运动设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种运动设备，包括一个用于通过用户的力而移动的负载元件，一个电动致动器（1），该电动致动器包括一个移动部件，该负载元件被连接到该移动部件并且该负载元件能够移动该移动部件，一个计算机（12），能够生成一个用于电动致动器的控制信号，一个加速度传感器连接着该移动部件以测量移动部件的加速度并将测量后的加速度传输至计算机（12），电动致动器能够通过移动部件响应该信号的方式将一个力施加在该负载元件上，其特征在于，该计算机（12）能够根据测量后的加速度生成该控制信号，这样该由电动致动器（1）所施加的力包括一个基本上与由该加速度传感器测量后的加速度成比例的人工惯性的贡献。
【专利说明】运动设备
[0001]本发明涉及运动设备领域。尤其是，本发明涉及带有电动电机传达装置的机器领域，该电动机传达装置用于发展或重组用户的肌肉组织，并且尤其是被用于运动训练或用户肌肉的再次培养。在肌肉运动设备中具体有重量训练机和惯性机。
[0002]重量训练机的运作原理是，通过施加一个力以反向移动铸铁块的重量，用户移动由铸铁或其他材料制成的砝码。这些机器是压力机，槓哑铃，导向负载装置等。
[0003]惯性机以不同的方式运作。例如，这些包括在围绕一根旋转轴的运动中设置一张铸铁圆盘。用户必须因此施加足够的力以克服机器的惯性。一些机器的运作原则是利用翅部系统在运动中放置流体。尽管在运动中放置的流体具有惯性，但是在这些机器中，用户必须首先克服由流体引起的粘性摩擦。其他机器利用涡流系统的原则生成这些粘性摩擦。产生粘性摩擦的这些机器很显然是划船机或健身自行车类型的机器。
[0004]根据一个实施例，本发明提供一个运动设备，包括 一个负载元件，用于通过用户的力位移，
一个电动致动器，包括一个移动部件，该负载元件被连接到移动部件并且该负载元件能够取代该移动部件，
一台计算机，能够对电动致动器产生一控制信号，和
一个加速度传感器，该加速度传感器连接到移动部件，用于测量移动部件的加速度和用于传输测量后加速度给计算机，
该电动致动器能够通过移动部分在负载元件上施加一个力，以响应控制信号，
其中，该计算机能够计算出该根据通过加速度传感器测量后的加速度施加的力，以这种方式，由电动致动器所施加的力包括一与该加速度传感器测量后的加速度成比例的人工惯性的贡献。
[0005]根据一个实施例，计算机能够根据测量后的加速度和比例系数生成控制信号，并且计算机能够根据从位置，速度以及移动部件的加速度中选择出来的至少一个参数改变比例系数
根据一个实施例，计算机能够生成控制信号，以这种方式，由电动致动器所施加的力包括一个呈现预定方向的额外负载的贡献。
[0006]根据一个实施例，计算机能够生成控制信号，以这种方式，当测量后的加速度的方向与预定方向的贡献相反时，人工惯性的贡献与预定方向的贡献方向相同。
[0007]根据一个实施例，计算机能够生成控制信号，以这种方式，当测量后的加速度与电动致动器(1，76)预定方向的贡献方向相同时，取消人工惯性的贡献。
[0008]根据一个实施例，负载元件(6，69 )和移动部件之间的连接包括一个用于降低电机力的减速器。通常，这样一个减速器对制动负载元件的用户生成一个额外的真正惯性。根据一个实施例，有电动致动器施加的人工惯性的贡献可以抵消由减速器生成的额外的真正惯性的全部或部分。
[0009]根据一个实施例，设备包括一个适于测量移动部件速度的速度传感器，并且，计算机能够生成控制信号，以这种方式，由该电动致动器所施加的力包括一个与速度传感器所测量的速度基本上成比例的粘性摩擦的贡献。
[0010]根据一个实施例，电动致动器是一个线性电机。
[0011]根据一个实施例，电动致动器是一个回转电机，其中移动部件包括一个回转电机的转子。
[0012]根据一个实施例，加速度传感器包括:
一个连接于移动部件的位置编码器，用于测量该移动部件的位置，该位置编码器生产一个位置信号，
分路元件，该分路元件适于分路位置信号以决定移动部件的加速度。
[0013]根据一个实施例，运动设备是从包括划船机、健身自行车、举杆和导向负载装置的集合中选择出来的。
[0014]根据一个实施例，移动部件包括一个旋转安装的电机轴，该电机轴连接于一个减速器，一个滑轮连接于该减速器，一条缆绳的一端被固定于该滑轮，该缆绳的另一端被固定于操纵元件，并且该缆绳能够卷在该滑轮上。
[0015]根据一个实施例，该运动设备包括一个人机界面，使用户能够在测量后的加速度和计算后的人工惯性的贡献之间设置一个比例系数。
[0016]根据一个实施例，该计算机能够计算所施加的力，以这种方式，由电动致动器所施加的力包括额外呈现一个预定方向的贡献，该人机界面使一名用户能够设置独立于比例系数的额外负载的贡献。
[0017]根据一个实施例，该人机界面使一名用户能够将该额外负载的贡献设置为零值。
[0018]根据一个实施例，负载元件能够在垂直方向中移动，并且该计算机能够在没有由用户施加的力的情况下计算所施加的力，以这样的方式，由电动致动器所施加的力包括一个负载的默认贡献，抵消了该负载元件的一个特定重量，在缺乏由用户所施加的力的情况下，没有造成该负载元件任何自发性的位移。
[0019]根据一个实施例，本发明还提供一种用于控制运动设备的方法，包括:
测量电动致动器的移动部件的加速度，以响应用户施加在连接于该移动部件的负载元件上的力，
根据测量后的加速度生成一个控制信号，以及使用该控制信号控制电动致动器，以这种方式，在负载元件上的电动致动器经由该移动部件，包括一个与该测量后的加速度基本上成比例的人工惯性的贡献。
[0020]本发明所依据的一个理念是，在一个运动机器上，当用户使用该机器时，模拟不同于运动机器真正惯性的惯性正在使用一个电动致动器。
[0021]本发明所依据的一个理念是设计一种机器，该机器使独立地改变重量和惯性成为可能。
[0022]本发明的一些方面开始于，在该运动机器上模拟一个使用电动致动器的额外的重
量的理念。
[0023]本发明的一些方面开始于，在该运动机器上模拟一个使用电动致动器的额外的摩擦力的理念。
[0024]本发明的一些方面开始于对将惯性机的“惯性”类型特征的运动与重量机的“重量”类型特征的运动连接起来的观测，该观测涉及所节约的显著空间，以及一项花费较低的投资。
[0025]本发明的一些方面开始于在用户进行肌肉运动的特定阶段内生成额外惯性力的理念，以及在肌肉运动的其他阶段取消这些惯性力的理念。
[0026]本发明的一些方面开始于在没有固定负载的情况下生成惯性力，以针对在一大致水平的轨道上所发起的一团块移动的逆转，产生肌肉压力的理念。
[0027]在以下本发明许多的特定实施例中，仅以给定的实例说明并且以无限制的方式，参考附图，本发明将会更好地被理解，其他目的、细节、特征和优势也会更加显而易见。
[0028]在这些图中:
图1是一包括一个电机的运动设备的不意图。
[0029]图2是一在图1中展示的电机的控制系统的示意图。
[0030]图3是一张对应于用户的操作，根据在图1中所描述的把手的时间的位置和加速度的图表。
[0031]图4是一张根据图7中的设备的操作，由电机所施加的力的图表。
[0032]图5是一张根据设备的操作，由电机所施加的力的图表，该设备根据图3对应于运动的第一类型。
[0033]图6是一张根据设备的操作，由电机所施加的力的图表，该设备根据图3对应于运
动的第二类型。
[0034]图7是一张运动设备的变体的示意图。
[0035]图8是一张根据另一个实施例，包括一电机的运动设备的部分横截面的示意图。
[0036]图9是一张用于在图8中所呈现的电机的控制系统的功能性示意图。
[0037]图10是一张用于倒转跑步者移动的运动的示意图。
[0038]图11是一张磁滞比较器的操作的示意图，该磁滞比较器能够用于图9中的控制系统。
[0039]图1和2阐述了一个运动设备，在其中可以执行根据发明所述的控制方法。参考图1，运动设备包括一个可以旋转驱动轴2并在轴2上施加一个转矩的电动电机I。在轴2上紧紧地安装了一个滑轮3。缆绳4的一端被固定在滑轮3的凹槽内。这一缆绳4可以绕着滑轮3卷入凹槽内。缆绳的另一端5固定了一个把手6，通过该把手用户能够在练习肌肉运动时用他或她的肌肉力量影响设备。
[0040]电机I包括一个位置编码10，用于测量电机轴2的位置。该位置以位置信号9的形式被传送到电子板7。这一电子板7用于接收这一位置信号并利用位置信号9产生控制信号。通过这个控制信号，电子板7控制了电机I生成的转矩，以控制电机I施加的力，所述施加力经由滑轮3和缆绳4被传送到把手6。为此，电子板7经由连接8将控制信号传送给电机I。包含在电机I中的电力供应部件接受了这一控制信号，从这一控制信号中，所述电力供应部件向电机I提供了一个一定的电流。电力供应部件所提供的电流因此在移动部件2上引起了一个转矩，并且因此，经由滑轮3和缆绳4在把手6上引起了一个力。电机I施加的力与电力供应部件向电机I提供的电流基本上成比例。
[0041]为了产生不同的肌肉压力，可以在这样的一个设备中执行许多控制方法。第一个示例是假装存在悬挂于缆绳上的预定的质量，即，电机转矩将一个恒定方向和强度的负荷施加在把手6上。[0042]当用户在运动中操控把手6时，用于利用他或她的肌肉力量对抗电机I的力。例如，在一项可以用这一设备练习的运动中，用于位于设备的上方，并且利用他或她的手在把手6上执行一个从较低位置到较高位置的牵引行为。在这一向上的位移中，用户必须克服电机I在把手6上施加的向下的力。当把手6到达较高位置，用户做出反向运动并且将把手6退回到较低位置，同时仍然被相同的力所约束，该相同的力与电机I的方向相同。在下降过程中，用户伴随并减缓了把手的向下位移。该运动设备因此模拟了不得不由用户交替举起和放下的质量。
[0043]在这一运动中，位置信号被持续地传送给电子板7，该电子板计算并持续传输相应的控制信号给电机。因此，设备在整个运动过程中控制了由电机I产生的力。
[0044]然而，在某一时刻可能存在一个轻微偏移，该时刻是指:当编码器通过马达I将传送位置和施加力矩传送给控制信号的时刻，以及电子板7的响应的时刻。 [0045]参考图2，电机的控制方法现在将会根据第二个示例做出更具体的描述。
[0046]电子板7此处包括一个微处理器20。位置编码器10测量电机2的轴的位置，这一位置被编码为一个位置信号，该位置信号经由连接38传送给微处理器20。因此，在一个实施例中，能够每30ms并且最好是每5ms发出这一测量。在这一微处理器20中，该位置信号经由连接18被传送给一个分路元件13.该分路元件分路位置信号，因此生成了一个速度信号，该速度信号经由连接15被传送给第二分路元件14。该第二分路元件分路速度信号，因此生成了一个加速度信号。给加速度信号经由连接17被传送给一个计算模型12。此外，位置信号和速度信号经由连接11和16分别被传送给计算模型12。该计算模型12计算控制信号，以提供给电机，并且将它经由连接19传送给电机。
[0047]更具体地说，控制信号是从加速度中计算出来的，以至于在把手6上的电机I所施加的力包括向下的负载和一个预定的人工惯性。
[0048]为此，该计算模型12考虑到了电机I所施加的力矩的集合以及设备的旋转部分的惯性，该设备与这一电机一样，是轴2，滑轮3，缆绳4和把手6.实际上，当用户操纵把手6时:
Trtr ^f = Fm-￥Fs (O
其中,尽是在把手6上用户所施加的力，f?是在把手6上电机I所施加并且由计算模型12控制的力，是带给把手6的移动部件的惯性以及把手6的质量，而;f是把手6的加速度。
[0049]该等式(I)对应于适用于平移系统的动力学的基本原则。然而，本领域的计算人员将会理解施加于旋转系统上的力矩能够以相同的方式建模。
[0050]由电机所施加的力&包括两个由控制信号引起组件:一个代表负载的固定组件fk以及一个与加速度成比例的组件该组件代表人工惯性。因此:
Fm = Fch + F； (2)
其中，根据比例系数界定力f|:
Fi = —k × r(3)
I:是被编程于计算模型12中的参数。
[0051]等式(I)可以被写为:
<jnr + k) ×r = Fch + Fs (4)这样，如果用来产生控制信号的比例系数k是负的，即-WV < ^: < O ,那么设备模拟一个低于设备真正惯性的惯性，也就是说设备选择部件的惯性。如果比例系数k是正的，那么设备模拟一个高于设备真正惯性的惯性。
[0052]通过没有被展示出来的用户界面，用户能够改变固定组件Frt的值和比例因素t的值，并且因此决定他或她想要练习的施力的类型。因此，独立地改变惯性的负载是有可能的。大量肌肉运动类型能够因此而提供给用户。
[0053]用户界面连接于计算模型12，并且能够接收关于位置、速度、加速度的数据，或从这些数据中计算出来的信息，例如所提供的施力或所分配的力量。这些数据和信息是由计算模型12从加速度、速度和位置信号中计算出来的，该加速度、速度和位置信号经由连接17，16和11分别被传送给计算模型12。根据这些数据和这一信息，用户界面能够通过展示这一信息从感觉上应激用户。该用户能够以这种方式密切注意到在他或她的体育运动中他或她施力的水平。然而，这些压力可能具有不同的性质，例如可以设想声音压力。此外，用户界面包括使用户能够改变固定组件Feft的值和比例因素i的值的控制元件，最好是相互独立的。例如，这些元件是在用户界面上对应于预定的固定组件Feft和比例因素I的按钮。这些对因此界定了一些运动类型。一个存储元件，例如在计算模型12中的存储器，是存储这一信息和数据成为可能。通过这一存储，用户能够随时密切关注他或她表现水平的趋势。
[0054]参考图3，5和6，将会描述一些由上述设备所产生的运动的具体示例。
[0055]图3表现了把手6沿着图1中的轴线z的位置，以及根据在参考图1所展现的拉伸应力中的时间，把手6的加速度。该虚线曲线21代表了由位置编码器10所测量的把手的位置。该连续曲线22代表了对应于位置曲线21的加速度。按照惯例，轴z在图1中方向向下。位置曲线21的点24因此对应于当把手6在低位的时刻，并且点23对应于把手的高位。
[0056]为了点23和点25之间的图示，位置曲线21大致上是正弦曲线。因此，加速度沿着这一期间也形成了一条正弦曲线。所以，位置曲线不再是正弦曲线，并且因此加速度不再是正弦曲线。
[0057]图5表现了电机I根据与图3相同的时间间隔的时间对用户所施加的力。曲线28在阈值26的水平上是恒定的。在实践中，图5对应第一运动，其中计算模型向电机提供了了一个控制信号，以这种方式，相对用户施加的力是恒定的。为此，计算模型产生了一个由力引起的控制信号，所述力具有一个与阈值相等的负载组件以及一个零惯性组件。在这一运动中，用户因此相对于固定负载和系统的真正惯性独立操作。
[0058]图6表现了第二运动，该第二运动部分地利用了参考图5所描述的第一运动的原理。曲线40代表了在这一运动中电机I所生成的力。它包括两个阶段:一个较高阶段31，在该阶段中曲线在阈值27的水平上恒定，以及一个较低阶段，在该阶段中曲线在阈值27的水平上采用加速度的形式。在实践中，当测量后的加速度是正的，用户受到对应于阈值27的负载力的约束，这也就是说，此处，在把手操作的较高阶段31中，其中把手接近它的高位
23。然而，当测量后的加速度是负的，用户受到一个额外的惯性力的约束，该惯性力与负载力的方向相同，这也就是说，在较低阶段29期间，当把手到达低位24并且用户减缓了下降，然后在把手上加速至表现一朝向高位23的牵引行为。这一较低阶段对应于阶段30，在该阶段期间加速度是负的。这样，当他或她到达低位并想要朝向高位举起把手时，用户受到一额外的人工惯性的约束，这也就是说在该时刻他或她的肌肉压力是最强的。因此，运动设备使产生一额外压力成为可能，该额外压力以与这一用户相反方向的运动作用于该用户。
[0059]为了实施第二运动，计算模型12提供了如下确定的比例系数I:
如果 y > Q ,丸.= O(5)
如果< O , k = +fe0，即Ic > O (6)
其中^是预定的正常数。
[0060]上述运动通过阐述给出。特别是，计算模型能够以虚度方法控制比例系数k。例如，计算模型能够根据把手的位置或速度改变比例系数。因此，在一个变体中，当把手到达一特定位置时，运动设备产生了一额外惯性的组件。在该运动设备的一个变体中，当速度为一特定方向时，增加了这一额外惯性的组件。这样，能够为肌肉的开发产生大量有利的运动。当他们在一特定位置时，这明显地使更强烈地压迫用户肌肉成为可能。
[0061]在图1所表示的设备的变体中，电机轴2连接于具有一减速比r的减速器。为了使设备变小，这样一个减速器的存在使在减小电机尺寸的同时生成相对显著的力成为可能。滑轮3固定在减速器的输出轴上。在这一变体上，减速器的存在大大地增加了电机I的移动部件向把手6所施加的真正惯性。减速器的旋转部分所施加的惯性也增加了设备的真正惯性。电机和减速器向减速器的输出所施加的惯性可以被写为:
【权利要求】
1.一种运动设备包括: 一负载元件(6，69)，用于通过用户的力位移， 一电动致动器(1，76 )，包括一移动部件(2 )，该负载元件(6，69 )被连接到移动部件并且该负载元件能够转移该移动部件， 一计算机(12，80)，适用于计算由电动致动器施加的力，以及用于根据计算后的施加力对该电动致动器产生一控制信号，以这种方式，由电动致动器(I)施加力，以响应于该控制信号，该控制信号对应于该计算后的施加力和 一加速度传感器，该加速度传感器连接到该移动部件(2)，用于测量该移动部件的加速度和用于传输该测量后加速度给该计算机(12，80 )， 该电动致动器能够通过移动部分在负载元件(6,69)上施加一个力，以响应该控制信号， 其中，该计算机(12，80)是能够计算出该根据通过加速度传感器测量后的加速度施加的力， 其特征在于，该根据测量后的加速度所计算的施加力包括与该测量后的加速度成比例的人工惯性的贡献，以这种方式，由响应于该控制信号的电动致动器(1，76)所施加的力包括一与该加速度传感器测量后的加速度成比例的人工惯性的贡献。
2.如权利要求1所述的运动设备，其特征在于，该计算机(12，80)能够计算根据测量后的加速度以及比例系数的人工惯性的贡献，该计算机能够根据从位置，速度以及移动部件的加速度中选择出来的至少一参数改变比例系数。
3.如权利要求1或2所述的运动设备，其特征在于，该计算机(12，80)能够计算施加力，以这种方式，通过电动致动器(1，76)，所施加的力包括呈现出一预定方向的额外负载的额外的贡献。
4.如权利要求3所述的运动设备，其特征在于，该计算机(12，80)能够计算施加力，以这种方式，当测量后的加速度的方向与预定方向的贡献相反时，人工惯性的贡献与预定方向的贡献方向相同。
5.如权利要求4所述的运动设备，其特征在于，该计算机(12，80)能够计算施加力，以这种方式，当测量后的加速度与电动致动器(1，76)预定方向的贡献方向相同时，取消人工惯性的贡献。
6.如权利要求1到5所述的运动设备，其特征在于，负载元件(6，69)和移动部件之间的连接包括一用于降低电机力的减速器。
7.如权利要求1到6所述的运动设备，其特征在于，它包括一适于测量移动部件2的速度的速度传感器，并且，计算机(12，80)能够生成控制信号，以这种方式，由该电动致动器(1, 76)所施加的力包括一与速度传感器所测量的速度成比例的粘性摩擦的贡献。
8.如权利要求1到7所述的运动设备，其特征在于，该电动致动器(1，76)是一线性电机或一回转电机。
9.如权利要求1到8所述的运动设备，其特征在于，该加速度传感器包括: 一位置编码器(10，84)，该位置编码器连接于该移动部件(2)，以测量该移动部件的位置，该位置编码器(10，84)生产一位置信号， 分路元件(13，14)，该分路元件适于分路位置信号以决定移动部件(2)的加速度。
10.如权利要求1到9所述的运动设备，其特征在于，该运动设备是从包括划船机、健身自行车、举杆和导向负载装置的组件中选择出来的。
11.如权利要求1到10所述的运动设备，其特征在于，它包括一人机界面(86)，使一用户能够在测量后的加速度和计算后的人工惯性的贡献之间设置一比例系数。
12.如权利要求10所述的运动设备，其特征在于，该计算机(12，80)能够计算所施加的力，以这种方式，由电动致动器(1，76)所施加的力包括一呈现一预定方向的额外负载的贡献，该人机界面(86)使一用户能够设置该独立于比例系数的额外负载的贡献。
13.如权利要求12所述的运动设备，其特征在于，该人机界面(86)设置为使一用户能够将该额外负载的贡献设置为零值。
14.如权利要求1到13所述的运动设备，其特征在于，该负载元件(69，63)能够在一垂直方向中移动，并且该计算机(12，80)能够在没有由用户施加的力的情况下计算所施加的力，以这样的方式，由电动致动器(1，76)所施加的力包括一负载的默认贡献，抵销了该负载元件(69，63)的一特定重量，在缺乏由用户所施加的力的情况下，没有造成该负载元件(69，63)任何自发性的位移。
15.一种用于控制一运动设备的方法，包括: 测量一电动致动器的一移动部件(2)的加速度，以响应用户施加于一连接于该移动部件的负载元件(6，69)的力， 计算一根据该测量后的加速度由该电动致动器所施加的力和 生成一控制信号，用于以该控制信号控制该电动致动器(1，76)，以这种方式，由该电动致动器(1，76)所施加的力，以响应该控制信号，该控制信号对应于该计算后的施加力， 其特征在于，该根据测量后的加速 度计算的施加力包括一人工惯性的贡献，该贡献与该测量后的加速度成比例，以这种方式，在负载元件(6，69)上的该电动致动器(1，76)经由该移动部件(2)为响应该控制信号所施加的力，包括一与该测量后的加速度成比例的人工惯性的贡献。
【文档编号】A63B69/06GK103945904SQ201280052998
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年10月26日 优先权日:2011年10月27日
【发明者】奥雷利安·沃兰克, 阿诺德·范尼卡特 申请人:艾拉戈利斯-技术公司