基于物聯(lián)網(wǎng)技術的家用智能普拉提床的開發(fā)

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閉停業(yè)，普拉提愛好者沒有機會到工作室如常鍛煉，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動鍛煉，全球普拉提工作室、普拉提床品牌都需要開展在線教學和鍛煉活動，因此急需家用普拉提床設備。詳細描述了家用智能普拉提床的硬件、軟件和云平臺的設計與實現(xiàn)，應用傳感器技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、云計算技術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環(huán)境。

關鍵詞：普拉提床;物聯(lián)網(wǎng);傳感器

中圖分類號：TP29文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）11-0144-04

開放科學（資源服務）標識碼（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”）。是以德國人約瑟夫·休伯特斯·普拉提（Joseph Hubertus Pilates）姓氏命名的一種運動方式和技能。普拉提生前對自創(chuàng)的這一套獨特訓練動作、運動的技能稱為“控制術”（Contrology）。

狹義普拉提運動的范圍：普拉提夫婦總共創(chuàng)造了超500個動作，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作，這就是狹義的普拉提運動的概念。廣義的普拉提運動概念：普拉提首先是一種運動，它主要是鍛煉人體深層的小肌肉群，維持和改善外觀正?；顒幼藙?、達到身體平衡、創(chuàng)展軀干和肢體的活動范圍和活動能力、強調對核心肌群的控制、加強人腦對肢體及骨骼肌肉組織的神經(jīng)感應及支配，再配合正確的呼吸方法所進行的一項全身協(xié)調運動。

普拉提集體健身課是專為在辦公室工作的人群設計的，他們由于長時間在辦公桌和電腦前工作而導致肌肉發(fā)展失衡，這種課程主要是針對腹肌、髖肌群、肩、背等部位的肌肉訓練。有規(guī)律地進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)的運動員也用普拉提練習來避免運動損傷或治療腰痛[1-2]。近年來美國、澳洲、歐洲等發(fā)達國家/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）在工作室中開展團課訓練，配合強勁而帶有節(jié)奏感的音樂，在教練的帶動和指導下，使練習者高效鍛煉45 min就可達到身心放松、姿態(tài)調整、運動康復等功效。國內各體育院校也對普拉提運動進行深入研究分析、推廣和普及，證明了其科學性和對身體、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)者和工作室會員停止了日常訓練，導致對生活、工作和學習造成身心影響。健身運動行業(yè)順勢而為踏上互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展快車，拓展線上訓練活動，其中表現(xiàn)突出的有 Peloton 、Keep等知名在線健身運動品牌[5-6]。目前國內外在線健身運動基本集中于團操、力量訓練、動感單車等常規(guī)項目，沒有涉及普拉提運動這類專業(yè)的、需教練同步訂制訓練方案的方式。由于傳統(tǒng)普拉提床體積偏大，缺乏智能監(jiān)控和檢測功能，導致長期難以開展線上練習，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會。為了解決這個需求和矛盾，本文主要闡述基于物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術和云計算技術的家用智能普拉提床的開發(fā)、設計和實現(xiàn)，借此為全球普拉提運動愛好者提供家用智能設備，結合全球各大普拉提工作室、品牌的團課 App和在線培訓教練，以便其繼續(xù)鍛煉身心，以正能量方式迎接全球新冠疫情，為共建人類命運共同體出一份力。

1 硬件設計

普拉提床主要由床主架、導軌、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、易于移動為主。

1.1 普拉提床設計

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

1.1.1 結構概述

普拉提床前墊處設計皮革綁帶，用于練習者固定腳步使用。導軌采用不銹鋼方管，滑墊下安裝4個滾輪，滾輪在不銹鋼導軌上滑動，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，另一組為垂直方向放置，用于支撐滑墊和使用者負荷。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，如需要實現(xiàn)無級調節(jié)，則可以改為液壓或氣壓阻力缸。彈簧固定柱的下方設計有微動開關，當彈簧環(huán)壓下后，觸發(fā)微動開關通斷，從而發(fā)送信號到總控制器，獲知當前掛上彈簧的總拉力。

普拉提床后端設計兩根支柱，支柱上的萬向軸承連接滑輪，拉繩（布繩或鐵索）通過滑輪并讓練習者緊握手把，練習者施加拉力便能和阻力器聯(lián)動產生不同程度的阻力，用于普拉提練習。

1.1.2 可調腳把設計

腳把用于普拉提運動時手部、腳部支撐，從而鍛煉核心肌群。鑒于不同角度對發(fā)力點、平衡點和目標肌群有不同作用，腳把設計為可調角度型。通過側面角度定位孔板和易插拔彈力銷，練習者可以方便地改變腳把角度，完成不同動作，如圖2所示。

1.1.3 跳板設計

跳板（Jumpboard）用于普拉提運動中有氧訓練，練習者臥于滑墊上，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動。本設計將跳板設計成分離可拆式，當不需要使用跳板時，可松開跳板支腳固定銷并取出跳板，如需要使用則對著床身上的定位孔插入使用。其中跳板和可調腳把可以配合使用或各自單獨使用，取決于具體課程的編制和教練對練習會員的指導。

1.2 傳感器設計

家用智能普拉提床，除了傳統(tǒng)普拉提床的機械部分外，還需要配備智能傳感器，用于實時數(shù)據(jù)測量和傳送，配合在線課程 App和線上教練、會員互動。在傳遞運動的數(shù)據(jù)中包含如消耗的能量、滑動的次數(shù)、當前阻力值等，其中實時消耗能量具有指導意義，在線課程中教練需要根據(jù)練習者鍛煉的強度與消耗能量的情況，從而調整其課程訓練和動作組合。在多人在線教學中，也可以通過每位練習者的實時數(shù)據(jù)進行競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)與類似人群的對比，以及練習者自身鍛煉歷史的習慣和消耗，系統(tǒng)提供定制化的飲食餐單以及熱量消耗表，兩者結合使鍛煉效果更佳，為運動成果加分[7]。

實時消耗能量計算如下：

式中： E 為練習者訓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摩擦因數(shù);s 為單次滑墊架運動位移，m ，對 s 微分得到速度 v ，v 的運動方向改變時所走過的位移s 為單次滑墊架運動位移;i為每次位移的記號（對si求和即得到練習者訓練做功的總位移）。

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”，通過滑輪在主架導軌上做往復運動，其位移是重要測量參數(shù)。由于練習過程中需要頻繁切換動作，練習者可能會和測距傳感器產生干涉，因此本文采用非接觸式距離測量，在前墊中部設計超聲波測距傳感器[8]或紅外激光測距傳感器，實時測量滑墊離開、靠近前墊時的距離 s ，通過微分運算即可得到實時滑墊速度 v 和運動方向（前或后），從而可以累計計算練習者滑動的次數(shù) c （運動方向反向則計數(shù)為滑動一次）。為了降低練習者平躺時對超聲波傳感器的信號干擾（頭發(fā)，衣服或運動時手臂、腿部的擺動等），選擇檢測錐度范圍小的超聲波測距傳感器是關鍵，將超聲波測距傳感器安裝在彈簧固定住后壁中部位置，對準滑墊架底部平面金屬，同樣可以提高檢測精度和減少測量誤差。具體設計如圖3所示?？紤]到家用場合燈光變化對紅外激光測距傳感器的影響，如使用紅外激光測距傳感器，需要將測量探頭設計在導軌內側遮光面。綜合考慮性能與成本，采用超聲波測距傳感器具有明顯優(yōu)勢，因而本文設計的智能普拉提床采用超聲波測距傳感器，其測量定位精度為±3 mm ，重復定位精度為±3mm ，優(yōu)于普拉提項目的訓練要求。

1.2.2 彈簧座開關傳感器

彈簧是普拉提床阻力發(fā)生裝置，此處也可以引入可調液壓/氣動缸和微型控制器做連續(xù)線性可調裝置，本文僅討論機械式彈簧座裝置。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)不同的訓練強度和課程，調節(jié)阻力值可讓訓練更高效。本設計采用微動開關，安裝在彈簧座的彈簧柱下，當被更換的彈簧掛上后，施加向下的壓力，觸發(fā)開關信號。對開關通/斷狀態(tài)進行編碼，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的藍牙模塊發(fā)送到練習者和教練的智能手機、平板電腦中，App采集該信號并對相應彈簧拉力進行匯總，即得出當前總的彈簧阻力，此數(shù)據(jù)用于上文提及的使用者消耗能量的拉力值f。具體設計如圖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，銷體向下運動推動微動開光并實現(xiàn)閉合/松開兩個狀態(tài)。

2 軟件設計

2.1 嵌入式控制器設計

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

MCU主控芯片負責管理系統(tǒng)數(shù)字量輸入、輸出如彈簧柱開關、聲光報警、LED 亮燈效果等，模擬量輸入用于讀取4～20 mA恒流源超聲波測距傳感器的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內用浮點數(shù)表示。由于安裝超聲波測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)測試效果，取100 ms掃描各傳感器實時值最佳，不會采集過多數(shù)據(jù)造成噪聲干擾，也不會掃描時長過長導致丟失數(shù)據(jù)。藍牙模塊支持藍牙4.0以上協(xié)議，其中通信報文自定義，和移動端 App對接即可。

2.2 App客戶端設計

通過打包傳感器數(shù)據(jù)，自定義報文如圖6所示。其中 UUID 對應相應的命令， 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)送實時滑墊位移、當前掛擋彈簧的位置等信號。

一個報文幀由5部分組成。（1） Start：起始信號，占位1個字節(jié); （2） Message：消息命令，占位1個字節(jié);（2） Len：消息長度，占位1個字節(jié);（4） DataPay- load：消息內容，占位3個字節(jié); （5） Checksum：校驗，占位1個字節(jié)，校驗方式為（Start + Message +Len+ Data Payload） &0xFF 。報文格式如圖7所示。

Data0為滑墊經(jīng)超聲波傳感器測量后的距離數(shù)據(jù)的16進制高字節(jié)，Data1為低字節(jié)，單位為 mm ，因此如當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;當彈簧掛上 SW2而其他彈簧懸空時， Data2為0xFD ，即1111101，對應每一個彈簧柱的開、關狀態(tài)取值0或1。

App 采樣周期可設定為100 ms，經(jīng)實際運行測試，可滿足使用需求，測量誤差在±5%左右。

2.3 云平臺設計

云平臺實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、處理和可視化[9]，積極探討云計算技術在健身休閑業(yè)中的實踐應用[10]，對于普拉提運動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，教練端可同時觀察在線練習會員的彈簧拉力值、滑墊移動次數(shù)、移動速度、消耗的能量以及會員實時鍛煉視頻，會員端可以實時觀察自身的鍛煉情況以及其他會員的鍛煉情況，整個云平臺與客戶端（教練端，會員端）需要進行實時數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)設計如圖8所示。云端會員運動數(shù)據(jù)結合醫(yī)學專家系統(tǒng)分析，可以訂制會員運動訓練計劃和提供飲食結構建議，從而達到最佳鍛煉效果。

3 結束語

本文詳細描述了家用普拉提床的硬件、軟件、云平臺設計思路和實現(xiàn)，可用于商業(yè)化家用在線普拉提練習，除了應對全球新冠疫情帶來的線下普拉提工作室關閉現(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，為全球每個家庭提供完善而有趣的普拉提練習環(huán)境，鍛煉每個人的身體和心智，讓新冠疫情帶來的陰霾盡快消散。

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第一作者簡介：鄺智煒（1982-），男，廣東南海人，碩士，研究領域為物聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術，已發(fā)表論文1篇。

（編輯：王智圣）