CN109621330B - 一种力量训练系统及电控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种力量训练系统及电控方法，所述的电控方法采用磁粉离合器反馈环，所述磁粉离合器反馈环包括磁粉离合器、传感器、编码器以及实时控制板，编码器采集磁粉离合器输出的速度V2和转动位置可以实时的反应同步带当前的位置和移动的距离，传感器采集磁粉离合器输出的同步带上实际的力大小，控制板根据编码器和传感器的采集数据，控制磁粉离合器的电流或电压大小，从而实时且精确的控制离合器的输出速度。采用磁粉离合器，使得力量训练系统输出的转动惯量变成了离合器输出侧的转动惯量，与现有技术相比，大大降低了系统转动惯量，实现了低惯量、高精度控制的电控传动系统。

Description

一种力量训练系统及电控方法
技术领域
本发明涉及健身运动领域，特别涉及一种力量训练系统及电控方法。
背景技术
在力量训练系统的力传送过程中，一般伺服电机或普通电机系统，为了增大电机的输出力矩，电机系统本身的转动惯量也会成倍的增加，从而带来另外一个问题：转动惯量增大，使得系统的加速或减速过程比较缓慢，影响力量训练系统的输出精度。另外，常见的柔性件传动如钢丝绳、尼龙带、链条、皮带，柔性件简单缠绕在主轴上。简单灵活，可在多种结构上使用，范围广，对结构设计要求低。但是在实际使用过程中柔性件有弹性，如果比较细的话长时间使用，会产生拉长形变，使力量传动产生误差。如果比较粗的话，缠绕灵活性会降低。电机器械上，柔性件基本是缠绕在主轴上，随着主轴的转动，带动柔性件的缠绕，从而柔性件拉动其他结构件运动。其他结构运动的距离就是柔性件需要缠绕的长度，长度越大，缠绕的圈数越多。缠绕的紧密度跟主轴转动速度以及钢丝绳另一头牵引物体的速度有关。
当主轴回圈速度小于柔性件回退速度时(比如在电机失去动力，或回卷力设定过小，而柔性件被拉出，由于自身重力而回退)，如不加以限制，柔性件将不能紧密缠绕在主轴上，会导致不规则缠绕，位置时常等多种不良情况，再重新上电工作时，很可能引起柔性件缠绕导致工作异常；这种异常一旦发生，通常难以自行纠正，需要开打外壳直接在主轴上操作修复，非常不方便。缠绕的柔性件可能会挂到周边机构，在回卷力重新开始施加时，造成周边机构的损坏。主轴两边无限制时有可能会被卷到轴的顶端，与顶端轴承产生不良缠绕；缠绕不规则会引起柔性件不规则的交错，其中一个不良影响是，柔性件在再次被释放时，有可能会延轴向滑动，导致释放位移出现剧烈跳变，影响使用感受甚至导致危险。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种力量训练系统及电控方法，以解决现有技术中力量训练系统的系统的加速或减速过程比较缓慢、柔性件在缠绕时易相互纠缠、且易松弛，进而导致精度不高的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种力量训练系统电控方法，所述的电控方法采用磁粉离合器反馈环，所述磁粉离合器反馈环包括磁粉离合器、传感器、编码器以及实时控制板，编码器采集磁粉离合器输出的速度V2和转动位置与作为驱动装置的伺服电机输出的速度V1和转动位置相比，磁粉离合器输出的速度V2和转动位置可以实时的反应同步带当前的位置和移动的距离，传感器采集磁粉离合器输出的同步带上实际的力大小，控制板根据编码器和传感器的采集数据，控制磁粉离合器的电流或电压大小，从而实时且精确的控制离合器的输出速度。
进一步的，所述磁粉离合器反馈环能够嵌套在外层的伺服驱动反馈系统之中，和外层反馈环互补形成双层反馈环，从而使整体的力量训练系统的控制更加精细，所述外层反馈环由控制系统、伺服电机、以及检测装置构成，外层反馈环可以通过控制电机进而控制整个系统的输入，同时控制系统可以和离合反馈环中的控制板互相通信；离合反馈环配合外层反馈环进行协同处理，根据实际情况实时调节磁粉离合器的输出速度。
本发明所述的力量训练系统电控方法采用磁粉离合器，使得力量训练系统输出的转动惯量变成了离合器输出侧的转动惯量，与现有技术中的从驱动装置输出的力直接通过柔性带传动或者轴传动传递给训练者的传动方式相比，大大降低了系统转动惯量，实现了低惯量、高精度控制的电控传动系统。
本发明还提供了一种力量训练系统，使用以上所述的电控方法，所述力量训练系统包括控制系统、驱动装置、检测装置以及传动机构，所述驱动装置通过传动机构将力量传递给使用者，所述驱动装置的输出端连接磁粉离合器，所述磁粉离合器通过传动机构与驱动装置连接。
进一步的，所述磁粉离合器远离传动机构的一侧连接外延部，所述外延部连接训练所需的活动结构或柔性件。
进一步的，所述传动机构包括第一同步轮、第二同步轮以及同步带，所述第二同步轮上连接磁粉离合器，在所述磁粉离合器远离所述第二同步轮的一侧连接外延部，所述外延部上连接编码器。
进一步的，所述外延部设置为第三同步轮、卷筒或者齿轮盘中的一种。
进一步的，在所述第三同步轮和编码器之间设置轴承，所述的轴承通过轴承支座固定。
进一步的，所述第三同步轮上连接柔性件，所述柔性件的另一端与训练所需的活动结构连接。
所述驱动装置设置为伺服电机，所述伺服电机的输出端连接减速机，所述减速机的另一端连接第一同步轮。
相对于现有技术，本发明所述的力量训练系统具有以下优势：
本发明所述的力量训练系统，通过卷筒表面螺纹的设计避免了柔性件相互纠缠的问题，降低高速运动中的柔性件磨损，提高其耐用性，并且限位挡板的设置保证柔性件不脱离卷筒；并且通过闭环缠绕和滚动部件的设置，有效防止柔性件松弛，进而提高输出力的精确度。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的采用磁粉离合器的传动机构示意图；
图2为本发明实施例所述的采用磁粉离合器的传动机构控制系统示意图；
图3为本发明实施例所述的双层反馈环示意图；
图4为本发明实施例所述的柔性件传动机构直接与电机联动示意图；
图5为本发明实施例所述的带状柔性件传动机构直接与电机联动示意图；
图6为本发明实施例所述的柔性件传动机构通过扭矩变换机构与电机联动示意图；
图7为本发明实施例所述的卷筒示意图；
图8为图7的侧视图；
图9为本发明实施例所述的柔性件经滑轮闭环缠绕示意图；
图10为本发明实施例所述的柔性件经两个卷筒的闭环缠绕示意图；
图11为本发明实施例所述的带有压线滚筒的柔性件传动机构示意图；
图12为本发明实施例所述的带有压线套环的柔性件传动机构示意图；
附图标记说明：
电机-1、减速机-2、同步带-3、第一同步轮-4、第二同步轮-5、磁粉离合器-6、第三同步轮-7、轴承支座-8、轴承-9、总体支架-10、编码器-11、卷筒-12、柔性件-13、万向轴-14、连接轴-15、主轴-121、限位挡板-16、压线滚筒-17、压线套环-18、滑轮-19。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
另外，在本发明的实施例中所提到的“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例提供了一种力量训练系统，包括控制系统、驱动装置、检测装置以及传动机构，所述驱动装置通过传动机构将力量传递给使用者，训练动作可能为转动或线性运动，根据动作方式，传动装置需要将电机输出力转换为恰当的输出形式。同时，由于训练通常需要几十公斤到上百公斤的阻力，传动机构通常会通过扭矩变换机构将电机输出的扭矩放大。具体的，所述传动机构可以使用磁粉离合器传动机构或者柔性件传动机构。
实施例1
如图1所示，在实际使用过程中，为了增大电机的输出力矩，电机系统本身的转动惯量也会成倍的增加，从而带来另外一个问题：转动惯量增大，使得系统的加速或减速过程比较缓慢。由此，本实施例提供了一种更高精度的采用磁粉离合器的传动机构的传动系统。
具体的，采用磁粉离合器的传动机构固定在总体支架10上，伺服电机1的输出端设置减速机2，所述减速机2的末端连接第一同步轮4，所述第一同步轮4通过同步带3与第二同步轮5连接，在第二同步轮5上连接磁粉离合器6，进而在磁粉离合器6远离第二同步轮5的一侧连接第三同步轮7，所述第二同步轮5、磁粉离合器6以及第三同步轮7通过固定轴固定，所述第三同步轮7上连接编码器11，进一步的，在第三同步轮7和编码器11之间设置轴承9，进一步保证回转精度。所述的轴承9通过轴承支座8固定。
磁粉式离合器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的，具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系，在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点，是一种多用途、性能优越的自动控制元件。
通过在传动系统中加入磁粉离合器，使得力量训练系统输出的转动惯量变成了离合器输出侧的转动惯量，从而大大降低了系统转动惯量。具体的，通过控制磁粉离合器的电压或电流信号，使得电机的输出速度与磁粉离合器输出的速度不一致，其中电机的输出速度即等于刺耳分离合器的输出速度，适用于不同场景下的需求，比如：控制磁粉离合器的输出速度按照特定要求变化，尤其是快速变化，可以使得系统输出的速度变化跟得上实际需要。或者在电机按照匀速转动的情况下，控制磁粉离合器的输出速度按照特定要求变化，从而保证力量训练系统的输出速度可以变速运动。
进一步的，本实施例提供的采用磁粉离合器的传动机构在磁粉离合器远离第二同步轮的一侧设置外延部，通过外延部直接连接训练所需的活动机构，也可以挂载各种传动机构，比如柔性件传动机构上，进而将精确的力传递给训练者。本实施例提供的外延部设置为第三同步轮。
优选的，可以在第三同步轮上连接皮带、链条以及钢丝绳等柔性件，然后与另外一个同步轮连接，从而组成一个新的同步传动机构，也可以将第三同步轮替换为卷筒或者其他带动柔性件的机构比如齿轮盘。
如图2和3所示，作为本发明的一些实施例，本实施例还提供可一种使用磁粉离合器的传动机构控制方法，采用磁粉离合器反馈环，所述反馈环包括磁粉离合器、传感器、编码器、实时控制板组成。整个系统构成了一个实时反馈控制环：编码器采集磁粉离合器输出的速度V2和转动位置与作为驱动装置的伺服电机输出的速度V1和转动位置相比，磁粉离合器输出的速度V2和转动位置可以实时的反应同步带当前的位置和移动的距离，传感器采集磁粉离合器输出的同步带上实际的力大小，控制板根据编码器和传感器的采集数据，控制磁粉离合器的电流或电压大小，从而实时且精确的控制离合器的输出速度。
进一步的，使用磁粉离合器的传动机构控制系统也可以嵌套在外层的伺服驱动反馈系统之中，和外层反馈环互补形成双层反馈环，从而使整体的力量训练系统的控制更加精细，所述外层反馈环由控制系统、伺服电机、以及检测装置构成。外层反馈环可以通过控制电机进而控制整个系统的输入，比如扭矩、速度。同时控制系统可以和离合反馈环中的控制板互相通信，比如速度、位置。离合反馈环配合外层反馈环进行协同处理，根据实际情况实时调节磁粉离合器的输出速度。
优选的，所述的检测装置可以设置为拉力传感器，用于检测拉力波动，当发生突变时可立即反馈给控制板，控制板发指令控制磁粉离合器降低输出转速，避免设备高速撞击人身体，起到安全保护作用。
更进一步的，由于电机转动惯量比较大，磁粉离合器还可以减少加速或减速过程的时间，使系统快速跟上人身体运动的速度。
本实施例提供的传动系统，采用磁粉离合器，使得力量训练系统输出的转动惯量变成了离合器输出侧的转动惯量，与现有技术中的从驱动装置输出的力直接通过柔性带传动或者轴传动传递给训练者的传动方式相比，大大降低了系统转动惯量，实现了低惯量、高精度控制的电控传动系统。
实施例2
如图4～6所示，本实施例在实施例1的基础上提供了一种将力传递给训练者的柔性件传动机构，具体为一种柔性件传动机构，所述柔性件传动机构包括卷筒12和柔性件13，所述柔性件13缠绕在卷筒12上，卷筒12包括主轴121和主轴两端的万向轴14，所述万向轴14通过连接轴15与电机1相连接，可以消除装配的尺寸偏差。采用卷筒12缠绕的方式使得电机的输出轴和柔性件结合起来，有利于柔性件的另一端与训练所需的活动结构连接。
进一步的，所述柔性件可以设置为钢丝绳、尼龙带、链条、皮带、传动带等，其结构简单灵活，使用范围广。
优选的，所述柔性件采用钢丝绳、线性滑轨皮带或者轴转动皮带等，所述钢丝绳的直径为5mm～6.5mm。所述线性滑轨皮带设置为环形皮带传动结构，在皮带的下方放置一个线性滑轨，滑块置于线性滑轨上，皮带的一头固定在滑块上。环形结构由主动轮与从动轮构成，主动轮与电机输出轴连接。当拉动皮带另一头，当拉力大于主动轮产生的阻力时，皮带会牵引滑块向前移动。同样的，皮带上有张紧结构，确保调节皮带的张紧。
进一步的，柔性件传动机构可以直接与电机联动，也可以通过扭矩变换机构与电机联动。所述扭矩变换机构设置在卷筒12与电机1之间，用于将电机输出的扭矩放大。优选的，所述扭矩变换机构可以设置为行星减速器或同步带，
如图7～8所示，进一步的，卷筒12表面采用螺纹设计，使得柔性件在缠扰过程中沿螺纹紧密均匀且排布，避免柔性件之间纠缠。在卷筒的两端设置限位挡板16，限位挡板16的宽度大于卷筒12的直径，保证柔性件不会脱离卷筒12。并且，对于柔性件，系统会追踪缠绕的层数，根据输出力的作用半径，对输出扭矩进行调整和补偿，使得输出力总与设定值相符。
如图9～10所示，进一步的，本实施例还采用闭环缠绕的方式，使得柔性件的两端总是同时处于收卷和释放两个相反的状态，即使在没有驱动力的情况下，也可以保证柔性件张紧。图9为一种柔性件经滑轮10缠绕到同一个卷筒上，图11为缠绕到两个同步转动的卷筒上。
如图11和图12所示，进一步的，为防止柔性件从卷筒上松弛，可以在卷筒表面设置滚动部件通过滚动部件将柔性件按压在卷筒12表面。因为滚动部件的滚筒特性，运动摩擦被大大减小，避免了柔性件磨损。优选的，所述滚动部件可以是压线滚筒17，也可以是内部带有滚珠或滚子的压线套环18。
但在柔性件闭环缠绕的实际使用过程中，柔性件运动过程中其所需的长度可能有微弱变化，为了精准的检测和补偿这种变化，本实施例在力输出点进行了进一步设计。具体的，在力输出点上方和下方，可以加装拉力传感器，用于检测应力数值。在力输出点还可以添加弹簧，抵消柔性件的长度变化，起到张紧作用。比如，若主要输出力为向下的拉力，则可以在力输出点上方增加弹簧。弹簧的弹性系数可选择，保证足够大的张力保证柔性件张紧，同时不会过大影响力的输出。
优选的，所述柔性件传动机构可以与采用磁粉离合器的传动机构联动，也可以直接与电机联动，当柔性件传动机构与采用磁粉离合器传动机构联动时，磁粉离合器传动机构中的第三同步轮可以替换为卷筒。
本实施例提供的柔性件传动机构，通过卷筒表面螺纹的设计避免了柔性件相互纠缠的问题，降低高速运动中的柔性件磨损，提高其耐用性，并且限位挡板的设置保证柔性件不脱离卷筒；并且通过闭环缠绕和滚动部件的设置，有效防止柔性件松弛，进而提高输出力的精确度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种力量训练系统电控方法，其特征在于，所述的电控方法采用磁粉离合器反馈环，所述磁粉离合器反馈环包括磁粉离合器、传感器、编码器以及实时控制板，编码器采集磁粉离合器输出的速度V2和转动位置与作为驱动装置的伺服电机输出的速度V1和转动位置相比，磁粉离合器输出的速度V2和转动位置可以实时的反应同步带当前的位置和移动的距离，传感器采集磁粉离合器输出的同步带上实际的力大小，控制板根据编码器和传感器的采集数据，控制磁粉离合器的电流或电压大小，从而实时且精确的控制离合器的输出速度；
所述磁粉离合器反馈环能够嵌套在外层的伺服驱动反馈系统之中，和外层反馈环互补形成双层反馈环，从而使整体的力量训练系统的控制更加精细，所述外层反馈环由控制系统、伺服电机、以及检测装置构成，外层反馈环可以通过控制电机进而控制整个系统的输入，同时控制系统可以和离合反馈环中的控制板互相通信；离合反馈环配合外层反馈环进行协同处理，根据实际情况实时调节磁粉离合器的输出速度；
所述检测装置用于检测拉力波动，当发生突变时可立即反馈给控制板，控制板发指令控制磁粉离合器降低输出转速。
2.一种力量训练系统，其特征在于，使用权利要求1所述的力量训练系统电控方法，所述力量训练系统包括控制系统、驱动装置、检测装置以及传动机构，所述驱动装置通过传动机构将力量传递给使用者，所述驱动装置的输出端连接磁粉离合器(6)，所述磁粉离合器(6)通过传动机构与驱动装置连接。
3.根据权利要求2所述的力量训练系统，其特征在于，所述磁粉离合器(6)远离传动机构的一侧连接外延部，所述外延部连接训练所需的活动结构或柔性件。
4.根据权利要求3所述的力量训练系统，其特征在于，所述传动机构包括第一同步轮(4)、第二同步轮(5)以及同步带(3)，所述第二同步轮(5)上连接磁粉离合器(6)，在所述磁粉离合器(6)远离所述第二同步轮(5)的一侧连接外延部，所述外延部上连接编码器(11)。
5.根据权利要求3或4所述的力量训练系统，其特征在于，所述外延部设置为第三同步轮(7)、卷筒或者齿轮盘中的一种。
6.根据权利要求5所述的力量训练系统，其特征在于，在所述第三同步轮(7)和编码器(11)之间设置轴承(9)，所述的轴承(9)通过轴承支座(8)固定。
7.根据权利要求6所述的力量训练系统，其特征在于，所述第三同步轮(7)上连接柔性件，所述柔性件(13)的另一端与训练所需的活动结构连接。
8.根据权利要求2所述的力量训练系统，其特征在于，所述驱动装置设置为伺服电机(1)，所述伺服电机(1)的输出端连接减速机(2)，所述减速机(2)的另一端连接第一同步轮(4)。
9.根据权利要求5所述的力量训练系统，其特征在于，所述外延部上的柔性带设置为钢丝绳、尼龙带、链条、皮带、传动带中的一种。
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