CN102711929B - 用于锻炼人体腿部的锻炼器材、用途及锻炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过伸展和/或收缩来锻炼人体腿部的肌群的锻炼设备、用途及锻炼方法，该设备包括至少第一框架和至少第一脚踏板，该脚踏板可旋转地固定到轴承上，该轴承相对于人体脚部放置以至少锻炼跖屈和/或足背屈，此锻炼设备还包括腿部支撑件。因此，可通过拉伸和/或收缩来锻炼人体腿部的肌群（股四头肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、腓肠肌、胫后肌、胫前肌、腓长肌、腓短肌、比目鱼肌）和腿部背面的肌肉（比目鱼肌、腓肠肌、胫后肌、腓短肌、腓长肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌）。

Description

用于锻炼人体腿部的锻炼器材、用途及锻炼方法
技术领域
本发明涉及一种主要针对残疾人的锻炼设备，该锻炼设备通过拉伸和/或收缩来锻炼人体腿部的肌群，该锻炼设备包括至少第一框架和至少可旋转地固定到轴承上的第一脚踏板，该轴承相对于人体脚部放置以至少锻炼跖屈和/或足背屈，该锻炼设备还包括腿部支撑件。
背景技术
直到现在，身体残疾者主要通过在理疗医师的帮助下进行锻炼（一对一）。由于通过重复的密集日常锻炼才能取得最好的效果，所以这种锻炼对残疾人和理疗医师来说都是消耗时间的锻炼。
美国专利4807874涉及一种脚踝康复和脚踝训练的装置。该装置配备有用于调节踝骨位置和可变阻抗量的设备，使使用者能够逐渐强化脚踝。该装置还以这样的方式发挥作用：使使用者分开锻炼踝关节和小腿的足底肌群、背肌群。
美国专利6440046涉及多方面系统，该系统能够使肌肉、身体和协调控制略微受限的使用者呈现用于任务就坐、站立、步行和身体锻炼的人体工程学姿势。具体地说，该发明的实施例提供可靠的支撑和定位系统，以通过涉及从轮椅转移到组件的整个过程来安全地帮助使用者。该系统还帮助使用者呈现期望的姿势，以及在使用者处于期望的姿势后，提供人体工程学支撑和应有的支撑。更具体地说，使用该发明不要求理疗医师的帮助或对使用者的部位进行额外的肌肉控制。有利地构造和可调节地实施该发明的系统，能够使具有在体型和身体构造方面的多种不同的使用者以及具有宽范围的肌肉和身体协调障碍的使用者安全有效地进行许多有用的和有利的活动。
发明内容
发明目的
本发明可以帮助、监督和激励残疾人在诸如康复中心或家中自主锻炼。本发明还使残疾人在或不在一个或多个理疗医师的指导下，同时进行多组锻炼。
本发明的一个目的是主要为身体残疾者提供锻炼器材以在他们锻炼期间提供尽可能多的帮助。此外，本发明提供了在理疗医师指导最少的情况下进行锻炼的可能性。
本发明的另一目的是能够根据可测量数据记录锻炼结果的轨迹或日志，这些可测量数据比如锻炼间隔，锻炼执行得如何的测量值，锻炼的时间、日期和持续时间。
本发明的目标是利用作为用户界面的具有合适软件程序的计算机或游戏装置进行交互式锻炼从而激励使用本发明的人。虽然任何人都可以使用该设备，但是该设备主要针对遭受不同缺陷或疾病的人，比如遭受痉挛性偏瘫、双侧瘫痪或四肢瘫痪、脑血管意外（中风）、帕金森病和克雅氏病。
本发明的主要用途是通过拉伸和/或收缩来锻炼人体单腿或双腿的肌群，以及加强这些肌群的亚最大肌肉控制。在任何情况下，本发明的用途都不局限于它的主要用途。
本发明的一个方面涉及一种主要针对残疾人的锻炼设备，该锻炼设备可用于锻炼和拉伸人体腿部的肌群，该锻炼设备包括框架，该框架包括至少一个支撑件，该支撑件或支撑件组连接到上部框架，其特征在于：所述锻炼设备包括至少一个脚踏板，所述脚踏板可旋转地固定到轴承上，所述轴承相对于人体脚部放置以锻炼跖屈和足背屈，锻炼设备还包括腿部支撑件，角运动的脚踏板布置成将角运动变换为所述腿部支撑件的主要水平的移动。
本发明的另一个方面涉及一种通过拉伸和/或收缩来锻炼人体腿部的肌群的锻炼设备，该锻炼设备包括至少第一框架，该框架包括至少一个支撑件，所述至少一个支撑件至少连接到上部框架，其特征在于：所述锻炼设备包括至少一个脚踏板，所述脚踏板可旋转地固定到轴承上，该轴承相对于人体脚部放置以至少锻炼跖屈和/或足背屈，该锻炼设备还包括腿部支撑件，角运动的脚踏板布置成将所述脚踏板的角运动变换为所述腿部支撑件的主要水平移动。
本发明的第三方面涉及一种通过拉伸和/或收缩来锻炼人体腿部的肌群的锻炼设备，该锻炼设备包括至少第一框架和至少第一脚踏板，其特征在于：所述脚踏板可旋转地固定在轴承上，该轴承相对于人体脚部放置以锻炼至少跖屈和/或足背屈，该锻炼设备还包括腿部支撑件，相对于所述脚部支撑件的主要水平的移动和/或位置来单独(individually)控制脚踏板的角运动。
本发明的第四方面涉及一种方法，该方法通过拉伸或锻炼至少跖屈或足背屈以及腿部背面的肌群来锻炼人体的一条或两条腿，其特征在于至少进行以下步骤：
a：在至少一个力施加到所述脚踏板或施加到所述腿部支撑件上的情况下，测量所述跖屈或足背屈；
b：进行跖屈或足背屈移动；
c：将力的测量值传送到控制器；
d：所述控制器通过限制或促使所述移动来控制所述跖屈或足背屈。
本发明的第五方面涉及根据任一其它方面的锻炼设备的用途，用于至少锻炼人体腿部和脚部的跖屈或足背屈。
利用由如下独有的特征限定的在权利要求1中的前序部分所描述的锻炼设备可以实现本发明之目的，上述独有的特征是：该设备具有至少一个脚踏板，该脚踏板可旋转地固定到轴承上，该轴承相对于人体脚部放置以锻炼跖屈和足背屈，该锻炼设备还包括腿部支撑件，角运动的所述脚踏板布置成将所述脚踏板的角运动变换为所述腿部支撑件的主要水平的移动。
由此可通过拉伸或收缩来锻炼人体腿部的肌群（股四头肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、腓肠肌、胫后肌、胫前肌、腓长肌、腓短肌、比目鱼肌）和腿部背面的肌群（比目鱼肌、腓肠肌、胫后肌、腓短肌、腓长肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌）。
使用本发明的锻炼和康复器材的长期效果是改善总的运动因子（人控制诸如在行走时运动功能的能力的数字评价），并且可以拉伸腿部的痉挛的或萎缩的肌肉或肌群以及防止肌肉或肌群的痉挛，从而避免形成绷紧的肌肉和僵硬的关节。本发明还可用于中风意外后的步态锻炼领域。此外，通过使用本发明的锻炼和康复器材，可以提高肌群的亚最大肌肉控制特别是跖屈和足背屈。
脚踏板和腿部支撑件在共用轴承处直接连接，由此可获得用于拉伸腿部肌肉的支撑件，同时以简单的实施方式锻炼了脚部的跖屈和足背屈，在这种实施方式中，不要求调节这两个移动部件之间的传动装置。
优选地，至少一个脚踏板连接到至少一个限制元件。由此，可以实现抵抗由肌肉或肌群施加的力或移动，从而提高锻炼水平。限制元件可以是任何机械或机电制动器、致动器、活塞、弹簧等。
至少一个脚踏板可连接到至少一个第一致动器。由此，可以实现抵抗由肌肉或肌群施加的力或移动，或者促进由肌肉或肌群施加的移动，从而提高锻炼水平。
可选择地，至少第一电动马达机械地连接到至少一个脚踏板上，以使脚踏板角运动。由此，可以获得致动器的另一种实施方式，实现抵抗由肌肉或肌群施加的力或移动，或者促进由肌肉或肌群施加的移动，从而提高锻炼水平。
至少一个腿部支撑件连接到至少第二致动器。由此，可通过拉伸和/或收缩分开锻炼跖屈和足背屈或人体单腿或双腿的肌群。能够对致动器分别进行控制，包括锁定至少一个致动器的位置，而另一个在移动。这样，可分开锻炼不同的肌肉或肌群。
提供一个或多个传感器以测量施加到脚踏板或腿部支撑件上的至少一个力。由此，可以获得使用设备的人在锻炼时施加到脚踏板上的实际力以及施加到腿部支撑件上的实际力的信号或测量值。
可选择地，可以提供一个或多个传感器，优选地作为测量人体脚部或腿部的局部实际力的一个或多个传感器阵列。由此，可以获得人的脚部定位到脚踏板的方式和位置的信号或测量值，以及腿部在腿部支撑件上的位置的信号或测量值。
控制器接收来自至少一个传感器的信号。由此，可以获得输出信号。
将控制器的输出信号传送到用户界面，比如计算机系统或游戏装置，然后通过用户界面给使用者呈现视频和可视的反馈信号。
控制器控制致动器或马达，由此，可以控制由致动器或马达施加的移动、位置和/或力，这些移动、位置和/或力是来自传感器的输入量的函数。
可选择地，根据脚踏板的移动和/或位置分别控制腿部支撑件的移动和/或位置。可通过由脚踏板上的传感器之一获得的信号来控制脚踏板的位置和移动。或者，可通过由腿部支撑件上的传感器之一获得的信号来控制腿部支撑件的位置和移动。
锻炼设备可以包括接收来自至少一个传感器的信号的界面，该界面产生输出信号。由此，可以获得来自设备的输出信号，以用信号指示脚踏板上的力、脚在脚踏板上的位置、腿部施加到腿部支撑件上的力和腿在腿部支撑件上的位置。
将界面的输出信号传送到计算机系统或游戏系统。由此，可以获得交互式训练设备，在交互式训练设备中，可以利用用户界面改变锻炼和使用的当前状态以及使设备本身产生不同结果，举例来说，控制致动器的速度、方向和位置。设备的交互式用途能够身体上帮助人通过控制一个或多个致动器来进行锻炼，激励人进行锻炼以及记录使用设备的人或人们进行锻炼的轨迹和日志。这可以帮助使用者改善锻炼，维持锻炼的节奏，保持肌肉的伸展或收缩，或监控正在伸展或收缩的肌肉。此外，用户界面能够显示简单的反馈，比如耗时情况，或当前进行锻炼好坏的评分的指示。
可以根据桌台的高度、腿部支撑件的位置和角度、脚踏板的角度和传动装置调节支撑系统，以与使用者相配。
可选择地，使用通过拉伸和/或收缩来锻炼人的腿部肌群的锻炼设备可以实现本发明的目的，该锻炼设备包括至少第一框架和至少第一脚踏板，其特征在于：该设备具有可旋转地固定到轴承上的脚踏板，该轴承相对于人体脚部放置以锻炼至少跖屈和/或足背屈，该锻炼设备还包括腿部支撑件，相对于腿部支撑件的主要水平的移动和/或位置单独控制脚踏板的角运动。
可选择地，锻炼设备测量施加到脚踏板上的至少一个力，基于所测量的第一力的信号被传送给控制器，控制器根据所述基于所测量的第一力的信号控制作用在脚踏板上的第二力。由此，可获得可变的负载或力以帮助或限制脚部的足底运动或足背运动。
可选择地，锻炼设备测量作用在腿部支撑件上的至少一个力，基于所测量的第一力的信号被传送给控制器，控制器根据所述基于所测量的第一力的信号控制作用在腿部支撑件上的第二力。由此，可获得施加到使用者腿部的可变负载或支撑力，使使用者锻炼平衡性和笔直站立的能力。
可选择地，锻炼设备还包括至少一个支撑件，支撑件或支撑件组连接到至少上部框架，由此，可以获得身体支撑件以支撑使用者。
本说明书和权利要求中使用的术语“框架”可理解为能够固定另一个结构元件的任何形状的任何结构的材料。框架的其它示例可以是木板、H形状的结构元件。框架可以包含在椅子和/或轮椅内或作为椅子和/或轮椅的一部分。
本说明书和权利要求中使用的术语“上部框架”可理解为固定在另一个结构元件上的任何形状的任何结构的材料。上部框架的其它示例可以是背部或侧向支撑件、支撑使用设备的人的脊柱的支撑件、椅子和/或轮椅的扶手。
本说明书和权利要求中使用的术语“背部支撑件”可理解为支撑使用设备的人的背部的任何形状的任何材料。背部支撑件可以是杆、垫子、绑带、腰带或椅子等。
此外，可以为了器材的不同使用者选择、设定和优化交互式锻炼程序（软件）。用户界面能够保留器材的不同使用者的信息和设置，从而分开优化锻炼程序。此外，用户界面也能根据可测量数据记录锻炼结果的轨迹，可测量数据比如锻炼间隔，锻炼执行得如何的测量值，锻炼的时间、日期和持续时间等。
此外，可通过本地或远程计算机监控锻炼数据以调节锻炼程序、更改设置和记录锻炼结果的日志。可选择地，锻炼设备包括诸如垫子、把手、绑带或桌台等身体支撑件以帮助使用器材的人。
本发明的一个实施例涉及一种设备，该设备包括在这里所述的框架、脚踏板、控制器和致动器或马达。然而本发明的另一个实施例涉及第一实施例包括的部件，举例来说，框架、脚踏板、控制器和致动器或马达，也涉及第一实施例不包括的其它元件，举例来说，支撑件、上部框架和腿部支撑件。本发明的特定实施例涉及一种完全或部分独立的模件或作为模件以配合到比如桌台、床、椅子或轮椅上。此实施例的优点包括轮椅使用者易于进出锻炼设备、设备的灵活性和轻量以及较低的成本。
值得注意的是，本说明书和权利要求中使用的术语“包括”可理解为不局限于其后所列的器件，可以包括其它元件或步骤。因此，“装置包括器件A和B”的表达范围不局限于装置只由部件A和B组成，而意味着相对于本发明，相关的部件是A和B。
本发明可以帮助、监督和激励残疾人在诸如康复中心或家中自主锻炼。本发明也使多个残疾人在或不在一个或多个理疗医师的指导下，同时进行多组锻炼。
附图说明
图1：本发明的锻炼设备的正面透视图。
图2：图1中设备的腿部支撑件的详图。
图3：图1中设备的脚踏板和脚部传感器的详图。
图4：显示图1中设备的界面的详图。
图5：图1中设备的腿部支撑垫传感器。
以下附图（图6-12）显示本发明的第二实施例。
图6：本发明的锻炼设备的正面透视图。
图7：图6中锻炼设备的左侧透视图。
图8：图6中锻炼设备的背面透视图。
图9：图6中设备的脚踏板和脚部传感器的详图。
图10：图6中设备的腿部支撑垫传感器的详图。
图11：图6中设备的控制器的详图。
图12：图6中本发明的设备的控制器的电路方框图。
以下附图（图13-17）显示本发明的第三实施例。
图13：本发明的锻炼设备的正面透视图。
图14：图13中锻炼设备的左侧透视图。
图15：图13中锻炼设备的背面透视图。
图16：图13中设备的脚踏板、脚部传感器和腿部支撑垫传感器的详图。
图17：图13中设备的控制器的详图。
图18：说明本发明设备的第三实施例。
图19：说明本发明设备的第四实施例。
图20：说明本发明设备的第五实施例。
图21：图13-20中本发明实施例的设备的控制器的电路方框图。
具体实施方式
参见图1，显示了锻炼器材（2）的正视/侧视图。使用器材的人（4）不是本发明设备的一部分。可通过位于垂直支撑框架（6）上的调节螺母（54）调节桌台（16）的高度。下部水平支撑框架（8）保证在锻炼期间锻炼器材是稳定的。上部支撑框架（10）支撑台板（16），诸如膝上型计算机（18）或游戏装置的用户界面可以放置在台板上。使用锻炼器材（4）的人的腿部抵靠腿部支撑垫（14），脚部踏在脚踏板（12）上。可通过调节螺母（50，52）调节腿部支撑垫（14）的高度。每个腿部支撑件都包括具有集成力传感器的支撑垫（14）、伸展部件（38）、轴承（34，36）、主腿部支撑件（30，32）和线性致动器（40，42）。线性致动器（40，42）的每一端分别固定在轴承（44，46）处。为了进一步保持使用锻炼器材的人处于正确的位置，背部支撑件（60）布置在使用者（4）的臀部。
参见图2，显示了使用者的腿部抵靠腿部支撑垫（114）。腿部支撑垫（114）已结合力传感器，以测量使用者施加到腿部支撑垫（114）上的实际力。轴承（134，136）和支撑腿部支撑垫的伸展部件（138）可以旋转，以在锻炼期间配合腿部的位置。可以使用调节螺母（150，152）调节腿部支撑垫的位置。致动器（140，142）和主腿部支撑件（130，132）可以帮助使腿部支撑垫（114）在主要水平的方向上移动。
参见图3，可以使用两个调节螺母（222，224）分别调节用于左脚和右脚的脚踏板（212）的初始或默认角度。在锻炼期间，主腿部支撑件（230）绕着轴承（218）与脚踏板（212）的主体一起旋转。可以使用调节螺母（220）调节脚踏板的顶部（210）的角度。脚踏板的顶部（210）在锻炼期间不会移动。脚踏板（212）上的传感器（211）是测量施加到不同传感区或点（传感栅格）表面上的实际力的传感器阵列（211）。传感器也可以作为轴承（218）上的角度译码器来使用，或作为线性运动传感器来使用。图3还显示了主腿部支撑件（230，232）和在每一端固定于轴承（244，246）上的致动器（240，242）。
参见图4，控制器（390）作为传感器、致动器和用户界面之间的界面来起作用。控制器（390）布置在脚踏板内，位于传感器板（311）的下面。界面（390）包括传感器界面电路（396）、微控制器（394）和致动器控制电路（392）。该界面包括多个界面可选方式，比如无线连接、USB、以太网和其它用于连接到用户界面的方式。
参见图5，位于腿部支撑垫（414）上的传感器（415）是在不同传感区或点（传感栅格）测量施加到腿部支撑垫（414）表面上的实际力的传感器阵列。
参见图6，显示了锻炼器材（502）的第二实施例的正视/侧视图。使用器材的人（504）不是本发明设备的一部分。可通过位于垂直支撑件（506）上的调节螺母（554）调节桌台（516）的高度。下部水平支撑框架（508）和底脚（580）保证在锻炼期间锻炼器材（502）是稳定的。上部支撑框架（510）支撑台板（516），诸如膝上型计算机（518）或游戏装置的用户界面可以放置在台板上。使用锻炼器材（504）的人的腿部抵靠腿部支撑垫（514），脚部踏在位于脚踏板（512）上的力传感器覆盖层（527）上，跟部托架（517）和脚部绑带（519）帮助将脚定位在脚踏板（512）上。每个脚踏板（512）都安装在脚踏板托架（558）上，脚踏板托架可绕轴承（548）旋转，从而在轴承处固定到下部水平支撑框架（508）上。可通过调节螺母（550，552）调节腿部支撑垫（514）的高度。每个腿部支撑件都包括具有集成力传感器（715，图8）的支撑垫（514）、伸展部件（538）、轴承（536）、主腿部支撑件（530，532）和线性致动器（540，542）。主腿部支撑件（530，532）可绕着将其固定的轴承（535）旋转。致动器（540，542）的每一端都固定在轴承（544，546）处。为了进一步保持和支撑使用锻炼器材的人位于正确的位置，具有开启机构（562）的背部支撑件（560）布置在使用者（504）的臀部，同时也布置有两个侧向支撑件（584）。当致动器（540，542）之一线性移动时，对应的脚踏板（512）会在交换臂（570）的帮助下相应地转动，交换臂安装在位于脚踏板托架（558）上的轴承（572）和位于主腿部支撑件（530，532）下端的另一个轴承（574）之间。控制器布置在盖子（525）下面。
参见图7，显示了使用者的腿部（604）抵靠腿部支撑垫（614）。腿部支撑垫（614）已结合力传感器（715，图8），以测量使用者施加到腿部支撑垫（614）上的实际力。腿部支撑垫（614）能够绕着轴承（636）旋转，以配合锻炼期间腿部的角度。可以使用调节螺母（650）调节腿部支撑垫（614）的位置。致动器（640，642）和主腿部支撑件（630）帮助在主要水平的方向上移动腿部支撑垫（614）。通过在主要水平的方向上移动腿部支撑垫（614），对应的脚踏板会绕着轴承旋转。可以通过改变交换臂（670）的长度来调节主腿部支撑件（630）和对应的脚踏板（612）之间的默认角或偏斜角。可以通过在脚踏板托架（658）或主腿部支撑件（630）的下端的另一个位置（孔）处安装一个或两个轴承（672）或（674）来调节主腿部支撑件（630）和脚踏板（612）之间的斜交传动（angulargearing）。
参见图8，可以通过改变对应的交换臂（770）的长度来单独地调节用于左脚和右脚的脚踏板（712）的初始或默认角度。可以通过在脚踏板托架（758）或主腿部支撑件（730，732）的下端的另一个位置（孔）处安装一个或两个轴承（772）或（774）来调节主腿部支撑件（730，732）和脚踏板（712）之间的斜交传动。通过螺母（721）将跟部托架（717）安装在脚踏板（712）上。脚踏板（712）安装在脚踏板托架（758）上。背部支撑件（760）可从固定突出物（764）抬高、释放，并能够绕轴承（762）旋转以易于进入或脱离锻炼器材。腿部力传感器（715）安装在腿部支撑垫（714）上以测量施加到腿部支撑垫（714）上的力。此外，图8显示了膝上型计算机/用户界面（718）、台板（716）、上部支撑框架（710）、侧向支撑件（784）、垂直支撑框架（706）、调节螺母（750，752，754）、底脚（780）、腿部支撑件的伸展部件（738）以及脚部绑带（719）。
参见图9，传感器、致动器和用户界面（818）之间的控制器界面位于控制箱（825）内。显示的脚踏板移除了力传感器覆盖层（527，图6），因此显示了实际力传感器（811）。力传感器（811）测量施加到每个传感器区域的实际力。位于脚踏板上的传感器（811）是测量施加到不同传感区（811）表面上的实际力的传感器阵列。传感器也可以是线性运动传感器或任一轴承（835，848，872）的角度译码器或与交换臂（870）连接的变形测量器。图9也显示了用户界面（818）、台板（816）、上部水平支撑框架（810）、侧向支撑件（884）、垂直支撑框架（806）、调节螺母（850，854）、底脚（880）、腿部支撑件的伸展部件（838）、致动器（842）、主腿部支撑件（830，832）、脚踏板托架（858）和跟部托架（817）。
参见图10，从背面显示了锻炼器材，可以看到位于腿部支撑垫（914）上的力传感器（915）。图10中的其它元件是：用户界面（918）、桌台（916）、上部框架（910）、具有开启机构（962，964）的背部支撑件（960）、用于腿部支撑垫的伸展部件（938）、主腿部支撑件（930，932）、调节螺母（950，952，954）、垂直支撑件（906）、底脚（980）、跟部托架（917）、脚部绑带（919）、用于脚踏板的托架（958）、脚踏板（912）、用于跟部托架（917）的螺母（921）和用于控制器的盖子（925）。
参见图11，从顶面显示了锻炼器材，移除了用于控制器的盖子（925，图10）。用于控制器的安装托架（1098）支撑控制器（1090）。控制器包括传感器界面（1096）、致动器控制电路（1092）和用于用户界面的具有内置界面的微控制器（1094）。该界面包括多个可选方式，比如无线连接、USB、以太网和其它用于连接到用户界面的方式。图11也显示了上部框架（1010）、桌台（1016）和下部水平支撑框架（1008）。
参见图12，显示了电路方框图。该方框图显示了控制器（1190）中的主要部件、两个致动器（1140，1142）、两个腿部力传感器（1115）、位于脚踏板上的两个力传感器阵列（1111）以及电源（1199）。控制器（1190）包括致动器控制器（1192）、传感器界面（1196）和用于用户界面的具有内置界面的微控制器（1194）。电源（1199）将系统供电转换为低电压直流电以对电路的其余部分供电。致动器已结合霍尔元件，以指示致动器的位置。致动器控制器界面（1192）通过由脉宽调制（PWM）改变直流输出和极性以及通过译解致动器的霍尔正交位置输出来控制致动器的速度和位置。腿部力传感器（1115）和脚踏板上的力传感器（1111）把正交地施加到每个传感器区域表面的施加力转换为电阻。因此，传感器界面（1196）可将施加力的测量值转换为数字信号。传感器界面（1196）包括针对电压变流器的电阻和针对数字转换器（DAC）的模拟量。微控制器（1194）将来自传感器界面（1196）的数字信号、来自致动器控制界面（1192）的致动器位置转变为针对用户界面的可用数据。
参见图13，显示了锻炼器材（1202）的第三实施例的正视/侧视图。使用器材的人（1204）不是本发明设备的一部分。可通过位于垂直支撑件（1206）上的调节螺母（1254）调节桌台（1216）的高度。下部水平支撑框架（1208）和底脚（1280）保证在锻炼期间锻炼器材（1202）是稳定的。或者，可以安装一个或多个轮来代替一个或多个底脚（1280）。上部支撑框架（1210）支撑台板（1216），诸如膝上型计算机（1218）或游戏装置的用户界面可以放置在台板上。使用锻炼器材（1204）的人的腿部抵靠腿部支撑垫（1214），脚部踏在位于脚踏板（1212）上的力传感器覆盖层（1227）上，跟部托架和脚部绑带帮助将脚定位在脚踏板上（1212）。每个脚踏板（1212）都安装在可绕轴承（1248）旋转的脚踏板托架（1258）上，脚踏板托架在轴承处固定到下部水平支撑框架（1208）上。一个致动器（1241，1243）固定在每个脚踏板托架（1258）和下部水平支撑框架（1208）之间。致动器（1241，1243）的每一端都可旋转地固定在轴承（1245，1247）上。
可通过调节螺母（1250）调节腿部支撑垫（1214）的高度，通过调节螺母（1239）调节腿部支撑垫（1214）的角度。每个腿部支撑件包括具有集成力传感器（1515，图16）的支撑垫（1214）、伸展部件（1238）、轴承（1236）、主腿部支撑件（1230，1232）和线性致动器（1240，1242）。主腿部支撑件（1230，1232）可以绕着将其固定的轴承（1235）旋转。致动器（1240，1242）的每一端都可旋转地固定在轴承（1244，1246）上。为了保持和支撑使用锻炼器材的人处于正确的位置，具有调节托架（1261）和开启机构（1262）的背部支撑件（1260）布置在使用者（1204）的臀部。此外，上部支撑系统包括支撑使用者处于正确位置的两个侧向支撑件（1284）、两个侧向垫子（1286）、胸部垫子（1285）和托架（1287）。可使用调节螺母（1282）调节侧向垫子（1286）的位置，使用调节螺母（1289）调节胸部垫子（1285）的位置。
当致动器（1241，1243）之一线性移动时，对应的脚踏板（1212）会相应地绕着轴承（1248）转动，支撑脚踏板（1212）的脚踏板托架（1258）安装在轴承上。
当致动器（1240，1242）之一线性移动时，对应的主腿部支撑件（1230，1232）会绕着轴承（1248）转动，从而使腿部支撑垫（1214）在主要水平的方向上移动。
控制器（1690，图17）基于来自传感器和使用者设定的输入来控制致动器。每个致动器可由对应的传感器输入分别地控制。举例来说，来自一个脚踏板的传感器的输入控制相同脚踏板的移动，来自一个腿部支撑垫的传感器的输入控制对应的腿部支撑垫的移动。此外，控制器（1690，图17）能够基于一个传感器输入控制脚踏板和腿部支撑垫的移动。
为了使用者的安全，提供了紧急止动件（1209），该紧急止动件布置在用于控制器的盖子（1225）上。提供了两个运送轮（1207）。
参见图14，显示了锻炼设备的左侧透视图。使用者（1304）的腿部抵靠腿部支撑垫（1314）。腿部支撑垫（1314）已结合力传感器（1515，图16），以测量使用者施加到腿部支撑垫（1314）上的实际力。腿部支撑垫（1314）能够绕轴承（1336）旋转以配合腿部的角度。可使用调节螺母（1350）调节腿部支撑垫（1314）的位置。致动器（1340，1342）、上部腿部支撑件（1338）和主腿部支撑件（1330）帮助或限制腿部支撑垫（1314）在主要水平的方向上的移动。致动器（1341，1343）和脚踏板托架（1358）帮助或限制脚踏板（1312）绕轴承（1348）的转动。主腿部支撑件（1330）和脚踏板（1312）的位置由控制器（1690，图17）控制，并可通过用户界面（1318）调节。因此可以为包括静止位置、最小和最大位置的每个致动器（1340，1341，1342，1343）的位置设计程序。
此外，如果脚踏板和对应的腿部支撑垫能同时移动，那么可以以相同的方式调节主腿部支撑件（1330）和脚踏板（1312）之间的斜交传动。或者，可以调节脚踏板（1312）或腿部支撑垫（1314）的静止位置。在图14中，也显示了用于致动器（1340，1341，1342，1343）的轴承（1344，1345，1346，1347）、胸部垫子（1385）和托架（1387）、侧向垫子（1386）、侧向支撑件（1384）、台板（1316）、上部支撑框架（1310）、背部支撑件（1360）、调节托架（1361）、调节螺母（1365）、垂直支撑件（1306）、下部框架（1308）、底脚（1380）、运送轮（1307）和调节螺母（1350，1354）。
参见图15，显示了锻炼设备的背面透视图。通过螺母和弹簧压紧装置（1423）将跟部托架（1417）和脚踝绑带（1419）安装在脚踏板（1412）上。脚踏板（1412）安装在脚踏板托架（1458）上，并且通过轴承（1448）可旋转地固定到框架（1408）上。背部支撑件（1460）可从固定突出物（1464）抬高、释放，并能够绕着轴承（1462）旋转以易于进入或脱离锻炼器材。可通过螺母（1465）和调节托架（1461）调节背部支撑件（1460）的位置。致动器（1440，1442）的每一端都安装在轴承（1444，1446）上，并能够在主要水平的方向上移动腿部支撑垫（1414）。致动器（1441，1443）的每一端都安装在轴承（1445，1447）上，并能够使对应的脚踏板（1412）绕着轴承（1448）旋转。此外，图15也显示了膝上型计算机/用户界面（1418）、台板（1416）、上部支撑框架（1410）、侧向支撑件（1484，1486）、胸部垫子（1485）、胸部托架（1487）、垂直支撑件（1406）、调节螺母（1450，1452，1454）、底脚（1480）、主腿部支撑件（1432）、腿部支撑件的伸展部件（1438）和运送轮（1407）。
参见图16，传感器（1511，1515）、致动器（1542，1543）和用户界面（1518）之间的控制器界面位于控制箱（1525）内部。显示的脚踏板（1512）移除了力传感器覆盖层（1227，图13），因此显示了实际力传感器（1511）。力传感器（1511）测量施加到每个传感器区域（1511）上的实际力。脚踏板上的传感器（1511）是测量施加到不同传感区（1511）表面的实际力的传感器阵列。传感器也可以是线性运动传感器或轴承（1548）的角译码器。腿部力传感器（1515）安装在腿部支撑垫（1514）上以测量施加到腿部支撑垫（1514）上的力。
图16还显示了用户界面（1518）、台板（1516）、上部水平支撑框架（1510）、侧向支撑件（1584，1586）、胸部垫子（1585）、背部支撑件（1560）和开启机构（1562，1564）、调节托架（1561）和螺母（1565）、垂直支撑框架（1506）、调节螺母（1552，1554）、底脚（1580）、腿部支撑件的伸展部件（1538）、致动器（1542，1543）、主腿部支撑件（1530）、下部水平框架（1508）、紧急止动件（1509）、脚踏板托架（1558）和跟部托架（1517）。
参见图17，从顶面显示了锻炼器材，移除了用于控制器（1690）的盖子（1225，图13）。用于控制器的安装托架（1698）支撑控制器（1690）。控制器（1690）包括传感器界面（1696），致动器控制电路（1692）和用于用户界面的具有内置界面的微控制器（1694）。该界面包括多个可选方式，比如无线连接、USB、以太网和其它用于连接到用户界面的方式。图17还显示了上部框架（1610）、台板（1616）、下部水平支撑框架（1608）、紧急止动件（1609）和运送轮（1607）。
参见图18，显示了本发明设备的第三实施例。在显示的锻炼器材（1702）中，背部支撑件（1760）可以是椅子或座位。在开启机构（1762，1764）的帮助下，通过抬高和向外转动背部支撑件（1760）的两部分可以打开背部支撑件（1760）。用于背部支撑件（1760）的开启机构（1762，1764）固定在垂直支撑件（1706）上。其它元件与图13所示的实施例相似。此外，图18还显示了台板（1716）、上部框架（1710）、下部框架（1708）和侧向支撑件（1784）。
参见图19，显示了本发明设备的第四实施例。在此特定实施例中，本发明涉及一种独立模件。下部水平支撑框架（1808）和底脚（1880）保证在锻炼期间锻炼设备是稳定的。或者，可以安装一个或多个轮来代替一个或多个底脚（1880）。显示了腿部支撑垫（1814）和位于脚踏板（1812）上的力传感器覆盖层（1827）。测量施加到每个传感器区域（1511，图16）上的实际力的实际力传感器（1511，图16）布置在力传感器覆盖层（1827）下面。脚踏板（1511，图16）上的传感器是测量施加到不同传感区（1511，图16）表面上的实际力的传感器阵列。跟部托架（1817）和脚部绑带（1819）帮助将使用者的脚定位在脚踏板（1812）上。每个脚踏板（1812）都安装在可绕轴承（1848）旋转的脚踏板托架（1858）上，脚踏板托架在轴承处固定到下部水平支撑框架（1808）上。致动器（1841，1843）固定在每个脚踏板托架（1858）和下部水平支撑框架（1808）之间。致动器的每个末端可旋转地固定到轴承（1845，1847）。可通过调节螺母（1850，1852）调节腿部支撑垫（1814）的高度，通过调节螺母（1839）调节腿部支撑垫（1814）的角度。每个腿部支撑件包括具有集成力传感器（1515，图16）的支撑垫（1814）、伸展部件（1838）、轴承（1836）、主腿部支撑件（1830，1832）和线性致动器（1840，1842）。主腿部支撑件（1830，1832）可旋转地固定到轴承（1848）上。致动器（1840，1842）的每一端都固定在轴承（1844，1846）上。当致动器（1841，1843）之一线性移动时，对应的脚踏板（1812）会绕着轴承（1848）相应地转动，支撑脚踏板（1812）的脚踏板托架（1858）安装在轴承（1848）上。
当致动器（1840，1842）之一线性移动时，对应的主腿部支撑件（1830，1832）会绕着轴承（1848）转动，使得腿部支撑垫（1814）在主要水平的方向上移动。
控制器（1690，图17）基于来自传感器和使用者设定的输入控制致动器。每个致动器可由对应的传感器输入分别地控制。举例来说，来自一个脚踏板的传感器的输入控制相同脚踏板的移动，来自一个腿部支撑垫的传感器的输入控制对应的腿部支撑垫的移动。此外，控制器（1690，图17）能够基于一个传感器输入控制脚踏板和腿部支撑垫的移动。
图19中所示的其它元件与图13的实施例所示的相似。
参见图20，显示了本发明设备的第五实施例。在此特定实施例中，本发明涉及一种独立模件。下部水平支撑框架（1908）和底脚（1980）保证在锻炼期间锻炼设备是稳定的。或者，可以安装一个或多个轮来代替一个或多个底脚（1980）。显示了脚踏板（1912）上的力传感器覆盖层（1927）。测量施加到每个传感器区域（1511，图16）上的实际力的实际力传感器（1511，图16）布置在力传感器覆盖层（1927）下面。脚踏板（1511，图16）上的传感器是测量施加到不同传感区（1511，图16）表面上的实际力的传感器阵列。跟部托架（1917）和脚部绑带（1919）帮助将使用者的脚定位在脚踏板（1912）上。每个脚踏板（1912）都安装在可绕轴承（1948）旋转的脚踏板托架（1958）上，脚踏板托架在轴承处固定到下部水平支撑框架（1908）上。致动器（1941，1943）固定在每个脚踏板托架（1958）和下部水平支撑框架（1908）之间。致动器的每一端可旋转地固定在轴承（1945，1947）上。当致动器（1941，1943）之一线性移动时，对应的脚踏板（1912）会绕着轴承（1948）相应地转动，支撑脚踏板（1912）的脚踏板托架（1958）安装在轴承（1948）上。
控制器（1690，图17）布置在盖子（1925）的下面，并基于来自传感器（1511，图16）和使用者设定的输入来控制致动器。每个致动器可由对应的传感器输入分别地控制。此外，控制器（1690，图17）能够基于一个传感器输入控制脚踏板（1912）的移动。为了使用者的安全，提供了布置在用于控制器的盖子（1925）上的紧急止动件（1909）。提供了两个运送轮（1907）。
图20所示的其它元件与图13的实施例所示的相似。
参见图21，显示了电路方框图。该方框图显示了使用的控制器（2090）中的主要部件，此实施例包括四个致动器。图21显示了四个致动器（2040，2041，2042，2043）、两个腿部力传感器（2015）、位于脚踏板上的两个力传感器阵列（2011）和电源（2099）。控制器（2090）包括致动器控制器（2092）、传感器界面和用于用户界面的具有内置界面的微控制器。电源（2099）将系统供电转换为低电压直流电以对电路的其余部分供电。致动器已结合霍尔元件，以指示致动器的位置。致动器控制器界面（2092）通过由脉宽调制（PWM）改变直流输出和极性以及通过译解致动器的霍尔正交位置输出来控制致动器的速度和位置。腿部力传感器（2015）和位于脚踏板上的力传感器（2011）将正交施加到每个传感器区域表面的施加力转换为电阻。因此，传感器界面（2096）可将施加力的测量值转换为数字信号。传感器界面（2096）包括针对电压变流器的电阻和针对数字转换器（DAC）的模拟量。微控制器（2094）将来自传感器界面（2096）的数字信号、来自致动器控制界面（2092）的致动器位置转变为针对用户界面的可用数据，并且控制致动器（2040，2041，2042，2043）的位置、速度和力。

Claims (16)

1.一种通过拉伸或收缩来锻炼人体腿部的肌群的锻炼设备，所述锻炼设备(2,502,1202,1302,1702,1802,1902)包括至少第一框架(8,508,608,708,808,1008,1208,1308,1408,1508,1608,1708,1808)，以及安装在脚踏板托架(558,674,758,858,1258,1458,1558,1858,1958)上的至少第一脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)，所述第一框架包括下部水平支撑框架，所述脚踏板托架能够围绕轴承旋转，并在所述轴承处固定到所述第一框架(8,508,608,708,808,1008,1208,1308,1408,1508,1608,1708,1808)的所述下部水平支撑框架，并且固定至所述脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)上，所述轴承相对于人体脚部放置以至少允许跖屈和/或足背屈，所述锻炼设备(2,502,1202,1302,1702,1802,1902)还包括腿部支撑件(14,114,414,514,614,714,814,914,1214,1314,1414,1514,1814)，其中，
提供了一个或多个传感器(415,715,815,915,1115)以测量施加到所述腿部支撑件(14,114,414,514,614,714,814,914,1214,1314,1414,1514,1814)上的力，其中，由位于所述腿部支撑件(14,114,414,514,614,714,814,914,1214,1314,1414,1514,1814)上的所述传感器之一获得的信号控制所述腿部支撑件(14,114,414,514,614,714,814,914,1214,1314,1414,1514,1814)的位置和移动，以及
提供了一个或多个传感器(211,311,811,1111)以测量施加到所述脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)上的力，其中，由位于所述脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)上的所述传感器之一获得的信号控制所述脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)的位置和移动，以及
相对于所述腿部支撑件(14,114,414,514,614,714,814,914,1214,1314,1414,1514,1814)的主要水平的移动和/或位置单独控制的所述脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)的角运动。
2.如权利要求1所述的锻炼设备，其特征在于：所述锻炼设备测量至少一个作用在所述脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)上的第一力，以获得被传送给控制器(390，1090，1690，2090)的基于第一力的信号，所述控制器(390，1090，1690，2090)根据所述基于第一力的信号控制作用在所述脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)上的力。
3.如权利要求1所述的锻炼设备，其特征在于：所述锻炼设备测量至少一个作用在所述腿部支撑件(14,114,414,514,614,714,814,914,1214,1314,1414,1514,1814)上的第二力，以获得被传送给控制器(390，1090，1690，2090)的基于第二力的信号，所述控制器(390，1090，1690，2090)根据所述基于第二力的信号控制作用在所述腿部支撑件(14,114,414,514,614,714,814,914,1214,1314,1414,1514,1814)上的力。
4.如权利要求1-3任一所述的锻炼设备，其特征在于：所述锻炼设备还包括至少一个支撑件(6,506,606,706,806,906,1206,1306,1406,1506,1706)，所述至少一个支撑件至少连接到上部框架(10,510,610,710,810,910,1110,1210,1310,1410,1510,1610,1710)。
5.如权利要求1-3任一所述的锻炼设备，其特征在于：至少一个脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)连接到至少一个限制元件(40,42,140,142,240,242,540,542,642,742,842,1241,1243,1341,1343,1441,1443,1543,1841,1843)。
6.如权利要求1-3任一所述的锻炼设备，其特征在于：至少一个脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)连接到至少第一致动器(40,42,140,142,240,242,540,542,642,742,842,1140,1142,1241,1242,1341,1343,1441,1443,1543,1841,1843,2041,2043)。
7.如权利要求1-3任一所述的锻炼设备，其特征在于：所述锻炼设备包括至少第一电动马达，所述电动马达机械地连接到至少一个脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)，以使所述脚踏板(12,212,312,512,612,712,812,912,1212,1312,1412,1512,1812)角运动。
8.如权利要求1-3任一所述的锻炼设备，其特征在于：至少一个腿部支撑件(14,114,414,514,614,714,814,914,1214,1314,1414,1514,1814)连接到至少第二致动器(1240,1242,1340,1342,1440,1442,1542,1840,1842,2040,2042)。
9.如权利要求1-3任一所述的锻炼设备，其特征在于：用于测量施加到所述腿部支撑件上的力的所述一个或多个传感器与用于测量施加到所述脚踏板上的力的所述一个或多个传感器形成一个或多个传感器阵列(211,311,415,715,811,1111)，以测量人体脚部或腿部的局部实际力。
10.如权利要求1-3任一所述的锻炼设备，其特征在于：控制器(390,1090,1190,2090)接收来自所述传感器(211,311,415,715,811,815,915,1111,1115)之一的信号，并产生输出信号。
11.如权利要求10所述的锻炼设备，其特征在于：所述输出信号被传送到用户界面(18,518,618,718,818,918)。
12.如权利要求11所述的锻炼设备，其特征在于：所述用户界面(18,518,618,718,818,918)是计算机系统或游戏装置。
13.如权利要求10所述的锻炼设备，其特征在于：所述控制器(390,1090,1190,2090)控制连接到至少一个脚踏板的第一致动器(40,42,140,142,240,242,540,542,642,742,842,1140,1142,1241,1242,1341,1343,1441,1443,1543,1841,1843,2041,2043)和连接到至少一个腿部支撑件的第二致动器(1240,1242,1340,1342,1440,1442,1542,1840,1842,2040,2042)。
14.如权利要求10所述的锻炼设备，其特征在于：所述输出信号被传送到用户界面(18,518,618,718,818,918,1218,1318,1418,1518)。
15.一种如权利要求1-14任一所述的锻炼设备的用途，使用所述锻炼设备至少锻炼人体腿部和脚部的跖屈或足背屈。
16.一种通过拉伸和/或收缩来锻炼人体腿部的肌群的方法，其中需要进行以下步骤：
脚踏在安装在脚踏板托架(558，674，758，858，1258，1458，1558，1858，1958)上的脚踏板(12，212，312，512，612，712，812，912，1212，1312，1412，1512，1812)上，所述脚踏板托架能够围绕轴承旋转从而在所述轴承处固定到锻炼设备的第一框架(8，508，608，708，808，1008，1208，1308，1408，1508，1608，1708，1808)上，测量施加到所述脚踏板(12，212，312，512，612，712，812，912，1212，1312，1412，1512，1812)上的力，根据位于脚踏板(12，212，312，512，612，712，812，912，1212，1312，1412，1512，1812)上的传感器之一获得的信号控制所述脚踏板(12，212，312，512，612，712，812，912，1212，1312，1412，1512，1812)的位置和移动，以及
腿放到腿部支撑件(14，114，414，514，614，714，814，914，1214，1314，1414，1514，1814)上，测量施加到所述腿部支撑件(14，114，414，514，614，714，814，914，1214，1314，1414，1514，1814)上的力，根据位于所述腿部支撑件(14，114，414，514，614，714，814，914，1214，1314，1414，1514，1814)上的传感器之一获得的信号控制所述腿部支撑件(14，114，414，514，614，714，814，914，1214，1314，1414，1514，1814)的位置和移动，
其中，相对于所述腿部支撑件(14，114，414，514，614，714，814，914，1214，1314，1414，1514，1814)的主要水平的移动和/或位置单独控制所述脚踏板(12，212，312，512，612，712，812，912，1212，1312，1412，1512，1812)的角运动。
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