立式爬梯健身机及其调速方法与流程

本发明涉及健身器械技术领域，尤其涉及一种立式爬梯健身机以及调速方法。

背景技术：

随着人们生活水平的日益提高以及工作压力的增加，人们开始出现肥胖、易疲劳等亚健康状态，因此越来越多的人开始走向健身房和广场进行健身运动。目前的体育器械种类繁多，不同类型的运动器械能够锻炼人的不同部位。为了提高运动的效率，需要一种可以让全身同时接受锻炼的健身器械，因此攀爬运动成为首选。

在中国专利文献《一种体重一种体重自适应的自走式攀岩器》(CN103203094A)公布了一种模拟攀岩的攀爬器械。该攀岩器将攀爬墙面置于竖直方向的机架上并且环绕机架一周组成闭环结构，在攀爬墙面上错落的设置若干个支点用于攀爬。其调速方法采用类似瓦特蒸汽机的离心调速器结构，当攀岩者重量较大时，下降速度较快，转子花瓣产生的离心力越大，导致摩擦片与定子机座间的摩擦阻力越来越大，使得速度得以自动调节。但是这种方法存在以下问题：

1.由于攀岩运动危险系数较高，难度大，不适合普通健身人员使用，所以难以在健身房等健身场所进行推广。

2.采用离心调速器结构，很难对系统参数进行配置，容易出现速度忽快忽慢的系统振荡问题。

在中共专利文献《一种立式爬梯健身机》(CN103372278A)公布了一种立式爬梯健身机，通过电动机带动立式爬梯进行运动，该方法存在以下问题：

1.电动机拖动位能性负载，始终处于倒拉反转运行状态，文献中采用的调压调速方法是错误的，无法实现调速目的。

2.电网的电能以及人体重力做的功都消耗在电枢内阻中，不经济环保，并且电机发热量大，容易损坏。

技术实现要素：

本发明的目的是要克服现有技术中存在的上述问题，为此本发明提供了一种立式爬梯健身机及其调速方法，能够适应普通的健身爱好者并且具有很好的调速性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种立式爬梯健身机，包括：攀爬装置、调速系统两部分，攀爬装置由机架、传动机构和横杆组成，其中机架由机座、支架组成，机座固定在地面上，左右两侧的支架沿竖直方向与机座固定连接；传动机构由顶部转轴、底部转轴、链轮、传动闭环链条组成，其中顶部转轴和底部转轴分别通过轴承和轴承座安装在支架顶部和底部，每根转轴的两端各安装有一个链轮，位于同一侧的上下两个链轮位于同一个竖直平面内，两条传动闭环链条分别安装在上下两个链轮上，四个链轮齿数相同；每根横杆的两端分别固定在左右两侧的传动闭环链条同一高度的位置上，所有的横杆绕着传动闭环链条等间隔均匀分布；调速系统由变速机构、制动机构、速度检测单元和电机控制机构组成，其中变速机构由大链轮、小链轮和变速闭环链条组成，大链轮固定安装在底部转轴的一端，小链轮固定安装在飞轮转轴上，大链轮与小链轮位于同一平面内，通过变速闭环链条相互连接；制动机构由飞轮、摩擦机构、步进电机和丝杆机构组成，飞轮为圆柱形，飞轮的旋转中心固定在飞轮转轴上，飞轮转轴通过轴承和轴承座安装在机座上，摩擦机构包括摩擦垫、摩擦底座、弹性连杆，摩擦垫固定在摩擦底座上，摩擦底座固定在弹性连杆的一端，弹性连杆的另一端与机座固定连接，摩擦垫与飞轮位于同一平面内并且与飞轮的侧面具有一定的间隙，步进电机固定在电机架上，电机架固定在机座上，丝杆机构由丝杆、螺纹套筒、滑块和滑槽构成，丝杆与步进电机同轴连接，螺纹套筒的一端具有可以与丝杆配合的内螺纹，另一端为半球体并且与摩擦底座顶部接触，螺纹套筒的外部固定在滑块上，滑块位于滑槽中，滑槽固定在机座 上；速度检测单元固定安装在飞轮转轴上；电机控制机构由电机驱动模块、微控制器、存储器、显示器、控制按键和电源组成，电机驱动模块与步进电机电气连接，存储器、显示器和控制按键分别与微控制器电气连接，电源为电机驱动模块、微控制器、存储器、显示器、控制按键供电。

优选的，速度检测单元为光电编码器。

同时，本发明还提供了一种立式爬梯健身机的调速方法，包括以下步骤：

(1)使用者通过控制按键向立式爬梯健身机输入需要的速度值并且启动立式爬梯健身机，微控制器将该值存入存储器中并且通过显示器将该值显示出来；

(2)微控制器从存储器中读取设定的速度值；

(3)微控制器通过速度检测单元检测飞轮当前的角速度并计算出横杆下降的速度；

(4)微控制器计算当前横杆下降的速度与设定速度值的误差，利用该误差进行计算，计算结果作为电机驱动模块的控制量；

(5)微控制器根据步骤(4)所得控制量的大小对电机驱动模块发出相应的控制命令，控制步进电机转动相应的步数；

(6)重复步骤(2)到步骤(5)，直到按下停止键。

优选的，所述步骤(1)中，控制按键分为速度增加键、速度减少键、开始键和停止键，每次按下速度增加键和速度减少键可以按固定的速度间隔来增加或者减少速度设定值，按下开始键则启动立式爬梯健身机，按下停止键则立式爬梯健身机停止工作。

优选的，所述速度间隔为0.01米每秒到0.5米每秒，按下开始键后，微控制器立即控制步进电机转动，通过丝杆机构将摩擦垫紧紧地压在飞轮侧面，使得飞轮不能转动，使用者在此时站到横杆上，一段延时时间之后微控制器控制步进电机反转，使得摩擦垫与飞轮侧面的摩擦力减小，飞轮在人体重力的作用下开始转动，调速系统开始调速，使得横杆下降速度稳定在设定的速度值，按下停止键后微控制器控制步进电机转动，通过丝杆机构缓慢的将摩擦垫压在飞轮侧面，使得飞轮速度缓慢下降，最终停止转动。

优选的，所述一段延时时间为3-10秒钟。

优选的，所述步骤(1)中，显示器为数码管。

优选的，所述步骤(3)中，由飞轮的角速度计算出横杆下降速度的公式为：其中u₁表示横杆的下降速度，单位为米每秒，ω表示飞轮的角速度，单位为弧度每秒，n₁表示小链轮的齿数，n₂表示大链轮的齿数，R表示与底部转轴连接的链轮的半径，单位为米。

优选的，所述步骤(4)中，利用误差进行计算的算法为PID算法，比例系数为0-1000000，积分系数为0-1000000，微分系数为0-1000000。

优选的，所述步骤(5)中，控制量为正值，表示步进电机正转相应的步数，控制量为负值，表示步进电机反转相应的步数，控制量为0，表示步进电机不转动。

与背景技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明采用梯子式的攀爬结构，适合各类健身人员使用。

2.本发明所述调速方法简单可靠，调速效果稳定并且节能环保。

附图说明

图1为本发明所述立式爬梯健身机的整体结构图。

图2为本发明所述立式爬梯健身机的攀爬装置结构图。

图3为本发明所述立式爬梯健身机的调速系统结构图。

图4为本发明所述立式爬梯健身机调速方法流程图。

图2中，1-链轮；2-顶部转轴；3-底部转轴；4-传动闭环链条；5-支架；6-横杆；7-机座。

图3中，8-大链轮；9-小链轮；10-变速闭环链条；11-飞轮；12-飞轮转轴；13-光电编码器；14-摩擦垫；15-摩擦底座；16-螺纹套筒；17-丝杆；18-步进电机；19-电机架；20-弹性连杆；21-滑块；22-滑槽；23-电机控制机构。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

参照图2和图3，本发明提供了一种立式爬梯健身机，包括：攀爬装置、调速系统两部分，攀爬装置由机架、传动机构和横杆6组成，其中机架由机座7、支架5组成，机座7固定在地面上，左右两侧的支架5沿竖直方向与机座7固定连接；传动机构由顶部转轴2、底部转轴3、链轮1、传动闭环链条4组成，其中顶部转轴2和底部转轴3分别通过轴承和轴承座安装在支架5顶部和底部，每根转轴的两端各安装有一个链轮1，位于同一侧的上下两个链轮1位于同一个竖直平面内，两条传动闭环链条4分别安装在上下两个链轮1上，四个链轮1齿数相同；每根横杆6的两端分别固定在左右两侧的传动闭环链条4同一高度的位置上，所有的横杆6绕着传动闭环链条4等间隔均匀分布；调速系统由变速机构、制动机构、速度检测单元和电机控制机构23组成，其中变速机构由大链轮8、小链轮9和变速闭环链条10组成，大链轮8固定安装在底部转轴3的一端，小链轮9固定安装在飞轮转轴12上，大链轮8与小链轮9位于同一平面内，通过变速闭环链条10相互连接；制动机构由飞轮11、摩擦机构、步进电机18和丝杆机构组成，飞轮11为圆柱形，飞轮11的旋转中心固定在飞轮转轴12上，飞轮转轴12通过轴承和轴承座安装在机座7上，摩擦机构包括摩擦垫14、摩擦底座15、弹性连杆20，摩擦垫14固定在摩擦底座15上，摩擦底座15固定在弹性连杆20的一端，弹性连杆20的另一端与机座7固定连接，摩擦垫14与飞轮11位于同一平面内并且与飞轮11的侧面具有一定的间隙，步进电机18固定在电机架19上，电机架19固定在机座7上，丝杆机构由丝杆17、螺纹套筒16、滑块21和滑槽22构成，丝杆17与步进电机18同轴连接，螺纹套筒16的一端具有可以与丝杆17配合的内螺纹，另一端为半球体并且与摩擦底座15顶部接触，螺纹套筒16的外部固定在滑块21上，滑块位于滑槽22中，滑槽22固定在机座7上；速度检测单元采用光电编码器13，光电编码器13固定安装在飞轮转轴12上；电机控制机构23由电机驱动模块、微控制器、存储器、显示器、控制按键和电源组成，电机驱动模块采用步进电机驱动芯片，微控制器采用单片机，存储器采用flash存储器，显示器采用三个八段数码管，控制按键采用轻触开关，电机驱动模块与步进电机电气连接，存储器、显示器和控制按键分别与微控制器电气连接，电源采用12伏直流电源供电。

本发明所述立式爬梯健身机机械结构简单可靠，适于普通健身爱好者使用。

参照图2、图3和图4，本发明所述一种立式爬梯健身机的调速方法，包括以下步骤：

(1)使用者通过按下速度增加键或速度减少键向立式爬梯健身机输入需要的速度值，每次按下速度增加键或者速度减少键时，速度设定值就增加或者减少0.05米每秒，设定完成之后按下开始键启动立式爬梯健身机，此时单片机控制步进电机18转动，通过丝杆机构 将摩擦垫14紧紧地压在飞轮11的侧面，使得飞轮11不能转动，此时使用者站到横6上，在5秒钟之后，单片机控制步进电机18反转，使得摩擦垫14与飞轮11的侧面摩擦力减小，飞轮11在人体重力的作用下开始转动，调速系统开始调速。单片机将设定的速度值存入flash存储器中并且通过数码管显示器将该值显示出来。

(2)单片机从flash存储器中读取设定的速度值。

(3)单片机通过光电编码器13检测飞轮11当前的角速度并计算出横杆6下降的速度，计算公式为：其中u₁表示横杆6的下降速度，单位为米每秒，ω表示飞轮11的角速度，单位为弧度每秒，n₁表示小链轮9的齿数，取n₁为19，n₂表示大链轮8的齿数，取n₂为51，R表示与底部转轴3连接的链轮1的半径，单位为米，取R为0.1米，即

(4)单片机计算当前横杆6下降的速度与设定速度值的误差，利用该误差进行PID计算，，比例系数为50，积分系数为0，微分系数为0，计算结果作为电机驱动模块的控制量。

(5)微控制器根据步骤(4)所得控制量的大小对电机驱动模块发出相应的控制命令，控制量为正值，表示步进电机正转相应的步数，控制量为负值，表示步进电机反转相应的步数，控制量为0，表示步进电机不转动。

(6)重复步骤(2)到步骤(5)，使得横杆6下降速度稳定在设定的速度值，直到按下停止键后，单片机控制步进电机18转动，通过丝杆机构缓慢的将摩擦垫14压在飞轮侧面，使得飞轮11速度缓慢下降，最终停止转动。

通过本方法可以利用小功率步进电机实现对立式爬梯健身机的速度控制，非常节能环保并且控制效果稳定精确。

虽然仅选择了选定实施例来例示本发明，但是本领域的技术人员从本发明将会清楚，在不违背本发明的精神和范畴下，可以对实施例进行修饰和改变。例如，可以将本发明所述立式爬梯健身机的爬梯结构换成攀岩器的攀爬面则可创造出一种攀岩器，同样也可以利用本发明所述调速方法对此种攀岩器进行调速。因此，本发明所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。