CN109890467B - 数字力量训练 - Google Patents

Abstract

接收与耦合到缆的致动器的位置有关的信息，所述缆被耦合到电机。使用过滤器来向耦合到电机的电机控制器提供输入，以调整电机上的扭矩，使得实现相对于致动器的位置的力量曲线。

Description

数字力量训练

对其他申请的交叉引用

本申请要求2016年7月25日提交的题为METHOD AND APPARATUS FOR DIGITALSTRENGTH TRAINING（用于数字力量训练的方法和装置）的美国临时专利申请号62/366,573的优先权，通过引用将其并入本文以用于所有目的。

背景技术

力量训练，也称为阻力训练或举重，是任何健身日常程序的重要部分。它促进肌肉的锻炼、脂肪的燃烧以及许多代谢因素的改善，包括胰岛素敏感性和脂质水平。许多用户寻求更高效和安全的力量训练的方法。

附图说明

在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。

图1A是图示了数字力量训练器的实施例的框图。

图1B是图示了电机的实施例的框图，该电机被以使该电机表现得像健身机的方式来控制。

图2是串联弹性致动器的实施例的图示，在该串联弹性致动器的两侧上具有用以控制张力的轴编码器。

图3是用以控制张力的线性弹簧的实施例的图示。

图4是使用应变仪的张力测量的实施例的图示。

图5是使用杆式测压元件的张力测量的实施例的图示。

图6是使用重量传感器的张力测量的实施例的图示，该重量传感器使用应变仪来感测向下的力。

图7是使用皮带耦合的张力测量的实施例的图示。

图8是同心加载的实施例的图示。

图9是相等加载的实施例的图示。

图10是偏心加载的实施例的图示。

图11是缓和质量变化的图示。

图12是缓和改变质量变化的图示。

图13是触觉反馈的图示。

图14是峰值张力的图示。

图15是调整的峰值张力的图示。

图16和17是用户在重复中的适应的图示。

图18是升级服务的图示。

图19是金字塔协议的图示。

图20是不平衡金字塔协议的图示。

图21是下降集（drop set）协议的图示。

图22是图示了数字力量训练器的BLDC电机版本的实施例的框图。

图23是图示了用于数字力量训练器的BLDC电机版本的控制子系统的实施例的框图。

图24是图示了用于数字力量训练器的BLDC电机版本的控制回路的实施例的框图。

图25是耦合到轮毂的电机的图示。

图26是耦合到轮毂的电机的简化图示。

图27是耦合到轮毂的电机的三维图示。

图28是具有耦合到轮毂的轴编码器的电机的图示。

图29A和图29B是使用电机底座来测量张力的图示。

图30是附接点杆的图示细节。

图31是电机底座的图示细节。

图32是完全组装的电机底座、电机、可选的齿轮箱和轴编码器的图示。

图33是用于由轮毂控制的电机的控制系统的图示。

图34是图示用于数字力量训练的过程的实施例的流程图。

具体实施方式

本发明可以以众多方式实现，所述方式包括作为过程；装置；系统；物质的组成；在计算机可读存储介质上实现的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被配置成执行存储在耦合到处理器的存储器上和/或由耦合到处理器的存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实现或本发明可以采取的任何其他形式可以被称为技术。一般而言，可以在本发明的范围内改变所公开的过程的步骤的顺序。除非另有说明，否则被描述为被配置成执行任务的诸如处理器或存储器的部件可以被实现为被临时配置成在给定时间执行任务的通用部件或者被制造成执行任务的专用部件。如本文中使用的，术语‘处理器’指的是被配置成处理数据（诸如计算机程序指令）的一个或多个设备、电路和/或处理核心。

下面连同图示本发明的原理的附图一起提供对本发明的一个或多个实施例的详细描述。结合这样的实施例对本发明进行描述，但是本发明并不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限制，并且本发明包含众多替换方案、修改和等同物。在以下描述中阐述了众多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。这些细节被提供用于示例的目的，并且本发明可以根据权利要求书来实施，而没有这些具体细节中的一些或全部。为了清晰起见，在与本发明有关的技术领域中已知的技术材料尚未被详细描述，以免不必要地模糊本发明。

公开了数字力量训练。在一个实施例中，用户的手柄/致动器通过缆被耦合到至少部分地由过滤器控制的电机。过滤器由数字计算机控制，以动态调整电机上的扭矩，从而使体育锻炼对用户来说更加高效、有效、安全和/或愉快。

力量训练。对于用户而言，来自举重的益处在很大程度上取决于锻炼的执行，包括但不限于：包括移动路径/模式的形式、包括重量/阻力的量的强度、包括移动有多快/慢的速度、集合/重复的数量以及包括在重复和集合之间等待多长的定时。此外，当用户锻炼被推到失败并超出失败时，发现最大的收益；他们在其处可能不再提升体重并且必须经历恢复以允许肌肉将自身重建得更强壮的点。

存在许多附加技术以进一步加强用户。重要的技术包括使用同心、偏心和等距训练。同心移动是指肌肉在载荷下收缩，例如使用二头肌来开始举重。等距移动是指肌肉在载荷下保持稳定或在相同位置处，例如一旦二头肌已经举起重物，等距移动将重量保持在适当位置中。偏心是指肌肉在载荷下伸长，例如使用二头肌来抵抗重力，因为重物向下降低返回。

共同地，包括形式、强度、速度、集合/重复的数量、定时、同心移动、等距移动和偏心移动的因素被称为“协议”。传统上，大多数阻力训练涉及对称的同心和偏心载荷，使得在两个方向上使用相同的重量。例如，用户可以在降低重物时在相同的重量载荷下提升重物并且然后抵抗重力。

存在依赖于不对称移动的锻炼协议，包括纯同心、纯偏心和/或混合不对称同心-偏心移动。当同心阶段具有比偏心阶段施加的更大的重量时，使用术语“同心加载”。当偏心阶段具有比同心阶段施加的更大的重量时，使用术语“偏心加载”。这些协议及对其的许多变体，例如同心-等距-偏心组合的混合，以及增强式爆炸移动，对于具有本领域中的普通技术的任何人来说是公知的。有些用户的社区重视健康和高效训练的不对称协议。用户参与力量训练不仅加强/锻炼肌肉，还可以锻炼结缔组织，诸如肌肉周围的肌腱。已经示出偏心载荷更有效地锻炼肌腱，特别是在肌腱病变的情况下。

在实践中，实际实现非对称协议是具有挑战性的。在不违反物理定律的情况下，诸如哑铃之类的物理重量不能自发地在重量方面改变。因此，实现诸如偏心加载的协议是困难的，其中偏心阶段上的重量比同心阶段重。用户可以尝试使用诸如弹性带、阶梯凳和/或第二用户之类的临时解决方案来解决不对称性，但是用户还必须保持适当的形式和适当的定时，以便从非对称协议获得全部益处，这对于临时解决方案是具有挑战性的。

力量训练的另一个方面是人类彼此不同。例如，通过其运动的范围移动的每块肌肉具有最佳长度，在此时它达到峰值张力，即，其在它的是最强的时候。在X-Y轴上绘制为“肌肉张力曲线”，X轴绘制运动的范围的位置，并且Y轴绘制张力。在肌肉张力曲线上存在其中张力达到峰值的点。该最佳长度的点因人而异，取决于个体DNA、环境、力量和/或调调节水平。

此外，当用户在整个锻炼期间疲劳时，肌肉承受张力/力量的能力改变，使得肌肉张力曲线的形状随时间改变。当考虑到肌肉承受张力的能力在其运动的范围内变化时，让用户移动在整个运动的范围内提供固定量的张力的重量是次优的，因为肌肉张力曲线不是平直线。此外，同心、等距和偏心移动的肌肉张力曲线不同。

传统上，绝大多数的力量训练方法和/或装置落入以下类别中：

● 体重：除了体重的重力之外，没有任何事物被用于实现阻力训练。引体向上是这个的很好的示例。一些系统（诸如TRX）提供可以帮助人们更好地实现这一点的道具；

● 自由重量：传统的示例是哑铃，它也使用重力作为力来操作。由用户在整个运动的范围内受到的张力，贯穿本说明书被称为“施加的张力曲线”，其根据移动的角度和/或重力的方向而变化。对于某些运动，诸如二头肌卷曲，所施加的张力曲线是特别可变的：对于二头肌卷曲，当手臂处于完全伸展时它以接近零开始，在90度处达到峰值，并且减小直到手臂达到完全卷曲，其再次接近零；

● 固定轨道机器：使用重物的机器，例如包括配重片的金属的板，通过附接到凸轮的缆来耦合，所述凸轮被联结到在枢轴和/或轨道上运行的机构。这些通常具有固定的施加张力曲线，尽管诸如Nautilus的一些系统已经使用奇特形状的凸轮以便实现非线性施加的张力曲线。通常，通过使用与期望的板相关联的销来针对配重片选择重量设置。

● 缆机：也称为基于重力和金属的缆机，这些是自由重量和固定轨道机器之间的交叉。它们包括附接到缆的配重片，通常通过可在高度或方向上可调整的滑轮系统。固定轨道机器历史上已经被一些人批评为过度隔离单个肌肉。另一方面，历史上自由重量已经被一些人批评为用于激活太多小的稳定肌，这意味着在大稳定肌已经得到良好锻炼之前，用户的锻炼可能受到这些小肌肉的限制。缆不在轨道上运行，并且因此仍然需要稳定肌的一些使用，但不需要和自由重量一样多，因为拉动的方向严格地沿着缆向下。如果用户的手和缆之间的迎角在整个运动的范围内变化，则有效施加的张力曲线会变化。

虽然重力是上述所有的方面中的张力和/或阻力的主要来源，但还已经使用弹簧和/或弯曲尼龙杆（如与弓形弯曲一样）、包括橡皮筋/阻力带的弹性物（如与治疗弹性带一样）、气动和液压实现张力。这些系统具有各种特性，具有它们自己的施加张力曲线。

电子阻力。公开了使用电来产生张力/阻力。在一个实施例中，电磁场被用于产生张力/阻力。在一些实施例中，电子电机被用于产生张力/阻力。在一个实施例中，三相无刷直流电机被用于产生张力/阻力。替代地，感应交流电机或其他电气系统被用于产生张力/阻力。

使用电力来产生张力/阻力的力量训练器可以比诸如配重片的传统力量训练系统更小和更轻。通过电子和/或数字控制，使用电力来产生张力/阻力的力量训练器也可以是通用的。电子控制使得能够使用软件来控制和引导张力。相比之下，传统系统需要物理/手动改变张力；在配重片的情况下，销必须由用户从一个金属板移动到另一个金属板。

通过使用动态阻力，使用电力来产生张力/阻力的这样的数字力量训练器也是通用的，使得张力/阻力几乎可以瞬间改变。当张力被耦合到用户相对于他们的运动的范围的位置时，数字力量训练器可以在位置方面中和在移动的阶段方面中应用任意施加的张力曲线：同心、偏心和/或等距。此外，这些曲线的形状可以被连续地和/或响应于事件而改变；可以根据包括位置和阶段的多个内部和外部变量连续地控制张力，并且可以预先确定和/或实时连续地调整所得到的施加的张力曲线。

图1A是图示了数字力量训练器的实施例的框图。数字力量训练器包括以下内容：

● 控制器电路（1004）：其可包括处理器、逆变器、脉宽调制器和/或变频驱动器（VFD）；

● 电机（1006）：例如三相无刷DC或感应AC电机，其由控制器电路驱动；

● 具有缆（1008）的线轴，其缠绕在线轴周围并耦合到线轴。在缆的另一端上，耦合致动器/手柄（1010），以便用户抓握和拉动。线轴被直接或通过轴/皮带/链条/齿轮机构耦合到电机（1006）。贯穿本说明书，线轴也可以被称为“轮毂”；

● 过滤器（1002）：用于基于从缆（1008）和/或致动器（1010）接收的信息来数字控制控制器电路（1004）；

● 可选地（图1A中未示出）电机和线轴之间的齿轮箱。齿轮箱将扭矩和/或摩擦力倍增，分配速度和/或将功率分流给多个线轴。在不改变数字力量训练的基础的情况下，可以使用电机和齿轮箱的多个组合来实现相同的最终结果。可以使用缆滑轮系统代替齿轮箱；

● 下列传感器中的一个或多个（图1A中未示出）：

○ 位置编码器；用于测量致动器（1010）的位置的传感器。位置编码器的示例包括霍尔效应轴编码器、电机/线轴/缆（1008）上的格雷码编码器、致动器/手柄（1010）中的加速度计、光学传感器、直接内置于电机（1006）中的位置测量传感器/方法，和/或光学编码器。还存在测量来自电机（1006）的反EMF（反电磁力）以便计算位置的其他选项；

○ 电机功率传感器；用于测量正由电机（1006）消耗的电压和/或电流的传感器；

○ 用户张力传感器；用于测量正在由用户向致动器（1010）施加多大的张力/力的扭矩/张力/应变传感器和/或仪表。在一个实施例中，张力传感器内置在缆（1008）中。替代地，应变仪内置于保持电机（1006）的电机底座中。当用户拉动致动器（1010）时，这转换成电机底座上的应变，该应变使用惠斯通电桥配置中的应变仪来测量。在另一个实施例中，缆（1008）被引导通过耦合到测压元件的滑轮。在另一个实施例中，耦合电机（1006）和缆线轴或齿轮箱（1008）的皮带被引导通过耦合到测压元件的滑轮。在另一个实施例中，由电机（1006）产生的电阻基于输入到电机的电压、电流或频率来表征。

在一个实施例中，三相无刷DC电机（1006）与以下各项一起使用：

● 与过滤器（1002）组合的控制器电路（1004），包括：

○ 运行软件指令的处理器；

○ 三个脉宽调制器（PWM），每个都具有两个通道，以20 kHz调制；

○ H桥配置中的六个晶体管，其耦合到三个PWM；

○ 可选地，两个或三个ADC（模数转换器）监视H桥上的电流；和/或

○ 可选地，两个或三个ADC监视反EMF电压；

● 三相无刷DC电机（1006），其可以包括同步型和/或异步型永磁电机，使得：

○ 电机（1006）可以是以“外流道配置（out-runner configuration）”，其贯穿本说明书使用，当轴被固定并且电机的主体旋转时，诸如电动自行车轮毂电机使用的那样；

○ 电机（1006）可以具有至少60 Nm的最大扭矩输出和至少300 RPM的最大速度；

○ 可选地，用编码器或其他方法以测量电机位置；

● 缆（1008），其缠绕在电机（1006）的主体周围，使得整个电机（1006）旋转，因此电机的主体在一种情况下被用作缆线轴。因此，电机（1006）被直接耦合到缆（1008）线轴。在一个实施例中，电机（1006）通过轴、齿轮箱、皮带和/或链条被耦合到缆线轴，允许电机（1006）的直径和线轴的直径是独立的，以及如果需要，则引入用于添加增加提高或降低比率级。替代地，电机（1006）被耦合到两个线轴，其间具有装置以在那两个线轴之间分流或共享功率。这样的装置可包括差动齿轮箱或滑轮构造；

● 致动器（1010），诸如把手、杆、带或其他附件，直接地、间接地或通过诸如钩环的连接器连接到缆（1008）。

在一些实施例中，控制器电路（1002、1004）被编程为在一定方向驱动电机，使得它将缆（1008）拉向电机（1006）。用户逆着电机（1006）的拉动的方向拉动耦合到缆（1008）的致动器（1010）。

该设置的一个目的是向用户提供类似于使用传统的基于缆的力量训练器的体验，其中缆被附接到通过重力作用的配重片。用户不是抵抗重力的拉动，而是他们抵抗电机（1006）的拉动。

注意，使用传统的基于缆的力量训练器，配重片可以在两个方向上移动：远离地面或朝向地面。当用户以足够的张力拉动时，配重片上升，并且当该用户减小张力时，重力胜过用户并且配重片返回地面。

相比之下，在数字力量训练器中，没有实际的配重片。配重片的概念是由系统建模的概念。物理实施例是耦合到缆（1008）的致动器（1010），该缆（1008）耦合到电机（1006）。“重量移动”代之以被转换成旋转的电机。由于线轴的周长是已知的并且其旋转有多快是已知的，因此可以计算缆的线性运动以提供配重片的线性运动的等效性。线轴的每次旋转等于一个周长的线性运动或半径r的2πr。同样，电机（1006）的扭矩可以通过将其乘以半径r而转换成线性力。

如果虚拟/感知的“配重片”正远离地面移动，则电机（1006）在一个方向上旋转。如果“配重片”正朝向地面移动，则电机（1006）在相反方向上旋转。注意，电机（1006）将缆（1008）拉向线轴上。如果缆（1008）正在退绕，那是因为用户已经超过电机（1006）。因此，注意电机（1006）正拉动的方向与电机（1006）实际正转动的方向之间的区别。

如果控制器电路（1002、1004）被设置为在卷绕缆的方向上以恒定的扭矩驱动电机（1006），该方向对应于与配重片被拉向地面的方向相同的方向，那么这转换为缆（1008）和致动器（1010）上的特定力/张力。将该力称为“目标张力”，该力可以被计算为扭矩乘以缆（1008）缠绕在其周围的线轴的半径的函数，考虑可能影响缆张力和扭矩之间的关系的任何附加级，诸如齿轮箱或皮带。如果用户以比目标张力大的力拉动致动器（1010），那么该用户克服电机（1006）并且缆（1008）退绕移向该用户移动，这是配重片上升的虚拟等效。然而，如果该用户施加比目标张力小的张力，那么电机（1006）克服用户并且缆（1008）卷绕到电机（1006）上并移向电机（1006），这是配重片返回的虚拟等效。

设置控制器电路以恒定扭矩驱动电机是过滤器（1002）的示例：贯穿本说明书，控制器电路（1004）通过其被配置成驱动电机（1006）的方程被统称为“过滤器”。基本过滤器包括作为过滤器的强制输入的位置，例如致动器（1010）和/或缆（1008）的位置。基本过滤器的一个示例是以恒定扭矩驱动电机（1006）的过滤器。类似于数字力量训练过滤器的是数码相机过滤器，诸如棕褐色过滤器（sepia filter）或偏振过滤器，其包括控制来自相机传感器的数字信息如何被处理以产生图像的方程。有时，数码相机过滤器模仿来自模拟世界的某事物，诸如胶片，其包括塑料胶片上的化学物质，该化学物质对曝光作出反应。类似地，通过数字控制，数字力量训练过滤器可以使得到的系统感觉像行星地球上通过重力作用的配重片、月球上通过重力作用的配重片、通过行星地球上通过重力作用的滑轮系统连接的配重片、弹簧、气动缸或全新的体验。

描述电机（1006）的行为的方程组是其过滤器（1002）。该过滤器（1002）最终影响系统给用户的感觉如何、它对用户如何运转以及如何控制它。可以以多种方式控制电机：电压、电流、扭矩、速度和其他参数。这是过滤器（1002）的重要部分，因为过滤器包括定义电机（1006）的预期行为相对于电机（1006）如何被控制之间的关系的方程。

具有被设置为以恒定扭矩驱动电机（1006）的控制器电路（1004）的上述系统是基本过滤器（1002）。贯穿本说明书，该过滤器被称为“恒定扭矩过滤器”。在这样的情况下，假设整体系统摩擦低，用户在致动器（1010）上受到固定张力。对于恒定扭矩过滤器，当系统要表现得像其中重量对应于质量m的理想力量训练器时，则m是上述指定的目标张力。理想力量训练器在它表现出没有摩擦、动量或惯性的意义上被认为是理想的。

恒定扭矩过滤器不表现出通过重力作用的配重片的所有的特性。这样的配重片必须遵守重力方程，具有动量，并且在下降时具有可实现的最高速度。贯穿本说明书，模仿这样的行为的过滤器被称为“配重片过滤器”。

配重片过滤器必须反映具有配重片的重量机的行为。这样的机器的物理特性由许多方程描述，包括：

或 力=质量乘以加速度；

其中：a=g（加速度是重力的速度），并且m是配重片的质量，用于将配重片拉向地面的力F。

配重片具有作用在其上的两个力：第一，重力，重力将其拉到地面；以及第二，来自缆（1008）的张力，张力将其拉起。如果重力大于张力，则配重片向地面移动，直到其降至最低点（bottom out）和/或到达地面位置。如果张力较大，则配重片向上移动远离地面。如果两个力相等，则配重片的速率/速度不改变。当速率为零时如果两个力相等，则配重片保持悬挂在固定位置处。

配重片也受到摩擦，这适用于重力大于张力、重力小于张力以及重力等于张力的所有三种情况中。净力决定了配重片受到的加速度，随着时间的推移，加速度也决定了它的速率，因为速率是加速度随时间的积分。如

，或数学上重新排列

，配重片上的加速度是它所受到的力除以质量。如上所述，配重片经历加在一起的两个力：

是重力，其中负的惯例是因为重力向下拉，并且

是张力，其中g被用作使用相对于行星的重量来校准的量规。也就是说，10磅重在月球上受到的力较小，因为月球的引力较低。由于所有应变仪都是使用悬挂在该行星上的重力的重量来校准的，因此地球上的重力的g被包含在此方程中。

继续分析解决方案，

，因此在

时，则

为了以简单的方式解释摩擦力，重力g乘以0和1之间的数字，其中1指示没有摩擦力，并且0指示摩擦力太大而重力被完全否定。

其中r是这个摩擦系数。

在一个实施例中，使用来自经验数据的r=0.7的值。这是简单的摩擦力模型用于说明。更复杂的模型可能考虑速度以及静摩擦和动摩擦的不同摩擦系数。具有本领域中的普通技术的任何人可以产生如在运动学/物理学教科书中找到的相关方程。

对于配重片过滤器，上述方程将加速度a定义为张力T的函数。为了完成配重片过滤器，该方程必须与电机（1006）被控制的方式有关。

在一个实施例中，每10毫秒对张力T采样，即每秒100次。在一些实施例中，使用与恒定扭矩过滤器相同的方法来控制电机（1006）上的扭矩。上面的方程定义了配重片以及因此用户受到的加速度。以每秒100次的速率测量张力T并计算加速度a，以调整电机（1006）上的扭矩，使得电机（1006）以与该加速度一致的方式运转。以每秒100次的速率直接或间接地通过测量的缆或线轴位置来测量电机位置。然后将速率计算为位置中的变化除以10 ms的时间中的变化。然后将加速度计算为速率中的变化除以10 ms的时间中的变化。

当测量的加速度与由方程控制的计算的加速度进行比较时，如果测量的加速度太高，则增加电机扭矩。如果我们测量的加速度太低，则降低电机扭矩。在一个实施例中，使用PID回路执行两种情况。

在一些实施例中，代替测量缆张力以计算速率，直接计算扭矩。为了直接控制电机（1006）的扭矩，进行一系列的计算以对移动的配重片的缆（1008）上的张力建模。在该情况下，扭矩/张力被计算为其由控制器控制。移动的配重片的缆（1008）上的张力不是静态的，并且随着配重片的速度/速率和动能而变化，这可以通过势能中的变化来计算。

针对移动质量的动能方程是：

并且配重片的势能是：

其中m是质量，g是重力加速度，h是离地面的高度。

由于两个时间点之间的能量消耗/功是力乘以距离：

结合这些方程，由移动的配重片表现出的力是：

其中

是时间段的开始时的速率，

是时间段的结束时的速率，d是质量在该时间段期间行进的距离。贯穿本说明书，该方程称为“动力方程”。

换句话说：

● 如果质量的速率没有变化，那么由用户所受到的张力是质量乘以重力的标准张力，或者没有变化；

● 如果质量的速率增加，那么在该时间段期间由用户所受到的张力高于只是质量乘以重力，并且增加了动力方程的量；以及

● 如果质量的速率减小，那么在该时间段期间由用户受到的张力低于只是质量乘以重力，并且减小了动力方程的量。例如，想象球以每秒1米向上投掷到空中。如果力继续以m∙g在球处向上推动，则球以相同的速率继续。如果力较小，则球减速。并且，如果力更大，则球加速。所述方程反映出，不是监视球的速率，而是确定球给推动球的人感觉有多“重”。

如在上述方程中计算的力F是使用与恒定扭矩过滤器的方法相同的方法施加到电机的扭矩。

替代地，用于实现这一点的简单方程是标准关系

：如果已知在一段时间期间配重片受到的加速度，则可以使用该方程计算用户受到的净力/阻力。最终结果是相同的，这也可以通过使用采用当d变为零时的极限的动力方程导出。在特定实施例中使用哪个方程取决于是否可以以足够的准确度测量/计算加速度。

在一个实施例中，调整回路是：

1. 当耦合到具有缠绕在其周围的缆（1008）的轮毂时，电机（1006）上的扭矩被设置为等于m∙g的力。时间上在该时刻，缆（1008）已经正在以一定速率移动；

2. 在稍后的指定时间段，例如5 ms，测量速率并发现其已经在正方向上改变，这意味着经历了加速。可以通过将速率中的差除以已经经过的时间段来计算该加速度。将此加速度乘以重力常数，产生电机为用户提供的附加的力的量。相应地调整电机上的扭矩。

如果发现速率已经减小，那么响应于负加速度，扭矩也减小。

如果速率中没有变化，即加速度为零，那么扭矩保持在m∙g∙r处，其中r是轮毂的半径，相当于

的力；以及

3. 重复该过程。

该过程表示当配重片正在由用户拉离地面时的情况。如果配重片落到地面，过程是类似的；并且由于重力而预期加速。如果电机加速比重力慢，那是因为用户正在抵抗，并且相应地调整由电机/扭矩施加的力，使得F=m

g+m

a，其中a是来自用户的附加加速度。

这些方程使得能够实现对配重片进行建模的目标。配重片过滤器的益处在于，它给用户感觉像传统的重量机一样，并且还允许用户利用动能或已经以速率的形式存储的能量来完成锻炼。然而，通过不允许用户存储动能并且稍后将其收回（一些锻炼专业人士认为这是作弊的形式），对用户的一些益处发生。贯穿本说明书，术语“扭矩”和“张力”可互换使用，因为可以从另一个计算另一个——扭矩是张力乘以轮毂的半径。

在恒定扭矩系统中，电机（1006）提供不通过加速度调整的固定扭矩，并且被设置为m∙g∙r的扭矩，该扭矩不根据速率和/或加速度中的变化向上或向下调整。贯穿本说明书，这被称为“无作弊模型”或“无动量模型”。一些健身专家建议不应该允许用户产生动量，因为这减少了运动的范围的平衡中所需的工作的量。使用无作弊模型是在感觉“自然”和迫使用户不作弊之间的权衡。

另外，配重片过滤器的重力“自然”模型的另一个益处是，有时用户会受到超过m g的张力。有些人可能不会考虑该作弊，因为它给用户带来附加的应变。因此，可以利用所公开的技术设计“真正的无作弊模型”，该技术执行针对重力模型的所有的计算，并且允许在配重片的加速期间附加张力的情况，但是不能在配重片的减速期间减小张力的情况：

其中

或者选择0或者由配重片所受到的加速度的正值a，该加速度是如通过附接到轮毂的缆/致动器（1008、1010）的速率中的变化来测量的。

过滤器。如前所述，使用数码相机的类比来部分解释它们，过滤器控制指定的行为。为了实现这一点，通常要求该指定的行为以不同形式的变量表示，并且因此在这些形式之间进行转换变成了过滤器的责任。

图1B是图示了电机的实施例的框图，以使该电机表现得像健身器的方式来控制该电机。在一个实施例中，图1B的系统是图1A的系统的子集。图1B的实施例示出了四级流水线，其具有从后两级到前两级的反馈。前两个级，包括物理抽象过滤器和电机抽象过滤器，统称为“过滤器”，其中这样的示例是恒定扭矩过滤器和配重片过滤器。然而，当涉及实现该过滤器时，最多可以概念化两个过滤级：虽然实施例不需要限于两级，但概念上将它们分成两级是说明性的，因为两个不同的任务由过滤器（1002）完成。过滤器的这两“级”可以被称为物理抽象过滤器（152）和电机抽象过滤器（154）。如许多过滤器至少部分地基于数学方程，所述两级可以被组合成单个方程。

分为两个级是概念性的，因为不同的电机配置受到不同的控制。系统可以被称为三级的组合：i）电机抽象过滤器（154），ii）控制器，以及iii）电机。该系统具有受控变量（VUC），它是由系统最直接控制的变量。考虑以下示例：

在上述配置中的每种配置中，取决于VUC和控制器和电机的类型，需要不同类型的传感器。

在上述所有的扭矩VUC模式中，使用扭矩的代理：BLDC电机的电流汲取和感应电机的滑差。该代理与以所需单位（诸如英尺-磅）的扭矩之间的转换是要完成的另一个步骤。通过表征系统来执行这样的校准。该转换的准确度可能基于包括电机温度和老化的许多变量而变化。一种选项可以是使用传感器或者被用于计算扭矩的一些其他变量来测量真实扭矩，然后使用PID回路来校正该不准确度。

以上示出的是，VUC可以是速度、位置或扭矩。如果期望给定的物理模型，那么可以编写另外的方程以在期望的物理行为和VUC之间进行转换。

如前所述，这些级可以被组合为单个级，例如：

在意在用于力量训练的健身装备的领域中，针对直接控制扭矩的最佳选项是合适的，结果是使用具有BLDC或感应电机的扭矩VUC作为合适的选择。基于电流的调制或PWM之间的选择取决于许多因素，包括部件的价格和可用性。在一个实施例中，PWM控制是更普遍的，并且因此成本更低。

如果系统包括弹簧机构，则可以间接控制力。在一个实施例中，线性弹簧被耦合到缆（1008）。替代地，旋转弹簧被耦合到电机（1006）的旋转。利用弹簧机构，控制力变成控制电机位置的问题。因此，VUC可以是由电机位置控制的弹簧的压缩的量。

位置控制。用于控制电机位置的传统方式是使用标准步进电机。同样，三相无刷DC电机、有刷DC电机和/或感应电机可以使用诸如PID回路的方法精确地进行位置控制。

对于合适的步进电机，可以直接控制位置。步进电机由脉冲而不是电压/电流控制。脉冲通过改变电机的定子中的电磁场来命令电机一次移动一步。用于步进电机的控制系统更简单的以直接控制位置而不是速率。虽然可以通过控制被驱动到电机中的脉冲的频率来通过速率控制步进电机，但是在实施例中可以优选位置。

上面的方程描述了基于速率的控制，其可以被分析地形成用于基于位置的控制，如类似于可以如何通过将加速度随时间求和来累积速率，可以通过将速率随时间求和来累积位置。

因此，

它告诉控制器需要将多少脉冲发送到电机以调整其位置。

在基于位置的系统中，通过向系统中添加弹性（诸如弹簧）来更容易地控制张力，这是可能的。一个示例是添加到轴的旋转弹簧，其被称为串联弹性致动器。串联弹性致动器可以是集成到电机/齿轮箱（1006）和轮毂之间的轴中的弹簧，其中轮毂是缆（1008）缠绕在其周围的部分。如果轮毂保持在固定位置中，但轴旋转，从而增加弹簧上的张力，则附加的张力转换成缆上的张力，或者如果电机轴保持固定并且轮毂旋转，则发生类似的情况。

因此，如果测量电机（1006）的位置和轮毂的位置，那么可以使用弹簧机构的特性容易地推断出张力。同样地，例如，如果使用应变仪直接测量张力，那么可以容易地计算轮毂与轴的相对位置。步进电机可以通过控制电机（1006）如与轮毂相比的相对位置来直接控制系统中的张力。在一个实施例中，控制器（1004）计算轮毂和轴之间的期望的相对位置，以便产生期望的张力，将其与轮毂和轴之间的当前相对位置进行比较，然后向步进电机（1006）发送适当数量的脉冲，以调整其位置以匹配。

图2是串联弹性致动器的实施例的图示，在其两侧上具有用以控制张力的轴编码器。虽然所有系统都在它们中具有弹性，但是在系统中增加附加的弹性可以使其控制更简单，因为可以选择弹性的水平以匹配步进电机的特性，例如步长大小。如图2中所示，还在电机（1006）和轴之间增加齿轮箱可以允许将电机的步长大小来除以或乘以更期望的数量。

例如，如果选择串联弹性致动器以弯曲高达90度，并且当耦合到轮毂和缠绕在该轮毂周围的缆时，在那些90度上产生从0磅到200磅的张力，以按0.5磅的增量来控制张力，在该90度范围内，需要400步骤的最小值为因为400步=200磅/0.5磅/步。

这相当于轮毂的每转1600步，因为1600步/旋转=400 *（360/90）。如果步进电机每转只具有32步，那么具有50倍传动比的齿轮箱产生期望的分辨率的水平，因为1600=32 x50。使用50倍齿轮箱将由电机所需的输出扭矩的量减少50倍的因子。还要注意，在该示例中，当在缆（1008）上拉动200磅的力时，电机（1006）需要被设计成抵抗施加到其的扭矩，这可以使用轮毂的半径和齿轮箱的传动比来计算。等效的是速率中的降低，使得电机可以以50倍来驱动轮毂。电机的选择也影响成品系统的噪声。一些电机比其他电机声音大，并且齿轮箱也产生噪声。

以上描述是针对具有某些特性的样本实施例，并且展示了某些计算和设计参数/技术/原理。具有电机驱动系统设计的领域中的普通技术的任何人可以使用标准方程执行这些计算，并做出基于权衡的决策以达到最终设计，包括选择使用控制系统来控制哪些变量。

图3是用于控制张力的线性弹簧的实施例的图示。图2描述了如何使用使用旋转弹簧；线性弹簧可以替代地被用在系统中，图3中给出了示例。如图3中所示，当电机（1006）旋转线轴时，它导致缆（1008）卷绕。如果用户正在抵抗，则耦合到线性弹簧的滑轮朝向刚性构件移动，从而导致弹簧压缩。因为缆上的力与弹簧的压缩直接相关，所以简单地测量弹簧压缩，并调整电机位置以产生期望的弹簧压缩的量，诸如在PID回路中，可以足以控制缆张力。这类似于串联弹性致动器，其中线性弹簧应用于缆（1008）而不是线轴。

位置测量。可以使用多种方法测量电机位置，包括：

● 霍尔传感器：安装到电机的定子的霍尔传感器可以跟踪磁体相对于定子的位置。可以测量来自这些传感器的信号以确定电机的位置，例如通过使用模数转换器（ADC）来跟踪当磁体经过霍尔传感器时产生的正弦波形并且表征电机相对于波形中的点的位置，或者当磁体移动经过霍尔传感器时对磁体进行数字计数；

● 编码器：耦合到电机物理旋转的编码器测量电机移动并使用数字脉冲来报告它。这样的编码器的示例是正交编码器。一些正交编码器依赖于电子连接，诸如电刷，其他编码器使用光学传感器，以及其他编码器依赖于磁体和霍尔传感器；

● 间接：电机（1006）的移动可以通过测量电机被耦合到的任何事物（诸如皮带、链条、轴、齿轮箱等）的移动来间接测量；

● 电压：在某些情况下，由电机产生的反EMF电压可以指示电机位置；

● 其他：其他方法退出以测量电机的位置和移动。使用的方法不影响所公开的基本原理。然而，不同的方法可以表现出不同的特性，诸如：i）准确性[分辨率]，ii）延迟，iii）采样率。所需的特性的集合取决于被使用的过滤器。

电机选择。选择感应电机还是BLDC的选择以及所选电机的参数取决于成本、大小、重量、热约束，例如电机变得多热以及其如何冷却，以及期望的可靠性和/或占空比。虽然存在以每秒数千转运行的许多电机，但是诸如设计用于力量训练的健身装备的应用具有不同的要求并且相比之下是低速、高扭矩类型的应用。

在一个实施例中，这样的电机（1006）的要求是直接耦合到电机（1006）的缠绕在具有给定直径的线轴周围的缆（1008）表现得像200磅的配重片，其中用户拉动缆的最大线速度为每秒62英寸。可以基于线轴的直径计算多个电机参数。

因此，耦合到具有3英寸直径的线轴的具有67.79 Nm的力和395 RPM的最高速度的电机满足这些要求。395 RPM比大多数可用的电机慢，并且68 Nm也比市场上的大多数电机扭矩大。

轮毂电机是三相永磁BLDC直接驱动电机，采用“外流道”配置：贯穿本说明书，外流道意味着永磁体被放置在定子外部而不是内部，这与许多电机相反，因为所述电机被设计用于更大速度而不是扭矩，所以它们具有放置在定子的内部上的永磁转子。外流道具有在外部的磁体，从而允许更大的磁体和磁极数，并被设计用于扭矩超过速度。

轮毂电机也倾向于“薄饼式”，这意味着它们在直径上更大，并且在深度上比大多数电机低。薄饼式电机对于其中期望保持低深度的壁挂式、底层地板安装和/或地板安装应用是有利的，诸如将安装在消费者的家中或运动设施/区域中的一件健身装备。

电机也可以是“直接驱动”，这意味着电机不包含或需要齿轮箱级。许多电机本质上是高速低扭矩的，但是包含内部齿轮箱以将电机降档到具有较高扭矩的较低速度，并且可以称为齿轮电机。可以明确地这样称呼直接驱动电机，以指示它们不是齿轮电机。

如果电机不完全满足上表中所示的要求，则可以通过使用齿轮或皮带进行调整来调整速度和扭矩之间的比率。耦合到9＂链轮的电机使速度加倍，并使电机的扭矩减半，所述链轮通过皮带耦合到线轴，所述线轴耦合到4.5＂链轮。替代地，可以使用2：1的传动比来完成相同的事情。同样，可以调整线轴的直径以完成相同的事情。

替代地，具有100倍速度和1/100扭矩的电机也可以与100：1齿轮箱一起使用。因此，齿轮箱也将摩擦力和/或电机惯性乘以100倍，扭矩控制方案对于用于健身装备/力量训练应用的设计变得具有挑战性。然后，摩擦力可以支配用户体验的什么。在其他应用中，摩擦可能存在，但是足够低使其得到补偿，但是当它变得占主导地位时，难以控制它。由于这些原因，速度或位置VUC更适合于健身装备/力量训练系统。对于位置VUC，诸如步进电机的电机可能是好的选项。可以非常准确地控制具有高保持扭矩的步进电机。

恒扭矩过滤器。可以控制电机（1006）以提供固定量的扭矩，并响应于位置和速度中的变化以保持该扭矩。用于实现这一点的方法可能取决于电机的类型。

感应电机的扭矩几乎是线性的并且与“滑动”的量成比例。贯穿本说明书，滑差被定义为AC电机的实际速度与被驱动到AC电机中的频率之间的比率。滑差越大，扭矩越大。滑差和扭矩之间的关系可以通过表征电机来确定，由此运行测试并且手动绘制滑差和扭矩之间的关系。一旦已经确定了关系，在某些情况下，它可以由线性方程来近似。

通过将三个正弦波驱动到电机的三个引线中的每个中来控制感应电机，诸如三相交流（AC）感应电机。输入的三个正弦波在频率和幅度上匹配，并由120度的相位差分离。具有无负载/零扭矩的电机以与输入相同的频率旋转。当增加负载并且电机必须表现出扭矩来驱动负载时，电机减速。电机和/或转子的速度与输入之间的差异是其滑差，并且与电机的扭矩成正比。可以使用多种方案来确定幅度和频率的正确组合以实现某个量的滑差。常见的方案被称为“每赫兹伏特”。

精确控制电机需要应用受控变量，使用传感器对该变量的测量结果，以及反馈回路，诸如PID回路，以执行校正。有时，多个PID回路可以与回路内的回路串联、并联或递归地一起使用，其中由外部回路控制的“装置”在其自身内包括PID回路。贯穿本说明书，装置是受PID回路控制的系统的部分。

BLDC的扭矩可以几乎是线性的并且与由电机汲取的电流量成比例。通过测量所汲取的电流并调整电压，可以准确地控制扭矩。确定电流和扭矩之间的关系可以通过表征电机来执行，由此运行测试并绘制电流和扭矩之间的关系。一旦已经确定了关系，在某些情况下，它可以由线性方程近似。

在恒定扭矩的情况下，应变仪不是严格必需的，尽管可能存在导致使用一个应变仪的其他设计决策。在感应电机中，为了确定张力，测量可以通过测量电机的位置来计算的电机的速度是足够的。在BLDC电机中，为了确定张力，测量电机的汲取电流是足够的。

跨电机的变化、温度和系统的年限，将滑差或电流转换成具有高准确度的扭矩的量可能是具有挑战性的。如果期望更高的准确度，则可以凭经验测量扭矩并且可以应用校正因子。该校正因子可以通过PID回路应用，意味着确保测量的扭矩等于期望的目标扭矩，用PID回路调整校正因子直到两者匹配。这样的PID回路可能非常慢，耗费大约几秒或几分钟来收敛。

因为电机或系统中的摩擦可能影响滑差或电流与实际输出扭矩之间的关系，所以可以计算两个校正因子，每个方向一个类似于滞后曲线的方向。这是因为在一个方向上，由用户所受到的扭矩是电机加上摩擦的扭矩，而在另一个方向上，其是电机减去摩擦的扭矩。替代地，可以使用许多摩擦模型，诸如下面描述的那些。

关于电机和控制的背景参考包括Freescale Semiconductor（飞思卡尔半导体）的“AC Induction Motor Volts per Hertz Control, Driven by eTPU on MCF523x（交流感 应电机每赫兹控制电压，由MCF523x上的eTPU驱动）”、维基百科关于“Induction Motor（感 应电机）”、“Brushless DC Electric Motor（无刷DC电机）”和“PID Controller（PID控制 器）”、“PID for Dummies（傻瓜式PID）”的文章（http://www.csimn.com/CSI_pages/PIDforDummies.html）、Wescott Design Services的Tim Wescott的“PID Without a PhD （无PhD的PID）”、Texas Instruments（德州仪器）的“Sensorless Field Oriented Control of 3-Phase Permanent Magnet Synchronous Motors（3相永磁同步电动机无传感器磁场 定向控制）”、Texas Instruments的“InstaSPIN-FOC and InstaSPIN-MOTION User's Guide（InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION用户指南）”以及Texas Instruments的“TMS320x2806x Piccolo Technical Reference Manual（TMS320x2806x Piccolo技术参考 手册）”。

传感器-张力和扭矩。为了测量缆（1008）和/或致动器（1010）上的张力，必须测量缆（1008）和/或致动器（1010）上的“力”。对于其中缆（1008）缠绕在线轴周围的基于电机的系统，可以通过将力乘以线轴的半径来将力转换为扭矩。

可以使用诸如BLDC电机的电流汲取或感应电机的滑差的技术来估计电机上的扭矩。直接测量张力是实现相同测量的不同方法。执行两者都有优势，包括补偿温度和老化时的漂移以及系统中的摩擦。

在一个实施例中，通过使用惠斯通电桥或类似构造的缆（1008）中的线内应变仪来测量张力。在这样的情况下，可能在运算放大器级之后的ADC测量惠斯通电桥的输出端处的电压。在使用之前，必须校准张力测量系统。可以在缆（1008）上悬挂各种重量来抵抗重力，并且测量的电压相对于重量绘制。以该方式，可以通过反转所绘制的函数将电压转换成重量。在某些情况下，该关系可以通过线性函数来近似。

图4是使用应变仪的张力测量的实施例的图示。如图4中所示，缆（1008）被缠绕在线轴周围，线轴可以直接或间接地耦合到电机（1006）。为了测量缆（1008）上的张力，它通过滑轮。随着缆张力增加，测压元件上的向下力线性增加。可以使用三角法来计算测压元件上的力与缆上的张力之间的比率。虽然校准也考虑到了这一点，但确保不超过为针对所选测压元件规定的测压元件最大极限是有用的。如果缆接近和离开滑轮的角度是对称的，则水平分量被抵消。

图5是使用杆式测压元件的张力测量的实施例的图示。如图5中所示，使用应变仪构建的杆式测压元件被用于感测向下的力。图6是使用重量传感器的张力测量的实施例的图示，该重量传感器使用应变仪来感测向下的力。图6将滑轮放置在耦合到枢轴的底座上，使得力集中在重量传感器上。

在图5和图6的两种情况下，测压元件或重量传感器可以通过改变电路的电阻来响应向下的力。耦合到惠斯通电桥，电阻中的这些变化被检测并转换为电压，并且可以由系统控制器（1004）依次使用放大器和ADC来读取。

图7是使用皮带耦合的张力测量的实施例的图示。除了图5和图6中所示之外，用于测量张力的第二种方式是也使用应变仪或测压元件来测量耦合电机和线轴的皮带上的张力，如图7中所示。随着缆（1008）上的张力增加，附加的张力被加于将电机（1006）耦合到线轴的皮带上。当该皮带经过如图7中所示的滑轮时，该附加的皮带张力以与图5和6中所示的方式类似的方式转换成滑轮上的向下的力。

用于测量张力的第三种方式是也使用惠斯通电桥来将应变仪应用于固定电机的底座。如在其他示例中那样，校准张力测量系统。可以在缆上悬挂各种重量来克服重力，这可以使力被施加到电机支架并因此被施加到应变仪，并且相对于重量来绘制测量的电压。以该方式，可以通过参考绘图来将电压转换成重量。在许多情况下，该关系可以通过线性函数来近似。

传感器-速度和位置。可以使用多个传感器确定测量速率。在一个实施例中，传感器是轴编码器。轴编码器测量电机的轴的旋转位置。当电机旋转时，轴编码器产生输出，例如每四分之一转产生一个脉冲。对这些脉冲的边缘计数，产生位置。脉冲可以被概念化为上升然后下降的电压电平，每个脉冲有两个边沿并且有两个计数机会。

例如，考虑具有轴编码器的电机（1006），其每转产生8个计数。电机（1006）以70倍的减速比被附接到齿轮箱。齿轮箱的输出轴被连接到具有0.15米（~6英寸）直径的轮毂。

然后可以确定轮毂的周长约为0.471米。因此，当缆移动0.471米时，轮毂完成一整圈。对于轮毂的每次旋转，有560个计数，从每转8个计数乘以70倍减速比，离开轴编码器。因此，每个计数对应于0.000841米（或0.841毫米）的移动。

传感器类型、脉冲的数量等的选择由系统的期望的灵敏度驱动。一些轴编码器给出模拟正弦输出而不是数字脉冲，使得可以使用ADC读取输出。在这样的情况下，ADC的灵敏度和/或位数也是重要的。其他传感器可包括光学传感器或加速度计，用于监视轮毂/轴/齿轮箱的旋转和/或缆的移动。合适的传感器选择可以取决于期望的特性和成本。

上述控制系统被设计成对配重片建模并控制电机，其中受控变量是速率。在各种实施例中，控制不同的变量，诸如如测量的位置、加速度或甚至张力。确定要控制哪个变量可以取决于可用的传感器、传感器成本、传感器最大频率、传感器性能、传感器延时/延迟、传感器精度和系统特性，包括电机、齿轮箱（如果有的话）的特性以及缆的弹性。

由于每种类型的电机的特性，在任何电机上控制任何变量，可以优选的是：直接控制AC电机上的扭矩、直接控制DC电机上的速度；并直接控制步进电机上的位置。此外，通过控制电流而不是电压，对DC电机进行扭矩控制可以是可能的。同样，根据所使用的电机的类型，直接推断一些变量而不是测量它们可能更简单。

例如，上述系统使用应变仪或类似物来测量张力。然而，如果输出速度是已知的，则可以计算AC三相感应电机的输出扭矩。在这样的情况下，可能没有必要使用应变仪来测量张力。代之以，可以使用多种技术（诸如轴编码器）来测量电机的速度，并且可以推断/计算扭矩/张力。不同的速度传感器在成本、最大速度、分辨率等方面具有不同的特性。

在一些实施例中，组合多个传感器以实现跨多种速度的测量，同时保持低成本，贯穿本说明书被称为“传感器融合”。在BLDC电机的情况下，可以通过使用霍尔传感器和/或测量电机的引线处的反EMF电压来计算电机位置。这些技术产生了超过足够准确以控制电机的读数。然而，随着电机的速度的降低，读数的准确度降低。测量电机的物理位置的传感器在成本方面直接增加，因为它们所需的最高速度增加。此外，在高速下，这样的传感器累积误差，这是更可能的。

在一个实施例中，霍尔传感器被用于确定高速下的电机位置，并且物理位置传感器被用于测量低速下的电机位置。融合这两个读数可以用如下算法完成：

1. 初始位置，称为“POS”，其被设置为0，并且电机是静止的。传感器融合处于“低速模式”下，并且慢速传感器（诸如物理位置传感器）被用于测量电机位置；

2. 当电机开始移动时，在低速模式下从慢速传感器收集位置信息。在回路中，从一次迭代到下一次迭代，计算位置中的变化并将其添加到POS；

3. 如果位置中的变化的绝对值经常超过预定阈值（诸如最大速度阈值），则使用诸如霍尔传感器的快速传感器切换到“高速模式”以确定电机位置；

4. 在高速模式下，位置中的变化从一个读数到下一个读数计算并添加到POS；

5. 如果位置中的变化的绝对值经常降至预定阈值（诸如最小速度阈值）以下，则切换回到低速模式。最小速度阈值可以类似于最大速度阈值，或者如果使用滞后来防止翻转则不同。

因此，在回路的每次迭代中，从低速传感器和高速传感器两者不断地计算位置中的变化。在一个实施例中，在任何一个时间，两个读数中的仅一个被信任用于传感器融合。替代地，两个读数可以被线性或非线性组合。这是正在被添加到POS的读数。还要注意，根据电机的旋转的方向，位置变化可能是负的也可能是正的。

为了正确/精确地控制电机，电机控制算法可能需要知道绝对电机位置。这是转子相对于定子的位置；磁体相对于线圈的位置。该绝对位置有时被称为电机角度或磁角，并且被使用使得电机控制算法可以决定驱动哪个电角度以便产生期望的结果。

快速传感器可以使用霍尔传感器和/或在电机引线处的电压，其与磁体相对于线圈的位置直接有关；快速传感器具有有关电机的绝对位置的信息。慢速传感器虽然分辨率较高，但仅提供关于电机位置的相关信息。通过组合来自两个传感器的信息，可以确定电机的绝对位置，而不管正在监视哪个传感器。例如，在从快速传感器得到信息之后，电机绝对位置是已知的。在切换到慢速传感器之后，相对电机移动被累积，并电机的绝对位置被保持，因为其在当系统从使用快速传感器切换到慢速传感器时的时候是已知的。在下面的示例中详述了关于该过程的附加详情。

在一个实施例中，霍尔传感器与编码器结合使用。编码器提供高分辨率位置信息，并且霍尔传感器提供低分辨率位置信息。双态霍尔传感器提供两个输出：如果存在磁体，则为数字1；并且如果不存在磁体，则为0。如果在三相无刷电机中，三个霍尔传感器被安装在三个相邻线圈旁边，那么来自那些霍尔传感器的输出的组合决定了电机的绝对位置。这产生将电机位置隔离到如下六个电机角度的区域之一的输出的组合：0-60度、60-120度、120-180度、180-240度、240-300度和300-360度的电角度位置。

由于双态霍尔传感器可能贯穿整个区域（诸如0-60度）报告相同的值，因此霍尔传感器不能被用于检测电机的小移动。然而，每当霍尔传感器改变状态时，例如从0翻转到1或从1翻转到0，然后就确切地知道电机在哪个边界处：0、60、120、180、240或300。

如果该信息与诸如编码器的高分辨率传感器组合，则可以使用诸如如下算法将两者组合以导出具有高分辨率的绝对位置：

1. 电机的绝对位置POS，其最初被设置为0，并且当编码器跟踪移动时，相应地更新POS/累积移动；

2. 在电机移动不超过60度之后，霍尔传感器中的一个切换。结果，电机角度变得被称为0、60、120、180、240或300。此时，当前位置POS和确定的电机角度被记录为两个变量：POS_ANGLE和ANGLE；以及

3. 在此之后，通过将POS与POS_ANGLE和ANGLE进行比较，可以始终根据POS计算真正的电机角度。

在上面的示例中，编码器分辨率和角度分辨率之间的关系是重要的。例如，编码器可以每360度电旋转产生某个数量的计数。该比率在关联编码器移动和电机角度移动时是重要的。

。

在上面的示例中：

。

许多编码器具有最高速度，在最高速度之后它们变得不可靠，但是一旦速度超过某个阈值，像这样的融合系统可能依赖于霍尔传感器。在这样的情况下，一旦电机正在以高速运行：

1）可以被表示为角速度的速度可以通过霍尔传感器以其来切换的速率来确定；霍尔传感器以其来切换的周期的倒数与速度成正比；以及

2）可以使用最近确定的位置（0、60、120、180、240或300）来计算角度，将其添加到时间增量，因为确定该位置乘以电机的角速度。

如上所述，这些技术融合多个传感器，每个传感器提供它们自身可能不提供整个系统的描述的信息，但是使用这些融合技术，可以组合来自多个传感器的信息以得到关于电机位置的强信息集。

摩擦力、动量和惯性补偿。如上所述，过滤器（1002）控制电机（1006）以在缆/致动器（1008/1010）上产生某个量的张力，该张力随时间变化以实现包括对用户的给定感觉的某个目标。

在一个实施例中，控制电机（1006）以始终产生固定量的张力。无论电机（1006）或耦合到电机的缆（1008）的速度或加速度如何，都可以保持该固定量的张力。在没有限制的情况下，电机（1006）可以基于一些其他目标/过滤器随时间改变张力，但是该简单的情况是说明性的。缆（1008）被缠绕在耦合到电机（1006）的线轴上。电机转子和线轴具有质量。当缆（1008）穿过图1A中的系统的其余部分时，缆（1008）可以穿过多个滑轮。电机转子和线轴的质量导致电机表现出动量和惯性。实际上，相对于缆（1008）受到的张力，尽管在锻炼的同心阶段中未退绕，但在加速期间高于预期，并且由于在滑轮上运行的摩擦而在减速期间低于预期。因此，用户受到在退绕同心阶段期间高于预期并且在卷绕偏心阶段期间低于预期的张力。

使用适当的过滤器，可以补偿这些非预期的影响。对于摩擦力补偿，这样的过滤器调整由电机产生的张力，使得在缆已经穿过所有滑轮和其他摩擦力源之后由用户所受到的张力如预期的那样。在简单模型中，摩擦力补偿比率是在卷绕期间被添加的张力的百分比，其被称为“正速率”，和在退绕期间减去的张力的百分比，其被称为“负速率”。

例如，如果摩擦力补偿比率被设置为如经验测量的15％而摩擦力补偿未应用于系统，那么由电机产生的张力在卷绕期间增加15％，并且在退绕期间减少15％以便弥补该摩擦力。例如，对于100磅的目标，过滤器将分别针对卷绕和退绕设置115磅和85磅的电机张力。当系统在卷绕和退绕之间过渡时，摩擦力补偿过滤器避免了不连续性，并且在电机张力在85磅和115磅之间跳跃的地方平滑。过滤器基于速度的饱和线性函数增加张力。例如，该函数是从每秒-2英寸到每秒2英寸的缆速度从85磅到115磅的线性过渡，其中线性函数对于超过每秒2英寸的速率饱和到115磅，并且对于低于每秒-2英寸的速率饱和到85磅。上面的示例中的以每秒+/- 2英寸的阈值可以基于张力的量来调整，以便实现可能的最快过渡，而不会经常超过最大允许斜率。对于较大的张力，阈值增加，并且对于较低的张力，阈值降低。

在替代实施例中，使用诸如饱和正弦或逻辑函数的高级函数。高级过滤器的另一个示例是实现从物理方程导出的数学函数的过滤器，该方程对补偿的系统中的摩擦进行建模。

类似地，可以设计过滤器以补偿动量/惯性。由于根据物理方程定义动量，因此这样的过滤器是加速度的函数而不是速度的函数。当存在由质量引起的动量时，则在加速期间，由用户所受到的张力高于预期，并且因此电机张力减小。在减速期间，由用户所受到的张力小于预期，并且因此电机张力增加。补偿过滤器是加速度的线性函数。该过滤器的斜率可以基于系统的已知质量来计算，或者通过在动量补偿关闭的情况下表征实际系统的行为来凭经验确定。

在替代实施例中，先进的过滤器可以对系统的动能建模，并且每当系统的动能增加时减小电机张力，并且每当动能减小时增加电机张力。这确保了用户不表现出有助于系统的动能或从系统的动能受益的功的任何功。代之以，电机（1006）补偿这样的影响。例如，系统的角动量可以基于与线轴组合的电机转子的质量和形状来建模。更复杂的模型还包括线性动量，以及齿轮箱、滑轮和系统的其他元件的动量。另一个过滤器可以连续计算系统的动能，并将其与电机已经通过张力的增加或去除而吸收的动能补偿的量进行比较，然后计算应该施加多少附加的张力补偿。

训练器智能。当用户正在进行锻炼时，他们的身体正在被锻炼的部分通过进行该锻炼所需的运动的范围移动。例如，二头肌锻炼可能从肘部完全被伸展（其中二头肌完全被拉长）移动到肘部完全弯曲（其中二头肌完全被收缩）。这为“训练器智能”提供了的机会，如下所述。

在一些实施例中，对于使用图1A的系统进行锻炼的用户，在该运动期间，如果正在使用电机，缆（1008）可以通过对应于系统的缆（1008）、线轴和电机（1006）的运动的范围的运动的范围移动。在一些实施例中，缆（1008）位置中的变化可以对应于各种传感器的读数中的变化以及各种致动器的物理位置中的变化，诸如线性电磁机械、气动等。该运动的范围被称为“运动的百分比范围”，其范围从0％到100％，其中惯例是0％表示当肘部被完全伸展时的运动的范围的开始，而100％表示当如果肘部完全弯曲时的运动的范围的结束。考虑实际和理想的运动的范围两者。实际运动的范围是当前用户制定的，而理想的运动的范围是用户应该为理想或预期的锻炼制定的运动的范围。

力量训练锻炼被分为几个集合。每个集合包括一个或多个重复。用户通常执行给定锻炼的一个或多个集合。为了确定运动的百分比的范围，图1A中的系统可以首先校准自身，并且然后也可以进行动态调整。这是可能的，因为用户对每个移动进行若干次重复。用户第一次进行给定的移动/锻炼时，可以记录开始位置、结束位置和步长、结束位置减去开始位置。结束位置可以是移动的方向在其处从对应于配重片远离地面移动的方向改变到对应于配重片朝向地面移动的方向的点。起始位置可以是移动的方向在其处从对应于配重片朝向地面移动的方向改变到对应于配重片远离地面移动的方向的点。在一个实施例中，校准和/或调整可以基于来自集合中的每个移动的记录。替代地，校准和/或调整可以基于多个集合上的记录，使得随时间的结果被组合并存储以供将来的集合使用。

用户可以在不区分重复的开始或结束的点处瞬间改变行进的方向。如果用户正在挣扎，这可能会发生。出于确定运动的范围的目的，可以过滤掉这样的移动，或者以另一种方式记录。

不断记录和更新起点、终点和计算的步长对计算是重要的。点随着时间的推移而变化，在用户离开机器一步时，将起点和终点移动相等的距离。如果步长尚未改变，则可以不改变真实的运动的范围而是改变偏移，这可以被过滤或者利用计算的偏移适当地处置。起点和终点可以随着每次重复而更新，或者使用最后多个记录样本的平均值、移动平均值或加权平均值，并且可以包括来自先前集合的样本。

在一些实施例中，从一系列位置更新提取运动的范围和重复。滞后用于过滤掉可能被误认为是新重复的小移动（诸如当用户正在挣扎时），并且这通过平均运动的范围的开始和结束的位置来随时间学习。平均也可以在加权平均值和/或移动平均值上发生。示例代码包括：

。

注意到步幅中的显著变化，因为它们指示用户没有完成锻炼的全部运动的范围。如果起点是相同的，但是终点已经变化，导致减小的运动的范围，则尤其如此。这可能是疲劳或懒惰的用户的指示。

在一些实施例中，通过使用阈值来检测步幅中的显著变化。例如，健康重复的合理运动的范围在0％和10％之间开始，并且在90％和100％之间结束。如果用户在较低点处结束重复，诸如83％而不是大于90％，那么这被认为是运动的范围中的显著减小，此时可以提醒和/或指导用户。

当运动的范围正在增加时，例如0％至100％，反映锻炼的同心阶段，并且当运动的范围正在减小时，例如从100％到0％，反映锻炼的偏心阶段。由于用户可能懒惰或超过其平均值，因此无需实际达到0％和100％的界限。当运动的范围从增加变为减小或从减小变为增加时，足以确定从同心到偏心或从偏心到同心的过渡。

图8是同心加载的实施例的图示。用户可以请求偏心或同心加载，其中偏心质量大于同心质量，或者同心质量大于偏心质量。在这样的情况下，可以基于运动的范围基于行进的方向来选择质量m。在图8的示例中，同心质量为100磅，以及偏心质量为80磅，并且m可以如图8中所示的那样绘制。

如图8中所示，当x轴读数为100％时，质量m几乎瞬间从100磅变化到80磅，因此随着运动的方向的变化，变化几乎是瞬时的。由于同心和偏心阶段两者都具有0％和100％之间的运动的范围，因此两个相之间的差异是运动的方向，基本上是表现出滞后的函数。

图9是相等加载的实施例的图示。与图8相比，与运动的范围或行进的方向无关，质量为100磅。图10是偏心加载的实施例的图示。如与图8的同心加载示例一样，存在几乎是瞬时的负载中的变化。该负载中的瞬时变化可能对用户而言感到不舒服，并且甚至可能随着施加到用户的力中的突然增加而摇晃他们。

在一个实施例中，代替基于同心或偏心阶段来确定感知质量的量，仅基于方向来确定质量。如果配重片正在上升，则选择一定质量质量增加，并且如果配重片正在下降，则选择一定质量质量下降。

上述示例，包括同心加载和偏心加载，以及随后的那些，贯穿本说明书被统称为“可变力量曲线”（VSC）。许多技术使系统对用户而言感觉更好和/或更舒适/更自然。

图11是缓和质量变化的图示。如图11中所示，在同心阶段中，代表性质量从90％的运动的范围处的80磅增加到100％的运动的范围处的90磅的中点，然后在100%和90%运动的范围之间的偏心阶段中继续增加到完全100磅。当偏心运动的范围达到10％时，质量再次减小到0％处的90磅中点，然后在0％到10％运动的范围之间的同心阶段中减少回到80磅，如图11中的环绕所示。如图11中所示，过渡是平滑的，并且用户不会受到摇晃。

图11指示“0％”和“100％”的运动的范围，但是用户可能是懒惰或受伤并且未达到其理论最小和最大运动的范围。在一个实施例中，使用运动的范围的相对度量，使得100％代之以指的是用户在其处将移动方向从同心运动反转为偏心运动的点，并且0％指的是用户在其处将移动方向从偏心运动反转为同心运动的点。在另一实施例中，该相对运动的范围被用于缓和质量。因此，沿途的百分比位置仅是估计，因为精确地知道用户何时反转方向是具有挑战性的。代之以通过知道运动的范围的最近开始和结束位置以及基于平均值、移动和/或加权平均值计算的步长来动态估计它们。结果，图11的理想曲线可能因实际运动的范围中的误差而失真，并且失真可以被概念化为由误差引起的变换；曲线的选择为该失真留下了空间。

在一个示例中，如果用户在同心运动下的中途的将缆（1008）拉到80％，然后反向，则出于映射到该图的目的，80％点映射到图11的偏心部分的100％，假设反转点是100％的终点，并且用户预期返回到的预期起点是0％。

图12是缓和改变质量变化的图示。考虑图11，缺点可能是当用户通常不强壮时，同心重量在运动的范围的末端附近上升。图12示出了移位版本，例如使得偏心载荷中的移位仅发生在偏心阶段中。在图12中所示的示例中，阈值是80％和20％。虽然在图12中示出，但该函数不必是分段线性的。具有本领域中的普通技术的任何人理解存在实现类似结果的许多函数的变体。图12中的该函数被称为函数M ₁（x）。

M ₁（x）的一个缺点是用户在整个运动的范围期间可能不会经历完整的偏心载荷。如图12所示，最初关注于100％和80％之间的偏心范围，通过改变函数以也包括时间作为变量，可以在该运动的范围的区域中实现完全偏心载荷。

考虑替代函数M ₂（x，t）如下：

1. 在同心阶段的开始时，m = 80磅；

2. 当用户达到100％的运动的范围时，同心阶段的结束，或者达到完全停止，例如不再移动缆（1008），其中运动的范围高于某个阈值，诸如80％，系统假设用户已完成同心阶段并将要释放缆（1008）；

3. 现在期望用户保持该位置达2秒或一些其他目标。质量m在2秒的过程内从80磅线性增加到100磅；以及

4. 在保持位置之后，偏心运动的范围位于100％处，但质量现在为100磅。

如果用户违反了2秒的保持时间目标，并且更快地释放缆（1008），则质量m随着运动的范围而增加，并且其被设置使得代之以使用函数M ₁（x）。因此，组合函数可以被表示为：

如无论哪个函数，M ₁或M ₂，更快地增加质量就是被激励的函数。

在一个实施例中，为了帮助用户满足保持时间目标，用户可以被给予视觉提示、音频提示和/或其他指导/训练/教学机制以指示和/或鼓励用户保持达完整的目标，例如2秒。视觉提示的示例是点亮的灯、或屏幕上的词、或者填充超过2秒保持时间的条/滑块/圆和/或这些的组合。

举重的定时是重要的，因为在同心和偏心阶段两者中移动通过运动的范围所花费的时间的量可能影响锻炼的益处，这取决于目标。在某些情况下，可能需要快速，而在其他情况下，可能需要慢速。用户可以被给予视觉提示以指导它们关于速度——诸如示出相比于用户应该被给予期望速度的位置的用户实际处于运动的范围内的位置的条。

图13是触觉反馈的图示。有些用户可能忽略视觉提示。通过快速改变用户在缆中受到的张力，用户还可以被给予物理/触觉/触感提示以指示他们正在以错误的速度移动。如图13中所示，当质量瞬时脉动时，用户感觉它像缆（1008）上的“冲撞”或“喀哒通过（clicking-through）”。这可能是用于提醒用户他们未正在正确行为的有效技术。在一个实施例中，还可以通过基于时间而不是位置脉动质量来给予物理提示，例如在1秒内每100毫秒改变m 。

如果人类在他们的整个运动的范围内是同样强壮的，则图8至图13是理想的。然而，大多数肌肉具有峰值张力的点；在他们的运动的范围内其中他们是最强壮的点。变化质量使其在峰值张力的点处也达到峰值，确保肌肉被推到其极限。可能存在其他必然的益处，诸如通过在峰值张力的点之外不使肌肉过载来确保保持良好的形式。

图14是峰值张力的图示。图14图示了作为M（x）=100-100×（0.5-PercentRangeOfMotion）²的抛物线函数的质量函数。具有本领域中的普通技术的任何人理解存在许多其他功能以实现该目标。由于峰值张力并不总是在50％点处，并且因人而异，并且甚至随着时间的推移，对同一个人，随着他们变得更强或更弱而变化，这些函数随着时间的推移而针对每个用户进行调整。图15是调整的峰值张力的图示。图15示出了图14中的函数的变体，但是使用分段抛物线函数表现偏心载荷。

动态观测（spot）协议。考虑如下情况：其中用户处于同心阶段的中间中，并且到达他们无法完成运动的范围的点，因为他们是疲劳的。这是举重中的常见情况，并且可能被认为是不良形式，因为用户无法完成运动的范围。然而，如果系统检测到该情况，它会“观测”用户，类似于针对举重的人类观察者，例如：

1. 用户通过拉动缆/致动器（1008/1010）通过运动的范围开始；

2. 用户的运动的范围在预定的运动阈值之间，例如20％和80％；

3. 缆的速率降至零，或低于接近于零的某个预定速率阈值；

4. 即使在低速下，发现由用户施加的测量和/或计算的张力高于预定的张力阈值，诸如当前m的60％；

5. 张力和低速率持续达预定的时间段，例如1.5秒；

6. 系统通过缓慢减小m来响应，例如在2秒的过程内从100％的起始/当前m线性地减小到预定的质量阈值，例如起始m的90％。速率一上升高于某预定的速率阈值（诸如每秒5cm），m就停止缓慢减小，并且新函数通过运动的范围的其余部分来调整m。新函数的两个示例是后观测（post-spot）或用户坚持使用的先前函数的缩放版本。

上述过程描述了对应于一个观测协议的实施例，并且存在其他协议。在一个实施例中，在同心阶段期间，m被减小，使得缆/致动器（1008/1010）的速率不下降到低于预定速率阈值。如果用户的速率下降到低于该阈值，则m减小相应的量，以便帮助用户保持最小速率。如果速率上升到目标阈值以上，这样的系统还可以通过增加m来防止用户超过最大速率。在另外的实施例中，这是使用线性公式或PID回路实现的。

在一个实施例中，上述逻辑由软件中的一系列if语句实现。替代地，上述逻辑由规则引擎实现。替代地，使用方程实现上述逻辑。替代地，使用查找表来实现上述逻辑。

这样的观测过程可以使得实现“强制重复”，其中通过在用户被卡住时被观测而不是被迫过早地结束他们的重复来帮助用户完成他们的全部运动的范围。这对用户而言可能具有健康/效率益处。

图16和17是用户对重复的适应的图示。对于其中用户在同心阶段值使其超过80％的运动的范围但未完全完成100％的情况，这可能是不良形式和疲劳的症状的指示。如图16中所示，实现了在每次重复之后调整函数使得80％和100％之间的质量m被减小以适应用户，并且图17中示出了指示四种不同重复的特写。

在该示例中，在每次重复之后，用户使其超过80％但没有到完全100％，因此系统通过在4个示例重复中的每个之后调整质量函数来响应。在一个实施例中，上述逻辑由软件中的一系列if语句实现。替代地，上述逻辑由规则引擎实现。替代地，使用方程实现上述逻辑。替代地，使用查找表来实现上述逻辑。

如图16和17中所示，系统可以在与用户通信时参考峰值质量100磅的重复，因为那是在50％运动的范围内发生的函数中的质量的最大量。例如，如果峰值质量为150磅而不是100磅，则函数看起来是相似的，但一切都按1.5倍的因子缩放。

如果用户在同心阶段中被卡在0％和20％的运动的范围之间，则这可能指示质量m对于该给定的重复而言是太高的。在这样的情况下，系统可以如下自动调整m：

1. 用户通过拉动缆/致动器（1008/1010）通过运动的范围开始；

2. 用户的运动的范围在预定的运动阈值之间，例如0％和20％；

3. 缆的速率降至零，或低于接近于零的某个预定速率阈值；

4. 即使在低速下，发现由用户施加的测量和/或计算的张力高于预定的张力阈值，诸如当前m的60％；

5. 张力和低速率持续达预定的时间段，例如1.5秒；

6. 系统通过缓慢减小m来响应，例如在2秒的过程内从100％的起始/当前m线性地减小到预定的质量阈值，例如起始m的60％。速率一上升到高于某预定的速率阈值（诸如每秒5 cm），m就停止缓慢减小，并且新函数通过运动的范围的其余部分来调整m。新函数的两个示例是后卡住（post-stuck）函数或用户坚持使用的先前函数的缩放版本。

升级服务。图18是升级服务（有时也被称为阶梯）的图示。对于15次重复的集合，虽然传统上用户通常可以针对每次重复执行其中峰值质量是相同的集合，但是将峰值质量从重复到重复改变是有用的，如图18中所示。图18中的示例示出了15次重复，其中第一次重复以60磅的峰值质量开始，并且每次重复增加质量5磅，直到在第15次重复中看到130磅的峰值质量。5磅的步长大小是示例，并且编程的步长大小不需要是固定的和/或线性的。重复的次数15是示例，并且编程的重复计数不需要是固定的和/或线性的。该协议被称为升级或阶梯协议，并且对于用户在达到完全失败/疲劳时以及在锻炼肌肉时可能是有用的。

也存在其他有用的协议。图19是金字塔协议的图示，其中升级协议被用于到达集合的中间，并且然后相应的降级/下降集协议被用于从集合的中间到集合的结束，以在升级期间以其增加的深度和速率减少质量。图20是不平衡金字塔协议的图示，其中使用升级协议和下降集协议而不必对于集合的中间对称。图21是下降集协议的图示，其中峰值质量从重复到重复向下变化。在图19-21中，质量针对一次或多次重复在各种预定质量函数中变化。

贯穿本说明书，“动态阻力”指的是使用质量函数的技术，该质量函数贯穿运动的范围、通过同心和偏心阶段变化，并且峰值质量通过集合中的重复而变化，观测用户，并基于用户的能力或当他们被卡住时调整m。通过电子控制张力使能实现动态阻力。在一个实施例中，通过使用电机来部分地执行对张力的电子控制。替代地，在没有任何电机的情况下执行对张力的电子控制。

BLDC电机实施例。在一个实施例中，BLDC电机（1006）被用作用于张力的电子控制的技术的部分。

图22是图示了数字力量训练器的BLDC电机版本的实施例的框图。如图22中所示，主要受控部件是（1006）电机（108），其是三相BLDC永磁电机。在一个实施例中，电机（108）被设计成相对低速和高扭矩，利用外流道配置和26个极。电机（108）被耦合到链轮（113），链轮（113）被耦合到线轴（109）。它通过皮带和链轮被耦合到线轴（109）。线轴（109）被耦合到链轮（112）。使用齿和/或同步皮带（107）来耦合链轮（113）和链轮（112）。皮带上的齿防止滑动。通过在滑轮（106）上运行皮带来张紧皮带。

线轴（109）具有（1008）缠绕在其周围的缆（110）。缆（110）可以是由以下各项中的至少一项构成的绳：钢、尼龙、聚酯和/或凯夫拉绳。缆（110）可以是皮带、绳索、链条或类似的缆。缆（110）在其末端处具有附接点（111）。该附接点是致动器（1010），该致动器可以是用户拉动的手柄和/或连接器，手柄或诸如杆、带或更复杂的系统之类的附件可以被附接到该连接器，用户在其上直接或间接地拉动。

附接点（111）是健身器的部分，诸如胸部压力机或史密斯机；许多传统机器使用缆（1008）来对接到配重片。这样的缆（1008）被连接到（1010）构件或手柄，用户直接或间接地通过附接点来推动或拉动构件或手柄。

在一个实施例中，滑轮（106）被安装在测压元件（104）上。当电机（1006）产生扭矩，该扭矩被转换成皮带上的力，该力激励测压元件（104）。测压元件（104）的电输出以惠斯通电桥（103）配置来连接，并且惠斯通电桥的输出是来自测压元件（134）的读数。该读数被用于确定以重量为单位的由电机产生的扭矩的量。

校准测压元件以获得准确读数，其中校准考虑在测压元件上产生预加载条件的皮带张力。可以通过首先在缆（110）/附接点（111）上没有重物的情况下测量测压元件传感器读数（134）来执行校准。该读数可以被标记为对应于零“0”磅。然后将电机锁定在适当位置中并且将20磅重物悬挂在缆（110）/附接点（111）上，获得测压元件传感器读数（134），并且该读数可以被标记为对应于20磅。通过使用线性插值和外推，所有测压元件传感器读数可以被转换为磅、千克、盎司、克等。电机被耦合到旋转编码器电机位置传感器（102），该传感器产生电机位置传感器读数（133）。

图23是图示了用于数字力量训练器的BLDC电机版本的控制子系统的实施例的框图。电机位置传感器读数（133）和测压元件传感器读数（134）被输入到控制子系统（101）。控制子系统（101）通过三相控制信号（126）、（127）和（128）驱动电机（108），三相控制信号（126）、（127）和（128）是到电机和电源内的主要输入。

在一个实施例中，电机相位控制信号（126）、（127）和128由标准六晶体管H桥驱动。H桥包括晶体管（120）、（121）、（122）、（123）、（124）和（125）；并且从电机电源电压（132）和地（133）之间引出，并由六晶体管PWM控制信号（135）驱动。在一个实施例中，H桥使用驱动电流测量（140）的电流测量电阻器。这可以通过测量跨电阻器的电压降来实现，该电压降与流经电阻器的电流量成正比。由于电阻器的一侧接地，因此只连接到晶体管的电阻器的仅电源侧需要使用ADC来测量。注意，仅需要测量在三个支路中的两个支路上流动的电流，因为在系统中流动的净电流为零。第三个电流可以根据测量的两个电流来计算。

使用ADC测量点（129）、（130）和（131）处的三个电机相中的每个上的电压。如具有本领域中的普通技术的任何人可以理解的，这三个电机相电压（141）可以被用于使用位置估计器来计算电机位置。

六个PWM控制信号（135）是由控制处理器（137）驱动的数字信号，运行软件以实现控制回路（136）。控制处理器（137）将电机相（140）中的每个上的电流测量结果、电机相（141）中的每个上的电压测量结果、来自编码器（133）的电机位置和测压元件传感器读数（134）作为输入作为输入。此外，处理器被耦合到交互式用户界面（100）。

图24是图示了用于数字力量训练器的BLDC电机版本的控制回路的实施例的框图。将电流测量结果（140）输入到电流的计算（150），以评估电机（1006）的电流消耗（151）。因为通过电机的三相的净电流为零，所以电流消耗（151）与流经电机的电流的大小相关联。支路中的一个或两个可以具有正电流，而其余（一个或多个）支路可以具有零电流或负电流。通过对总正电流进行求和，这指示流经电机（151）的电流量。流经电机（151）的该电流量与电机的扭矩输出成正比。如果目标是以恒定扭矩驱动电机，例如使用恒定扭矩过滤器，则相关联的目标是确保消耗（151）保持尽可能恒定并且等于对应于期望扭矩的电流量。这可以通过利用将测量电流（151）与目标电流（162）进行比较并相应地调整PWM的占空比的PID回路来实现。

驱动3相BLDC电机的三相的技术取决于电机（1006）的位置。电机的每个物理位置对应于电角度，该电角度取决于电机以其来物理构建的极数。每个电角度对应于三相之间的电压的关系，其中每相用正弦波驱动，使得三相中的每相相对于集合中的其余两相相移120度。确定电机必须以其来驱动的电角度取决于确定电机（152）的准确的物理位置。

在一个实施例中，可以通过测量电机相（141）上的电压来测量电机反EMF。当电机正在旋转时，产生该反EMF，并且在电机的三相中的每相上产生的相对电压与电机的位置直接有关。具有本领域中的普通技术的任何人可以理解根据电压测量结果来确定电机位置。这是位置估计器（154）的主要功能。位置估计器（154）的限制在于，除非电机速度足够高，否则它不起作用。对于低速，可以使用编码器（133）或类似设备确定电机位置。位置计算器（153）应用传感器融合以组合来自电机位置（133）和位置估计器（154）的数据，以便产生准确的电机位置（152）。

应用传感器融合以组合低速和高速数据来确定电机位置的优点包括：i）在编码器使用可能滑动的基于摩擦的机构来耦合到电机的情况下，它对编码器滑动是有弹性的；ii）它不需要编码器以高速操作，以高速操作可能是昂贵或复杂的；以及iii）它提供编码器位置和电机电角度之间的直接有关性，否则其必须进行校准——并且在某些情况下，每次系统上电时都必须校准。电机位置（152）也可以被用于计算速率，并且速率可以被用于计算加速度。

如果已知目标扭矩和目标电流之间的关系，则可以使用简单的查找表和/或方程来在两者之间进行转换。这样的方案可能易受随时间和实例的变化影响，该变化来自许多因素，包括温度、磨损、老化、制造差异等。如果可以直接或间接测量电机的扭矩输出，则其被用于建立和/或校准目标扭矩和目标电流（162）之间的关系。

贯穿本说明书，术语目标扭矩（163）和目标重量（163）可以可互换地使用，因为重量和扭矩直接在彼此之间转换。在一个实施例中，PID控制回路（156）将目标扭矩（163）与来自测压元件传感器（134）的读数进行比较，并调整目标电流（162）以匹配。在另外的实施例中，因为系统是动态的，所以该PID回路的时间常数是长的。

在一个实施例中，如上所述，在测压元件传感器的校准中，测压元件传感器读数（134）被转换成与目标扭矩（163）相同的单位。这是由重量计算器（166）执行的，重量计算器将测压元件读数（134）转换为重量读数（165）。目标扭矩（163）与在缆（1008）上的缆张力方面期望的目标重量（163）具有直接和线性的关系，其与缆（110）缠绕在其周围的线轴（109）的半径以及两个链轮（113）和（112）的半径的相对比率成正比。

在一些实施例中，恒定扭矩过滤器被使用并且该系统是足够的。替代地，系统代之以建模/模仿另一环境的物理性质，诸如具有配重片的举重机，并且物理模型（157）可以调整目标重量（163）以产生期望的行为。注意，这样的物理模型影响输出扭矩和输出速度两者，因为该两者是有关的。物理模型（157）将电机位置（152）和/或重量读数（165）作为输入，并且基于物理模型输入参数（158），在回路中使用一系列方程来连续计算目标扭矩，以便使系统具有模仿目标环境行为的方式，诸如对具有配重片的举重机进行建模的配重片过滤器。在一个实施例中，回路在100 Hz和20 kHz之间运行。

该系统可以包括可以被选择和/或组合的多个物理模型。此外，物理模型的参数可以是用户可访问的。例如，用户可以指示他们希望配重片被允许具有的动量的量，或者他们希望配重片受到的摩擦力的量。

物理模型输入参数（158）可以是基于用户输入的静态的，包括“请表现得像50磅配重片”。物理模型输入参数（15）可以是动态的并且随时间变化，诸如在执行训练器智能、实现可变力量曲线、实现动态阻力和/或实现观测协议的情况下。这样的训练器智能和/或动态阻力可能需要监视电机位置（152）和/或重量读数（165）两者。位置（152）和重量读数（165）两者都可以被用于实现提取重复信息和/或运动的范围信息，或者在训练器智能和/或动态阻力中使用的其他参数。

优选地，控制子系统（101）被耦合到用户界面（100）。用户界面（100）可以具有获得用户输入的装置，诸如触摸屏、按钮、拨号盘或类似物，并且可以具有给予用户反馈的装置，诸如屏幕、灯和/或可听声音发生器（诸如如扬声器）。这样的用户界面可以被直接耦合到系统，或者间接耦合，诸如移动设备（诸如电话或平板计算机）上的移动应用的情况，通过无线和/或有线连接耦合到该实施例，诸如USB、以太网、蓝牙或Wi-Fi。

感应电机实施例。除了上述BLDC电机实施例之外的另一个实施例是利用感应电机而不是BLDC电机（1006）的实施例。BLDC电机和感应电机系统之间存在以下显著差异：

● 电机（108）是3相AC感应电机；

● 不需要监视电流（140）或电压（141），因为感应电机的扭矩与滑差而不是电流有关；

● 可以仅基于位置编码器（133）确定准确的电机位置（152）；

● 目标电流162可以由目标滑差（162）代替；和/或

● PWM分配（164）功能产生三相正弦波，其频率使得根据位置（152）和所述正弦波的频率计算的电机的速度对应于期望目标滑差的量（162）。在一些情况下，可以使用伏特每赫兹关系来确定正弦波的幅度。

因此，主要受控变量从BLDC电机的电流变为感应电机的电机滑差。

其他实施例。除了上述BLDC电机实施例和感应电机实施例之外，所公开的其他实施例包括：

● 一种控制器电路（1002/1004），其包括以下各项中的至少一项：处理器、逆变器以及脉宽调制器和/或变频驱动器（VFD）；

● 控制器电路驱动诸如三相BLDC和/或感应电机的电机（1006）；

● 电机（1006）被直接或通过轴/皮带/链条/齿轮机构耦合到线轴，其中缆（1008）缠绕在线轴周围，并且缆的末端处的致动器/手柄（1010）供用户抓握/拉动；

● 在一个实施例中，齿轮箱用于：倍增扭矩和/或摩擦力、分配速度；和/或在电机（1006）和线轴之间将功率分流给多个线轴。替代地，可以使用缆滑轮系统而不是齿轮箱；

● 以下传感器中的一个或多个：

○ 位置编码器，诸如电机（1006）、线轴、缆（1008）上的霍尔效应轴编码器或格雷码编码器，或者在一个实施例中，用户握持致动器（1010）中的加速度计。还存在其他选项，诸如光学传感器和编码器；

○ 用于测量由电机消耗的电压/电流的传感器，例如用于测量诸如反EMF的效应；和/或

○ 系统中的扭矩/张力/应变传感器或仪表，用于测量用户正在施加多大的张力/力。在一个实施例中，张力传感器内置在缆中。替代地，应变仪内置于保持电机的电机底座中。当用户拉动致动器（1010）/缆（1008）时，这将应变加于电机底座上，该应变使用惠斯通电桥配置中的应变仪来测量。替代地，将缆（1008）拉动通过耦合到测压元件的滑轮。替代地，将耦合电机和线轴/齿轮箱的皮带拉动通过耦合到测压元件的滑轮。贯穿本说明书，这被称为“用户张力传感器”。

图25是耦合到轮毂的电机的图示。在一个实施例中，电机（1006）被耦合到可选的齿轮箱，齿轮箱耦合到轮毂，其中缆（1008）缠绕在轮毂周围。图26是耦合到轮毂的电机的简化图示。在一个实施例中，图26的简化图示表示图25的图示。图27是耦合到轮毂的电机的三维图示。在一个实施例中，图27的三维图示表示图25的图示。图28是具有耦合到轮毂的轴编码器的电机的图示。轴编码器被用于测量电机/齿轮箱/轮毂的位置。

图29A和图29B是使用电机底座测量张力的图示。在一个实施例中，应变仪被附接到一个或多个附接点。当由于用户正在拉动缆而将力施加到电机支架，并且电机抵抗并且将该力转移到将电机保持在电机底座支架上的螺孔中时，附接点处的杆弯曲。

图30是附接点杆的图示细节。当附接点处的杆弯曲时，相关联的应变仪也弯曲，从而导致其电阻变化。可以使用到ADC的惠斯通电桥电路输入来测量电阻中的该变化。ADC的输出可以被校准到各种重量，这通过在缆上悬挂重物克服重力并读取ADC输出来实现。可以绘制多个重量的结果，并且可以插值中间点。由于应变仪通常是线性的，因此插值可能是简单的。

图31是电机底座的图示细节。在一个实施例中，为了支撑电机（1006）的轴，包括用于防止缆（1008）上的力使电机在垂直于电机的旋转的平面中扭转，具有保持轴的滚珠轴承的轴底座可以如图31中所示那样使用。图32是完全组装的电机底座、电机、可选的齿轮箱和轴编码器的图示。在一个实施例中，图32的图示是图25-30中所示的完全组装版本。图33是用于由轮毂控制的电机的控制系统的图示。在一个实施例中，图33的图示是用于图32的系统的控制系统。

在一个实施例中，使用编程/配置/设计成模拟基于重力和金属的缆机的控制器，因此使用配重片过滤器。在一个实施例中，控制器使用运行指令/代码的诸如基于MIPS或8051的微控制器的微处理器来实现控制系统。每隔一段时间，诸如每五毫秒对应200次每秒，系统可以：

1. 测量张力T和缆以其移动的速率，v _实际；

2. 然后，系统可以基于系统的状态对加速度进行建模：

其中△t是自上次计算速率以来的时间的间隔。也就是说，五毫秒之前，其中在此时计算的速率被称为

。上述方程中的加速度是负的而不是加性的，以采用

表示朝向地面的速率的惯例。

对速率建模，将其与实际测量的速率进行比较：

其中，可以由控制器使用

来修改被驱动到电机中的电压/电流的量。

虚拟配重片可以在两个方向上移动。它可能远离地面或朝向地面移动。配重片的概念是以方程建模的概念，因为没有物理配重片。物理实施例是缠绕在电机（1006）的轴周围的缆（1008），可能与轮毂耦合。因此，重量移动可以转换成电机旋转。由于轮毂的周长是已知的，并且电机（1006）旋转多快是已知的，因此可以计算缆（1008）的线性运动，这相当于配重片的线性运动。轮毂的每次旋转等于轮毂半径r的一个周长或2πr的线性运动。类似地，电机的扭矩可以通过将其乘以半径r而转换成线性力。

既定的惯例是，如果“配重片”远离地面移动，则电机在一个方向上旋转，并且如果朝向地面移动，则电机在相反方向上旋转。因此，该系统几乎总是向电机（1006）施加电压/电流/功率，使得它在与受重力影响的配重片相对应的方向上旋转或几乎旋转。

在一种情况下，缆上的张力如此高以至于计算出的加速度在远离地面的方向上，并且因此该加速度在一段时间内累积成与远离地面移动的配重片相对应的速率。当这种情况发生时，施加到电机的功率是在朝向地面驱动配重片的方向上，但是用户拉动缆的力克服了电机的力，使其在相反方向上旋转。在这样的情况下，如果电机旋转比模型规定快，则为了将其减速，控制器必须增加电机的功率，使得其更大程度地抵抗用户。

在相反的情况下，当配重片朝向地面移动，并且电机在对应于配重片朝向地面移动的方向上旋转时，如果电机与模型相比旋转得太快，则使电机减速，控制器（1002）必须减少电机（1006）的功率。因此，控制器不仅要考虑速率中的误差，还要考虑该速率的方向。

驱动到电机中的电压被调整如下：

其中，

是常数，表示响应误差调整电压的有多积极。较大的值会导致过冲、振铃和不稳定。值越低，收敛越慢。

根据行进的方向改变电压是增加还是减少是自动处置的，因为当速率反转时，

的符号可能反转，因为在一种情况下，正速率是一个方向，而另一个方向是负速率。在一个实施例中，

不是静态常数，而是至少部分地根据行进的方向进行调整：

其中，当速率为负/远离地面移动，并且以幅度上比

大的负速率移动时，

是更合适的常数；

其中，当速率为正/朝向地面移动，并且以幅度上比

大的正速率移动时，

是更合适的常数。

如方程中所示，在外边界处选择理想常数，并且在外边界之间使用线性函数来选择正确的常数。

通常，对于所公开的技术，可以选择任何传递函数，并且传递函数不一定是线性的。如上面示例中所示，系统灵活接受

和/或

。该系统灵活接受具有静态常数或动态因素（比如积极性

）的设计，并接受具有不同设计结果的不同设计。在一个实施例中，线性控制回路被用于控制。替代地，PID控制回路被用于更复杂的控制。

在当虚拟配重片到达“地面”时的情况下，可以对配重片进行建模。在此时，速率为零。因此，控制系统可以始终监视位置，并且当位置到达零和/或地面位置时停止电机的旋转。类似地，起始情况是配重片不移动，直到缆上的张力超过堆叠的重量。因此，系统可以测量张力并使用该结果来决定何时释放电机并允许其开始旋转。电机可能不被释放，直到张力超过配重片的重量。存在许多方式来制动电机和/或将其保持在适当位置中，包括使用上面的方程控制电机中的电压以抵抗试图移动该电机的任何力，其中

。制动电机也可以被用于紧急和/或安全情况中，其中系统感测到失控。在一个实施例中，控制器（1004）为用户提供“电机防火墙”，以使用故障保护开关和技术用制动来保护用户。这为用户提供了安全的措施。

具有控制系统设计和理论的领域中的普通技术的任何人可以使用权衡来微调系统以实现期望的结果。该微调可能取决于包括所使用的确切电机的特性、齿轮箱（如果有的话）和/或缆的弹性的因素。

将手动电源施加到电机（1006）以便使其减速和/或抵抗在施加功率的相反方向上的旋转可能导致电机以输出电压/电流的形式产生超过施加到电机的电压/电流的功率。使用晶体管作为开关和电容器来存储该过量的功率，并且然后之后使用该功率来驱动电机可能导致系统利用较少的功率并产生较少的浪费/热量。

在一些实施例中，以上述方式控制电机，使得用户可能通过齿轮箱和使用该电机上的一个或多个传感器来拉动缠绕在耦合到该电机（1006）的轮毂周围的缆（10008），可能受到相当于配重片的张力的张力。在一个实施例中，修改的模型被用作如上所述的“无作弊”或“真正的无作弊”模型。

关于电机，目前DC电刷电机最不可靠。诸如DC刷和无刷电机之类的永磁电机也有目前较昂贵以及随着时间推移磁体的退磁风险的缺点。它们目前也可能需要齿轮箱具有较小扭矩。较高比率的齿轮箱目前可能具有更多摩擦力，使得它们更难以控制。步进电机目前声音很大，并且可能是昂贵的。串联弹性致动器目前降低了系统的可靠性并增加了费用。

一个简单且可靠的优选系统使用AC电机，诸如三相感应电机，其具有足够强大的电机以不需要齿轮箱。设置轮毂的大小改变获得给定量的力所需的扭矩的量，因为轮毂的半径越大，所需的扭矩就越大。由于成本、性能和/或可用性，具有BLDC或步进电机的系统可能是有利的。

上面所讨论的模型依赖于变量m或针对m的一些代理，诸如在气动系统中的气压、电磁机械系统中的电流电压/电流等，其表示配重片的质量。上面描述的一些方程假设m是不改变的静态变量，但是所公开的技术可以没有限制地使用其中m不固定的协议。质量变量m可以连续变化，使得用户体验改变重量的配重片。在阻力训练中，标准举重装置基于静态阻力——该静态阻力其中重量的质量是恒定的。然而，通过改变m，我们实现了动态阻力——该动态阻力其中有效质量基于许多因素而变化。这对用户而言有许多健康和效率益处。

图34是图示了用于数字力量训练的过程的实施例的流程图。在一个实施例中：图1A和/或图22-24的系统执行图34的过程；图1A的过滤器（1002）和/或电机控制器（1004）执行图34的过程；并且图25的控制处理器（137）和控制回路软件（136）执行图34的过程。

在步骤3402中，接收与致动器（1010）的位置有关的信息，所述致动器（1010）被耦合到缆（1008），所述缆（1008）被耦合到电机（1006）。在一个实施例中，处置致动器（1010）。在一个实施例中，电机（1006）是三相电机，例如AC感应电机。在一个实施例中，与缆的位置有关的信息包括多个时间点以导出缆的速率。

在步骤3404中，过滤器（1002）基于传感器融合计算电机位置，该传感器融合包括高速传感器以确定高速下的电机位置，以及低速传感器以以低速确定电机位置。在一个实施例中，过滤器（1002）基于传感器融合来计算电机位置，该传感器融合包括用于基于磁力确定电机位置的磁传感器和用于基于光学确定电机位置的光学传感器。

在可选步骤3406中，过滤器接收与施加在缆上的力有关的第二信息。施加到与致动器位置耦合的缆的力增强了关于用户计算动量等的信息。

在步骤3408中，通过使用过滤器（1002）提供到耦合到电机（1006）的电机控制器（1004）的输入，以调整电机（1006）上的扭矩，使得实现相对于致动器（1010）的位置的力量曲线。在一个实施例中，过滤器（1002）是数字过滤器。

如上所述，力量曲线可以是恒定扭矩过滤器，以以恒定扭矩驱动致动器（1010）。力量曲线可以是配重片过滤器，反映具有配重片的重量机的致动器（1010）行为。在一个实施例中，配重片过滤器反映具有配重片的重量机的致动器（1010）行为，配重片具有至少十磅的准确度。在一个实施例中，配重片过滤器反映具有配重片的重量机的致动器（1010）行为，配重片具有至少五磅的准确度。在一个实施例中，配重片过滤器反映具有配重片的重量机的致动器（1010）行为，配重片具有至少三磅的准确度。在一个实施例中，配重片过滤器反映具有配重片的重量机的致动器（1010）行为，配重片具有至少一磅的准确度。

力量曲线可以是无动量配重片过滤器，其反映具有没有动量的配重片的重量机的致动器（1010）行为。对于无动量配重片过滤器，过滤器可计算致动器（1010）的致动器动量并补偿致动器动量和/或计算被施加到致动器的致动器摩擦力以及补偿所施加的致动器摩擦力。在一个实施例中，致动器摩擦力的计算包括镜像配重片重量的百分比。

一个实施例中，力量曲线包括不对称性，向致动器（1010）提供偏心加载服务。在另外的实施例中，力量曲线包括动态观测器协议，使用致动器（1010）向用户提供重量观测器服务。在另外的实施例中，力量曲线包括训练器智能协议，例如动态重复协议，包括：金字塔服务、升级服务和/或下降服务。在另外的实施例中，力量曲线包括随时间变化的动态非线性力量曲线。

尽管出于理解的清楚的目的，已经详细描述了前述实施例，但是本发明不限于所提供的细节。存在许多实现本发明的替代方式。所公开的实施例是说明性的，而不是限制性的。

Claims (25)

1.一种健身器，包括：

致动器；

电机，其中电机是薄饼式的并且电机具有低的相对深度，并且其中电机包括步进电机；

耦合在所述致动器与电机之间的缆；

耦合到电机的电机控制器；

集成到电机和轮毂之间的轴中的串联弹性致动器；

耦合到电机控制器的过滤器，其被配置成：

接收与致动器的位置有关的信息；以及

向电机控制器提供输入，以调整电机上的扭矩，使得实现相对于致动器的位置的力量曲线，包括用于：

确定轮毂和轴之间的期望的相对位置，以便产生期望的张力；

将轮毂和轴之间的期望的相对位置与轮毂和轴之间的当前相对位置进行比较；以及

至少部分地基于轮毂和轴之间的期望的相对位置与轮毂和轴之间的当前相对位置之间的比较，确定要被发送到电机以调整电机的位置的适当数量的脉冲；以及

向电机发送所确定的适当数量的脉冲以调整电机的位置，其中至少部分地基于轮毂和轴之间的期望的相对位置与轮毂和轴之间的当前相对位置之间的比较来确定的所发送的数量的脉冲命令电机一次移动一步。

2.根据权利要求1所述的健身器，其中，致动器是手柄，过滤器是数字过滤器，并且电机是三相电机。

3.根据权利要求1所述的健身器，与缆的位置有关的信息包括用以导出缆的速率的多个时间点。

4.根据权利要求1所述的健身器，其中，过滤器被进一步配置成接收与施加在缆上的力有关的第二信息。

5.根据权利要求1所述的健身器，其中，力量曲线是恒定扭矩过滤器，其至少部分地以恒定的扭矩驱动致动器。

6.根据权利要求1所述的健身器，其中，力量曲线是配重片过滤器，其至少部分地将具有配重片的重量机的行为反映到致动器。

7.根据权利要求1所述的健身器，其中，力量曲线是配重片过滤器，其至少部分地以至少十磅的准确度将具有配重片的重量机的行为反映到致动器。

8.根据权利要求1所述的健身器，其中，力量曲线是无动量配重片过滤器，其至少部分地将具有配重片但没有动量的重量机的行为反映给致动器。

9.根据权利要求1所述的健身器，其中，力量曲线是无动量配重片过滤器，其至少部分地将具有配重片但没有动量的重量机的行为反映给致动器，其中过滤器被进一步配置成计算致动器的致动器动量；以及补偿致动器动量。

10.根据权利要求1所述的健身器，其中，力量曲线是无动量配重片过滤器，其至少部分地将具有配重片但没有动量的重量机的行为反映给致动器，其中过滤器被进一步配置成计算被施加到致动器的致动器摩擦力；以及补偿所施加的致动器摩擦力。

11.根据权利要求1所述的健身器，其中力量曲线是无动量配重片过滤器，其至少部分地将具有配重片但没有动量的重量机的行为反映给致动器，其中过滤器被进一步配置成计算被施加到致动器的致动器摩擦力；以及补偿所施加的致动器摩擦力，并且其中，致动器摩擦力的计算包括所反映的配重片重量的百分比。

12.根据权利要求1所述的健身器，其中，力量曲线包括不对称性，其至少部分地向致动器提供偏心加载服务。

13.根据权利要求1所述的健身器，其中，力量曲线包括动态观测器协议，其至少部分地向致动器提供重量观测器服务。

14.根据权利要求1所述的健身器，其中，力量曲线包括动态重复协议，其至少部分地向致动器提供以下各项中的至少一项：金字塔服务、升级服务、阶梯服务和下降服务。

15.根据权利要求1所述的健身器，其中，力量曲线包括随时间变化的动态非线性力量曲线。

16.根据权利要求1所述的健身器，其中，过滤器被进一步配置成基于传感器融合来计算电机位置，传感器融合包括用以确定在高速下的电机位置的高速传感器以及用以确定在低速下的电机位置的低速传感器。

17.根据权利要求1所述的健身器，其中，过滤器被进一步配置成基于传感器融合来计算电机位置，传感器融合包括用以基于磁性来确定电机位置的磁力传感器以及用以基于光学来确定电机位置的光学传感器。

18.根据权利要求1所述的健身器，其中，电机具有低的相对深度以用于以下各项中的至少一项：壁式安装和地板安装。

19.根据权利要求1所述的健身器，其中，电机控制器被耦合到用户输入设备，其中用户输入设备包括以下各项中的至少一项：触摸屏、按钮和拨号盘。

20.根据权利要求1所述的健身器，其中，电机控制器被耦合到用户反馈设备，其中用户反馈设备包括以下各项中的至少一项：屏幕、灯、触觉反馈、可听声音生成器以及扬声器。

21.根据权利要求1所述的健身器，其中，力量曲线是实现力量曲线中的两个或更多个力量曲线的过滤器。

22.根据权利要求1所述的健身器，其中，机器基于用户的表现来进行用户调整。

23.根据权利要求1所述的健身器，其中，过滤器补偿以下各项中的至少一项：摩擦力、正速率、负速率、动量、惯性和动能。

24.一种用于健身器的方法，包括：

接收与耦合到缆的致动器的位置有关的信息，所述缆被耦合到电机，其中电机是薄饼式的并且健身器包括具有低的相对深度的电机，并且其中电机包括步进电机；以及

使用过滤器来向耦合到电机的电机控制器提供输入，以调整电机上的扭矩，使得实现相对于致动器的位置的力量曲线，包括：

确定轮毂和轴之间的期望的相对位置，以便产生期望的张力；

将轮毂和轴之间的期望的相对位置与轮毂和轴之间的当前相对位置进行比较；以及

至少部分地基于轮毂和轴之间的期望的相对位置与轮毂和轴之间的当前相对位置之间的比较，确定要被发送到电机以调整电机的位置的适当数量的脉冲；以及

向电机发送所确定的适当数量的脉冲以调整电机的位置，其中至少部分地基于轮毂和轴之间的期望的相对位置与轮毂和轴之间的当前相对位置之间的比较来确定的所发送的数量的脉冲命令电机一次移动一步。

25.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品在有形的计算机可读存储介质中实现并且包括用于以下操作的计算机指令：

接收与耦合到缆的致动器的位置有关的信息，所述缆被耦合到电机，其中电机是薄饼式的并且健身器包括具有低的相对深度的电机，并且其中电机包括步进电机；以及

使用过滤器来提供给耦合到电机的电机控制器，以调整电机上的扭矩，使得实现相对于致动器的位置的力量曲线，包括：

确定轮毂和轴之间的期望的相对位置，以便产生期望的张力；

将轮毂和轴之间的期望的相对位置与轮毂和轴之间的当前相对位置进行比较；以及

至少部分地基于轮毂和轴之间的期望的相对位置与轮毂和轴之间的当前相对位置之间的比较，确定要被发送到电机以调整电机的位置的适当数量的脉冲；以及

向电机发送所确定的适当数量的脉冲以调整电机的位置，其中至少部分地基于轮毂和轴之间的期望的相对位置与轮毂和轴之间的当前相对位置之间的比较来确定的所发送的数量的脉冲命令电机一次移动一步。

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