技術(shù)宅

健身環(huán)——更懂你的健身設(shè)備

為了解決在家就可以健身的問(wèn)題，游戲廠(chǎng)商們推出不少將游戲和健身結(jié)合起來(lái)的產(chǎn)品，任天堂的Switch健身環(huán)就很有代表性（圖1）。Switch健身環(huán)的本體外形像一個(gè)普拉提圈，功能則像我們?nèi)粘＝∩砥鞑闹惺褂玫囊环N阻力環(huán)。不同的是它內(nèi)置力敏電阻（可以感應(yīng)用戶(hù)的拉伸/壓縮力度），同時(shí)通過(guò)插入的Joy-Con控制器，通過(guò)它可以結(jié)合用戶(hù)的身體運(yùn)動(dòng)來(lái)控制游戲的各種進(jìn)程，而且可以偵測(cè)用戶(hù)的心率、血壓等數(shù)據(jù)。

健身手環(huán)背后的秘密

我們先來(lái)了解一下整個(gè)健身系統(tǒng)的組成，它主要包括Switch健身環(huán)本體、Joy-Con控制器（兩個(gè)，機(jī)身右側(cè)的插在Switch健身環(huán)上，機(jī)身左側(cè)的綁在腿上）、游戲主機(jī)、游戲軟件和外接顯示設(shè)備（非必需）等（圖2）。

任天堂的這款游戲設(shè)備是通過(guò)用戶(hù)的身體運(yùn)動(dòng)來(lái)控制游戲進(jìn)程，所以實(shí)際上整套鍛煉系統(tǒng)是一款體感游戲。它的關(guān)鍵是“體感”，這包括游戲?qū)ι眢w動(dòng)作的感應(yīng)和對(duì)用戶(hù)健身數(shù)據(jù)的處理。

比如在Switch的《健身環(huán)大冒險(xiǎn)》游戲中，當(dāng)用戶(hù)擠壓Switch健身環(huán)并放開(kāi)時(shí)，此時(shí)游戲中的人物會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的壓縮和釋放的畫(huà)面效果（圖3）。同樣，人體在房間不斷抬腳原地運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，游戲中的人物也會(huì)顯示在不斷跑步的狀態(tài)。

這個(gè)體感游戲中首先是對(duì)用戶(hù)拉伸環(huán)力度的感應(yīng)，它通過(guò)Switch健身環(huán)連接處內(nèi)置的力敏電阻感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)用戶(hù)對(duì)環(huán)進(jìn)行拉伸、擠壓動(dòng)作時(shí)，感應(yīng)器就會(huì)偵測(cè)到這些變化（圖4）。

同時(shí)力敏電阻會(huì)根據(jù)環(huán)的拉伸產(chǎn)生模擬信號(hào)，然后將這個(gè)信號(hào)傳輸?shù)絁oy-Con控制器（右）的電路板上。電路板上的單片機(jī)STM32芯片再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為Joy-Con可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最后信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)根據(jù)信號(hào)對(duì)游戲程序發(fā)出相應(yīng)的指令完成操作。這樣就完成一個(gè)典型的“拉伸手環(huán)到游戲反應(yīng)”的體感動(dòng)作（圖5）。

當(dāng)然在實(shí)際的健身鍛煉中，用戶(hù)并不是只有一個(gè)簡(jiǎn)單的拉伸手環(huán)的動(dòng)作。比如會(huì)對(duì)手環(huán)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、前后左右的移動(dòng)及上下晃動(dòng)等常見(jiàn)的操作。對(duì)于Switch健身環(huán)這些三維空間的變化，Joy-Con控制器（右）里自帶的陀螺儀會(huì)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給主機(jī)，主機(jī)收到這些信號(hào)時(shí)同樣會(huì)發(fā)出指令控制游戲相應(yīng)的動(dòng)作。它的具體傳輸原理和上述力敏電阻感應(yīng)器類(lèi)似（圖6）。

對(duì)于用戶(hù)下肢的變化數(shù)據(jù)則是通過(guò)綁在腿部的Joy-Con控制器（左）中的陀螺儀來(lái)進(jìn)行感應(yīng)的。當(dāng)偵測(cè)到綁在用戶(hù)腿部的控制器是和地面垂直時(shí)，就判定用戶(hù)的腿是靜止的，而偵測(cè)到控制器是處于水平（或者和地面有一定的角度），那么就判定用戶(hù)的腿是抬起狀態(tài)。這樣通過(guò)偵測(cè)Joy-Con控制器和地面的角度變化，健身系統(tǒng)就可以感應(yīng)到用戶(hù)踏步和屈膝等動(dòng)作（圖7）。

其次用戶(hù)健身的生理感應(yīng)，如運(yùn)動(dòng)過(guò)程中血壓的變化，通過(guò)Joy-Con控制器（右）自帶的紅外攝像頭捕捉用戶(hù)特定部位的影像，然后通過(guò)內(nèi)置的算法進(jìn)行計(jì)算得出數(shù)據(jù)。再比如對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，可以計(jì)算出脈搏信號(hào)，從而顯示用戶(hù)的心率數(shù)據(jù)（實(shí)際上手機(jī)上很多健康A(chǔ)PP獲取的血壓、心率數(shù)據(jù)也是通過(guò)類(lèi)似的方法獲?。?，最后這些數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)街鳈C(jī)并顯示在外接屏幕上（圖8）。

這樣健身系統(tǒng)通過(guò)力敏電阻感應(yīng)器、Joy-Con控制器、藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)傳輸和主機(jī)的響應(yīng)，就可以通過(guò)體感控制游戲的各個(gè)進(jìn)程和讀取用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，讓用戶(hù)在娛樂(lè)中完成健身了。

用好體感設(shè)備健身不出門(mén)

現(xiàn)在大家的工作節(jié)奏越來(lái)越快，壓力也越來(lái)越大，很多朋友都處于亞健康狀態(tài)，因此加強(qiáng)自己的體能鍛煉是保持良好工作狀態(tài)的一個(gè)好方法?，F(xiàn)在借助Switch健身環(huán)這類(lèi)體感設(shè)備，它們將娛樂(lè)和健身結(jié)合起來(lái)，游戲通過(guò)冒險(xiǎn)模式吸引玩家上手，形成習(xí)慣后就可以達(dá)到輕松堅(jiān)持的目的。希望市面上類(lèi)似的設(shè)備越來(lái)越多，讓每一個(gè)人都可以在娛樂(lè)中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)身健體！