CN101842138B - 肌力训练装置 - Google Patents

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Abstract

一种固定的肌力健身仪器，包括带有两个交替操作的驱动部件(踏板)的手动或脚动的驱动器以及用于测量施加在所述驱动器的驱动力或与该驱动力有关的扭力的测量装置，所述健身仪器包括用于测量所述驱动器的角位置的测量装置(30)，所述测量装置带有一对感应装置，所述感应装置被设置在相对与所述驱动器所连接的轮(19)互相对立的位置，以致所述轮与所述驱动器同步运动，所述位置各自对应所述两个驱动部件之间在运动中的负载交替的位置。计算机装置可接收来自测力部件的信号，并从这些信号计算所述驱动力或扭力的时间进程和可从其导出的变量，并根据测量装置(30)所报告的负载交替而交替地输出训练者的右肢或左肢的专用读数。

Description

肌力训练装置
技术领域
本发明涉及一种固定的肌力健身仪器，所述仪器包括带有两个交替操作的驱动部件的人工操作(手动或脚动)驱动器，其中所述驱动器通过齿轮机制与飞轮连接，也与用于测量施加在所述驱动器上的驱动力或与该驱动力有关的扭力(扭矩)的测量元件连接，以及用于测量所述驱动器在运动中的位置尤其是角位置的测量装置。所述驱动部件优选为与自行车踏板相似的踏板，但也可以是不同类型的踏板，例如所谓爬梯机的踏步平台。
背景技术
第US 5,027,303号专利描述了一种这类型的训练设备。通过与踏板结构的负载组件附接的阻力应变器测量矩以测量参数例如每次旋转的时间、矩、功、功率、角速度等。用这种方法测量总矩以及左踏板和右踏板(分别为左腿和右腿)的矩；就能计算出所完成的功和功率。
第EP 0 925 096 B1号专利描述了一种带有身体活动监测仪的电子健身系统，所述监测仪带有感应器和显示装置，记录并显示身体活动初期的数据。所述健身仪器带有阻力产生器，例如涡流制动器，和利用所显示关于身体活动的数据去控制所述健身仪器的操作的控制器。
第US 5,354,251号专利描述了一种在长形框架上附接座位和加载了弹簧的转轴的健身器。所述转轴与飞轮连接并带有阻力装置。已公开的阻力装置是例如离心制动器、风轮样式的镂空飞轮以及与整合了风轮的涡流制动器的轮。
第US 2002/0004439 A1号、第US 2007/0117680 A1号、第US 5,611,759号和第US 5,749,807号专利描述了其他健身装置。
第JP 05 201374 A号专利描述了关于测量自行车链上的矩。张力检测器被设置在链的上部分，即接触所述链的外部的齿轮和测量所述链施加于所述齿轮上的力的阻力应变器，以测量弹力。
第DE 199 19 154 A1号专利描述了施加预载力于循环驱动部件，尤其是链，的方法和装置。以链张紧装置把夹持器从外面以预定的力压在所述链上。通过电子控制装置根据关于振荡数据或其他标准参数的感应器数据而设定产生在所述链上的预载力。
第US 4,141,245号专利描述了一种用于测量被转移到在两个驱动轮之间的驱动部件上的机械功和功率的装置。利用弹簧弹力把带有滚辊的测力部件压在所述驱动部件上，利用位移的程度来测量转移了的张力。各种不同的实施例包括在里面或外面接触的滚辊，或带有至少一个在里面和一个在外面的滚辊的组合。
第US 4,909,086号和第US 2007/0099735 A1号专利介绍了其他用于测量驱动系统，如自行车，中的驱动矩的测量设备。
第DE 42 27 586 A1号专利显示了一种分别测量两个踏板臂的力，即利用各踏板臂上的阻力应变器，并且带有角度传递器的踏板健身装置，凭着所述角度传递器可例如以极坐标图方式对运动轨迹进行评估。第DE 44 35 174 A1号专利更建议在所论及的踏板臂上以对角的方式设置所述阻力应变器。
第US 2007/0149364 A1号、第US 5,573,481号、第WO 02/47551 A2号和第EP 1 362 552 A1号专利描述了其他在踏板活动操作中的测力方法。
这些已知的健身和测量仪器的目的是用各种不同的方法去测量训练者所耗用的力或扭矩，不过这些方法经常是费时而复杂的。如果想要区分该过程中不同部分，即双脚(或手动装置上的双手)之间的各自情况，则已知的方法是特别费时的。
发明内容
本发明的目的是创造分别测量左边/右边运动所施加的力或扭力的健身仪器。
所述目的基于本文初始提及的类型的健身仪器而达到，其中按照本发明用于测量在运动中的位置的测量装置带有一对感应装置，所述感应装置被设置在相对于与所述驱动器连接的轮互相对立的位置，以致所述轮与所述驱动器同步运动，所述位置各自对应所述两个驱动部件之间在运动中的负载交替的位置。
本方案令检测左右肢之间的负载交替能简单地进行，因此根据具体情况，可区分左右肢所施加的力或其产生的功。此外，它可简化测量程序，同时可靠地评估以脚位置或更确切地以旋转角为函数的力的数据记录。所述轮是例如以固定但可旋转的方式附接在踏板轴上的齿轮，或者能通过齿轮机制与踏板轴连接，只要这转换能充分得出所述驱动器在运动中的位置上所述轮的角度的结论。
在本发明的优选实施例中-其描述了本发明中特别有效的实施方法，所述两个感应装置被设计成放置在附接在所述轮上位置相反的感应件；而且，至少一个感应装置的位置是固定的，这样就能检测到所述感应件以所述轮的特定角位置经过，其中所述角位置相当于所述两个驱动部件之间在运动中负载交替的位置。
然而，如果所述两个感应装置被设计成感应器并且装有至少一个附接在所述轮上的附加感应件，其中用所述感应器能检测到所述至少一个位置互相对立的感应件以轮的特定角位置经过，其中各个角位置相当于所述两个驱动部件之间在运动中负载交替的位置，那也是合适的。
在有效而无接触的可移动部分检测方面，如果所述感应件是磁铁，尤其是永久磁铁而所述感应器是磁场感应器的话，则是优选的。
为了更简化用于测量所施加的力的所述测量装置，如果用于测量驱动力的测量元件是附接在齿轮机制的牵引机制尤其是链上的臂，其中所述臂轻压在所述牵引机制的一侧并带有测量感应器以测量所述牵引机制所施加的拉力，则是优选的。
可有利的装有评估系统以接收来自所述测量元件关于所施加的驱动力或相关的扭力的信号及根据所述测量元件发出的信号计算并持续显示所述驱动力或扭力的时间进程和从其导出的变量。所述评估装置能进一步接收来自所述测量装置关于负载交替次数的信号并根据所述测量设备报告的负载交替而把计算出的变量交替地分配到训练者的右肢或左肢。因此，以这种方式计算出的变量输出能够根据所述测量装置关于负载交替次数的信号分配到右肢或左肢。通过此进一步的发展，可简单地确定并自动输出分配给左/右肢的训练功率。
更理想的是训练者在按照本发明的健身装置上必须克服的速度相关阻力是尽可能接近自然，即相当于在适于道路行驶的自行车会遇上的阻力。为此，如果所述飞轮带有受空气阻力而减慢的装置并连接在电磁场作用的制动器上，则是优选的。所述受空气阻力而减慢的装置可以是以锁定旋转的方式与飞轮连接的叶轮。而且，所述叶轮可带有许多平行于转动轴的叶片。
为了能够根据需要额外设置空气阻力效应，优选给所述受空气阻力而减慢的装置设置于带有设定飞轮运动所移动的空气流量的装置的壳体内。例如，所述壳体可带有开口，可以设定该开口的大小和透气性，且能透过开口调校通过所述壳体的气流。
附图说明
以下是以附图中所显示的非限制性实施例对本发明进行详细描述。在下图中：
图1是按照本发明实施例的训练装置(从右前方)的立体图；
图2和图3是所述训练装置进一步的左方斜视图和侧视图；
图4是所述训练装置的齿轮机制的详细视图(不带壳体的右侧视图)；
图5显示了图4中所述齿轮机制的链上所测量的力的详图；
图6显示了所述训练装置的轮鼓的横截面；
图7显示了带有开放磁力制动器的所述训练装置的视图；
图8和图9详细显示了左方的踏板装置区的视图，部分壳体被除去以便看到用于测量踏板位置的感应器，其中在图7省略了支杆和轴箱；
图10是信号和数据评估的框图；
图11显示了带有显示器的所述训练装置的所述把手的视图，以及
图12显示了根据旋转角(极坐标形式)描述驱动力的例子。
具体实施方式
下文中所谈论的实施例涉及一种固定的肌力自行车训练装置，其各种视图在图1-3中示出。训练装置10能用作例如家用健身器，在健身房中或用于竞技运动中，或者也可用于医学领域的训练装置。
训练装置10带有包含座位12和把手13的类似自行车的支架11，座位和把手的位置是可以个别调校的，但在训练周期期间是固定的。壳体14位于底部，壳体的前部带有轮罩15和一对踏板16。踏板16以已知方式附接在踏板轴17上并通过齿轮机制与阻力机制连接，所述阻力机制如下所述般装设在轮罩15内。
参照图4，所示实施例中的齿轮机制40组合了两个牵引驱动器，即带有驱动带的齿轮驱动器，通过所述牵引驱动器，踏板16的运动得以高效转化到飞轮18。踏板16通过踏板轴17与齿轮牢固地连接，通过链41而驱动小齿轮42。然后小齿轮42与盘轮43连接，盘轮43通过用辅助轮44拉紧的带状物45驱动飞轮18。
所示实施例提供具有2％或更好测量精确度的测量系统。它是用于测量使用者所施加的力和踏板速度，并与计算机系统连接以显示和评估所测量的数据。
力的测量
如图5所示，在第一牵引驱动器内优选装有测量元件50以测量训练者通过踏板驱动器施加在链41上的力。踏板长度是固定的和已知的，驱动力能被直接计算出作用扭矩(力矩，“扭力”)或反之，其在这方面是相等的。
优选所述测量元件为带有伸缩性测量片并随着其弯曲的梁，梁稍稍令链偏移以测量恢复力。附接在支架11上的臂51在其端部带有例如由塑料制成的滑移件52。所述滑移件与链式张紧器相似，压在链41的例如里面而把所述链稍稍向外推。如果所述链因受到训练者所施加的力而在绷紧状态下，所述力的切线分量则会在所述塑料滑移件上产生，并在所述滑移件上形成与链张力因而与扭力成比例的恢复力。所产生的臂51的弹性弯曲是用测量感应器例如伸缩性测量片53来测量。如以下进一步所述，对所述测量感应器的信号进行电子评估。
为了校准力的测量，把已知大小的重物附接在其中一个踏板16上，并通过例如障碍物(未显示)机械地阻断飞轮18或飞轮盘27(图7)的旋转。在这种情况下所测量的力与所述重物所施加的已知力互相比较，从而成为测力系统校正的基础。
阻力机制
参照图6，踏板运动通过齿轮机制40所驱动的飞轮18带有叶轮21，所述气叶轮以可旋转的方式被固定在所述飞轮的叶片上。叶轮21作为轮罩15的一部分位于其自己的保护壳内。
如图7所见，在所示实施例中，涡流制动器20被设置在与飞轮18相同的轴上，优选与所述飞轮相对。涡流制动器20为例如磁力制动器，其中金属飞轮盘27以已知方式与可调节的(永久)磁铁28配合；或者也可利用其他电磁场作用的制动器。在所示实施例中，所述磁铁被设置在沿着盘27圆周的钢架上，和在放置机制29的帮助下将其定位于接近或远离盘27。盘27由例如用铜圈包住的钢组成。为了能够完全阻碍转动，在所述盘27内设有两个孔，例如可把所述壳体内或所述支架上的(未显示)阻碍销从侧面引进所述孔内。
按照本发明的训练设备的阻力机制复制了在骑自行车旅程中产生的阻力。在骑自行车时的阻力是(a)空气阻力，(b)自行车内机件的摩擦力以及(c)轮胎和道路表面或倾斜范围之间的滚动阻力。一般说来，空气阻力构成了绝大部分-经常超过90％-的总阻力并随速度以二次方增长。因此，所产生的功率随速度以三次方增长。自行车内的所述摩擦力和所述滚动阻力随速度呈线性增长，相当于功率具有二次方速度相关性。
在训练装置10中，使用制动组合系统来模拟这两类阻力。所述制动系统带有两个制动子系统，即已作描述的通过叶轮21模样的空气作用以及电磁场作用的制动器20的制动机制。这样，成功的模拟现实自行车阻力比，给人在“普通的”自行车上运动的感觉。所述两个子系统可相互独立，对以下进一步描述的测量设备没有影响。根据踩踏板的频率，所述两个制动子系统组合可产生大范围的阻力。不需要外来能源。
再次参照图6，叶轮21具有基本上圆筒、类似环的形状。沿其圆周，多个浆叶25以固定距离设置在两个挡圈24之间的侧面，各个浆叶的每个叶片被设置成与叶轮21的转动轴平行并且不与半径成90°角。当叶轮21转动时，叶片25使周围空气向内移动。这样，空气通过侧窗15b被吸入并经由轮罩15的下前侧的开口15a(图2)再次被挤出；从而叶轮21被因此产生的空气循环而减慢。
与已知的带有空气制动器的训练装置相比，所示设备可通过调整定子侧(图3)的进气而调节其内的阻力，即通过用挡板22或多或少地关闭开口15a和/或例如以百叶帘的方式去设定侧窗15b的透气性。这样，源于空气阻力的制动效应可被设定在大的范围内。尤其是，通过关上开口15a和窗15b，可把阻力设定至接近零的最小值，以致机械摩擦力基本上仅剩余在该系统内。
可用这些方法设定所述两个制动子系统中各自的阻力。在所示的实施例中，可选择0-5000W的阻力效应。
测量踏板速度
在图8和图9中，描绘了用于测量踏板速度的测量装置30。两个磁场感应器例如磁簧开关被固定在踏板齿轮旁。两个永久磁铁被设置在齿轮上正好相对的位置，以便在齿轮的旋转过程中各磁铁经过各感应器31一次，并因此产生例如信号脉冲。这样产生的信号被送往评估，以精确测量出每分钟的旋转次数和-经由曲柄长度-踏板速度。
感应器31和属于感应器的磁铁都互相配对并各自位于离轴径向距离不同的位置上(以使各侧的一个感应器不可被另一感应器的磁铁激活)。所述磁铁位于与其各自所属的所述感应器的角位位置，并相对于踏板16的位置，因而如果力的交替从左踏板向右踏板或以相反方向进行，则在每种情况下都会送出来自感应器31的信号脉冲。从图8和图9中可看出，在所示的0°位置中(右踏板垂直向上)，一块磁铁正好位于分配给其的感应器的位置，而另一块磁铁的位置正好与分配给其的感应器相对。这容许摊分所述测量和分别分配给左右脚，并能对各脚所施加的力和功率进行右/左评估以及比较两只脚的功率(平衡)。
通过感应器-磁铁组的定位，使其排成可检测负载交替的位置，能够确定测量周期的开始，其通常包含一连串互不相连的测量点。在感应位置上的踏板顺序-从而在负载交替中-被选择为一系列测量的开始，以便一方面在负载交替时也可产生测量点(特别对于骑车新手，当预期所施加的力是最小的)，另一方面在连续的感应周期之间所述一系列测量是以基本上不变的速度进行；由于在负载交替之后，踏板运动的角速度在经验上基本上是不变的，相比之个别踏板周期之间的速度常常能够变化。这能简化该测量过程并提高了关于以脚位置为函数的力的数据记录尤其是旋转角的评估的可信度。
评估
如图10所示，由测力感应器(伸缩性测量片)53和分配给踏板测量的感应器31所发出的感应信号被放大、通过模拟数码转换器被数码化并传送至电子评估，例如在所述把手(图11)的训练显示器33和/或被分配的计算机系统34。在计算机系统34中，所述信号在时间依赖的过程中被转化成施加在踏板上的驱动力，例如以每秒100个数据点的数据速度。而且能实时显示和/或保存所述信号。然后所述数据可稍后被撷取并编辑。所述数据优选以与踏板转动相关的方式和/或在如图12所示的极型图中显示。图12显示了用踏板在完整的转动中所测量、以极坐标图中的旋转角为函数的踏板力FP(以N计；外圈对应250N)的例子。所示的角度直接相当于以顺时针方向移动的踏板的角，其中0°是相当于右踏板向上垂直的位置。同样值得提出的是尤其受过训练的运动员，双脚之间产生协同作用，训练者的协调能力越标准，曲线FP的图形越圆。
在计算机系统34中，通过适合的测力软件把所测量的数据分析和图形显示在屏幕上，例如：
■踏板矩的计算和显示，
■以脚位置为函数的力，
■每分钟的旋转数
■速度(以虚构的自行车的速度计算)，
■功率(W)，
■平均功率，
■能(kJ，通过积分法)，
■左右脚之间的平衡(以％计)，
■心率(通过使用者额外带上的感应带)，
■统计分析。
当然，本发明不限于所述的实施例，而是扩展到权利要求范围内的全部实施例。尤其是，按照本发明，健身设备也可带有非踏板的驱动部件，例如交替操作的像爬梯机的踏步台或一对手柄。这里，通过齿轮机制以已知的方式把运动机械地转化为驱动轮的旋转运动。

Claims (15)

1.一种固定的肌力健身仪器，所述健身仪器包括带有两个交替操作的驱动部件的手动或脚动的驱动器，其中所述驱动器通过齿轮机制与飞轮(18)连接，以及用于测量通过所述驱动器所施加的至少一个驱动力或与该驱动力有关的扭矩的测量元件(50)，以及用于测量所述驱动器在运动中的位置的测量装置(30)，
其中
用于测量在运动中的位置的测量装置(30)带有一对感应装置，其位置被设置在相对于与所述驱动器连接的轮(19)互相对立的位置，以致所述轮与所述驱动器同步运动，所述一对感应装置的位置各自对应所述两个驱动部件之间的负载交替在运动中的位置。
2.按照权利要求1的固定的肌力健身仪器，其中所述的驱动部件为脚动的踏板(16)。
3.按照权利要求1的固定的肌力健身仪器，其中所述的测量装置(30)是用于测量驱动器的角位置。
4.按照权利要求1的固定的肌力健身仪器，其中所述两个感应装置被设置成附接在轮(19)上相对位置的感应件(32)并且至少一个感应器(31)的位置是固定的，这样就能检测到所述感应件以特定角位置经过所述轮，其中所述角位置对应所述两个驱动部件之间在运动中的负载交替的位置。
5.按照权利要求1的固定的肌力健身仪器，其中所述两个感应装置被设计成设置在固定位置的感应器(31)并且装有至少一个附接在所述轮(19)上的感应件(32)，其中通过所述感应器能检测到位置相对立的至少一个感应件以所述轮的特定角位置经过，其中各角位置对应所述两个驱动部件之间在运动中的负载交替的位置。
6.按照权利要求4或5的固定的肌力健身仪器，其中所述感应件(32)是磁铁，所述感应器(31)是磁场感应器。
7.按照权利要求1-5中任一权利要求所述的固定的肌力健身仪器，其中用于测量所述驱动力的测量元件(50)是施加在所述齿轮机制的牵引机制尤其是链上的臂，所述臂轻压在所述牵引机制的一侧并带有测量感应器(53)以测量所述牵引机制所施加的拉力。
8.按照权利要求1所述的固定的肌力健身仪器，其中评估装置被设置成接收来自所述测量元件(50)关于所施加的驱动力或与其相关的扭力的信号并根据测量元件(50)所发出的信号计算并持续输出所述驱动力或相关的扭力的时间进程及可从其导出的变量。
9.按照权利要求8的固定的肌力健身仪器，其中所述评估装置被设置成接收来自所述测量装置(30)关于负载交替次数的信号并基于测量元件(50)根据测量装置(30)所报告的负载交替所发出的信号而把计算出的变量交替地分配到训练者的右肢或左肢。
10.按照权利要求8或9的固定的肌力健身仪器，其中所计算出的变量输出是根据测量装置(30)关于负载交替至右肢或左肢的分别次数的信号所得。
11.按照权利要求1所述的固定的肌力健身仪器，其中所述飞轮(18)包括由空气阻力作用的制动装置并与电磁场作用的制动器(20)连接。
12.按照权利要求11的固定的肌力健身仪器，其中所述由空气阻力作用的制动装置位于带有调整因飞轮(18)运动而移动的空气流量的装置(15a，15b)的壳体内。
13.按照权利要求12的固定的肌力健身仪器，其中所述壳体带有开口(15a，15b)，所述开口的大小和透气性是可以改变的，且经由所述开口通过所述壳体的气流是可以调校的。
14.按照权利要求11所述的固定的肌力健身仪器，其中所述由空气阻力作用的制动装置是以锁定转动的方式与该飞轮连接的叶轮(21)。
15.按照权利要求14的固定的肌力健身仪器，其中所述叶轮(21)带有多个被排成与转动轴平行的桨叶。
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