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健身环——更懂你的健身设备

为了解决在家就可以健身的问题，游戏厂商们推出不少将游戏和健身结合起来的产品，任天堂的Switch健身环就很有代表性（图1）。Switch健身环的本体外形像一个普拉提圈，功能则像我们日常健身器材中使用的一种阻力环。不同的是它内置力敏电阻（可以感应用户的拉伸/压缩力度），同时通过插入的Joy-Con控制器，通过它可以结合用户的身体运动来控制游戏的各种进程，而且可以侦测用户的心率、血压等数据。

健身手环背后的秘密

我们先来了解一下整个健身系统的组成，它主要包括Switch健身环本体、Joy-Con控制器（两个，机身右侧的插在Switch健身环上，机身左侧的绑在腿上）、游戏主机、游戏软件和外接显示设备（非必需）等（图2）。

任天堂的这款游戏设备是通过用户的身体运动来控制游戏进程，所以实际上整套锻炼系统是一款体感游戏。它的关键是“体感”，这包括游戏对身体动作的感应和对用户健身数据的处理。

比如在Switch的《健身环大冒险》游戏中，当用户挤压Switch健身环并放开时，此时游戏中的人物会显示对应的压缩和释放的画面效果（图3）。同样，人体在房间不断抬脚原地运动的时候，游戏中的人物也会显示在不断跑步的状态。

这个体感游戏中首先是对用户拉伸环力度的感应，它通过Switch健身环连接处内置的力敏电阻感应器实现，当用户对环进行拉伸、挤压动作时，感应器就会侦测到这些变化（图4）。

同时力敏电阻会根据环的拉伸产生模拟信号，然后将这个信号传输到Joy-Con控制器（右）的电路板上。电路板上的单片机STM32芯片再将模拟信号转换为Joy-Con可以识别的数字信号，最后信号通过蓝牙无线传输到主机，主机根据信号对游戏程序发出相应的指令完成操作。这样就完成一个典型的“拉伸手环到游戏反应”的体感动作（图5）。

当然在实际的健身锻炼中，用户并不是只有一个简单的拉伸手环的动作。比如会对手环进行翻转、前后左右的移动及上下晃动等常见的操作。对于Switch健身环这些三维空间的变化，Joy-Con控制器（右）里自带的陀螺仪会自动进行检测并转换为数字信号传输给主机，主机收到这些信号时同样会发出指令控制游戏相应的动作。它的具体传输原理和上述力敏电阻感应器类似（图6）。

对于用户下肢的变化数据则是通过绑在腿部的Joy-Con控制器（左）中的陀螺仪来进行感应的。当侦测到绑在用户腿部的控制器是和地面垂直时，就判定用户的腿是静止的，而侦测到控制器是处于水平（或者和地面有一定的角度），那么就判定用户的腿是抬起状态。这样通过侦测Joy-Con控制器和地面的角度变化，健身系统就可以感应到用户踏步和屈膝等动作（图7）。

其次用户健身的生理感应，如运动过程中血压的变化，通过Joy-Con控制器（右）自带的红外摄像头捕捉用户特定部位的影像，然后通过内置的算法进行计算得出数据。再比如对手指末端透光度的监测，可以计算出脉搏信号，从而显示用户的心率数据（实际上手机上很多健康APP获取的血压、心率数据也是通过类似的方法获取），最后这些数据通过蓝牙无线传输到主机并显示在外接屏幕上（图8）。

這样健身系统通过力敏电阻感应器、Joy-Con控制器、蓝牙无线传输和主机的响应，就可以通过体感控制游戏的各个进程和读取用户的运动数据，让用户在娱乐中完成健身了。

用好体感设备健身不出门

现在大家的工作节奏越来越快，压力也越来越大，很多朋友都处于亚健康状态，因此加强自己的体能锻炼是保持良好工作状态的一个好方法。现在借助Switch健身环这类体感设备，它们将娱乐和健身结合起来，游戏通过冒险模式吸引玩家上手，形成习惯后就可以达到轻松坚持的目的。希望市面上类似的设备越来越多，让每一个人都可以在娱乐中实现强身健体！