用嵌入式控制器+藍(lán)牙通信模塊來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)如圖5所示。

MCU主控芯片負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)數(shù)字量輸入、輸出如彈簧柱開關(guān)、聲光報(bào)警、LED 亮燈效果等，模擬量輸入用于讀取4～20 mA恒流源超聲波測(cè)距傳感器的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)用浮點(diǎn)數(shù)表示。由于安裝超聲波測(cè)距傳感器的位置不是滑墊的起始位置，因此在固件程序中需要做出廠前的校零操作。根據(jù)測(cè)試效果，取100 ms掃描各傳感器實(shí)時(shí)值最佳，不會(huì)采集過多數(shù)據(jù)造成噪聲干擾，也不會(huì)掃描時(shí)長(zhǎng)過長(zhǎng)導(dǎo)致丟失數(shù)據(jù)。藍(lán)牙模塊支持藍(lán)牙4.0以上協(xié)議，其中通信報(bào)文自定義，和移動(dòng)端 App對(duì)接即可。

2.2 App客戶端設(shè)計(jì)

通過打包傳感器數(shù)據(jù)，自定義報(bào)文如圖6所示。其中 UUID 對(duì)應(yīng)相應(yīng)的命令， SERVICE 是“0xFFF0”，TX （ Write ）為 App端發(fā)送數(shù)據(jù)到智能普拉提床端，用于配置普拉提床的參數(shù)如彈簧拉力、使用者體重、校正滑墊行程等。RX （Notify）為智能普拉提床端發(fā)送數(shù)據(jù)回 App端，用于發(fā)送實(shí)時(shí)滑墊位移、當(dāng)前掛擋彈簧的位置等信號(hào)。

一個(gè)報(bào)文幀由5部分組成。（1） Start：起始信號(hào)，占位1個(gè)字節(jié); （2） Message：消息命令，占位1個(gè)字節(jié);（2） Len：消息長(zhǎng)度，占位1個(gè)字節(jié);（4） DataPay- load：消息內(nèi)容，占位3個(gè)字節(jié); （5） Checksum：校驗(yàn)，占位1個(gè)字節(jié)，校驗(yàn)方式為（Start + Message +Len+ Data Payload） &0xFF 。報(bào)文格式如圖7所示。

Data0為滑墊經(jīng)超聲波傳感器測(cè)量后的距離數(shù)據(jù)的16進(jìn)制高字節(jié)，Data1為低字節(jié)，單位為 mm ，因此如當(dāng)前滑軌離超聲波傳感器距離為100 mm ，則 Data0為0x00， Data1為0x64; 800 mm ，則 Data0為0x03， Data1為0x20;2000 mm ，則 Data0為0x07，Data1為0xD0;當(dāng)彈簧掛上 SW2而其他彈簧懸空時(shí)， Data2為0xFD ，即1111101，對(duì)應(yīng)每一個(gè)彈簧柱的開、關(guān)狀態(tài)取值0或1。

App 采樣周期可設(shè)定為100 ms，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，可滿足使用需求，測(cè)量誤差在±5%左右。

2.3 云平臺(tái)設(shè)計(jì)

云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、處理和可視化[9]，積極探討云計(jì)算技術(shù)在健身休閑業(yè)中的實(shí)踐應(yīng)用[10]，對(duì)于普拉提運(yùn)動(dòng)線上推廣具有重要意義。在線家用普拉提床需要在云端建立數(shù)據(jù)庫和在線直播交互，教練端可同時(shí)觀察在線練習(xí)會(huì)員的彈簧拉力值、滑墊移動(dòng)次數(shù)、移動(dòng)速度、消耗的能量以及會(huì)員實(shí)時(shí)鍛煉視頻，會(huì)員端可以實(shí)時(shí)觀察自身的鍛煉情況以及其他會(huì)員的鍛煉情況，整個(gè)云平臺(tái)與客戶端（教練端，會(huì)員端）需要進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖8所示。云端會(huì)員運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)合醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)分析，可以訂制會(huì)員運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練計(jì)劃和提供飲食結(jié)構(gòu)建議，從而達(dá)到最佳鍛煉效果。

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)描述了家用普拉提床的硬件、軟件、云平臺(tái)設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)，可用于商業(yè)化家用在線普拉提練習(xí)，除了應(yīng)對(duì)全球新冠疫情帶來的線下普拉提工作室關(guān)閉現(xiàn)狀，也為未來開展大規(guī)模線上鍛煉普拉提提供了可行性的方向[11-12]。希望通過家用在線普拉提整體解決方案，為全球每個(gè)家庭提供完善而有趣的普拉提練習(xí)環(huán)境，鍛煉每個(gè)人的身體和心智，讓新冠疫情帶來的陰霾盡快消散。

參考文獻(xiàn)：

[1]百度百科.普拉提（運(yùn)動(dòng)方式和技能）[EB/OL]. https：//baike.bai- du.com/item/% E6%99% AE% E6%8B%89% E6%8F%90/187378？fr=aladdin

[2] Tiê P Yamato， Christopher G MaherBruno， T Saragiotto. Pilates for low back pain [EB/OL].2015-07-02. https：//www.cochraneli- brary.com/cdsr/doi/10.1002/14651858. CD010265. pub2/full#CD 010265-abs-0001https：//doi.org/10.1002/14651858.CD010265. pub2.

[3]宋翠翠， 王靜.普拉提運(yùn)動(dòng)的功能、原則及其科學(xué)依據(jù)分析[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007（S1）：514-515.

[4]解金柯， 陳宇家.我國高校開展普拉提運(yùn)動(dòng)的可行性研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)， 2017（20）：151-152.

[5]萬以佳.健身產(chǎn)業(yè)分析與企業(yè)成長(zhǎng)策略：以喬山健康科技及派樂騰為例[D].臺(tái)北：臺(tái)灣大學(xué)國際企業(yè)學(xué)研究所， 2021.

[6] ZHAO Junjie， ZHANG Dawei， CAO Jingchuang.Influencing Fac- torsandEnlightenmentsofContinuedWillingnessofOnline Physical Fitness Video Users During COVID-19[J]. Journal of Shenyang Sport University， 2021（1）：9-15.

[7]阿笑， 張瞻，唐艷秋.巧吃素食：為運(yùn)動(dòng)成果加分[J].食品與藥品， 2006（01B）：74-77.

[8]李戈，孟祥杰，王曉華.國內(nèi)超聲波測(cè)距研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J].測(cè)繪科學(xué)，2011（4）：60-62.

[9]霍文慧，李敬兆.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧物流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020（9）：19-23.

[10]王鵬，盧耿華，馮景超.云計(jì)算在體育健身休閑行業(yè)中的探索性應(yīng)用[J].西安體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（4）：31-40.

[11]沈克印.新冠肺炎疫情之下體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)對(duì)[J].體育成人教育學(xué)刊，2020（2）：14-19.

[12]劉東鋒，傅鋼強(qiáng).新型冠狀病毒肺炎疫情期間在線健身服務(wù)用戶持續(xù)使用意愿的影響因素研究[J].體育學(xué)研究， 2020（2）：41-50.

第一作者簡(jiǎn)介：鄺智煒（1982-），男，廣東南海人，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)，已發(fā)表論文1篇。

（編輯：王智圣）