一种室内攀岩机的液压控制系统的制作方法

本发明涉及运动健身模拟设备的技术领域，具体地指一种室内攀岩机的液压控制系统。

背景技术：

随着时代的不断发展，人们对生活质量要求的不断提高，拥有健康、协调的身材成为当下的一种潮流，各类健身场馆亦如雨后春笋般在全国各地兴起。2016攀岩项目正式进入2020年东京奥运会，从此攀岩将成为奥运会唯一的攀爬类项目。而作为攀岩人才短缺的中国已经开始了新一轮的攀岩运动推广普及工作，将重点推进“攀岩进校园”工程，计划在未来5年内，使开展攀岩运动的学校达到1000所。但由于室外攀岩运动的局限性，普及大众的室内攀岩运动将会成为广大新兴攀岩爱好者的选择。

目前国际上的室内攀岩运动普遍存在代入感不强、攀岩形式单调的问题。世界上大多数室内攀岩体验馆采用的仍然是攀岩墙的形式，其在一个大型场馆内的墙壁上分为多种不同的路径供人们自主选择攀爬。这种结构单调乏味并且缺乏路径变换，很难满足攀岩爱好者的健身需求。当今市面上的室内攀岩机只有履带格式攀岩机和家用小型脚踏式攀岩机。前者因为攀爬方式单一且路径需要人工调整少有人问津，后者仅仅是家用脚踏机器导致攀岩体验性太低。其他的室内攀岩机想法都存在眼高手低的情况，仍无法解决路径变换限制的问题。

当今国内市场上的室内攀岩机主要分为国外生产的Treadwall系列攀岩机和国内生产的多种仿照机，这些攀岩机的传动形式主要分为电机传动与液压传动，前者主要通过电机带动链条旋转实现整机传动，后者主要通过人的重力带动液压系统进行传动。电机传动的方法虽能基本实现攀岩机的整体运动，但无法与用户的攀爬速度相调节，并且需要大量电能输入，易影响用户的攀岩体验感，且经济效益较差；现有的液压传动方式已基本实现了人体自重机械能的输入，但存在缺乏急停保护与难以计算机控制的缺陷，无法保证用户在攀岩机上进行攀岩运动的安全性。

因此，本领域急需一种新的液压传动系统，能实现用户在攀岩机上攀爬的速度同步性、急停保护与计算机安全控制等多种功能，使用户在室内攀岩机上攀岩时，整机具有足够的稳定性与可靠性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种稳定性好，运行可靠的室内攀岩机的液压控制系统。

本发明所采用的技术方案为：一种室内攀岩机的液压控制系统，包括外部支撑架和攀岩机本体框架，所述攀岩机本体框架安设在外部支撑架上，在攀岩机本体框架包括内部支撑架，在内部支撑架上设有攀岩机转动机构，所述攀岩机转动机构包括沿攀岩机本体框架外围方向竖向循环转动的链条和多个平行于攀岩机本体框架横向的横板，各链条与链轮及链轮轴对应配置，且各链条设置在内部支撑架的两侧位置，各横板相互紧邻固定于各链条上，随链条循环转动。其特征在于：所述攀岩机转动机构的整体传动是依靠攀爬者自身重力以及攀爬时作用在攀岩机上的力进行传动，所述链轮轴的转速通过液压控制系统控制，所述攀岩机液压控制系统包括与上部链轮轴相连接的传动齿轮、齿轮泵、油箱、三位四通电磁阀、比例节流阀、PLC控制系统和流量传感器，所述传动齿轮与齿轮泵上的齿轮相啮合，所述齿轮泵的吸油口与油箱相连，排油口通过三位四通电磁阀与比例节流阀相连，所述比例节流阀通过流量传感器与油箱相连，所述PLC控制系统与比例节流阀和流量传感器相连。

按上述技术方案，所述齿轮泵的吸油口通过滤油器与油箱相连。

按上述技术方案，在齿轮泵的排油口设置有安全阀。

按上述技术方案，所述安全阀为比例溢流阀。

按上述技术方案，所述攀岩机本体框架的两侧通过第一轴承与外部支撑架相连，在外部支撑架上设有驱动装置和变幅机构，所述驱动装置安设在外部支撑架上，用于驱动变幅机构，所述变幅机构与攀岩机本体框架相连，用于实现攀岩机本体框架在一定角度范围内摆转。

按上述技术方案，所述驱动装置为蜗轮蜗杆机构，所述变幅机构包括变幅旋杆、第一变幅连杆和第二变幅连杆，所述蜗轮蜗杆机构对称安设在外部支撑架上，两蜗轮蜗杆机构的蜗轮套装在变幅旋杆的两端，所述变幅旋杆横向安设在外部支撑架上，所述第一变幅连杆的上端与变幅旋杆相固连，下端与第二变幅连杆的前端相铰接，所述第二变幅连杆的尾端与攀岩机本体框架的下端相铰接。

按上述技术方案，所述第一变幅连杆与第二变幅连杆之间呈一定夹角设置。

按上述技术方案，在第二变幅连杆上设有凹槽，当第一变幅连杆和第二变幅连杆发生相对运动时，凹槽用于容纳第一变幅连杆。

按上述技术方案，所述攀岩机转动机构包括沿攀岩机本体框架外围方向竖向循环转动的链条和多个平行于攀岩机本体框架横向的横板，各链条与链轮及链轮轴对应配置，且各链条设置在内部支撑架的两侧位置，各横板相互紧邻固定于各链条上，随链条循环转动。

本发明所取得的有益效果为：

1、本液压系统能通过控制系统完成整机的急停保护，并通过PLC闭环控制系统实现人机速度的同步性，对用户攀岩过程中的安全性与攀爬体验性具有较大地提升。且其能有效解决在不同情况下攀岩机的内部传动稳定性问题，并通过耗能低高效率的液压传动作为传动方式，即提升了整机的经济效益，也能有效提升用户的室内攀岩乐趣。

2、通过设置支撑变幅装置，利用驱动装置带动变幅机构的传动，即实现了攀岩机的精确角度变幅，增强了用户的攀岩体验，其中驱动装置采用蜗轮蜗杆带动变幅机构转动，完成了变幅机构的自动卡死工作，工作稳定可靠。

3、通过在第二变幅连杆上设置用于容纳第一变幅连杆的凹槽，其用于防止攀岩机变幅过程中因倾角较大，而出现的机构间相互干涉的情况。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的系统原理图；

图3位本发明的执PLC闭环控制系统执行框图。

图4为传动齿轮的布置示意图。

图中：1—油箱、2—输油管道、3—滤油器、4—齿轮泵、5—安全阀、6—三位四通电磁阀、7—回油管道、8—比例节流阀、9—PLC闭环控制系统、10—流量传感器、11—链条、12—链轮、13—带座式轴承、14—链轮轴、15—齿轮、16—攀岩机本体框架、17—外部支撑架、18—轴承、19—横版、20—攀岩抓手、21—防护软垫板、22—变幅旋杆、23—蜗轮蜗杆机构、24—第一变幅连杆、25—第二变幅连杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图所示，本实施例提供了一种室内攀岩机的液压控制系统，包括外部支撑架17和攀岩机本体框架16，所述攀岩机本体框架16安设在外部支撑架17上，攀岩机本体框架16包括内部支撑架2，在内部支撑架2上设有攀岩机转动机构，所述攀岩机转动机构包括沿攀岩机本体框架外围方向竖向循环转动的链条11和多个平行于攀岩机本体框架横向的横板19，在内部支撑架2上设置有三根链轮轴14及三对链轮12，所述三根链轮轴14呈钝角三角形布置，同时各链条11与链轮12及链轮轴14对应配置，使攀岩机本体框架16背部呈钝角三角形状。各链条11设置在内部支撑架2的两侧位置，并通过外壳防护。各横板19是相互紧邻固定于各链条11上，链条11通过K型链结附件与横板19固定连接，实现机器上横板19的循环运动，在攀岩机本体框架的上设有多个攀岩抓手20，所述攀岩抓手20配置在横板19上。所述攀岩机转动机构的整体传动是依靠攀爬者自身重力以及攀爬时作用在攀岩机上的力进行循环传动，所述链轮轴12的转速通过攀岩机液压控制系统控制。

所述攀岩机液压控制系统包括与上部链轮轴14相连接的传动齿轮15、油箱1、输油管道2、滤油器3、齿轮泵4、安全阀5、三位四通电磁阀6、回油管道7、比例节流阀8、PLC闭环控制系统9以及流量传感器10。所述齿轮泵4的吸油口通过滤油器3及输油管道2与油箱1相连，排油口通过三位四通电磁阀6与比例节流阀8相连，所述比例节流阀8通过流量传感器10与油箱相连，所述PLC控制系统9与比例节流阀8和流量传感器10相连。安全阀5选用为比例溢流阀。

所述传动齿轮15与齿轮泵4上的齿轮相啮合，其中，所述齿轮泵4通过由人体自重输入的机械能输入驱动，从油箱1中吸油，油液经滤油器2进入齿轮泵3，油液经过泵腔后从低压变为高压，实现机械能到液压能的转变。

所述三位四通电磁阀6与安全阀5处于两条支路上，三位四通电磁阀6通过阀芯的移动将液压系统分为三种工况：一种是无负载的调试状态，此时三位四通电磁阀6处于下工位，液压油通过回路直接流回到油箱中；另一种是正常的工作情况，此时三位四通电磁阀6处于上工位，部分液压油沿三位四通电磁阀6流向比例节流阀8，而多余的液压油将经过安全阀5流回油箱；最后一种是急停保护状况，系统控制三位四通电磁阀6阀芯移动，使三位四通电磁阀6迅速回到中位，此时右侧回路失去液压油供应，比例节流阀8快速闭合阀口，从而实现整机的快速急停。

所述安全阀5在系统正常工作时，其所在的支路作为多余液压油回流的支路；当系统进行急停保护时，三位四通电磁阀6迅速回到中位，此时回路中压力逐渐增加，使得安全阀5快速打开阀口，实现左侧回路的液压油快速回流，减小因系统急停而造成的齿轮泵3的伤害程度。

所述PLC闭环控制系统9通过控制比例节流阀8实现流量大小的调节。

如图2所示，本液压系统的PLC闭环控制系统9为模拟量闭环控制系统，其左虚线框为PLC闭环控制系统9，所述PLC闭环控制系统9包括PID控制器、A/D转换器和D/A转换器。在该系统中，流量传感器10检测液压系统的流量信号，将其转换成模拟量后输出给模拟量输入模块，然后经过A/D转换后得到与速度成比例的数字量。PID控制器将得到的数字量与设定的流量值进行比较，然后按照PID控制规律对误差进行计算，得到适合于此时传动速率结果，再将运算的结果以模拟量输出，最后经过D/A转换器变成电流信号。电流信号传递到执行器上后，控制步进电机调节比例节流阀8的阀口大小，从而实现对整机传动速度与流量的控制。

如图3所示，本液压系统中齿轮泵4布置的位置如此图。链轮轴14通过带座式轴承13固定在攀岩机上，与链轮12相连接。当用户在攀岩机上进行攀爬时，重力带动链条11传动，从而使链轮12旋转带动链轮轴14运动。链轮轴14与齿轮泵4之间用齿轮15连接，链轮轴14的传动带动齿轮15旋转，从而使人体自重的机械能传递到齿轮泵4中，完成整机的能量输入。

下面结合附图说明本发明的一次工作过程：

当在对液压系统进行调试时，使三位四通换向阀6处于下工位，此时液压油通过齿轮泵4后直接沿回路流入油箱中，查看攀岩机是否能够进行正常运转工作，若能轻易转动，则攀岩机可正常工作；反之则不能正常工作，需要进一步调试。

当在攀岩机正常工作时，攀岩者在向上攀爬的同时通过自重带动链轮12转动，链轮12驱动链轮轴14旋转将自重作为机械能输入，机械能驱动齿轮泵3由从油箱1中吸油，此时油液经滤油器2进入齿轮泵3，油液在泵腔中从入口到出口实现低压到高压的变换，实现机械能到液压能的转换。此时三位四通换向阀6处于上工位，部分液压油通过三位四通电磁阀6后进入比例节流阀8中，其他多余的液压油通过安全阀4流回油箱。液压油通过比例节流阀8后经过流量传感器10，传感器将反馈信号传递给PLC闭环控制系统9，控制系统通过计算分析得到电流信号后传递给比例节流阀8，其接收信号后，由其大小值来带动步进电机调节阀口大小，从而实现整机的传动速度与系统内流量的控制。最后液压油经过流量传感器10后的回油管道排回油箱。

当在特殊情况下进行攀岩机的急停保护时，系统控制三位四通电磁阀6阀芯快速移动，使三位四通电磁阀6处于中位，让右侧回路失去液压油供应，此时PLC闭环控制系统9控制比例节流阀8快速闭合阀口，从而实现整机的快速急停；随着左侧回路的压力逐渐增大，使回路中的安全阀5快速打开阀口，实现左侧回路的液压油回流，减小因系统急停对齿轮泵3的伤害程度。

本实施例中，为了进一步增加本攀岩机的体验感及乐趣，所述攀岩机本体框架16的两侧通过轴承18与外部支撑架17相连，所述外部支撑架17还通过支撑变幅装置与攀岩机本体框架16相连，以实现攀岩机本体框架摆动角度的调节。所述变幅装置包括在外部支撑架17上设有的驱动装置和变幅机构，所述驱动装置安设在外部支撑架17上，用于驱动变幅机构，所述变幅机构与攀岩机本体框架16相连，用于实现攀岩机本体框架在一定角度范围内摆转。

本实施例中，所述驱动装置选择蜗轮蜗杆机构23，即在外部支撑架17的两侧对称设置蜗轮蜗杆机构23。所述变幅机构包括变幅旋杆22、第一变幅连杆24和第二变幅连杆25，所述蜗轮蜗杆机构23安设在外部支撑架17上，两蜗轮蜗杆机构23的蜗轮套装在变幅旋杆22的两端，所述变幅旋杆22横向安设在外部支撑架17上，所述第一变幅连杆24的上端与变幅旋杆22相固连，下端与第二变幅连杆25的前端相铰接，所述第二变幅连杆25的尾端与攀岩机本体框架的下端相铰接，用于实现攀岩机本体框架在一定角度范围内摆转。其中，所述第一变幅连杆24与第二变幅连杆25之间呈一定夹角设置。

本实施例中，为了防止攀岩机变幅过程中因倾角较大，而出现的机构间相互干涉的情况发生，在第二变幅连杆25的前端上设有凹槽，当第一变幅连杆24和第二变幅连杆25发生相对运动时，凹槽用于容纳第一变幅连杆24。同时第二变幅连杆25的尾部装有第二轴承，用于支撑室内攀岩机本体框架的下部轴，第二轴承为座立式轴承。

当系统下达变幅指令时，蜗轮蜗杆机构的电机输出动力，通过联轴器带动蜗杆进行旋转，同时蜗杆带动蜗轮旋转，固定在蜗轮上的变幅旋杆22也随之旋转，其驱动两侧的第一变幅连杆24与第二变幅连杆25前后摆动，带动室内攀岩机的下部轴前后位移，从而实现室内攀岩机的变幅运动。攀岩机的正负角变幅通过控制电机内转子的正反转实现。

当系统下达停止变幅指令时，蜗轮蜗杆机构的电机停止输出动力，蜗杆停转，从而蜗轮与变幅旋杆22停止转动，此时两侧的第一变幅连杆24与第二变幅连杆25都停止摆动，由此室内攀岩机的下部轴位置固定，使攀岩机变幅停止。又由于蜗轮蜗杆机构23的自锁特性，蜗轮无法带动蜗杆，即当蜗杆停止转动时，蜗杆无法进行相对位移导致变幅模块实现角度变化，由此在停止变幅工作的同时，也实现了变幅机构的卡死工作。