CN107614067A - 串联弹性由马达操作的锻炼机器 - Google Patents

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Abstract

本公开教导一种新颖的锻炼装置。该装置不产生负载动量。该装置基于依次串联的弹性扭矩传感器并且包含具有减速齿轮的智能伺服驱动器，以控制可变速的旋转马达轴。马达、齿轮减速器、弹簧、角度测量传感器(位置传感器)和智能马达控制器的组合是用于锻炼设备的基础的串联弹性致动器。锻炼设备还包含用于在用户和扭矩传感器之间提供界面的负载传递机构。该装置允许在没有硬件配置的情况下进行等速、等角、等张和可变力的锻炼模式。

Description

串联弹性由马达操作的锻炼机器
相关申请
本公开要求于2014年10月9日提交的名称为用于平面扭力弹簧的弹性扭矩传感器(Elastic Torque Sensor for Planar Torsion Spring)的临时申请(作为申请S/N 62/061815)和于2015年1月1日提交的名称为同心弧花键旋转弹簧(Concentric Arc SplineRotational Spring)的临时申请(作为申请S/N 62/099191)的优先权。这些临时申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本公开涉及用于等速锻炼、等角锻炼和等张锻炼的锻炼机器装置的领域。
背景技术
锻炼机器是已知的。许多锻炼机器利用重物的组合，该重物通过缆绳和带轮连接到负载传递系统。其他使用圆柱形弹簧。其他装置利用材料(诸如钢杆)的变形来提供阻力。其他类型利用摩擦阻力。
等角锻炼。这是通过传统重物的提升而经受的运动。无论重物相对于用户的位置如何，重物保持不变。这允许用户在执行手臂卷曲时利用运动重物通过水平位置的惯性优势。因此，当重物从底部位置(在膝盖处)运动到腰部时，由用户施加的力下降。创建了动量。重物的速度不保持恒定。重物(等角锻炼)不能通过位置变化而改变。因此，重物不能实现最佳力量分布。
等速锻炼。该装置以恒定的速度运动。用户对装置推或拉，并且在申请人的装置的情况下，测量和记录用户的力。机器以恒定的速度进行运动。力变化而负载传递机构速度保持不变。
等张锻炼。负载传递机构处于固定的位置。用户尝试使机构运动。该机构不运动。在申请人的装置中，感测并记录施加到静止的负载传递机构的力。这种测量是对静止负载传递机构或其他不可运动物体的压或拉之间的重要区别。力变化而负载传递机构位置保持恒定。
位置根据力控制。机器不以恒定速度运动。该装置不控制装置的速度。速度由用户控制。相反，装置旋转速度是受控的以通过用户的运动范围以受控的方式改变阻力。无论速度如何，该装置维持期望的力。在用户运动范围内的，机器可以基于负载传递机构位置来改变施加到用户的力量。
为了本申请的目的，“力”、“扭矩”和“负载”是可互换地用于描述施加到装置的使用者的力。
发明内容
该当前公开教导设备或部件的组合以创建一种新颖的运动装置。与许多其他运动设备不同，本申请人的公开创建了不产生动量(即，对速度变化的阻力)的负载。在现有技术中，一旦用户使重物运动，则运动的重物抵抗速度变化。这使得重物的持续提升更容易。重量(质量)和用户使重物运动的速度的组合是动量。
本申请人的装置是独特在于它将无惯性运动和其他装置部件结合，其他装置部件包括但不限于新颖的扭矩传感器、串联弹性致动器(在下文中称为“串联弹性致动器(series elastic actuator)”或“SEA”)和齿轮减速器。串联弹性致动器被定义为包含马达、齿轮减速器、扭力弹簧和(多个)位置传感器。在一个实施例中，马达可以是伺服马达。装置的无惯性运动意味着由装置(使用电动马达、齿轮和旋转扭力弹簧)产生的力与重力无关。由该设备施加的力与使用者所经受的负载的位置无关。
应当理解，惯性会扭曲锻炼体验。其使设置在用户肌肉上的负载扭曲，从而导致训练效率较低和伤害可能性增加。因此，用户不经受惯性对有效的锻炼时段而言是有利的。
进一步地，本申请人公开的装置允许用户参与多种锻炼模式。用户可以练习等速锻炼。等速锻炼涉及向用户运动提供阻力的锻炼机器。用户也可以练习涉及在恒定负载存在下的肌肉收缩的等角锻炼。也可以练习等张锻炼，并且等张锻炼涉及用户利用他/她的肌肉按压或拉动不可运动的物体。本申请人的公开还允许超越用户的运动范围内的可变力分布。没有现有的锻炼机器允许执行所有四种类型的锻炼模式。
本申请人公开的锻炼机器利用扭矩传感器。扭矩传感器包括多个部件。所包括的是圆形扭力弹簧。圆形扭力弹簧包括外环和内环。内环和外环是同心的。内环和外环由一个或多个花键连接。
扭矩传感器还包括位置测量传感器，以检测扭力弹簧的外环(出口侧)和内环(输入侧)之间的偏转(deflection)。扭力弹簧的输出侧连接到负载传递机构。扭力弹簧的输入侧通过减速齿轮连接到马达的可旋转轴。该装置检测外环相对于内环的偏转。偏转可以由负载引起，例如，用户拉动由与扭力弹簧连接的皮带或类似设置连接的杆。
扭矩测量传感器检测扭力弹簧的偏转，向伺服驱动马达控制器或微处理器发送信号。响应于这种信号，马达控制器可以使马达启动。这种启动可以使马达轴和减速齿轮转动或旋转。马达轴可以由马达控制器所指示的可变速度旋转。马达可以是伺服马达。伺服驱动器可以包含微处理器或与微处理器连通。这种马达在本文可以称为“智能伺服驱动器”。马达轴与齿轮减速器连接，该齿轮减速器与扭力弹簧的内环(输入侧)连接。该轴以马达控制器所选择的速度的旋转可以抵消扭力弹簧的偏转。该轴可以以顺时针或逆时针方向旋转。
马达控制器可以包含嵌入式智能。马达控制器是可编程的。
附图说明
并入并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的优选实施例。这些附图和上面给出的本公开的一般描述以及下面给出的优选实施例的详细描述一起，用于解释本公开的原理。
图1示出本申请人公开的串联弹性锻炼机器(装置)主体的透视图。示出与附接到适合于用户使用的负载传递机构(未示出)的皮带(未示出)结合使用的皮带卷轴。应当理解，负载传递机构可以具有多种配置，采用每种配置以提供不同类型的锻炼。进一步示出串联弹性扭矩传感器，其包括两个位置传感器、用于每个位置传感器的两组编码器和读取器、齿轮减速器、伺服马达和智能马达控制器。
图2示出皮带卷轴组件、负载传递机构的部件的细节。
图3示出本公开的附加部件的分解图，附加部件包括串联弹性扭矩传感器、齿轮减速器、智能马达控制器和伺服马达。示出由所有部件(包括卷轴)分享的连续旋转轴线。
图4示出串联弹性扭矩传感器的透视分解图。示出包含与图1所示的卷轴的连接的圆形安装支架。还示出弹簧输出位置传感器的外周边缘。在所示的实施例中，传感器对于光是透明的。还示出扭力弹簧。所示的实施例包括三个花键。还示出弹簧输入位置传感器。在所示的实施例中，传感器对于光也是透明的。输入传感器和输出传感器两者的直径延伸超过扭力弹簧的直径。当组装时弹簧输出传感器和弹簧输入传感器都紧邻扭力弹簧定位。每个位置传感器的延伸直径可以包含刻度标记(未显示)。每个位置传感器可以与独立于负载路径被安装并与弹簧输出传感器和弹簧输入传感器单独地光学连通的两对光学编码器和单独的光学读取器(未示出)一起使用。
图5示出作为串联弹性扭矩传感器的一部分的本申请人的新颖的弹性扭力弹簧的透视图。在输出侧，示出同心输入侧和经配置使花键长度和花键的周向定位最大化的三个花键。
图6示出结合输出传感器运动的编码器的操作的逻辑流程图。
图7示出监视附接到平面扭力弹簧的输入侧的传感器盘的编码器。
图8示出利用光学编码器的扭矩控制的逻辑流程图。
图9示出利用检测到的平面扭力弹簧的输入侧的运动光学信号来计算施加到输出侧的扭矩力的逻辑流程图。
具体实施方式
本申请人公开的装置是在图1中示出的串联弹性锻炼机器300。该装置包括但不限于，适合于允许用户运动装置的负载传递机构(包括皮带卷轴)299；扭力弹簧和位置传感器盘的串联弹性扭矩传感器302；可编程(智能)马达控制器305；以及齿轮减速器303和马达304。马达可以是伺服马达。装置的部件可以安装在基座306上。
该装置可以在由用户(通过负载传递机构)在整个运动范围内改变负载分布。这涉及ROM(运动范围，range of motion)和力之间的关系。当负载相对于使用者的位置改变(由于使用者的负载运动)时，用户所需的用于进一步使负载运动的力的量可以自动地改变。换句话说，与相对于负载位置的所需力的量的关系创建了负载分布。应当理解，通过用户的ROM的恒定负载构成许多类型的负载分布中的一种。
本公开的装置是力或速度可控的设备，其使用可变速的电动伺服马达(具有旋转轴)、齿轮减速部件、扭矩传感器、负载传递机构(包括带轮或卷轴、皮带或缆绳)以及马达控制器(具有可编程嵌入式电子设备)。该装置的一个功能是为了锻炼的目的而提供力；特别是力量训练。与重物不同，马达控制器的可编程性允许在练习期间调节力(由马达通过齿轮部件而给予用户)的量。
在等速训练中，负载机构以恒定的速度运动。使用者对运动负载机构施加阻力。使用者的力由装置测量。当使用者抵抗该运动时，马达的扭矩增加。马达力的这种增加维持负载机构的恒定运动。
本公开包括使用串联弹性致动器300(定制设计扭矩传感器和平面扭力弹簧与齿轮减速器和电动马达耦接)来控制通过负载传递机构(部分地包括卷轴299)施加的力的能力。
负载传递机构
本公开包括负载传递机构，其适于由用户利用以在本公开的机器主体上施加力或力量。负载传递机构的部件(包括旋转的皮带卷轴301、卷筒轴352以及旋转的卷轴轴承组件353)在图2中公开。该负载传递机构(在下文中称为“负载传递机构”)包含旋转的皮带卷轴、卷筒轴、旋转的卷轴轴承组件以及适合于由用户抓握的部件，这些部件包括但不限于杆或手柄以及附接到杆或手柄(未示出)和皮带卷轴的皮带。机器负载传递部件还可以包括但不限于皮带、缆绳、绳索、链条或将负载传递到卷轴的类似设备。应当理解，皮带部件等附接到皮带卷轴301和杆或手柄(未示出)。卷筒轴352在图3中示出在相同定向轴线310上旋转。还示出允许卷轴在负载下容易地旋转的卷轴轴承组件353。
本公开包括适合于由用户利用以在本公开的机器主体上施加力或力量的负载传递机构。
串联弹性扭矩传感器
图3示出串联弹性扭矩传感器302。扭矩传感器部件与负载传递机构299连通。这些部件分享相同旋转轴线310。扭矩传感器302(在下文中称为“串联弹性扭矩传感器”或“扭矩传感器”)包含与负载传递机构的卷轴、减速齿轮和马达分享的旋转轴线。串联弹性扭矩传感器还包含与智能马达控制器和平面扭力弹簧连通的至少一个位置传感器(参见图4)。
扭力弹簧的内环和外环通过一个或多个花键415连接。在图3所示的实施例中，存在具有基本上平行于内环的外径的同心形状的三个花键。响应于扭矩力，外环(输出侧)可以相对于内环(输入侧)旋转，且反之亦然。
内部同心环(输入侧)可以具有尺寸被设计成围绕旋转的马达轴或齿轮减速器的外周配合的圆形开口。在一个实施例中，马达轴和马达可以具有与扭力弹簧的开口相同的定向轴线。在其他实施例中，马达可以与扭力轴的开口成一定角度地安装。这对于减少空间需求是有利的。
扭力弹簧411可以被认为是串联弹性扭矩传感器的部件。在本文使用弹性来公开被测量的扭力弹簧(外环或内环)的偏转。
该公开教导测量扭力弹簧的输出侧和输入侧之间的偏转旋转度的新颖方法。该公开利用两个弹簧位置传感器312、313(扭矩传感器盘)。参见图4。其利用可选地附接到扭力弹簧的内环或外环的平坦圆周板或盘。在一个实施例中，每个弹簧位置传感器包括盘，该盘包含围绕盘圆周的等距离的(equidistant)标记。这些可以是刻度标记(tick marks)。标记表示圆周的度数或部分度数。当然，在每个圆的圆周上有360°。这些标记可以可选地是盘边缘中的洞或孔、盘边缘中的槽口(notches)或其它透明盘上的不透明标记。在另一个实施例中，盘可以沿圆周具有电磁标记。
串联弹性扭矩传感器具有测量圆周标记在第一盘和第二盘上的运动的部件。这可以是从第一盘的一侧上的部件发射的光束和位于第一盘的相对侧上的光接受器。光接受器可以记录信号或通过清晰(clear)的盘或通过锯齿状边缘盘的齿接收光。应当理解，通过光束由锯齿状边缘盘的不透明标记器或实体齿阻挡，光信号将中断。在另一个实施例中，接受器可以沿盘的圆周记录来自标记的电磁信号。
每个弹簧位置传感器都是圆的并具有圆周。在一个实施例中，每个传感器的直径大于平面扭力弹簧的直径。该扩展的圆周向位置传感器和编码器部件提供更高的分辨率。每个盘沿圆周或接近圆周标记。
在一个实施例中，位置传感器盘可以是半透明的，例如清晰的塑料或聚合物。度数标记(或部分度数标记)可以是不透明的。光学传感器(编码器)可以独立于传感器盘的旋转运动或平面扭力弹簧上的扭矩负载而安装在刚性支架上。编码器将照射光束交叉(across)并通过传感器盘。光束将由光学传感器(编码器接收器)检测。当不透明的度数标记与光路交叉时，光学传感器将检测信号中断并将向控制器发送适当的信号。
在另一个实施例中，传感器盘可以具有设置在圆周上的槽口或齿。编码器将检测由通过光路旋转的槽口或齿所引起的光中断。
在另一个实施例中，标记可以分别设置在输出侧和输入侧的圆周上。在一个实施例中，这些标记器可以是反射的，并且编码器将检测反射的光。
在一个实施例中，附接到单独框架(未示出)的编码器可以在弹簧输出位置传感器盘的外周上传输光学信号。光学信号可以由弹簧输出位置传感器盘的相反侧上的光学读取器来感测。光学读取器感测扭力弹簧的输出侧的运动。这由通过盘圆周传输的光学信号的变化来检测。如上面更全面地讨论的，弹簧输出位置传感器盘可以在盘外周上具有不透明的标记器。当定位在编码器的前面时，这些标记器阻挡由光学传感器正常接收的光。第二(相对)配置也用于弹簧输入位置传感器。利用每个位置传感器的位置确定扭矩力被施加的方向。
每个光学读取器设备(编码器接收器)将与智能马达控制器连通。控制器将利用从位置传感器接收到的信号来计算扭力弹簧的输出侧或输入侧(或反之亦然)的旋转角度，以计算扭力负载。应当理解，可以在启动装置时实现计算。因此，不需要首先校准旋转角度。参见图9。
弹簧位置传感器312、313的编码器部件不与伺服马达、齿轮减速器、扭力弹簧和位置传感器一起旋转。
平面扭力弹簧411位于第一扭矩传感器和第二扭矩传感器之间。弹簧位置传感器和扭力弹簧具有相同旋转轴线。
串联弹性致动器
图3还示出在齿轮减速器303下方的智能马达控制器305。智能马达控制器305包括与伺服马达304以及可编程的使用者界面(未示出)连通的微处理器。智能马达控制器的一个功能是指导伺服马达的运动(旋转)。
应当理解，编码器向智能马达控制器发送关于扭力弹簧经受的扭矩的量的信号。这可以是通过负载传递机构传递的力的结果。在串联弹性扭矩传感器302处的光发射器和光接受器的每个组合可以测量输入环或输出环的扭矩偏转。当检测到偏转时，将信号发送到智能马达控制器305。马达控制器的程序能向伺服马达304提供指令。
还应该理解，通过负载传递机构传输的扭矩引起平面扭力弹簧的运动，该运动又由扭矩传感器读取器检测并连通到马达控制器。
因为通过由齿轮减速器修改的旋转马达创建的负载或力也通过串联弹性扭矩传感器(包括扭力弹簧)传递。扭力弹簧的输入侧的偏转将引起到智能马达控制器的信号。
马达控制器的操作(以及由此产生的马达和齿轮减速的受控操作)可以在由用户(通过负载传递机构)利用的整个运动范围内连续地改变负载分布。这涉及ROM(运动范围)和力之间的关系。当负载传递设备相对于用户的位置改变(由于用户的负载运动)时，用于进一步运动负载传递设备的用户所需力的量改变。换句话说，相对于负载位置的所需力的量的关系创建负载分布。
图3还示出伺服马达304、齿轮减速器303和串联弹性扭矩传感器302分享共同的旋转轴线310。应当理解，该相同旋转轴线在图2中延伸通过卷筒轴。
图4示出串联弹性扭矩传感器302的部件的详细视图。示出作为负载路径的一部分的旋转板314。附接有弹簧输出位置传感器312。在所示的实施例中，其包括半透明的圆盘。盘的直径大于扭力弹簧411的直径。
扭力弹簧被示出为具有3个花键415。弹簧输入位置传感器313在来自弹簧输出位置传感器的扭力弹簧的相对侧上。还示出从伺服马达(图3中的304)延伸到卷筒轴(图2中的352)的旋转轴线310。
图5示出由申请人利用的平面扭力弹簧411的示例。扭力弹簧的旋转轴线与较大直径位置传感器的旋转轴线相同。旋转轴线被外环(输出侧)410和内环(输入侧)分享。该旋转轴线穿过弹簧开口中心部分的点140。
外弹簧输出件经由旋转板314与负载传递部件连接并在段落[0056]中描述。扭力弹簧可以是谐波设计或行星设计。在一个实施例中，本申请人利用独特的平面扭力弹簧设计。
本申请人的扭力弹簧利用3个花键415。弹簧包括平面。平面沿x轴线和y轴线延伸。弹簧具有在x轴线和y轴线上的半径。输出侧与输入侧同心。输入侧和输出侧分享相同旋转轴线(参见图2，标记140和310)。旋转轴线和纵向轴线和弹簧厚度435在z方向上。
平面扭力弹簧包括嵌套在较大直径的外环410内的内环420。换句话说，内环同心地定位在外环的直径内。扭力弹簧具有平面形状。
同心的内环和外环通过一个或多个花键415连接在一起。花键可以形成细长的同心弧431，其围绕内环的外径。花键的设计可以与外轮缘和内轮毂之间的辐条的设计相对。应当理解，辐条将沿径向直线方向从内轮毂延伸到外轮缘。应当理解，本申请人的设计的细长同心弧(蜿蜒的，serpentine)允许具有较低应力的花键的较大偏转。本申请人的设计通过由同心弧花键的细长设计形成的较长负载路径实现这种改善。还应当理解，花键可以通过一个环相对于另一个环的旋转而偏转或变形。换句话说，通过花键的变形，一个环可以相对于另一个环旋转。
在较少的花键的情况下，可以将每个花键设计得较长，以实现较宽的刚度范围，但较低的最大可实现刚度。在较少的花键的情况下，每个花键可以被设计成在内环和外环之间具有较长的延伸路径430。花键的厚度可以通过细长的长度而变化。
扭力弹簧411的另一种描述，弹簧包括构成第一外环410，构成定位在第一外环内的第二内环420，并具有一个或多个相同轴线的花键415，并且将花键延伸到相对于第一外环和第二内环431之间的圆周的最大长度，在第一外环的内周和第二内环的外周之间构成具有期望数量的同心弧的花键，并且将第一外环、第二内环和花键定位在相同平面中。每个花键通过突出部433连接到外环410和内环420。
本申请人构造的优点包括增加的弹簧强度和弯曲度。在较少的花键的情况下，每个花键可以被设计得较长，以实现较宽的刚度范围，但较低的最大可实现刚度。在较少的花键的情况下，每个花键可以被设计成在内环和外环之间具有较长的延伸路径。花键的厚度可以通过细长的长度而变化。
图5所示的本申请人的平面扭力弹簧可以由标准的钢合金(例如，17-4PH不锈钢)组成。在申请人的设计中利用的不锈钢可以实现与用更昂贵或更难以加工的诸如定制的465不锈钢或马氏体时效钢的相同刚度和强度。而且，图5所示的弹簧可以在其它弹簧设计中实现较宽的弹簧刚度范围。本申请人的扭力弹簧可以由包括复合材料的各种材料制成。平面扭力弹簧优选地由诸如钢的金属制成。在一些实施例中，其可以由马氏体时效钢(具有高屈服强度的钢复合材料)制成。
进一步地，本申请人的新颖的弹簧体系机构通过将负载更可预测且更均匀地分布来减少应力集中。这意味着用给定尺寸和刚度目标的新设计下，材料中的峰值应力较小。弹簧几何形状(图5)示出较大的负载路径。应当理解，较大的负载路径允许由弹簧偏转创建的应力在较大的面积上伸展，从而导致较小且较少的间接应力集中。图5所示的本申请人的弹簧设计411允许使用更标准的合金以得到相同的最大额定负载和刚度。
当然应该理解，本公开的申请人装置300主体的实用性不依赖于图5所示的本申请人的扭力弹簧设计411。
本公开将Chris Ihrke等人于2012年10月23日公布的名称为旋转式串联弹性致动器(Rotary Series Elastic Actuator)的美国专利8,291,788通过引用方式全部并入本文中。本公开还将作为申请S/N 62/061815的于2014年10月9日提交的名称为用于平面扭力弹簧的弹性扭矩传感器(Elastic Torque Sensor for Planar Torsion Spring)的临时申请和作为申请S/N 62/099191的于2015年1月1日提交的名称为同心弧花键旋转弹簧(Concentric Arc Spline Rotational Spring)的临时申请通过引用方式并入本文。
本公开的装置300是力或速度可控的设备，其使用可变速电动马达(具有旋转轴)、齿轮减速器、扭矩传感器、卷轴、皮带和马达控制器(具有可编程嵌入式电子设备)。所有的部件都在相同定向轴线310上。该装置的主要目的是为了锻炼的目的而提供力；特别是力量训练。与重物不同，机器的可编程性允许在练习期间调节在使用者身上所给予的力的量。本公开包括使用串联弹性致动器(定制设计扭矩传感器和平面扭力弹簧)来控制施加到负载传递机构的力的能力。该装置可以经由负载传递机构维持传递给使用者的恒定的力。
本公开将于1999年11月30日公布的授予Randle M.Houston等人的美国专利No.5,993,356通过引用方式全部并入本文。
本申请人在其公开中还教导的是串联弹性致动器(series elastic actuator，SEA)的新颖使用。SEA由马达304、齿轮减速器303、扭力弹簧411以及(多个)位置传感器312组成。在一个实施例中，马达可以是伺服马达。这些部件的连接如下：马达附接到齿轮减速器，齿轮减速器附接到扭力弹簧，其中两个位置传感器分别附接到扭力弹簧的输入环和输出环。串联弹性致动器的每个位置传感器313可以包括向马达控制器发送关于扭力弹簧运动的信号的编码器。编码器不在负载路径中。马达控制器305利用来自编码器的光接受器部件的信号测量弹簧的偏转以计算扭矩/力。
应当理解，现有技术利用电动马达。由本申请人利用的SEA允许直接控制在扭力弹簧的输出侧或输入侧上看到的扭矩。这种扭矩的直接控制减小马达的反射惯性。这允许本申请人的装置使用齿轮减速器303。齿轮减速器通常显著地放大马达的反射惯性(在齿轮减速器的输出端处看到的马达惯性等于马达惯性乘以传动比平方)。
过去的由马达操作的力量设备存在若干问题。一个问题是用于马达的控制方法没有考虑或充分地解决扭矩/力的测量，从而导致马达具有相对大的反射惯性。这种大的惯性引起问题，该问题在由通过引用方式全部并入本文的专利5,993,356中未被解决。这个问题(大的反射惯性)还引起其他设备的问题。此类问题包括不平滑的运动或难以改变负载传递机构的运动方向。
本申请人通过使用在齿轮减速器的输出侧上的串联弹性扭矩传感器来解决段落[00076]的问题，使得输出扭矩被直接控制。这种控制消除了推断输出扭矩的过去做法。本公开还教导控制扭矩而不是速度。由于马达控制器可以选择性地忽略速度和方向，运动(旋转)方向的变化可以毫无困难地发生。
应当理解，串联弹性扭矩传感器执行市售扭矩传感器的所有功能，并且比市售扭矩传感器相当低廉。扭矩传感器的商业供应商包括Futek和界面T27(Interface T27)。界面扭矩传感器T27的价格为$9,045.00。Futek扭矩传感器FSH02059的价格为$3,630.00。本申请人的串联弹性扭矩的成本为$300.00。
本申请人的公开还有利的教导测量扭矩而不是线性力。如上所述，本申请人使用扭矩传感器(包括扭力弹簧)和马达控制器的组合来测量扭矩。
线性力通常通过使用内嵌式负载单元来测量。负载单元是测量拉伸或压缩施加的负载的市售设备。市售负载单元的一个示例可以在www.futek.com/product上从Futek获得。然而，负载单元是昂贵的并且以各种方式遭受磨损或劣化。因此负载单元需要更换。应当注意，负载单元是负载链条的一部分，并且与负载传递机构一起运动。这种运动使维持与装置的其它部件的有效电连接变得复杂。
测量扭矩的另一种方法是马达电流测量设备。正如所述，这可以是扭矩控制的方法。然而，这种方法具有包括但不限于噪声和慢速操作的缺点。马达电流测量设备不适用于本申请人的装置的动态力控制需要。
本申请人的串联弹性致动器(SEA)的适应性解决了这两个问题。它比基于力测量的负载单元更可靠，并且比基于电流传感器的测量更准确。它还允许负载传递机构的平滑运动和马达轴改变方向的能力。
如上在段落[00074]中所述，串联弹性致动器由马达、齿轮减速器、弹簧和(多个)位置传感器组成。这些部件的连接如下：马达附接到齿轮减速器，齿轮减速器附接到弹簧，一个位置传感器或多个位置传感器用于测量弹簧的偏转以推断扭矩/力。串联弹性致动器是本申请人的装置的力生成器系统。
在现有技术中经历的另一个问题通过使用齿轮减速器而导致。如前所述，当使用齿轮减速器时，马达的惯性急剧增加。这导致齿轮减速部件未被使用。这导致设备具有劣化的力的控制。以前，利用齿轮减速器的设备运动太慢，以致于不适于作为锻炼机器。(齿轮设备以前仅用于等速练习)。例如，专利5,993,356中所描述的设备不利用齿轮减速部件。这归因于在存在大的马达惯性的情况下的力控制的问题。应当理解，不使用齿轮减速部件或者使用非常大的马达的马达驱动机器在产生或控制力的能力方面非常有限。如下所述，本申请人的装置利用较小的马达。
关于比较的马达尺寸，本申请人的致动器(马达加齿轮系具有11.5kg的质量)。致动器产生了154Nm的峰值扭矩。提供等效扭矩的没有齿轮系的等效直接驱动马达具有49kg的质量并且更加昂贵。注意，本申请人将其马达/齿轮系组合与来自相同制造商的提供与本申请人组合相同的峰值扭矩的马达进行比较。本申请人的马达由弗吉尼亚州的Kollmorgen,Radford提供。
如在段落[00075]、[00083]和[00084]中所述，本申请人的装置利用齿轮减速器。在当前实施例中，齿轮减速器的比例为10:1。本申请人使用齿轮减速器放大马达的扭矩。这允许本申请人使用可以是等效直接驱动马达质量的20-25％的齿轮马达。成本节省和质量减少是相当大的。
本申请人的SEA的利用还可以解决或减轻现有技术中经历的以下不足。通过使用串联弹性致动器(SEA)解决的不足包括但不限于可由物理上较小的马达产生的力和速度(功率)的反射惯性范围。SEA比基于力测量的负载单元更可靠并且比基于传感器的测量更准确。串联弹性元件(扭力弹簧)的添加用作无源机械滤波器，以平滑来自马达的高频振动。
本申请人使用串联弹性致动器SEA显著改善等角力控制(恒定的肌力)性能，同时仍维持其他操作模式，诸如等速(恒定的肌肉和关节速度)和等张(恒定的肌肉和关节位置)。它还允许可变的力分布。
马达控制器
本申请人的设备的马达控制器是完全可编程的，使其独立于传统重物机器中存在的运动学关系。换句话说，该力彻底独立于ROM内的位置。马达控制器(在下文中称为“智能马达控制器”)还包含嵌入式智能，例如微处理器和智能伺服驱动器，其能够操作由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置的算法。
智能马达控制器还可以收集包括使用者所利用的强度的数据。数据将被记录在使用者界面计算机上，然后通过互联网将其发送给本申请人的服务器。数据可以存储在云中。智能马达控制器的微处理器收集数据并将其发送给使用者界面计算机，但在一个实施例中，智能马达控制器不存储数据。
装置300测量两个位置以计算扭矩。这两个位置由弹簧输出位置传感器312和弹簧输入位置传感器313测量。位置传感器向马达控制器305发送关于扭力弹簧输入420和输出410的相应位置的信号。智能马达控制器利用各个位置的变化来测量运动。利用弹簧常数，计算施加到扭力弹簧的扭矩(力)。本发明的设备可以记录力和位置数据两者。
图6示出结合弹簧输出位置传感器的运动的编码器的操作的逻辑流程图。编码器以至少10千赫兹(10，000圈/秒)的速率发射信号。在一个实施例中，该信号是光脉冲。光脉冲编码器监视扭力弹簧的输出侧的位置(步骤1)。在另一个实施例中，光源是连续的。如果编码器的光学接收器检测到信号的变化、由光接收器接收的光信号的中断或光源的接收中断，则编码器的光学接收器检测输出侧的旋转运动。信号将被发送到智能马达控制器的计算机处理器(步骤2)。
光信号中断次数可以由编码器光学接收器检测并由马达控制器进行计数(步骤3)。中断次数与附接到输出侧的传感器盘的圆周上的刻度标记数量相关。刻度数与横过编码器光学接收器的圆周的距离相关。这与弧段的度数相关。弧长度(角位置)由马达控制器的计算机处理器计算。知道弹簧常数，可以计算输出侧所经受的力的量(步骤4)。马达控制器可以向马达发送响应信号以产生力。
同时地，编码器的单独光学输出部件和编码器光学接收器监视扭力弹簧的输入侧(步骤5)。如果检测到运动，则接收器向马达控制器提交光中断(或者如果使用反射标记器则为光反射)次数的信号，并且处理器基于运动量和弹簧常数来计算角位置和力(步骤6)。智能马达控制器可以向马达发送响应信号。
扭力弹簧411的输出侧410和输入侧420两者的角位置由弹簧输入位置传感器313和弹簧输出位置传感器312独立地测量。这两个角度(扭力弹簧的输入侧和输出侧的角位置)被差分并乘以弹簧常数。该计算的结果给出扭矩。然后，扭矩以多个千赫兹用作(usedat multiple kilohertz)对扭矩控制器的反馈。这种计算由包含计算机处理器的智能马达控制器305执行。
智能马达控制器可以将在扭力弹簧输出侧和输入侧上计算出的力的测量值进行比较。(步骤7)
在下一个时间间隔内重复该过程。在优选实施例中，时间间隔为至少1/1×10-5秒。(步骤8)如果检测到运动，则从前一个读取位置测量运动(步骤3)。力是基于到新位置的运动计算的。(步骤9)重复步骤3至步骤7。
图6示出本公开的另一实施例。在本文，编码器监视附接到平面扭力弹簧的输入侧的传感器盘。(步骤1)。传感器检测输入侧是否运动(步骤2)。
在优选实施例中，编码器通过附接到平面扭力弹簧的输入侧的传感器盘传输光信号。光通过半透明的光盘传输到盘的相对侧上的编码器接收器。如前所述，盘的周边用不透明的刻度标记进行标记。当输入侧运动通过光信号时，这些标记中断光信号。这些中断由编码器接收器检测。接收器将中断信号传输到计算机处理器。计算机处理器可以计算由盘旋转的距离。
在步骤3中，计算机处理器基于从编码器接收器接收的信号来计算旋转运动。使用已知的弹簧常数，计算机处理器计算输入侧所经受的力(步骤4)。同时地，计算机处理器可以使用来自监视附接到输出侧的传感器盘的编码器的信号来确定输出侧是否已经运动(步骤5)。
如果检测到运动，则由计算机处理器基于从编码器接收器接收的信号来计算旋转量(步骤6)。基于偏转量和弹簧常数可以计算在输出侧上所经受的力的量。计算的力可以与上述步骤4中计算的值相一致。
在实施例中，计算机处理器可以计算可由扭矩力生成器(例如，马达)产生的偏移力的量。
应当理解，弹簧输出/输入位置传感器(编码器传感器)不被固定到平面扭力弹簧。与智能马达控制器的计算机处理器或微处理器连通的这些传感器被独立地安装到装置上，并且不在由扭力弹簧的输出侧或输入侧经受的负载路径中。
替代的传感器机构可以包括解算器(即，将角度转换成可由模拟数字转换器(analog digital converter，(ADC))读取的电压电平的模拟编码器)，或基于固定零点提供精确角度的绝对位置传感器(Absolute Position Sensor，(APS))。在一个实施例中，传感器利用增量编码器。增量编码器需要每次弹簧起动时定位输出侧和输入侧的起动步骤。
如本申请人的公开的装置所述，该装置包含智能马达控制器。
图7示出利用编码器检测到的弹簧位置传感器盘的运动和向智能马达控制器的可编程计算机处理器或微处理器传输信号以用于计算扭矩的逻辑流程图。
图8示出利用检测到的平面扭力弹簧的输入侧运动的光学信号来计算施加到输出侧的扭矩力的逻辑流程图。
图9示出使用编码器来确定扭力弹簧扭矩。
本公开将被解释为仅是说明性的，并且是为了教导本领域技术人员执行本公开主题的方式的目的。应当理解本文所示和所述的本公开主题的形式将被视为当前优选的实施例。如已经所述的，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在部件的形状、尺寸和布置或在该方法的步骤中进行的调整方面进行各种改变。例如，等效元件可以代替在本文所示和所述的那些，并且本公开的某些特征可以独立于其它特征的使用而被利用，这一切如本领域技术人员在受益于本公开之后将是显而易见的。
虽然已经示出并描述了具体实施例，但是在不脱离本公开的精神的情况下，可以进行许多修改，并且保护范围仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (25)

1.一种由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，包括：
a)与带轮或卷轴连接的负载传递机构；
b)与扭矩传感器连通的所述带轮或卷轴；
c)能编程的马达控制器；以及
d)串联弹性致动器。
2.一种由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，包括：
a)与串联弹性扭矩传感器连通的负载传递机构；
b)所述串联弹性扭矩传感器与以下装置连通
(i)减速齿轮和可变速马达的轴；
(ii)与微处理器连通的至少一个平面扭力弹簧位置传感器；
c)所述微处理器与智能伺服驱动器连通；
d)所述伺服驱动器与旋转可变速马达连通；
e)齿轮传动的所述旋转可变速马达的轴附接在所述串联弹性扭矩传感器的输入侧中；以及
f)所述微处理器控制齿轮传动的所述旋转可变速马达的轴的旋转。
3.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括微处理器，所述微处理器控制齿轮传动的旋转可变速马达的轴的旋转速度。
4.根据权利要求2所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，其中，所述微处理器响应施加到所述负载传递机构的力。
5.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括微处理器，所述微处理器控制由齿轮传动的旋转可变速马达的轴旋转而产生的力。
6.根据权利要求4所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，其中，控制齿轮传动的所述旋转可变速马达的轴旋转而产生的力的所述微处理器响应于施加到所述负载传递机构的速度。
7.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，其中，来自所述扭矩传感器的信号包括输入到微处理器以控制齿轮传动的旋转可变速马达的轴的动作的输入。
8.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括用于旋转可变速马达的齿轮减速器。
9.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括用于旋转可变速马达的行星齿轮减速器。
10.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括用于旋转可变速马达的正齿型齿轮减速器。
11.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括用于旋转可变速马达的螺旋型齿轮减速器。
12.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括用于旋转可变速马达的摆线齿轮减速器。
13.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括用于旋转可变速马达的谐波驱动齿轮减速器。
14.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括串联弹性扭矩传感器。
15.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括平面扭力弹簧。
16.根据权利要求1所述的负载传递机构，所述负载传递机构包括具有能附接的第一端和附接到所述卷轴的第二端的皮带。
17.根据权利要求2所述的卷轴，其中，所述卷轴与所述平面扭力弹簧连通。
18.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括界面设备。
19.根据权利要求21所述的界面设备，所述界面设备与所述微处理器连通。
20.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，其中，所述由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置执行等速锻炼。
21.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，其中，所述由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置以等张模式执行锻炼。
22.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，其中，所述由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置以等角模式执行锻炼。
23.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括包含嵌入式智能的马达控制器，以基于所述负载传递机构的位置来改变施加到所述负载传递机构的力的量。
24.根据权利要求1所述的由马达操作的扭矩可控锻炼机器装置，进一步包括包含嵌入式智能的马达控制器，以响应于来自所述负载传递机构的可变力或可变速度输入而交替地控制由所述马达产生的速度或力。
25.一种响应于在负载传递机构上的力或速度而产生可变负载的方法，包括以下步骤：
a)将负载输入到所述负载传递机构中；
b)将所述负载传递到包含扭力弹簧的串联弹性扭矩传感器
c)将弹簧偏转扭矩信号发送到智能马达控制器；
d)由所述智能马达控制器指示马达的运动；
e)通过齿轮减速器调节马达的运动；
f)将力传递到所述串联弹性扭矩传感器；以及
g)将力传递到所述负载传递机构。
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