控制锻炼设备的系统和方法

专利名称：控制锻炼设备的系统和方法
技术领域：
本发明领域涉及用于控制锻炼设备的特征、操作和功能的系统和方法。更具体地说，本发明领域涉及用于控制的特征、操作和功能的系统和方法，所述锻炼设备组合行走、跑步和/或跨步类型的运动(通常沿水平或基本水平的方向进行)以及爬梯、踏步和/或爬行类型运动(通常沿竖直或基本竖直的方向进行)。
背景技术：
迄今为止，已研发出各种锻炼设备，所述锻炼设备为室内行走、跑步和/或跨步类型的运动(在下文中，通称为“跨步”)提供方便，即，不需要锻炼者实际改变其当前位置的情况下沿水平或基本水平方向的运动。所述装置的示例包括(但不局限于)跑步机、椭圆形锻练机(通常被设计得模拟跑步运动，同时依赖于接头和其他装置减少跑步的碰撞)以及其他类似装置。而且，也已研发出各种锻炼设备，所述锻炼设备为有助于和/或模拟爬梯、踏步(如在滚动台阶中)和/或攀爬类型运动(在下文中，通称为“踏步”)，即，不需要锻炼者实际改变其竖直位置或物理位置的情况下沿竖直或基本竖直方向的运动。另外，迄今为止，已研发出这样一种锻炼设备，所述设备将跨步和踏步类型的运动组合成一种物理运动。
另外，虽然已研发出了用于控制例如跑步机(用于跨步)或登楼梯机(用于踏步)的操作的各种系统和方法，但是仍然存在对于用于控制锻炼设备的特征和功能的系统和方法的需求，所述锻炼设备将基本水平(即，跨步)类型的运动与基本竖直(即，踏步)类型的运动组合在一起。另外，还存在对于用于使用组合的跨步和踏步运动确定由锻炼者施加的能量的系统和方法的需求。

发明内容
在本发明的一个实施例中，提供了这样一种锻炼设备，所述设备包括主控制单元、与所述主控制单元相连通并且能够产生表示所述设备的有效踏板速度的第一信号的第一传感器、以及包括至少一个阻力级的阻力元件。该实施例的锻炼设备还可包括包含表示对于给定阻力级所消耗的能量的数据的数据结构。在所述实施例中，所述主控制单元可存取数据结构并且基于第一信号和至少一个阻力级中至少一个确定所消耗的能量。
在另一个实施例中，锻炼设备还可包括与所述主控制单元相连通的第二传感器，所述第二传感器随着脚踏板的每次向下移动而产生至少一个第二信号。所述主控制单元可根据所接收的第一和第二信号计算所消耗的能量。另外，所述锻炼设备还可包括包含表示对于给定有效踏板速度和给定阻力级中至少一项所消耗的能量的数据的数据结构；以及所述主控制单元在计算所消耗的能量时可利用来自于数据结构的数据。
在另一个实施例中，锻炼设备可包括至少一个踏板，以使得阻力元件沿基本垂直的方向在踏板上施加第一力。阻力元件还可被构成得，由阻力元件施加的作用力抵消由锻炼者施加在所述踏板上的一第二力的至少一部分或是所有的第二力。
相似地，在锻炼设备的另一个实施例中，所述主控制单元可被构成得用于沿基本水平的方向为至少一个踏板中的每个控制有效踏板速度。在锻炼设备中可包含踏板控制单元。所述踏板控制单元可与所述主控制单元相连通并且可控制至少一个踏板在锻炼设备上的转动。可选择地和/或附加地，所述锻炼设备可被构成得使得所述主控制单元控制所述踏板控制单元的操作。所述主控制单元的所述控制可基于例如表示踏板速度的第一信号。在一些实施例中，所述踏板控制单元可包括直流马达和交流马达中的至少一种。
在本发明的另一个实施例中，所述锻炼设备可被构成得利用该设备为跨步(striding)、踏步(stepping)或者组合的跨步和踏步运动提供方便。所述主控制单元可被构成得用于根据期望的有效踏板速度和期望阻力级中的至少一项确定该设备是否能够为跨步、踏步和/或组合的跨步和踏步运动提供方便。另外，可利用使用者界面设定期望的有效踏板速度和期望阻力级中的至少一项。所述主控制单元还可被构成得用于根据阻力级确定该设备是否为踏步和/或组合的跨步和踏步运动提供方便。
在另一个实施例中，所述设备可被构成得用作跑步机(treadmill)、踏步机(stepper)和组合的跑步机和踏步机中的至少一项。对于踏步机模式来说，所述主控制单元可被构成得用于当第一传感器提供零读数时根据第二信号确定所消耗的卡路里量。相似地，对于跑步机模式来说，所述主控制单元可被构成得用于当步或第二信号提供零读数时根据第一或踏板速度信号确定所消耗的能量。
另外，本发明的各种实施例提供了用于控制锻炼设备的操作的系统，所述锻炼设备可被构成得用作跑步机、踏步机和组合的跑步机和踏步机。所述系统的一个实施例包括处理器；与处理器相连通的第一传感器，用于感测所述锻炼设备中的踏板的基本水平的运动并且产生表示所述运动的第一信号；与处理器相连通的第二传感器，用于感测踏板的基本竖直的运动并且产生表示所述运动的第二信号；以及数据储存装置，容纳用于基于第一信号和/或第二信号确定所消耗的能量的数据结构信息。而且，所述处理器可被构成得用于根据第一信号和第二信号中的至少一个控制锻炼设备的操作。所述处理器还可被构成得用于在给定时间周期内接收第一信号后确定该给定时间周期内的平均有效踏板速度、根据阻力级从数据结构中存取数据、并且基于平均有效踏板速度和数据确定给定时间周期内所消耗的能量。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种制造产品，所述产品包括具有嵌在其中的用于选择用于锻炼设备的模式的电脑可读程序代码装置的电脑可用媒介，所述电脑可读程序代码装置还包括用于选择跑步机模式的电脑可读程序代码装置以及用于选择踏步机模式的电脑可读程序代码装置。另外，电脑可用媒介还可包括用于选择组合的行走和踏步机模式的电脑可读程序代码装置。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种设备。所述设备可包括具有嵌在其中的用于选择用于锻炼设备的模式的电脑可读程序代码装置的电脑可用媒介，包括用于选择跑步机模式的电脑可读程序代码装置、用于选择踏步机模式的电脑可读程序代码装置、以及用于选择组合的跑步机和踏步机模式的电脑可读程序代码装置中的至少任意两个。
在本发明的另一个实施例中，可提供了一种用于锻炼设备的控制系统。控制系统的一个实施例包括主控制单元，以及用于保存由所述主控制单元存取的数据结构的存储装置，其中所述数据结构包含用于确定在锻炼设备的使用期间所施加的作用力的至少一个数据元，并且其中所述锻炼设备可被构成为踏步机模式和跑步机模式。在另一个实施例中，所述锻炼设备还可被构成为组合的踏步机和跑步机模式。
在本发明的另一个实施例中，可提供可由处理器存取的程序存储器或存储装置，明确包含可由处理器执行的指令程序，以便于将锻炼设备构成为多种模式中的一种。所述指令程序可包括接收至少一个使用者输入信号，并且基于所接收的使用者输入信号从所述锻炼设备支持的多个锻炼模式中选定一项。由所述锻炼设备支持的多个锻炼模式还可包括踏步机模式和跑步机模式与组合的踏步机和跑步机模式中的至少一种。
在本发明的另一个实施例中，可提供一种用于确定具有组合的跑步机和踏步机功能的锻炼设备在使用期间所消耗的能量的方法，其中所述锻炼设备包括在每分钟多步下操作的双脚踏板组件并且具有在有效踏板速度下操作的相应踏板。所述方法包括接收表示规定重量的第一值、接收表示设定在锻炼设备上的阻力的第二值、接收表示锻炼设备的有效踏板速度的第三值、接收至少一个表示多个锻炼者在组合跑步机和踏步机功能的的阻力范围内所消耗的V02的第四值、以及作为第一值、第二值、第三值以及至少一个第四值的函数计算燃烧的卡路里。
在本发明的另一个实施例中，可提供一种用于监控在构成用于跑步机或踏步机体育锻炼的锻炼设备方面的体育锻炼的方法，其中所述锻炼设备包括在踏步机模式下以每分钟多步操作的双脚踏板组件并且具有在跑步机模式下以有效踏板速度操作的相应踏板。所述方法的一个实施例包括接收表示重量的第一值、接收表示锻炼设备的阻力级的第二值、以及作为第二值的函数选择踏步机模式或跑步机模式。而且，当选择跑步机模式时，所述方法还可包括接收表示有效踏板速度的第一值并且作为第一值、第二值、第一信号以及表示多个锻炼者对于踏板功能所消耗的V02的经验数据的函数计算所消耗的卡路里。另外，当选择踏步机模式时，所述方法还可包括接收表示每分钟达到的步数的第二信号并且作为第一值、第二值、第二信号以及表示多个锻炼者对于踏步机模式所消耗的V02的经验数据的函数计算所消耗的卡路里。
因此，可理解的是，可以设备、系统、装置、制造产品、数据结构、程序、方法等多个实施例的方式提供本发明。以下附图和详细描述描述了本发明的某些实施例，但是不应认为本发明的范围局限于以下附图和详细描述。


图1是本发明控制系统的一个实施例中所使用的各种传感器、致动器和装置的示意图。
图2是示出了本发明一个实施例中可用于计算所述设备的使用者消耗的能量的程序步骤的流程图。
图3是仅在踏步机模式下结合使用锻炼设备可获得的经验数据的图表。
图4是流程图，示出了本发明一个实施例的一个程序，通过所述程序可确定在组合的跑步机和踏步机模式下时锻炼设备的使用者消耗的能量。
图5是当有效踏板速度保持恒定同时改变阻力级时在组合的跑步机和踏步机模式下结合使用锻炼设备可获得的经验数据的图表。
图6是当阻力级保持恒定同时改变有效踏板速度时在组合的跑步机和踏步机模式下结合使用锻炼设备可获得的经验数据的图表。
图7是流程图，示出了本发明一个实施例的一个程序，通过所述程序可获得用于计算一定阻力级和有效踏板速度范围内所消耗能量的经验数据。
图8是流程图，示出了本发明一个实施例的一个程序，通过所述程序可构成用于使用的锻炼设备。
图9是本发明一个实施例的使用者界面的图形表示。
具体实施例方式
本发明的各种实施例都提供了用于组合型锻炼设备的控制系统和程序，所述锻炼设备模拟组合的跨步和踏步类型的运动。所述运动的特征类似于在海滩上行走或跑步、攀爬松弛表面以及类似运动，其中锻炼者的脚在踏步的同时部分地滑动。而且，本发明的各种实施例都提供了用于控制锻炼设备的控制系统和程序，不管所述控制与所述设备是否被构成为有助于组合跨步和踏步运动、单独跨步运动、单独踏步运动或一些其他运动。另外，如在下文中更详细地描述的，本发明的各种实施例提供了用于估计和/或计算在组合跨步/踏步机模式、单独跨步模式和/或单独踏步模式下使用锻炼设备时由锻炼者施加的能量的系统和程序。也可通过本发明的控制系统和程序的各种实施例计算其他模式以及与之相关的能量计算。
如在以上提及的相关申请中更详细描述的，在至少一个实施例中，本发明的锻炼设备包括一组脚踏板，皮带(或踏板)在其上转动以为跨步类型运动提供方便。所述脚踏板被构成得围绕轴线转动从而可实现踏步类型运动。所述脚踏板最好为互相依存的，以使得当一个脚踏板提升或降落时，另一个脚踏板提升或降落相应的位移量。当踏板围绕每个脚踏板转动时最好发生所述位移，以提供组合的跨步和踏步运动。
本发明的控制系统和程序最好控制组合的跨步和踏步运动并且计算其锻炼者施加的能量。为了实现所述控制和/或能量计算特征和功能，如图1中所示的，本发明设备的至少一个实施例包括主控制单元10(“MCU”)、踏板控制单元20(“TCU”)、踏板速度传感器20(“TSS”)、步进传感器40(“SS”)、使用者输入界面50(“UII”)和使用者输出界面60(“UOI”)，以及控制和计算能量消耗所需的电脑程序和数据结构。在下文中将更详细地描述这些部件中的每一种。应该理解的是，本发明的各种实施例可包括这些部件中的全部、一些、或者不包括这些部件中的任何一种。
控制系统综述本发明的至少一个实施例包括MCU10。MCU10可用于控制锻炼设备(在下文中，称之为“设备”)的操作、特征和/或功能的各个方面。MCU提供用以控制设备的操作所需的那些输出信号，所述操作包括(但不局限于)驱动踏板带。MCU还接收提供状态和其他操作信息的各种输入信号。
在图1中示出了MCU可被构成得用于产生的一个输出信号，即，踏板控制信号15。踏板控制信号15最好为“TCU”20提供控制信号。这些控制信号可为数字信号格式的、模拟信号格式的、组合的数字和模拟信号格式的以及其他格式的，还可为本发明所需要的特定执行。
另外，如图1中所示的，在本发明的至少一个实施例中，MCU最好被构成得用于从TSS中接收踏板速度信号35。TSS主要测量踏板的速度，以使得如果所述锻炼者沿基本水平方向在地面上而不是在所述设备上移动的话可感测到有效踏板速度，即，锻炼者在踏板上行走的速度和/或锻炼者在给定时间周期内行进的距离。最好将可由TSS、MCU和/或其他装置计算的有效踏板速度以诸如英里/小时、千米/小时、英尺/小时等公知和可理解的度量形式提供给锻炼者。因此，MCU接收踏板速度信号，所述踏板速度信号用于计算有效踏板速度和其他锻炼相关参数，例如，在锻炼程序期间消耗的能量或瓦特数。在下文中将详细描述TSS的特征、功能和各种实施例。
本发明设备的各种实施例还可被构成得包括SS40。SS可被构成得用于向MCU提供步进信号45，所述步进信号45表示给定踏板多长时间升高或降低一次，从而由设备的锻炼者进行一次“踏步”。在下文中将详细描述SS的特征、功能和操作。
仍然参照图1，本发明的各种实施例还可包括通过通信链路55与MCU相连通的一个或多个UII50。除提供锻炼者可通过其指定有效踏板速度的输入装置以外，UII还可被构成得包括锻炼者可通过其输入和/或指定各种其他参数的输入装置，所述其他参数包括(但不局限于)锻炼者的体重、期望的体育锻炼设定、体育锻炼时间、期望的程序等。而且，在“体育锻炼”期间，例如，锻炼者可通过增加或减小踏板的有效速度、踏板的角度、踏步阻力或其他参数，利用UII控制所述设备的操作。在下文中将详细描述为本发明各种实施例提供的UII的特征、操作和功能。
本发明的各种实施例最好包括通过通信链路65与MCU相连通的一个或多个OUI60。OUI有助于所述设备的状态、操作、诊断和其他信息(如果期望的话)与锻炼者和/或其他(例如，与教练、锻炼者、护士、医生、技师、电脑等)之间的通信。在下文中将详细描述为本发明各种实施例提供的OUI的特征、操作和功能。
主控制单元(“MCU”)如上所述的，本发明的各种实施例通常包括用于控制所述设备的特征、功能和操作的MCU10。应该明白的是，MCU在实际中可包括任何控制单元和/或处理器，其被构成得或可被构成得(例如，通过软件、硬编码等)以便于处理输入、产生控制信号并且提供输出信号(诸如用于告知或显示给锻炼者的那些输出信号)。所述输入、控制和/或输出信号可包括文中所披露的那些和/或其他公知的和/或与锻炼设备的支持接合使用的。
在至少一个实施例中，MCU包括控制单元，所述控制单元利用处理器(诸如数字信号处理器、个人电脑处理器、特殊用途处理器等)处理输出并产生输出(显示和控制)。诸如输入/输出控制器、显示驱动器以及其他装置等其他处理器可用于支持和/或增大MCU所提供的特征和功能。
MCU通常还包括一些形式的存储器或数据存储装置或数据存储读出装置。可独立或与所述设备结合使用的存储器或存储装置的实施例包括(但不局限于)ROM、PROM、EPROM、EEPROM、RAM、DRAM、RDRAM、SDLRAM、EDO DRAM、FRAM、非易失性存储器、闪速存储器、磁性存储装置、光学存储装置、可移除存储装置(诸如存储棒和闪存卡)，等。MCU通常还包括电源或者与电源相连接。如果需要的话可提供备用电池以保存锻炼者设定和/或其他信息。MCU还可被构成得包括各种类型的输入和/或输出端口。所述I/O端口(“I/O”)的普通示例包括(但不局限于)串行端口、并行端口、RJ-11和RJ-45界面端口、DIN端口、插座、通用串行部线端口、“火线”或IEEE802.11端口、无线界面端口、智能卡端口、视频端口、PS/2端口等。应该理解的是，MCU不局限于任何特定装置和/或系统或组成结构，并且可整体或部分地被提供为独立单元、多个并行单元、遥控单元(例如，通过外部装置提供的单元，诸如局部或遥控个人电脑)、分布式单元或能够支持本发明各个实施例的特征和功能的任何其他结构的。
踏板控制单元(“TCU”)如上所述的，本发明的至少一个实施例包括TCU20，TCU20用于控制各个脚踏板上的踏板的转动速度。在一个实施例中，TCU利用来自于MCU的数字信号控制用于驱动踏板的马达的操作。所述数字信号可为任何适合的信号格式，例如，可使用脉宽调制(“PWM”)信号。如通常理解的，可使用PWM通过改变直流马达被供应动力的时间周期控制直流马达的操作速度，从而控制直接或间接与所述马达相连接的任何踏板的速度。通过启动/切断提供给马达的输入电流可改变所述时间周期。PWM还可用于通过控制马达的负载循环而控制马达的转动速度，即，负载循环越长，提供驱动电流越长，或者通过修正任何给定负载循环的脉冲周期(即，较长的脉冲宽度通常等于马达的长“接通时间”)而控制马达的转动速度。可直接或通过TCU间接将MCU构成得用于控制提供给马达的电力，以使得马达轴和直接或间接与之连接的踏板的转动速度被相应地控制。而且，通过周期性地将电脉冲的施加经由TCU指向马达，MCU可增加或减小马达轴的转动速度，这转而导致踏板速度的相应增加或减小。还应该理解的是，通过沿相反方向流动施加电流(取决于所使用的特定执行过程，可为负电流或正电流)可使得马达轴的转动速度减慢和/或停止。简单地说，在至少一个实施例中，MCU向TCU提供踏板控制信号。所述踏板控制信号直接或间接控制马达的操作从而控制踏板的速度和/或方向。
应该理解的是，对于某些替换实施例，MCU可被构成得用于提供踏板控制信号，同时TCU可被构成得用于接收踏板控制信号并且按照所述踏板控制信号行动，这导致马达使得踏板沿第二或相反方向转动，其中第一踏板方向被限定为踏板远离控制台的行进方向以使得当锻炼者面对控制台时锻炼者在踏板上朝向控制台有效地行走，而第二踏板方向被限定为踏板朝向控制台的行进方向以使得当锻炼者面对控制台时锻炼者有效地向后行走并且远离控制台。应该理解的是，当马达沿第二方向驱动踏板时，锻炼者可适当地将其布置得使其以180度面对控制台，并且当踏板朝向控制台时，锻炼者有效地使用“加速”运动。在相关申请中更详细地描述了本发明控制台的各个实施例的位置和结构。
而且，通常应该理解的是，给定马达通常可在预定转动速度范围内操作，并且使用滑轮、皮带驱动机构、齿轮机构等可实现更大或更小速度。对于本发明的至少一个实施例来说，所述设备可被适当地构成得用于在第一踏板方向上提供0.7英里/小时到4.0英里/小时的操作范围上的踏板速度。类似的，在替换实施例中沿第二踏板方向的更大或更小速度也可被支持。而且，马达最好被构成得在特定操作范围内提供0.1英里/小时的速度增量。然而，在其他实施例中，也可根据需要支持更大或更小操作速度、速度的范围、和/或更大或更小速度增量。然而，不应认为本发明局限于仅在任何指定速度范围内或任何指定速度下操作的设备。
踏板速度传感器(“TSS”)如上所述，本发明的至少一个实施例包括TSS30，所述TSS30用于计算和/或控制有效的踏板速度。应该理解的是，TSS主要向MCU10提供反馈回路(提供速度测量信号)，这在某些实施例中使得MCU通过TCU监控和控制踏板的驱动。在其他实施例中，诸如在其中使用交流马达或其他踏板驱动机构并且可直接或根据踏板控制信号15或其他信号间接从中确定有效踏板速度的实施例中，TSS可或不可使用。在其他实施例中，TSS对于装置的操作是必不可少的，由于用于踏板的驱动结构不能基于输入到驱动机构的输入信号和/或其他信号被可靠地校准和控制。因此，应该理解的是，在某些实施例中，TSS提供用于计算和控制有效踏板速度的信号，并且如果必要的话，对于本发明的具体实施例可产生或导出所述信号。
更具体地说，在本发明的至少一个实施例中，TSS包括被构成得用于检测布置在直接或间接连接于马达/驱动机构的滑轮或其他部件上的磁体(在下文中称之为“踏板磁体”)的通过的读数开关(在下文中，称之为“踏板开关”)。随着滑轮和/或驱动轴的每次相应转动(可使用传动装置等)，踏板磁体经过踏板开关，所述踏板开关检测踏板磁体的经过并且向MCU10输出踏板速度信号35。MCU接收并利用踏板速度信号以计算踏板的有效速度。
应该理解的是，可根据从滑轮(或任何其他驱动机构部件)方面的任何位置中获得的测量结果确定踏板的有效速度。因此，应该理解的是，通过沿滑轮的半径分别向内或向外布置踏板磁体和相应的踏板开关可获得更大或更小的精确度。因此，对于本发明的该实施例来说，踏板磁体在滑轮上的位置位于滑轮的轴线上，因此滑轮的给定数量的转动导致测量结果在有效踏板速度方面的小至0.1英里/小时的增加/减小。
虽然本发明的上述实施例被构成得用于根据从滑轮上的磁体的经过中获得的传感器读数确定有效踏板速度，但是应该理解的是，踏板的转动速度、马达、驱动轴、或任何其他驱动组件相关部件、以及与之相关的标定，都可由TSS和/或MCU适当地利用以确定有效踏板速度。而且，应该理解的是，包括(但不局限于)转速计、电位计、光学传感器等的各种其他类型的传感器可由TSS利用以向MCU提供踏板速度信号。
在其他实施例中，例如，在其中不需要或不必要进行精确的有效踏板速度控制的实施例中，马达也可在不需要反馈回路(诸如由TSS与MCU连接提供的反馈回路)的情况下被控制。在这样一个实施例中，可基于在给定输入电流级(或负载循环)下指定设备的操作特征的经验数据、统计数据或其他数据控制马达的速度。在测试期间根据锻炼者的体重和/或其他因素，所述数据和操作特征可被进一步测量、确定和/或校准。因此，应该理解的是，本发明的各个实施例可利用各种装置和/或程序以控制有效踏板速度。
基于提供速度信号(当得到时)的TSS，MCU也可被构成得用于确定何时向TCU提供踏板控制信号以使得马达加速或减速从而将有效踏板速度保持在期望的有效踏板速度下或者将其保持在期望的有效踏板速度范围内。
如前面所述的，对于至少一个实施例来说，有效踏板速度可在0.1到4.0英里/小时的范围内改变。可由锻炼者经由连接于MCU10的UII50通过使用例如“+”或“-”按钮增加或减小期望的有效踏板速度而指定期望的有效踏板速度。用于增加或减小控制设定的按钮的使用在本领域中是公知的，因此在此不再进行描述。另外和/或或者，可基于诸如由预编程序提供的那些、由指导者提供的(例如，在锻炼班设定中)那些等非锻炼者输入控制有效踏板速度。
步进传感器(“SS”)如前面所述的，本发明的各个实施例可被构成得包括SS(40)，用于随时检测锻炼者进行“踏步”。在一个实施例中，SS被构成得用于检测摇臂的相对移动。如相关申请中所述的，所述摇臂在右脚踏板与左脚踏板之间形成依存性以使得当一个脚踏板落下(朝向地面行进)时另一个自动升起，反之亦然。可使用例如读数开关(在下文中称之为“步进开关”)和相应的磁体(在下文中称之为“步进磁体”)执行对于摇臂的相对移动的检测和/感测。在该实施例中，当右踏板沿第一方向(例如，相对于踏板可围绕其转动的轴线向上或向下)移动时，附于摇臂的步进磁体相应地经过步进开关，所述步进开关产生用于与MCU通讯的步进信号45。相似地，当左踏板降下时，摇臂和步进磁体相应地沿相反或第二方向移动并且经过步进开关并产生步进信号45。与摇臂的转动方向无关，读数开关可被布置得用于检测步进磁体的上/下移动，从而使得其附于其上的摇臂上/下移动，并且从而相应地使得锻炼者进行每次踏步(可为完整的踏步或其一部分)。所述检测适当地与MCU相连通。
应该理解的是，步进磁体相对于摇臂关于其可转动的轴线的位置可确定将由读数开关检测的每次“踏步”所需的每次“踏步”的深度(或给定踏板的上/下移动)。因此，在本发明的一个实施例中，步进磁体和相应的步进开关被布置在摇臂上以便于检测偏差/倾斜至少一英寸的“踏步”。
而且，应该理解的是，如果期望的话也可利用其他装置提供步进感测。所述装置包括(但不局限于)电位计、其他形式的磁性传感器、光学传感器、转动传感器、编码器等。而且，在不脱离本发明精神或保护范围的情况下，任何给定SS沿摇臂的位置或在设备上的位置也可改变。例如，SS可被适当地布置以使得附于一个或多个踏板的磁体可用于检测所述踏板的移动。而且，所述传感器相对于踏板的给定转动轴的位置可确定踏步高度可测量的程度。
在至少一个实施例中，SS可被构成得用于产生和向MCU输出步进信号。在下文中将进一步详细描述来自于MCU的步进信号在确定各种参数、控制所述设备的操作、和/或确定锻炼者性能特征中的利用。使用者输入界面(“UII”)如上所述的，本发明的至少一个实施例包括一个或多个UII50。一些UII可被构成得用于例如通过适当地设置在锻炼者界面上的按钮接受锻炼者输入。在其他实施例中，锻炼者指令、信息和其他输入可通过UII在通信链路55上利用输入装置与MCU相连通，所述输入装置包括(但不局限于)键盘、操纵轮、生物输入(诸如通过心率监控器和/或其他生物传感器提供的那些)、语音输入等。而且，UII可被构成得用于接受来自于外部源(即，除锻炼者以外的源)的输入，诸如团体锻炼班或交互式适合度程序的指导者(例如，通过相关音频—视频表示或在电脑上运行的软件应用所提供的)。所述输入之后在通过UII或不通过UII处理的情况下与MCU相连通。简单的说，UII可被构成得与MCU相连通，或者从一系列多个源中输入人和电脑产生的控制信号，和/或局部遥控于所述设备。
使用者输出界面(“UOI”)本发明的各个实施例通常还包括一个或多个UOI60。所述UOI用于从MCU中向使用者或在通信链路65上通讯实时位置信息和/或前-或后-锻炼程序相关信息。所述信息可包括所消耗的能量、所攀爬的“步”、所获得的英尺、所行进的距离在给定阈值上的锻炼百分比(例如，无氧或有氧)，和/或其他。而且，所述信息可通过任何实际可用的输出装置传达给锻炼者等。本发明各个实施例支持的那些输出装置的示例包括(但不局限于)视频显示装置，诸如发光二极管、液晶显示装置、平板显示器、阴极射线管显示器、仰视显示器、以及护目镜基显示器；音响显示装置，诸如有线和无线的扬声器和头戴受话器；硬拷贝输出装置，诸如打印机；触觉型输出装置等。
UOI也可被构成得通过一系列通信链路65端口和/或输出装置输出锻炼者、状态、性能、诊断结果和/或其他信息。输出端口示例包括(但不局限于)串行端口、并行端口、USB端口、IR端口以及RF端口。在实际中本发明的各个实施例可支持任何类型的显示、输出或显示装置。
控制系统操作最好，本发明的各个实施例可用在三个不同模式中的至少一个、一些或全部中单独踏步机模式，跑步机模式和踏板攀爬模式。在下文中将详细描述这些模式中的每一个。在本发明的某些实施例中，仅支持踏板攀爬模式。在其他实施例中，踏板攀爬模式和踏步机模式被支持、踏板攀爬模式和跑步机模式被支持、或者踏步机模式和跑步机模式被支持。如相关申请中更详细地描述的，所述设备的至少一个实施例包括锁定机构、在启动的情况下，所述锁定机构“锁定”相互平行的左右踏板以使得所组合的支撑板有效地提供一个平台。其他实施例可不包括该锁定特征，并且其他实施例可不构成为当有人踩踏在上面时使得脚踏板转动(也就是说，在某些实施例中，所述设备可被构成得不在踏板攀爬模式下操作)。因此，应该理解的是，作为具体应用和/或指定用途，本发明可被构成为踏步机、跑步机和踏板攀爬机的不同实施例。
单独踏步机模式所述设备可被构成得用作“踏步机”(在下文中，称之为“S-模式”)。当以S-模式构成时，MCU通常不向马达提供任何踏板控制信号(或者那些信号，即使有的话，MCU提供可用于最小化或控制驱动轴的转动，并且通过其延伸，控制踏板的转动运动)。由于马达可能未被供以动力并且滑轮最好不转动，因此当在S-模式下时MCU应不会从TSS中接收任何踏板速度信号。然而，在踏板磁体与踏板开关对齐的情况下，TSS可产生连续的踏板速度信号并且MCU可被构成得在踏步机模式下忽视该信号。然而，MCU不会在锻炼者开始每次“踏步”的情况下继续接收步进信号以及处理所述步进信号，以便于计算当时锻炼者所消耗的卡路里的“做功”量。
更具体地说，应该理解的是，锻炼设备(诸如本发明的设备)的使用者通常期望接收“体育锻炼”期间或其给定部分(诸如，经过给定间隔或经过一个或多个体育锻炼期间的延长周期的瞬象)的当前、已消逝和/或消耗了多少“功”的最终表示。通常，锻炼者以“消耗”的卡路里为单位测量所执行的“做功”量。为了确定“消耗”的卡路里量，通常需要两个参数与给定锻炼相关的V02；以及锻炼者的体重。通常，对于给定锻炼程序来说每分钟“消耗”的卡路里量可由以下公式表示每分钟的卡路里＝锻炼者的体重(kG)×V02×0.005(恒量)(公式#1)该公式的第一部分，锻炼者的体重，由设备的使用者直接或间接提供。如上文中所述的，MCU被构成得经由UII接收使用者输入，所述使用者输入可包括锻炼者的体重。因此，锻炼者可直接为所述设备提供其体重以便于计算消耗的卡路里。或者，所述设备可被构成得间接接收锻炼者体重信息，例如，通过使用“秤”测量锻炼者的体重。本领域中各种类型的秤都是公知的，并且可与本发明结合使用以确定锻炼者的体重。
如上所述的，确定给定体育锻炼所消耗的卡路里所需的第二元素是V02。通常可理解的是，V02基于所执行的锻炼的类型(例如，跑步、游泳、踏步、骑车、举重等)和体育锻炼设定或与所述锻炼相关的阻力值改变。为了更好地执行锻炼程序，诸如在平坦地面上或在斜坡上跑步，骑脚踏车、以及踏步(对于给定踏步高度)，已消耗的V02已由美国运动医学学院(“ACSM”)良好地证明并且可从公式和/或ACSM提供的图表中获得。
作为踏步机功能，诸如由本发明至少一个实施例所提供的，当以S-模式构成时，可利用ACSM确定公式或其他公式。然而，在本实施例中，由于存在于左右脚踏板直接的相互依存性，使用如下文中所述的非-ACSM公式。基于锻炼者所获得的英寸/分钟，当执行踏步功能时该公式可用于确定所消耗的V02。通常，该关系可由以下公式表示V02stepping＝(HT×0.04)+3.5(其中“HT”＝以英寸/分钟得到的总高度)(公式#2)通常，为了确定V02，MCU需要锻炼者在给定时间周期内所进行的踏步的总高度“HT”。由于在延长的时间周期中锻炼者所进行的任何给定踏步的实际高度可从先前或随后的踏步下改变，因此HT也改变。因此，通常应该理解的是，锻炼者经常进行小于整个高度的踏步，因此，在任何给定时间周期中锻炼者将消耗小于最佳的V02。为了精确地反映锻炼者实际执行的功量，通常，锻炼设备(诸如本发明的各个实施例)应解决不规则踏步，例如小于完整踏步或延伸的持续踏步(即，当锻炼者在踏步时休息或者当踏板与底部止档相接触时)。通常，踏步和/或踏步高度中的这些改变，以及由锻炼者实际消耗的V02的测量结果可根据所进行的实际踏步高度的测量结果和踏步频率计算。应该理解的是，在本发明的各个实施例中，可使用电位计、编码器等直接测量实际踏步高度。
然而，本发明的其他实施例可不包括或使用电位计、编码器或其他传感器以直接测量锻炼者进行的踏步高度，因此，MCU不能在给定实际周期上直接计算总高度“HT”。此外，所述设备可被构成得用于基于SS所产生的那些步进信号确定V02。当MCU未被供以测量的踏步高度信息时，MCU可被构成得用于根据SS检测的锻炼者的每分钟踏步数(Ractual)推断踏步高度，以便于确定给定时间周期内锻炼者消耗的V02。
更具体地说，所述设备的至少一个实施例可被构成得用于由MCU根据归于锻炼者的平均踏步速度Ravg基于来自于SS乘以默认踏步深度“D”(以英寸或其他可比度量法为单位)的每分钟踏步数信号计算总高度“HT”。可根据经验研究，例如，在恒定阻力级下对于恒定锻炼者体重所进行的经验研究确定Ravg。
作为本发明至少一个实施例，默认踏步高度“D”等于沿上/下方向的踏板的最大行进量，最好为六英寸。然而，应该理解的是，对于其他实施例来说D可更大或更小。当D改变时，平均踏步速度Ravg也可改变。因此对于其他实施例来说，附加经验研究对于确定Ravg可为必需的。
因此，对于至少一个实施例，当所述设备处于S-模式下时，锻炼者进行六英寸的最大踏步高度D，无论每分钟实际踏步数Ractual是小于还是等于预定和依经验计算的平均踏步速度Ravg(其中Ravg＝给定体重和阻力级下锻炼者所进行的依经验平均的总踏步数)。因此，对于在依经验确定的平均性能级(以每分钟的踏步为单位测量的)下执行的锻炼者来说，锻炼者所做的功与通过以下公式确定的实际踏步数有关V02＝(Ractual×D×0.04)+3.5(其中“Ractual”＝所获得的每分钟实际踏步，D＝最大踏步深度)(公式#3)例如，第一锻炼者体重为175磅或79.54kG s并且最好在第一阻力级下锻炼(即，Ractual＝Ravg)。另外，假定Ravg等于40步/分钟(即，基于经验研究，可确定最好在给定阻力级下进行锻炼的第一锻炼者应能够完成每分钟四十整步)。另外假定D等于六英寸(即，假定最大踏步深度为六英寸)。因此，在该努力水平下每分钟锻炼期间第一锻炼者应“获得”以下总踏步高度HT(可被限定为Ravg×D)40步×6英寸＝240英寸/分钟。使用上述式子用于公式#2，因此锻炼者的V02应为(240×0.04)+3.5＝13.1。进一步使用公式#1，锻炼者每分钟燃烧的卡路里为5.2卡/分钟。
但是，在另一种体育锻炼中，假设第一锻炼者以Ractual＝每分钟25步的非最佳速度锻炼(其他所有的设定补充相同)。在这种情况下，锻炼者的总踏步高度HT为Ractual×D＝25×6＝150并且所得到的V02为(25×6×0.04)+3.5＝9.5。简言之，以低于最佳性能级进行锻炼，锻炼者作用较少的能量。
但是，当相同的锻炼者以高于经验平均速度的速度在相同的阻力级下，例如，当Ractual＝每分钟65步时，而Ravg.＝每分钟40步，因此MCU通过使得最大踏步深度D乘以经验平均步数Ravg.与实际步数Ractual的比而减小总踏步高度HT并且因此达到修正的总踏步高度HM。修正的总踏步高度HM可用于公式#2中以确定V02，如下式V02＝(Ractual×HM×0.04)+3.5例如，当第一锻炼者以第一阻力级锻炼并且具有每分钟65步的实际踏步速度Ractual时，V02＝(65×(6×40/65)×0.04)+3.5＝(65×3.69×0.04)+3.5＝13.094≈13.1。
同样，上述示例表明，当锻炼者以高于经验踏步速度的踏步速度踏步时，锻炼者通过有效地走更多的深度较短的步可有效地消耗相同的能量，从而导致相同数量的垂直增益，好像锻炼者在给定的时间段以整步深度完成较少的步。
简言之，为了确定给定重量的锻炼者所消耗的V02，以给定的阻力级，对于本发明的至少一个实施例，MCU使用来自于SS的步进信号，先前或者过后提供的锻炼者的重量以及当前的阻力级设定。
如上所述，MCU可在没有接收实际踏步高度指示的情况下利用步进信号和在测试过程中获得的经验数据确定锻炼者的V02。可利用图2中所示的程序获得该经验数据。如图所示，该程序可从锻炼者重量的指定开始(步骤200)。应该理解的是，改变重量的多种锻炼者可使用该设备。对于本实施例，这样的重量范围被规定在100-300磅的范围内。但是，如果需要的话，其他重量范围可受到其他实施例的支持。另外，该程序规定阻力级，例如0-12级(步骤202)。在这方面，第一锻炼者被测试以确定在给定的时间段(例如1分钟)内走的实际步数(步骤204)。这些结果接着被存储(步骤206)，相同重量的后续锻炼者接着最好在相同的阻力级下被测试，直至获得足够的样本组(步骤208)。基于该样本组，平均化和统计操作可用于样本组以确定与在给定的阻力级下与给定重量的锻炼者相关的平均阻力Ravg.(步骤210)。应该理解的是，可利用仅男性、仅女性和/或混合性别的样本组建立这些测试和相应的测量。在给定重量和阻力的Ravg.被确定后，该程序可继续根据变化的阻力级和/或变化的锻炼者重量确定Ravg.值(步骤212-214)。这些附加测试接着最好分别产生第二和第三样本组，可以对这些样本组进行曲线拟合、回归分析、标准偏差、求平均值或者其他统计和/或数学操作以确定在锻炼者重量设定范围内的Ravg.和给定的阻力级之间的关系(步骤216)；以及在阻力级设定的范围内的Ravg.和锻炼者重量之间的关系(步骤218-220)。例如，图3示出了可用于确定在多个阻力级上与给定的锻炼者重量相关的Ravg.的曲线拟合300的一个示例。如图中所示，可以预见到，在给定的重量设定下Ravg.和阻力级之间的关系基本上是线性但不是完全的线性。
简言之，应该理解的是，锻炼者消耗的V02将基于设备的阻力级设定和锻炼者的配合水平(即，低于所需的配合水平的锻炼者可不能在锻炼过程中保持Ravg.)而改变。简言之，阻力级越高，需要做的功越大以降低整步高度。类似地，对于给定的阻力级，一步所需的时间被降低，整个高度距离也可根据锻炼者的重量改变。
应该理解的是，重量、阻力级和Ravg.之间的关系也可在数据结构中被表示，诸如一个表。例如，在给定的阻力级下的给定Ravg.可作为锻炼者重量的函数被表示在数据结构中，如表1中下面示出的。一般地，认为经验测试可表示当两个锻炼者在相同的阻力级下体育锻炼时在给定的时间段内较重的锻炼者走的步数通常大于较轻的锻炼者走的步数。利用这样的数据，MCU可在给定的阻力级下将实际步数与指定重量的锻炼者的给定Ravg.比较，并且推断由锻炼者得到的总踏步高度HT和由锻炼者消耗的V02。
表1

(所提供的数据仅是说明性的并且没有基于试验结果)类似地，上述关系也可被表示为数学公式或者算法。诸如由Oakdale Engineering制造的DATAFIT Version 6.1.10的曲线拟合软件可用于基于试验测试结果获得这样的数学公式。
因此，当采用S-模式时，本发明的至少一个实施例可用于确定在给定的阻力级下由锻炼者消耗的功V02。基于该V02的确定，可利用公式#1或者其他适合的计算方法来计算锻炼者每分钟燃烧的卡路里。
如上所述，MCU可在给定的时间内(诸如对于给定的体育锻炼在数分钟内等)确定锻炼者燃烧的卡路里。如果需要的话，锻炼者性能数据可被MCU适当地直接或者间接存储在存储器或者存储装置(例如在远程或者可移除存储或者记忆装置)中，用于附加的性能测量和/或用于其他任何目的。接着存储的数据可被数学地、统计地或者其他方式操控和/或分析以达到所需的结果，诸如消耗的总能量、单位心率的平均步数等。
单独跑步机模式该设备实现的另一种模式是单独跑步机模式(下面称为“T-模式”)。当处于T-模式时，左和右踏板最好以给定的斜度被固定。在一个实施例中，这样的斜度被设定为10度倾斜，但在其他实施例中，可采用其他的倾斜度。
在T-模式下，MCU最好将踏板控制信号输出到TCU(从而控制踏板的速度)并且从TSS接收踏板速度信号。另外，MCU最好从步进传感器接收稳态步进信号，表示踏板位于10度的倾斜构造中。但是，应该理解的是，步进磁体和步进开关可被这样构造，即，当踏板为T模式构造时不产生步进信号。同样地，MCU可被适当地编程以当处于T模式时利用或者不利用由SS提供的任何输出信号。但是，从控制方面，最好SS输出稳态步进信号以使得MCU利用这样的信号的缺乏以检测给定的踏板的相对位置的下降(和/或相对的踏板的相应的上升)。这样的下降可表明踏板处于未锁定或者其他错误条件。
当处于T-模式时，锻炼者在锻炼时消耗的功的确定，可利用建立ACSM确定在给定的英里/小时下10度倾斜的跑步机上的给定重量的锻炼者消耗的V02来确定。与其相关的这些计算和算法在本领域是公知的。同样，MCU可存取这样的ACSM算法、表等以确定该设备在T-模式下的实施例的锻炼者燃烧的功和卡路里。
踏板攀爬模式该设备实现的另一种模式在下面被称为踏板攀爬模式或者“TC-模式”。如这里更详细描述的，当处于TC-模式时，该设备用作踏步机和跑步机(即，它有助于组合运动形式的踏步和跨步)。输入信号可被MCU从TSS(提供有效踏板速度的表示)和SS(提供每分钟步数的表示)接收。当处于TC-模式时，MCU也可将踏板控制信号输出到TCU和/或其他输出信号。
对于本发明的设备的至少一个实施例，当处于TC-模式时，锻炼者消耗的功或者V02可基于经验研究和有效踏板速度。这些研究通常收集表示在一定阻力级范围内和有效踏板速度范围内锻炼者消耗的V02的数据点。通常理解的是，V02与锻炼者的重量无关。同样地，对于给定的阻力级和有效踏板速度，这些经验研究可在多种锻炼者重量下进行。如下面描述的，通常利用心率监测以及呼吸互换监测来进行经验研究。
参照图4，示出了本发明的一个实施例的为锻炼者计算V02的一种程序。如图所示，该程序可从选择具有第一给定重量的锻炼者(例如，重120磅的锻炼者)并且需要的话选择性别开始，400。该锻炼者被适当地热身，如利用建立的测试协议所提及的，并且该设备的阻力级被设定到第一级，例如级1，402。为该设备设定第一踏板速度，例如1英里/小时，404。基于这些设定，锻炼者的性能、心率和其他生物测定指示被监测，406。基于该监测，锻炼者消耗的V02可被确定、记录和保存，408。如果需要的话，对于不同的踏板速度设定，该程序可被重复，同时保持阻力级不变，在不同的阻力级下同时保持踏板速度设定不变，对于不同的锻炼者重量或者出于其他任何目的，410-412-414。这些收集测量的结果可用于在阻力级、有效踏板速度、锻炼者重量、性别和其他参数上限定和/或改进V02计算。
最好对于阻力级和有效踏板速度的每一个组合收集至少10个数据样本。如上所述，消耗的V02应该不基于锻炼者重量改变，但是，对于统计采样的目的，基于不同重量的锻炼者收集数据。在所需数量的数据样本被收集416后，这样的数据点可被适当地汇编并且可被绘图，列在表中，被“曲线拟合”(例如，利用上述的曲线拟合软件或者可比较的软件)或者被操控以确定与给定的阻力级和有效踏板速度相关的V02，418。图5中示出了本发明的一个设备的测量160磅锻炼者每分钟消耗的卡路里的结果的一个示例。在该图中，有效踏板速度保持不变同时阻力级(由“体育锻炼设定”指定)改变。同样，当阻力级从设定1级的“容易”的体育锻炼增加到设定12级的“难”的体育锻炼时，每分钟的卡路里基本成正比例地增大。相反，图6提供了当有效踏板速度增大时在给定阻力级下的160磅的锻炼者每分钟消耗的卡路里的表示。如图6中所示，对于该经验研究，有效踏板速度增大每小时1英里导致每分钟增大2.5卡路里。
图7中示出了可获得经验数据和用于计算与阻力级和有效踏板速度的一定范围相关的V02的程序的另一个实施例。如图中所示，该程序从按照人口统计学理想地变化的人口数补充测试对象开始。例如，对于结合本发明的至少一个实施例进行的一种研究，从Adelphi大学学生、教职工和工作人员的人口数中获得测试对象的人口数。
接着，筛选测试对象的代表性样本以实现测试兼容性，702。应该理解的是，可利用PAR-Q筛选、医疗历史回顾和/或其他已知的技术来建立这样的筛选。
然后可开发一个识别可用的测试对象(即，通过筛选的)和所需的试验的模型，704。对于至少一个实施例，可利用封蔽设计以开发所述模型使得所有可用的测试对象(之后称作“参与者”)执行所有的试验。
下面，每一个参与者以一种随机选择的顺序执行所有所需的试验以消除任何亲密的要素，706。在测试过程中，可利用由FitcoInstruments of Quogue，New York制造的Max II，Fitco MetabolicSystem进行开路肺活量测定来进行新陈代谢测试。在该测试中，最好利用高和低校准气体以保证氧和二氧化碳分析器的校准标准，这样的分析器的可用性和使用在本领域是公知的。另外，三升注射器，诸如由Warren Collins或者the Hans-Rudolph Company制造的，可用于校准供氧体积。另外，任何所获得的新陈代谢数据可通过在每一个试验之前获得周围环境温度、相对湿度和大气压力而从BTPS转换到STPD状态。最好，但不是必需的，测试应该在实验室条件下进行，实验室条件遵守由ACSM提出的测试所用的指导方针，诸如在ACSM’s Gudelines for Exercise Testing and Prescription，6thEdition，Lippincott Williams & Wilkins，2000中提及的，其中的全部内容在这里合并作为参考。另外，试验最好也在由theAustralian Sports Commission提及的实验室条件下进行，诸如在Physiological Test for Elite Athletes，Human KineticsPublication，2000中提出的，其中的全部内容在这里合并作为参考。
另外，对于本发明的至少一个实施例，每一个试验最好持续，直至参与者的心率(每分钟±5下)、氧气消耗量(每分钟±150mL的氧)和供氧量(每分钟±3L)达到稳态。应该理解的是，参与者的心率可由POLAR遥测装置或者其他心脏监测装置来获得。在每一个试验过程中，参与者的心率被连续监测。另外，在每分钟的最后15秒获得的平均心率可用于数据采集。也可在每一个试验的最后一分钟内例如利用Borg Category Scale of Perceived Exertion(Borg’s PerceivedExertion and Pain Scales，Human Kinetics Publication，1998)来获得感知的作用力的主观额定值(RPE)。
一旦已经从所有所需试验(如在模型中指定的)的所有参与者中得到上述所有数据，708，该程序继续执行换算数据以进行计算机分析，710。应该理解的是，各种系统和/或程序可被利用以减小计算机分析的数据。对于至少一个实施例，这样的分析包括在各种测试方式上针对每一个变量和每一个试验计算数据的平均值和标准偏差，712。统计分析，例如利用ANOVA，也可被用于这样的数据、平均值和/或标准偏差。另外，可对数据施加小于0.5级重要程度的可能性P下的t-测试。
基于上述统计和/或数据分析的结果，数据点被获得，可被绘制或者“曲线拟合”(如上所述)以获得曲线图、表、算法、数据结构等，这些描述、说明或者提及阻力级、有效踏板速度、V02、每给定时间内燃烧的卡路里和/或由本发明的特定实施例所需的其他任何参数之间的关系，714。
简言之，应该理解的是，多种测试方式可被使用以在锻炼方式的范围内获得V02数据/信息的经验值。这样的数据/信息可被提供给或者存储在MCU，或者其他本地或者远程计算机单元，以使本发明的各个实施例可基于在处于TC-描述时的所选择的有效踏板速度和所选择的阻力级精确地计算给定重量的锻炼者每分钟所消耗的卡路里。还应该理解的是，这样的试验测试方式也可用于这里所述的其他锻炼方式、锻炼模式的组合和/或这样的锻炼模式与本发明的实施例的应用的组合和/或分离。
各种模式的构造设备如上所述，本发明的设备的至少一个实施例可以构造成以三种方式中的一种S-模式、T-模式或者TC-模式工作。为了快速并且以最小数量的锻炼者输入指定到MCU，锻炼者希望MCU的模式使得该设备在任何给定时间内操作，对于本发明的至少一个实施例建立下列程序/惯例，如图8中所示，参见图9。
对于本发明的至少一个实施例，该设备的启动可适当地从压下“电源”按钮开始800。用于启动该设备的其他技术也可被使用，诸如，通过开始压下脚踏板。接着，电力被提供给该设备，MCU可请求各种信息，诸如锻炼者的重量可被请求并且锻炼者可输入这样的信息，例如利用加速(“+”)和减速(“-”)按钮。另外，如果该设备已经在前使用过，该设备可自动显示最后的锻炼者的重量并且这样的重量可根据需要而改变，802-804-806。
所需的阻力级或者“体育锻炼的设定”也可被输入到MCU中808。应该理解的是，本发明的某些实施例的实际阻力级可利用在每一个液压缸上的锻炼级别刻度盘并且通过UI I将相应的条件输入到MCU中而被人工调节。但是，应该理解的是，本发明不限于人工调节的阻力级，并且其他实施例可包括在锻炼者、MCU和/或其他本地或者远程控制器、处理器或者其他装置的引导和/或指导和控制下自动设定或者半自动设定的阻力级。这样的阻力级可被液压、气压、电子-机械、机械、电磁独立或者组合和/或利用其他可控制本发明的任何实施例的阻力级或者“体育锻炼的设定”的方法、工艺或者装置适当地控制。
参见图8，当被输入的阻力级被设定为“0”(见810)时，对于本发明的至少一个实施例，MCU最好转为T-模式，812。当处于T-模式时，锻炼者可利用各种输入，例如压下“开始/停止”按钮启动踏板的转动，814。另外，锻炼者或者MCU可设定所需的有效踏板速度，816。当由锻炼者指定时，有效踏板速度，如由TSS检测和由MCU确定的，可分别利用“+”和“-”按钮而被增大或者减小。
或者，当输入的阻力级被设定在1-12级范围内时，MCU最好使得设备处于TC-模式或者S-模式，818。锻炼者可通过压下“开始/停止”按钮、增加按钮等来启动踏板的转动，820。接着MCU确定基于由锻炼者或者MCU选择的有效踏板速度确定该设备是在TC-模式或者S-模式下工作，822。在本发明的至少一个实施例中，锻炼者可设定所需的有效踏板速度并且在这种情况下，设定所需的操作模式是TC-模式或者S-模式，824-826。简言之，当踏板速度和阻力级被MCU或者锻炼者设定时，设备以TC-模式操作。当仅阻力级被设定时，该设备最好以S-模式操作，828。并且，当仅有效踏板速度被设定时，该设备以T-模式操作。
这样，通过设定阻力级和有效踏板速度(如果有的话)，锻炼者或者MCU可使得该设备以三种设定模式中的任何一种操作。但是在规定程序时，在锻炼期间的任何给定时间内使用的模式可改变。这样的改变可自动、半自动或者人工实现。还应该理解的是，可使用用于规定其他所需的设备模式的程序和/或装置。这样的程序和/或装置包括但不限于按钮、菜单、编程的程序(可指示该设备在锻炼过程中在各种模式之间切换)、外部引导模式(例如在组锻炼中由指导者设定的模式)等。
可选择的实施例尽管上述内容主要针对于本发明的一个实施例，但应该理解的是，本发明不限于此。如概括描述的，本发明可利用多种控制单元、传感器、输入和输出。特别参考本发明的控制单元和/或数据处理方面，应该理解的是，可利用多种控制器/处理器。在一些实施例中，处理器/控制器甚至没有被包括。同样，MCU将操作的范围通常包括“转储”处理器，它可提供很少的(如果有的话)控制功能和/或能力，并且主要接收数据输入和给高度改进的处理器产生输出以显示给锻炼者，诸如利用改进的微处理器结构(例如PENTIUM微处理器)的处理器。这样的处理器可与其他装置组合以提供类似个人电脑的能力、特征和功能，并且可被这样构造，即，使得这样的处理器可控制上述本发明的各个(如果不是所有的)特征、操作和功能以及提供附加的特征、功能和/或控制能力。这样，应该理解的是，本发明的各个实施例不限于这里所述的这些并且其他实施例可用于控制该设备的特征、功能和操作。
另外，本发明的各个实施例可包括多个种类、数量、重量、范围和类型的传感器和/或传感装置。如上所述，本发明可包括与本发明的给定执行方式相容的任何传感器。这样的传感器可监测该设备的各种、任何和/或所有特征和/或功能。这些功能的一些可涉及锻炼者如何使用和/或享受该设备。例如，传感器可监测速度、倾斜、踏步高度、踏步深度、锻炼者的脚对踏板的冲击(例如，以确定锻炼者重或者轻踏步，并且以基于此对系统性能进行调节)、锻炼者对任何手柄施加的压力(例如确定锻炼者是否“被欺骗”)、心率或者其他锻炼者体能条件的生物测量指示、步幅长度(例如，为了确定踏板应该朝向控制台或者远离控制台偏移以为锻炼者提供更好的和/或舒适的锻炼)等。类似地，可提供独立或者多方面监测和锻炼者的经验相关的参数不同的参数的传感器。这样的参数可包括马达时间、振动或者液压系统使用(例如，压缩振动进行多少次以确定需要维修的时间)和其他参数。
本发明的各个实施例可处理由多个传感器和输入设备提供的输入，这样的实施例也可控制多种致动器。如上所述，一种这样的致动器是驱动踏板的马达。其他致动器可包括但不限于踏步高度致动器(例如，基于锻炼者的高度、所需锻炼的类型等调节踏步高度和/或踏步深度)；踏板致动器(例如，可控制一个或者两个踏板的速度、角度、方向和其他方面的致动器)；振动或者阻尼阻力致动器(例如电磁阻力装置、液压、气压和其他类型的装置可被使用以控制踏板上升或者下降的速度和消耗的能量)；环境致动器(例如，冷却风扇、加热器、音频-视频装置和关于或者涉及锻炼者利用该设备锻炼的其他装置)；安全致动器(例如被设计以防止锻炼者受伤的装置等)；以及其他致动器。简言之，本发明的实施例可具有人工、半自动或者自动控制该设备的操作、构造和/或使用的任何方面的致动器。
关于被提供给控制单元的输入，输入可由上述任何的控制器(例如来自于从属或者远程控制装置的输入，诸如TCU)、传感器和致动器提供。另外，输入可由锻炼者提供。锻炼者输入例如可运行从人口统计指示器(例如，高度、重量、年龄、吸烟/不吸烟)到医疗历史信息(例如锻炼者是否发作过心脏病或者具有心脏病-从而基于锻炼者的心率加强对锻炼的控制或者要求较长的平静时间)、到锻炼目标的整个范围或者其他信息。输入也可由其他装置、系统或者方法来提供。例如，本发明的各个实施例可以组或者班设定的方式操作，其中指导者或者其他设定有效踏板速度、阻力级、目标心率等的目标。当特定的锻炼者要求可设定得低于在同一班中设定的指导者或者三项全能运动员使用的要求时(例如，关于在一个班中的超重的锻炼者相关的设备可被定制以较低的启动阻力级操作，同时根据指导者的设定，在锻炼过程中还增大或者减小阻力级)时，这样的“目标”可或者不可在每一个设备中被MCU调整或者顾客定制。另外，可利用自动化系统提供输入，诸如可包括在为给定的致动器改变设定时指示设备的视频信号中的触发器的锻炼视频。类似地，可由远程或者本地计算机程序、软件程序或者其他装置提供输入。
另外，多种输出可由本发明的各个实施例提供。使用者界面的一个实施例被示出在图9中。如上所述，到致动器的输出信号可由MCU或者其他处理器提供。另外，到锻炼者的输出信号可在音频、视频、触觉或者其他信号的范围内被提供。其他信号也可被设备输出，包括设备/锻炼者的体能水平。例如，在组或者班的设定中，这样的水平和锻炼体能水平信息可被提供到指导者以保证锻炼设备不超负荷工作或者工作量不足。类似地，这样的性能信息可被提供给监测装置。例如，心脏病患者的性能数据(诸如锻炼水平、达到的最大心率、平均心率等)可被提供到应急监测服务部门，提供到医生或者治疗学家(用于患者监测)或者其他，包括锻炼者。另外，设备性能数据例如可利用有线或者无线网络连接被提供到制造者、研究者等以为辅助使用、故障检修、倾向和其他诊断应用提供方便。
利用多种控制、传感器、输入和/或输出可能性，本发明的各个实施例可支持大范围的设置和操作。例如，一个实施例可基于锻炼者或者其他输入在锻炼过程中支持三个不同模式之间的切换。可提供一种设备，该设备能够支持踏板绕着枢转的水平或者垂直轴线、这种枢转的深度、踏步高度和/或其他设定的改变。可提供包括在多个设备之间的串扰能力的实施例，例如利用有线或者无线通信链接。可提供支持锻炼者性能的记录和/或在可移除的小卡上设定构造的实施例-这样一个实施例在体育馆、宾馆或者其他地方是需要的。
总结应该理解的是，已经参照某些实施例和示例对本发明进行了详细描述。可在由权利要求书、说明书和/或附图限定的本发明的保护范围内进行各种变型和改进。
权利要求
1.一种锻炼设备，包括主控制单元；与所述主控制单元相连通并且能够产生表示所述设备的有效踏板速度的第一信号的第一传感器；以及包括至少一个阻力级的阻力元件。
2.如权利要求1所述的锻炼设备，其特征在于，还包括包含表示对于给定阻力级所消耗的能量的数据的数据结构。
3.如权利要求2所述的锻炼设备，其特征在于，所述主控制单元存取数据结构并且基于第一信号和至少一个阻力级中至少一个确定所消耗的能量。
4.如权利要求1所述的锻炼设备，其特征在于，还包括与所述主控制单元相连通的第二传感器，所述第二传感器随着脚踏板的每次向下移动而产生至少一个第二信号。
5.如权利要求4所述的锻炼设备，其特征在于，所述主控制单元根据所接收的第一和第二信号计算所消耗的能量。
6.如权利要求5所述的锻炼设备，其特征在于，还包括包含表示对于给定有效踏板速度和给定阻力级中至少一项所消耗的能量的数据的数据结构；以及所述主控制单元在计算所消耗的能量时利用来自于数据结构的数据。
7.如权利要求1所述的锻炼设备，其特征在于，所述锻炼设备包括至少一个踏板并且阻力元件沿基本垂直的方向在所述踏板上施加一第一力。
8.如权利要求7所述的锻炼设备，其特征在于，由阻力元件施加的作用力抵消由锻炼者施加在所述踏板上的一第二力的至少一部分或是所有的第二力。
9.如权利要求7所述的锻炼设备，其特征在于，所述主控制单元沿基本水平的方向为所述至少一个踏板中的每一个控制有效踏板速度。
10.如权利要求1所述的锻炼设备，其特征在于，还包含踏板控制单元，所述踏板控制单元与所述主控制单元相连通并且控制至少一个踏板在锻炼设备上的转动。
11.如权利要求10所述的锻炼设备，其特征在于，所述主控制单元控制所述踏板控制单元的操作。
12.如权利要求11所述的锻炼设备，其特征在于，所述主控制单元至少基于第一信号控制所述踏板控制单元的操作。
13.如权利要求11所述的锻炼设备，其特征在于，所述踏板控制单元还包括直流马达和交流马达中的至少一种。
14.如权利要求1所述的锻炼设备，其特征在于，所述锻炼设备可被构成得利用该设备为跨步、踏步或者组合的跨步和踏步运动提供方便。
15.如权利要求14所述的锻炼设备，其特征在于，所述主控制单元根据期望的有效踏板速度和期望阻力级中的至少一项确定该设备是否能够为跨步、踏步和/或组合的跨步和踏步运动提供方便。
16.如权利要求15所述的锻炼设备，其特征在于，利用使用者界面设定期望的有效踏板速度和期望阻力级中的至少一项。
17.如权利要求14所述的锻炼设备，其特征在于，所述主控制单元根据阻力级确定该设备是否为踏步或组合的跨步和踏步运动提供方便。
18.如权利要求1所述的锻炼设备，其特征在于，所述设备可被构成得用作跑步机、踏步机和组合的跑步机和踏步机中的至少一项。
19.如权利要求4所述的锻炼设备，其特征在于，当第一传感器提供零读数时，所述主控制单元根据第二信号确定所消耗的卡路里量。
20.如权利要求19所述的锻炼设备，其特征在于，所述设备构造成位于踏步机模式。
21.如权利要求4所述的锻炼设备，其特征在于，当第二信号提供零读数时，所述主控制单元根据第一信号确定所消耗的能量。
22.如权利要求21所述的锻炼设备，其特征在于，所述设备构造成位于单独跑步机模式。
23.一种用于控制锻炼设备的操作的系统，所述锻炼设备可被构成得用作跑步机、踏步机或组合的跑步机和踏步机，所述系统包括处理器；与处理器相连通的第一传感器，用于感测锻炼设备中的踏板的基本水平的运动并且产生表示该水平的运动的第一信号；与处理器相连通的第二传感器，用于感测踏板的基本竖直的运动并且产生表示该竖直的运动的第二信号；以及数据储存装置，容纳用于基于第一信号和/或第二信号确定所消耗的能量的数据结构信息。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述处理器根据第一信号和第二信号中的至少一个控制锻炼设备的操作。
25.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述处理器在给定时间周期内接收第一信号后确定该给定时间周期内的平均有效踏板速度，根据阻力级从数据结构中存取数据，并且基于平均有效踏板速度和所述数据确定给定时间周期内所消耗的力。
26.一种制造产品，包括具有嵌在其中的用于选择锻炼设备的模式的电脑可读程序代码装置的电脑可用媒介，所述电脑可读程序代码装置还包括用于选择跑步机模式的电脑可读程序代码装置；以及用于选择踏步机模式的电脑可读程序代码装置。
27.如权利要求26所述的制造产品，其特征在于，电脑可用媒介还包括用于选择组合的行走和踏步机模式的电脑可读程序代码装置。
28.一种设备，包括具有嵌在其中的用于选择用于所述设备的模式的电脑可读程序代码装置的电脑可用媒介，包括用于选择跑步机模式的电脑可读程序代码装置、用于选择踏步机模式的电脑可读程序代码装置、以及用于选择组合的跑步机和踏步机模式的电脑可读程序代码装置中的至少任意两个。
29.一种用于锻炼设备的控制系统，包括主控制单元，以及用于保存由所述主控制单元存取的数据结构的存储装置，其中所述数据结构包含用于确定在锻炼设备的使用期间所施加的作用力的至少一个数据元，并且所述锻炼设备可被构成为踏步机模式和跑步机模式。
30.如权利要求29所述的控制系统，其特征在于，所述锻炼设备还被构成为组合的踏步机和跑步机模式。
31.一种可由处理器存取的程序存储器或存储装置，明确包含可由处理器执行的指令程序，以便于将锻炼设备设置为多种模式中的一种，所述指令程序包括接收至少一个使用者输入信号；以及基于所接收的使用者输入信号从所述锻炼设备支持的多个锻炼模式中选定一项。
32.如权利要求31所述的程序存储器或存储装置，其特征在于，由所述锻炼设备支持的多个锻炼模式还包括踏步机模式和跑步机模式与组合的踏步机和跑步机模式中的至少一种。
33.一种用于确定具有组合的跑步机和踏步机功能的锻炼设备在使用期间所消耗的能量的方法，其中所述锻炼设备包括以每分钟多步下操作的双脚踏板组件并且具有在有效踏板速度下操作的相应踏板，所述方法包括接收表示规定重量的第一值；接收表示设定在锻炼设备上的阻力的第二值；接收表示锻炼设备的有效踏板速度的第三值；接收至少一个表示多个锻炼者在组合跑步机和踏步机功能的的阻力范围内所消耗的VO2的第四值；以及作为第一值、第二值、第三值以及至少一个第四值的函数计算燃烧的卡路里。
34.一种用于监控在设置用于跑步机和踏步机体育锻炼的锻炼设备上的体育锻炼的方法，其中所述锻炼设备包括在踏步机模式下以每分钟多步操作的双脚踏板组件并且具有在跑步机模式下以有效踏板速度操作的相应踏板，所述方法包括接收表示重量的第一值；接收表示锻炼设备的阻力级的第二值；选择作为第二值的函数的踏步机模式或跑步机模式；当选择跑步机模式时接收表示有效踏板速度的第一信号；以及作为第一值、第二值、第一信号以及表示多个锻炼者对于踏板功能所消耗的VO2的经验数据的函数计算所消耗的卡路里；在踏步机模式时接收表示每分钟的步数的第二信号；以及作为第一值、第二值、第二信号以及表示多个锻炼者对于踏步机模式所消耗的VO2的经验数据的函数计算所消耗的卡路里。
全文摘要
本发明的各个实施例提供一种被构成为组合的跑步机和踏步机模式的锻炼设备的控制系统和方法。该设备还可被构成单独踏步机模式和单独跑步机模式。概括地，该设备包括主控制单元；与所述主控制单元相连通并且能够产生表示所述设备的有效踏板速度的第一信号的第一传感器；以及包括至少一个阻力级的阻力元件。利用第一信号、阻力级和经验值可计算设备的使用者消耗的能量以及控制该设备的操作。各种传感器、致动器和信息，诸如由各个数据结构获得的，可用于执行计算和控制该设备的特征、功能和操作。
文档编号A63B22/00GK1753706SQ200480005227
公开日2006年3月29日 申请日期2004年2月27日 优先权日2003年2月28日
发明者D·克劳福德, B·史密斯 申请人:鹦鹉螺公司