CN110382057B - 具有功率测量装置的固定式锻炼器械 - Google Patents

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Abstract

根据本文的一些示例所述的固定式锻炼器械可以包括：框架、由框架可旋转地支撑的曲柄轴、上部力矩产生机构和下部力矩产生机构，上部力矩产生机构和下部力矩产生机构操作性地接合到曲柄轴以使曲柄轴旋转。下部力矩产生机构和上部力矩产生机构可以例如经由下部力矩产生机构的曲柄臂以及连杆或虚拟曲柄臂或上部力矩产生机构之间的弹性联接件而彼此弹性地联接。锻炼器械还可以包括测量装置，所述测量装置可以配置成用以测量上部力矩产生机构和下部力矩产生机构之间的差动力。

Description

具有功率测量装置的固定式锻炼器械
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年6月26日提交的、申请号为15/633,689且发明名称为“具有功率测量装置的固定式锻炼器械(STATIONARY EXERCISE MACHINE WITH A POWER MEASUREMENTAPPARATUS)”的美国专利申请的优先权，该美国专利申请根据35 U.S.C.§119要求2016年12月30日提交的、申请号为62/440,873且发明名称为“具有功率测量装置的固定式锻炼器械(STATIONARY EXERCISE MACHINE WITH A POWER MEASUREMENT APPARATUS)”的美国临时申请的早期申请日的权益，它们的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
已经开发出具有往复运动的腿部和/或臂部的一些固定式锻炼器械。这样的固定式锻炼器械包括爬楼梯机和椭圆训练机，其中的每一个通常提供不同类型的训练。例如，爬楼梯机可以提供较低频率的竖直攀爬模拟，而椭圆训练机可以提供较高频率的水平奔跑模拟。另外，这些器械可以包括在锻炼期间为用户的手臂提供支撑的手柄。然而，常规的固定式锻炼器械的手柄和腿部之间的连接可能无法充分锻炼用户的上身。通常，现有的固定式锻炼器械通常具有主要被限制为调节施加至往复运动的腿部的阻力大小的最小可调节性。而且，(例如，响应于腿和臂的运动而)具有上部输入和下部输入的现有固定器械可能未配备用于确定由上部输入或下部输入中的一者与另一者所产生的功率大小的装置。因此，可能期望提供一种改进的固定式锻炼器械，其解决了本领域中的一个或多个问题并且通常改善了用户体验。
附图说明
参考以下的附图将更全面地理解本说明书，图中的部件可能并非按比例绘制，给出这些附图以作为本文所描述的锻炼器械的各种实施例，并且这些附图不应被解释为锻炼器械的范围的完整描述。
图1是示例性锻炼器械的右侧视图。
图2是图1的器械的左侧视图。
图3是图2的器械的部分视图。
图4是图1的器械的磁制动器的透视图。
图5是包括有外壳的图1的器械的实施例的透视图。
图6是图5的器械的右侧视图。
图7是图1的器械的前视图。
图8是用于锻炼器械(例如图1的器械)的能量跟踪系统的框图。
图9是用于锻炼器械(例如图1中的器械)的测量装置的视图。
图10是图9的测量装置的部件的部分透视图。
图11是图9的测量装置的分解图。
图12是图9的测量装置的编码轮的透视图。
图13是与图9的测量装置的操作相关联的图1的锻炼器械的弹性联接的旋转部件的分解图。
图14A-14C是由图9的测量装置产生的信号脉冲的波形图示。
具体实施方式
本文描述的是具有往复运动的脚构件和/或手构件(例如在闭环路径中运动的脚踏板)的固定式锻炼器械的实施例。所公开的器械可以提供抵抗用户的往复运动的可变阻力，例如用以提供可变强度的间隔训练。一些实施例可以包括往复运动的脚踏板，其使用户的脚沿着大致倾斜的闭环路径运动，以使得脚的运动相较于平地行走或奔跑运动而言更多地模拟攀爬运动。一些实施例还可以包括往复运动的手构件，其配置成用以与脚踏板协调地移动并允许用户锻炼上身肌肉。可变阻力可以经由基于旋转空气阻力的风扇式机构、经由基于磁性的涡流机构、经由基于摩擦的制动器、和/或经由另外的机构提供，其中的一个或多个可以在用户使用器械时进行快速调节以便提供可变强度的间隔训练。
图1-7示出了锻炼器械100的实施例。器械100包括框架112，所述框架包括用于与支撑表面接触的基座114、从基座114延伸到上部支撑结构120的竖直支架116、以及在基座114和竖直支架116之间延伸的第一和第二倾斜构件122。图1-7所示的各种部件仅仅是说明性的，并且能够设想包括消除部件、组合部件、重排部件和替换部件在内的其他变型。
器械100可以包括上部力矩产生机构和下部力矩产生机构。上部力矩产生机构和下部力矩产生机构均可以向曲柄轴125(参见例如图2和图7)提供输入，以引起曲柄轴125围绕轴线A旋转的趋势。上部力矩产生机构和下部力矩产生机构中的每一个可以包括操作性地连接成在曲柄轴125上产生力矩的联动装置的一个或多个连杆。例如，上部力矩产生机构可以包括从手柄134延伸到曲柄轴125的一个或多个上连杆。下部力矩产生机构可以包括从踏板132延伸到曲柄轴125的一个或多个下连杆。在一个示例中，器械可以包括左侧上部联动装置和右侧上部联动装置90，每一个都包括配置成用以将上部联动装置的输入端(例如，手柄端)连接到曲柄轴125的多个连杆。类似地，器械可以包括左侧下部联动装置和右侧下部联动装置92，每一个都包括配置成用以将下部联动装置的输入端(例如，踏板端)连接到曲柄轴125的多个连杆。曲柄轴125可以具有第一侧和第二侧，并且可以是围绕曲柄轴轴线A可旋转。曲柄轴125的第一侧可以连接到例如左侧的上部和下部联动装置，并且曲柄轴125的第二侧可以连接到例如右侧的上部和下部联动装置。
在各种实施例中，下部力矩产生机构可以包括对应于器械100的左侧和右侧的第一下部联动装置92和第二下部联动装置92。第一下部联动装置和第二下部联动装置中的每一个可以包括操作性地布置成用以将来自用户(例如，来自用户的下身)的力输入转换成围绕曲柄轴125的力矩的一个或多个连杆。例如，第一下部联动装置和第二下部联动装置可以分别包括第一和第二踏板132、第一和第二滚轮130、第一和第二下部往复构件126(也称为脚构件126)、和/或第一和第二曲柄臂128中的一个或多个。第一下部联动装置和第二下部联动装置可以将来自用户的力输入操作性地转换成围绕曲柄轴125的力矩。
第一和第二曲柄臂128相对于曲柄轴125的相应侧固定。器械100可以可选地包括第一和/或第二曲柄轮124，其可以围绕水平旋转轴线A可旋转地被支撑在上部支撑结构120的相对两侧。曲柄臂128可以位于曲柄轮124的外侧，并且可以相对于相应的第一和第二曲柄轮124固定。曲柄臂128可以围绕旋转轴线A可旋转，使得曲柄臂128的旋转促使曲柄轴125和/或曲柄轮124旋转。第一和第二曲柄臂128从曲柄轴125(例如，从轴线A)沿着相反的径向方向延伸到它们的相应径向端。例如，曲柄轴125的第一侧和第二侧可以固定地连接到第一和第二曲柄臂128的输出端，并且每个曲柄臂的输入端可以从曲柄臂和曲柄轴之间的连接部径向延伸。第一和第二下部往复构件126可以具有前端(即输出端)，所述前端分别可枢转地联接到第一和第二曲柄臂128的径向端(即输入端)。术语“可枢转地”和“枢转地”在本文中可互换使用。第一和第二下部往复构件126的后端(即输入端)可以分别联接到第一和第二脚踏板132。因此，第一和第二下部往复构件126的后端(即输入端)能够可互换地称为踏板端。
第一和第二滚轮130可以分别联接到第一和第二下部往复构件126，例如联接到或靠近踏板端或中间位置。在各种示例中，第一和第二滚轮130可以连接到踏板，例如，第一和第二踏板132可以均具有第一端部，其中第一和第二滚轮130分别从第一和第二踏板132的第一端部延伸。第一和第二踏板132的每一个可以具有第二端部，第一和第二踏板132的第二端部分别具有第一和第二平台126b(或类似的垫)。第一和第二托架126a可以形成第一和第二踏板132的连接第一和第二平台132b以及第一和第二托架132a的部分。第一和第二下部往复构件126可以分别在第一和第二滚轮130与第一和第二平台132b之间固定地连接到第一和第二托架126a。该连接部可以比第一和第二滚轮130更接近第一和第二平台的前部。第一和第二平台132b可以操作用于供用户站立并提供输入力。第一和第二滚轮130围绕各自的滚轮轴线T旋转。第一和第二滚轮可以分别在第一和第二倾斜构件122上旋转并沿其行进。第一和第二倾斜构件122可以形成沿着第一和第二倾斜构件的长度和高度的行进路径。滚轮130可以沿着框架112的倾斜构件122滚动地平移。在替代实施例中，作为滚轮130的替代或附加，可以使用其他的轴承机构(例如滑动摩擦式轴承)来提供下部往复构件126沿着倾斜构件122的平移运动。
当脚踏板132由用户驱动时，往复构件126(也称为脚构件126)的踏板端沿着倾斜构件122经由滚轮130在大致线性的路径中平移。在替代实施例中，倾斜构件可以包括非线性部分例如弧形或弓形部分，使得脚构件126的踏板端沿着倾斜构件的非线性部分经由滚轮130在非线性路径中平移。倾斜构件的非线性部分可以具有任何曲率例如恒定或非恒定半径的曲率，并且可以给出凸形、凹形、和/或部分线性的表面以供滚轮沿其行进。在一些实施例中，相对于水平地平面，倾斜构件122的非线性部分可以具有至少45°的平均倾斜角、和/或可以具有至少45°的最小倾斜角。
脚构件126的输出端围绕旋转轴线A在圆形路径中移动，其围绕轴线A以旋转运动驱动曲柄臂128和/或曲柄轮124。当滚轮(且由此滚轮轴线D)沿着倾斜构件122平移时，脚构件126的输出端的圆周运动使踏板端在滚轮轴线D处枢转。输出端的圆周运动、踏板端的线性运动和围绕轴线D的枢转动作的组合使踏板132在非圆形闭环路径(例如大致卵形和/或大致椭圆形的闭环路径)中运动。由脚踏板132上的不同点移动经过的闭环路径可以具有不同的形状和尺寸，例如踏板132的越向后的部分移动经过的距离就越长。由脚踏板132移动经过的闭环路径可以具有由路径中的分开最远的两个点限定的长轴。由踏板132移动经过的闭环路径中的一个或多个的长轴相对于由基座114限定的水平面可以具有更接近竖直而不是水平的倾斜角，例如至少45°、至少50°、至少55°、至少60°、至少65°、至少70°、至少75°、至少80°、和/或至少85°。为了促成踏板132的闭环路径的这种倾斜，倾斜构件122可以包括滚轮130在其上移动经过的大致线性部分。倾斜构件122相对于水平基座114形成大的倾斜角α，例如至少45°、至少50°、至少55°、至少60°、至少65°、至少70°、至少75°、至少80°、和/或至少85°。设定脚踏板运动路径的这种大的倾斜角可以为用户提供更类似于攀爬而不是在水平表面上行走或奔跑的下身锻炼。这样的下身锻炼可以类似于由常规的爬楼梯机所提供的锻炼。
在各种实施例中，上部力矩产生机构可以包括对应于器械100的左侧和右侧的第一上部联动装置90和第二上部联动装置90。第一和第二上部联动装置中的每一个可以包括操作性地布置成用以将来自用户(例如，来自用户上身)的力输入转换成围绕曲柄轴125的力矩的一个或多个连杆。例如，第一和第二上部联动装置可以分别包括第一和第二手柄134、第一和第二连杆138、第一和第二上部往复构件140(在本文中也称为手构件140)、和/或第一和第二虚拟曲柄臂142a中的一个或多个。第一和第二上部联动装置可以将在手柄134处来自用户的力输入操作性地传递成围绕曲柄轴125的力矩。第一和第二手柄134可以在水平轴线D处可枢转地联接到上部支撑结构120。
手柄134可以刚性地连接到相应的第一和第二连杆138的输入端，使得手柄134围绕水平轴线D的往复枢转运动导致第一和第二连杆138围绕水平轴线D的相应的往复枢转运动。
例如，第一和第二连杆138可以在与D轴线对准的枢轴处从手柄134悬置。第一和第二连杆138中的每一个可以相对于相应的手柄134具有角ω。角ω可以从穿过轴线D以及手柄中的靠近到连杆138的连接部的弯曲部的平面中进行测量。角ω可以是任何角，例如在0到180度之间的角。角ω可以被优化为对于单一用户或普通用户来说最舒适的角度。连杆138在其径向端(即，输出端)处可枢转地联接到第一和第二往复手构件140。手构件140的下端可以包括能够相对于手构件140的其余部分围绕相应的盘轴线B旋转的相应圆盘142(参见例如图3)。盘轴线B位于每个盘142的中心处且与旋转轴线A平行。位于曲柄轴125的相对两侧的盘142的盘轴线B沿着相反的方向从轴线A径向偏移。因此，虚拟曲柄臂142a可以被限定在圆盘142的中心(即盘轴线B)和旋转轴线A之间。
上部往复构件140的下端可以分别可枢转地连接到第一和第二虚拟曲柄臂142a(参见图3)。第一和第二虚拟曲柄臂142a可以相对于上部往复构件140的其余部分围绕相应的轴线B(可以称为虚拟曲柄臂轴线)可旋转。轴线B可以平行于曲柄轴线A。每个轴线B可以定位成靠近每个上部往复构件140的一端。每个轴线B也可以定位成靠近虚拟曲柄臂142a的一端。每个轴线B可以沿着相反的方向从轴线A径向偏移。每个相应的虚拟曲柄臂142a可以分别垂直于轴线A和每个轴线B。轴线A和每个轴线B之间的距离可以近似地限定虚拟曲柄臂的长度。轴线A和每个轴线B之间的距离也是在曲柄轴上施加力矩的每个虚拟曲柄臂142a的力矩臂的长度。正如本文所使用的那样，虚拟曲柄臂142a可以是在曲柄轴125上施加力矩的任何装置。例如，如上所述，虚拟曲柄臂142a可以是盘142(例如，盘142的中心和轴线A所穿过的盘142上的径向位置之间的距离)。在另一示例中，虚拟曲柄臂142a可以是类似于曲柄臂128的曲柄臂。每个虚拟曲柄臂可以是单一长度的半刚性至刚性材料且具有靠近每个端部的枢轴，其中往复构件中的一个沿着轴线B靠近一端可枢转地连接并且沿着轴线A固定连接的曲柄轴在近侧连接到另一端。虚拟曲柄臂可以包括两个以上的枢轴并且可以具有任何形状。如下所述，虚拟曲柄臂被描述为盘142，但这仅仅是示例，原因在于虚拟曲柄臂可以采用可操作用以向曲柄轴125施加力矩的任何形式。因而，包括盘的每个实施例也可以包括虚拟曲柄臂或者本文所述或本领域普通技术人员能够理解为适用的任何其他实施例的盘。
连杆138在其径向端(即，输出端)处可枢转地连接到第一和第二上部往复构件140。连杆138和上部往复构件140在与轴线C同轴的相应枢轴处可枢转地联接。上部往复构件140的下端包括相应的环形套箍141和相应的圆盘142，每个圆盘都能够在相应的套箍内旋转。因而，相应的圆盘142能够相对于上部往复构件140的其余部分围绕相应的盘轴线B旋转。盘轴线B平行于旋转轴线A并且沿着相反的方向从轴线A径向偏移。
当手柄134来回进行关节式运动(即，围绕轴线D枢转地往复运动)时，连杆138沿着相应的弧运动，这相应地使上部往复构件140进行关节式运动。经由上部往复构件140和环形套箍141之间的固定连接，手柄134的关节式运动也使环形套箍141运动。由于可旋转的盘142固定地连接到围绕轴线A枢转的曲柄轴并能够围绕曲柄轴旋转，因此可旋转的盘142也围绕轴线A旋转。当上部往复构件140来回进行关节式运动时，它迫使环形套箍141沿着圆形路径朝向和远离轴线A运动，从而使轴线B和/或盘142的中心围绕轴线A做圆形环绕运动。当曲柄臂128和/或曲柄轮124围绕轴线A旋转时，盘轴线B围绕轴线A做环绕运动。盘142也可枢转地联接到曲柄轴线A，使得当盘142在上部支撑构件120的相对两侧围绕曲柄轴线A枢转时，盘142在上部往复构件140的相应下端内旋转。盘142可以相对于相应的曲柄臂128固定，使得当踏板132和/或手柄134由用户驱动时，盘142和曲柄臂128一致地围绕曲柄轴线A旋转。
上部联动装置组件可以根据本文中的示例配置成用以使手柄134与踏板132相反地进行往复运动，从而模仿自然人体运动的运动学特性。例如，当左踏板132向上和向前移动时，左手柄134向后枢转，反之亦然。如图10所示，器械100还可以包括安装在上部支撑构件120的顶部附近的用户接口102。用户接口102可以包括向用户提供信息的显示器，并且可以包括用户输入装置以允许用户输入信息和调节器械的设置例如调节阻力。器械100还可以包括安装在上部支撑构件120的顶部附近的固定手柄104。
锻炼器械100可以包括操作性地布置成用以抵抗曲柄轴旋转的阻力机构。在一些实施例中，锻炼器械可以包括一个或多个阻力机构，例如基于空气阻力的阻力机构、基于磁性的阻力机构、基于摩擦的阻力机构、和/或其他的阻力机构。
例如，可以经由空气制动器、摩擦制动器、磁制动器等施加阻力。器械100可以包括基于空气阻力的阻力机构或空气制动器150，其在水平轴166上旋转地安装到框架112。器械100能够附加地或替代地包括基于磁阻的阻力机构或磁制动器160(参见例如图1和图4)，其包括旋转地安装到框架112的转子161以及同样安装到框架112的制动钳162。转子161和空气制动器150可以联接到相同的水平轴(例如，轴166)。空气制动器150和转子161由曲柄轴125的旋转驱动，并且均可操作用以抵抗曲柄轴125的旋转。在所示实施例中，轴166由联接到带轮146的带或链148驱动。带轮146联接到通过另外的带或链144与轴线A同轴安装的另一带轮125。带轮125和146可以用作齿轮机构以设定空气制动器150和转子161的角速度相对于踏板132的往复频率的比率。
阻力机构中的一个或多个可以是可调节的，以便在给定的往复频率下提供不同水平的阻力。此外，阻力机构中的一个或多个可以提供对应于锻炼器械的往复频率的可变阻力，使得阻力随着往复频率的增加而增加。例如，踏板132的一次往复运动可以导致空气制动器150和转子161的多圈旋转以增加由空气制动器150和/或磁制动器160提供的阻力。空气制动器150可以是可调节的，以便控制在给定角速度下引起的流过空气制动器的空气流量，从而改变由空气制动器提供的阻力。
当转子旋转时，磁制动器160通过转子161中的磁感应涡流来提供阻力。如图4所示，制动钳162包括位于转子161的相对两侧的高功率磁体164。当转子161在磁体164之间旋转时，由磁体产生的磁场在转子中引起涡流，产生转子旋转的阻力。转子的旋转阻力的大小可以根据转子的角速度而增加，从而在踏板132和手柄134的高往复频率下提供更高的阻力。由磁制动器160提供的阻力的大小也可以取决于从磁体164到轴166的旋转轴线的径向距离。随着该半径增加，转子161的在磁体164之间通过的部分的线速度在转子的任何给定角速度下都会增加，原因是在转子上的一点处的线速度是转子的角速度与该点距旋转轴线的半径的乘积。在一些实施例中，制动钳162能够可枢转地安装或以其他方式可调节地安装到框架116，使得可以调节磁体134相对于轴166的轴线的径向位置。例如，器械100可以包括联接到制动钳162的马达，所述马达配置成用以使磁体164相对于转子161移动到不同的径向位置。当径向向内调节磁体164时，转子161的在磁体之间通过的部分的线速度在转子的给定角速度下减小，由此减小在踏板132和手柄134的给定往复频率下由磁制动器160提供的阻力。相反地，当径向向外调节磁体164时，转子161的在磁体之间通过的部分的线速度在转子的给定角速度下增大，由此增加在踏板132和手柄134的给定往复频率下由磁制动器160提供的阻力。
在一些实施例中，制动钳162可以在器械10用于锻炼时进行快速调节以调节阻力。例如，当用户用他的脚驱动踏板132时，在用户例如通过操纵手动杆、按钮或位于用户的手的可触及范围内的其他机构来驱动踏板132和/或手柄134的往复运动的情况下，用户可以快速调节制动钳162的磁体164相对于转子161的径向位置(参见例如图2和图3)。这样的调节机构可以机械地和/或电气地联接到磁制动器160以促成对转子中的涡流的调节并且因此调节磁阻水平。用户接口102可以包括用于向用户提供信息的显示器，并且可以包括用户输入装置以允许用户输入以便调节器械的设置例如调节阻力。在一些实施例中，这样的用户促成的调节可以是自动化操作(例如使用电联接到控制器的用户接口102上的按钮和联接到制动钳162的马达进行)。在其他的实施例中，这样的调节机构可以完全手动操作，或者是手动和自动的组合。在一些实施例中，用户可以在相对短的时帧内(例如在从用户经由电子输入装置或机械装置的手动致动进行手动输入的时刻开始的半秒内、一秒内、两秒内、三秒内、四秒内、和/或五秒内)彻底完成所需的磁阻调节。在其他的实施例中，磁阻调节的时间段可以小于或大于以上提供的示例性时间段。
图5和图6示出了锻炼器械100的实施例，其中外壳170围绕器械的前部安装。壳体170可以容纳和保护以下的部分：框架112、带轮125和146、带或链144和148、上部往复构件140的下部分、空气制动器150、磁制动器160、用于调节空气制动器和/或磁制动器的马达、配线、和/或机械100的其他部件。壳体170可以包括空气制动器罩172，其包括用以允许空气进入空气制动器150的侧向入口176和用以允许空气离开空气制动器的径向出口174。壳体170还可以包括磁制动器罩179以保护磁制动器160，其中磁制动器作为空气制动器150的附加或替代而被包括在内。曲柄臂128和/或曲柄轮124可以通过壳体暴露，使得下部往复构件126可以围绕轴线A以圆周运动驱动它们而不受壳体170的阻碍。
根据本文的一些示例的固定式锻炼器械可以包括：框架、由框架可旋转地支撑的曲柄轴、上部力矩产生机构和下部力矩产生机构，这两者操作性地接合到曲柄轴以使曲柄轴旋转。在一些示例中，下部力矩产生机构包括至少一个曲柄臂，所述曲柄臂联接到曲柄轴以响应于曲柄臂的旋转而导致曲柄轴的旋转。在一些示例中，上部力矩产生机构可以包括联接到曲柄轴的至少一个连杆，从而响应于连杆的运动而同样导致曲柄轴的旋转。在一些示例中，连杆可以是刚性连杆例如直杆构件、或者是旋转盘的一部分、或者是操作性地联接到曲柄轴以使其旋转的多个连杆。连杆也可以称为虚拟曲柄臂。下部力矩产生机构和上部力矩产生机构可以弹性地彼此联接，例如经由下部力矩产生机构的曲柄臂和连杆或虚拟曲柄臂或上部力矩产生机构之间的弹性联接件而彼此联接。在本文的一些示例中，固定式锻炼器械还可以包括测量装置，所述测量装置可以配置成用以测量上部机构和下部机构之间的差动力。测量装置可以采用一个或多个光学感测部件、应变仪、负荷传感器等，以用于测量经由上部力矩产生机构以及独立地和/或相对地经由下部力矩产生机构所施加的力。在一个实施例中，测量装置可以包括光学传感器，所述光学传感器操作性地布置有一对编码轮以检测两个编码轮之间的相对位移。在一些示例中，第一编码轮可以联接成使得其与下部力矩产生机构的曲柄臂同步旋转。例如，第一编码轮可以刚性地联接到下部力矩产生机构的曲柄轴和/或曲柄臂。第二编码轮可以联接成使得其与虚拟曲柄臂同步旋转，例如通过刚性联接或以其他方式操作性地联接到虚拟曲柄臂。两个编码轮可以相对于彼此可移动，以允许响应于经由上部力矩产生机构和下部力矩产生机构这两者施加的力而在编码轮之间进行相对位移。在一些示例中，编码轮可以彼此同轴地联接并且可以围绕曲柄轴的轴线旋转。
现在也参考图8-14，根据本文的一些示例，锻炼器械100可以包括能量跟踪系统200，其可以配置成用以向用户提供信息，例如全部或部分地包括用户在锻炼期间产生的能量或功率。能量跟踪系统200可以包括处理电路210和存储器212。能量跟踪系统200可以操作性地(例如，通信地)联接到用户接口102，以用于向用户显示信息(例如，阻力水平、由用户产生的能量或功率、燃烧的卡路里等)和/或接收来自用户的输入(例如，用户的体重)。能量跟踪系统200可以从一个或多个测量装置220接收输入信号，所述测量装置可以与锻炼器械100的移动部件操作性地联接。例如，能量跟踪系统200可以与一个或多个负荷传感器、应变计等操作性地联接以测量施加到曲柄轴125的扭矩。曲柄轴125的扭矩和角位移可以用于计算功并且因此计算出施加到曲柄轴125的功率，其指示了用户在锻炼期间所产生的功率。可以使用诸如旋转编码器(例如，光学增量编码器)的角位置传感器来测量角位移，或者可以根据角速度(即，曲柄轴的旋转速度)的测量值而获得角位移，所述角速度可以使用例如转速计测量。处理电路210可以从一个或多个测量装置(例如，测量装置230)接收信号并且确定各种锻炼性能参数(例如，能量或功率输出、阻力水平、燃烧的卡路里等)，其可以存储在存储器(例如，存储器210)中和/或经由用户接口102显示。
在一些实施例中，锻炼器械100的上部力矩产生机构90和下部力矩产生机构92可以弹性地彼此联接，使得经由力矩产生机构中的一个与另一个共同施加到曲柄轴的力可以被确定。弹性联接件通常是在正常使用的典型负荷下可以变形(例如，弯曲、拉伸、偏转、压缩)并且能够在变形(例如，弯曲、拉伸、偏转、压缩)之后大致回弹或弹回到其原始形状、配置或位置的联接件，例如典型的弹性联接件是诸如弹簧或其他顺应构件(例如，诸如橡胶的顺应材料)的部件。术语顺应和弹性可以在本文中可互换地使用。在一个示例中，并且如上所述，曲柄臂128可以刚性地联接到曲柄轴125以使曲柄轴125响应于踏板132的移动而旋转。另一方面，上部力矩产生机构90的输出构件(例如，左侧上部联动装置或右侧上部联动装置90中的一个的盘142)可以弹性地联接到曲柄轴125，由此在来自上部力矩产生机构90的负荷施加到曲柄轴125时允许盘142和曲柄轴125之间的一些相对移动(例如滑动)。相对移动或滑动可以是暂时的，例如在负荷施加到两个弹性联接的部件或组件中的每一个时才有相对移动或滑动，并且可以在没有施加负荷的情况下(例如由于联接件的弹性而)消除相对位移。
在一些实施例中，能量跟踪系统200的处理电路210可以通信地联接到测量装置230，所述测量装置相应地可操作用以产生指示上部力矩产生机构90和下部力矩产生机构92的相对运动的信号，正如将进一步描述的那样。测量装置230可以操作性地联接到锻炼器械100的一个或多个移动部件。例如，如图9所示，测量装置230的部件可以联接到曲柄轴125、偏心安装的盘142和框架(例如，直立支架116)，以生成指示上部力矩产生机构90的旋转部件(例如，连杆或其他旋转构件譬如由偏心安装的盘142限定的虚拟曲柄臂)相对于下部力矩产生机构92的旋转部件(例如曲柄臂128)之间的相对角位移的信号。
测量装置230可以使用光学感测部件260结合一对同心编码轮240和250来实现。例如，如图9和图10所示，测量装置230可以包括光学感测部件260，其包括在一个传感器支撑件262-1中的光发射器(例如LED)和在另一个传感器支撑件262-2中的光检测器(例如，光传感器)。光发射器和光传感器布置在彼此面对的支撑件上，使得由光发射器发射的光可以由光检测器检测。两个支撑件262-1和262-2以及因此光发射器和光检测器定位在这一对同心布置且可旋转地联接的编码轮(例如第一轮240和第二轮250)的相对两侧上。编码轮中的一个(例如第一编码轮240)可以刚性地联接到曲柄轴125，使得它与曲柄轴同步旋转。因而，编码轮中的一个(例如，第一编码轮240)的角位置和速度对应于曲柄轴125的角位置和速度。如上所述，曲柄轴125刚性地联接到曲柄臂128，因此，例如响应于经由下部力矩产生机构92施加的力，编码轮240也与曲柄臂128的旋转同步地旋转。因此，经由曲柄臂128且因此经由下部力矩产生机构92施加到曲柄轴125的力可以通过跟踪第一编码轮的角位置和/或速度来确定。
另一个编码轮(例如第二编码轮250)可以刚性地联接到虚拟曲柄臂142a，在此情况下刚性地联接到限定虚拟曲柄臂142a的盘142。盘142围绕曲柄轴125的轴线A偏心地旋转。编码轮250可以同轴地布置在轴线A处，以使得例如响应于经由上部力矩产生机构90施加的力，编码轮250与盘142的旋转同步地围绕轴线A旋转。因此，经由虚拟曲柄臂142a和因此经由上部力矩产生机构90施加到曲柄轴125的力可以通过跟踪第二编码轮的角位置和/或速度来确定。如上所述，上部力矩产生机构90和下部力矩产生机构92可以弹性地联接。例如，上部力矩产生机构90和下部力矩产生机构92可以通过左或右曲柄臂128中的至少一个与相应的盘142之间的弹性联接而弹性地联接。这可以导致曲柄臂128和盘142之间以及因此第一编码轮240和第二编码轮250之间的微小的相对位移(例如，移位或偏移)。该微小的相对位移(例如，移位或偏移)可以指示施加到弹性构件的任一侧的力/能量的差异。能量跟踪系统200可以配置成用以检测该微小的相对位移(例如，移位或偏移)，并且因此确定经由上部力矩产生机构90与下部力矩产生机构92获得的力的相对输入。
上部力矩产生机构90和下部力矩产生机构92之间的弹性联接可以例如根据图13所示的实施例来实现。曲柄臂128可以使用销129可枢转地联接到盘142，使得上部力矩产生机构和下部力矩产生机构中的任一个的移动导致上部力矩产生机构和下部力矩产生机构中的另一个的移动。销129可以刚性地连接到曲柄臂128。销129可以可旋转地被接纳在盘142中的开口145中。曲柄臂128的移动可以经由支承在开口145的壁上的销129传递到盘142，反之亦然。例如，曲柄臂128可以使用在开口145中位于枢转联接件的支承表面之间(例如销129和开口145的臂之间)的顺应构件143(例如，橡胶盘)而弹性地且枢转地联接到盘142。当足够的力从曲柄臂128传递到盘142(反之亦然)时，顺应构件143可以在旋转方向上压缩，这可以导致曲柄臂128和盘142之间以及因此导致第一和第二编码轮之间的一些相对运动(例如，滑动)。
编码轮240和250中的每一个包括多个槽或窗口(例如，第一编码轮240的第一窗口242-1至242-9以及第二编码轮250的第二窗口252-2至252-9)。在一些示例中，编码轮240和250均可包括相同数量的窗口。在一些示例中，编码轮240的第一窗口242的宽度W1可以与编码轮250的第二窗口252的宽度W2相同。每个编码轮的窗口242、252可以沿着每个编码轮的周边部分以离每个编码轮的中心大致相同的径向距离径向地布置，使得编码轮中的一个的每个窗口的至少一部分与另一编码轮的相应窗口的一部分重叠以限定这一对编码轮的有效窗口。也就是说，例如如图10和图12所示，第一窗口242-1至242-9中的每一个的至少一部分与第二窗口252-1至252-9中的相应一个的一部分重叠。在一些示例中，第一和第二窗口242、252可以分别仅部分地重叠，正如图10和图12中的示例那样，而窗口的其余部分被编码轮的实心部分阻挡。例如，与每个窗口242相邻的轮240的实心部分可以阻挡相应窗口252的开口的一部分，并且类似地，与每个窗口252相邻的轮250的实心部分可以阻挡相应窗口242的开口的一部分，从而限定这一对编码轮的宽度为WE的有效窗口。该示例中的宽度WE小于第一和第二窗口的宽度W1和W2。窗口的宽度W1和W2以及重叠量(例如，有效窗口的宽度WE)可以基于上部力矩产生机构和下部力矩产生机构之间的弹性联接件的刚度来选择。例如，窗口的宽度W1和W2以及重叠量可以选择成允许宽度WE增加到大约宽度W1和W2，或者在经由上部力矩产生机构施加最大预期力时允许宽度WE减小到非零的最小宽度。
在图12中，一对同心布置的编码轮240和250以中性对准示出(例如，正如相应的第一和第二编码轮240和250的对准特征243和253所示)。在该位置，由该对编码轮限定的有效窗口的宽度WE可以被称为有效窗口的中性宽度或起始宽度。因此，有效窗口的中性宽度或起始宽度可以对应于在没有对两个编码轮中的任一个施加负荷的情况下或者在负荷仅施加到编码轮中的一个时的有效窗口的宽度。在图12所示的示例中，起始宽度相应地小于第一和第二窗口的宽度W1和W2。在其他示例中，起始宽度可以与第一和第二窗口的宽度大致相同(例如，在窗口没有偏移但大致完全重叠的情况下)。在这样的示例中，编码轮的相对位移(例如，移位或偏移)可以通过(例如使用感测部件)检测有效窗口的起始宽度的缩窄来确定。在这样的示例中，滑动的方向可以例如使用第二径向编码阵列(例如，狭槽)来确定，所述第二径向编码阵列可以略微偏移以允许监测两个阵列之间的相移以便跟踪轮的旋转方向以及相应地跟踪轮的相对位移方向。有效窗口的起始宽度可以存储在存储器320中并由处理电路210检索以用于确定编码轮之间的相对滑动量。
在使用期间，例如，当曲柄轴125仅响应于由力矩产生机构中的一个(例如，下部力矩产生机构92)施加的力而旋转时，感测部件260可以产生具有大致矩形波形310-1的信号模式，如图14A所示。波形310-1的正脉冲312对应于光检测器通过由一对编码轮限定的有效窗口而检测到光的时间段。负脉冲314对应于光检测器未检测到光的时间段(即，光发射器被相邻窗口之间的编码轮的实心部分阻挡的时间段)。因此，角速度(例如，每单位时间的转数)可以根据波形的频率和一对编码轮的窗口总数来确定。例如，如果检测的频率是每分钟900个脉冲，则处理电路210可以确定总共有9个有效窗口的一对编码轮的角速度为每分钟100转。
器械100可以配置成使得在器械的使用期间，如果经由上部或下部力矩产生机构90、92中的仅一个(通常经由由用户的腿驱动的下部力矩产生机构90)施加力，则该对编码轮相对于彼此保持在中性位置(例如，对准特征243和253大致对准)。例如，这可以通过选择上部或下部力矩产生机构90、92之间的弹性联接件的刚度来实现，以使得弹性联接件在没有来自上部和下部力矩产生机构90、92的力的情况下不会明显变形。因此，在一些示例中，弹性联接件可以足够硬以在没有通过上部力矩产生机构和下部力矩产生机构90、92施加力的情况下防止任何明显的压缩且因此防止任何可检测的滑动。能量跟踪系统200可以配置成用以例如通过检测有效窗口的宽度WE的变化来检测中性对准的变化。因此，这样的中性对准的变化可以指示滑动并且因此指示经由上部力矩产生机构施加力。
返回到所示示例，正脉冲312的宽度可以对应于有效窗口的宽度。因此，当经由上部力矩产生机构在使轮沿着与曲柄轴的旋转方向(例如，方向270)相同的方向滑动的方向上施加力时，有效窗口的宽度可以减小，并且相应地，正脉冲312的周期可以减小，如图14B的波形310-2所示。相反地，如果经由上部力矩产生机构在使轮沿着与曲柄轴的旋转方向相反的方向(例如，图10中的方向271)滑动的方向上施加力，则有效窗口的宽度可以增加，并且相应地，正脉冲的周期可以增加，如图14C所示。因此，有效窗口的缩窄或加宽可以指示经由上部力矩产生机构施加到曲柄轴的力(例如，相对于由下部力矩产生机构施加的力为正或负)。因此，有效窗口的缩窄或加宽可以用于确定用户的上身是在做正功或还是在做负功。
当上部力矩产生机构没有施加明显的力时(例如，响应于用户的上身做功，譬如当用户的臂基于用户的下身产生的功而自由摆动时)，这一对编码轮可以保持在中性对准。能量跟踪系统200可以配置成用以显示由用户的上身执行零做功或标称做功的指示。有效窗口的缩窄可以指示由上部力矩产生机构施加的附加力(例如，除了仅允许臂连杆基于由下部力矩产生机构施加的力而自由摆动之外)。在这样的情况下，能量跟踪系统200可以配置成用以显示由用户的上身执行的正做功的指示。取决于有效窗口的缩窄量，能量跟踪系统200可以配置成用以确定并显示由用户的上身执行的附加做功的相对量的指示。有效窗口的加宽可以指示由上部力矩产生机构施加的阻力(例如，抵抗由下部力矩产生机构所完成的做功)。在这样的情况下，能量跟踪系统200可以配置成用以基于有效窗口的缩窄量显示由用户的上身执行的负做功和/或负做功量的指示。在一些示例中，能量跟踪系统200可以附加地或替代地配置成用以显示修改上身运动的指令(例如，增加由上身施加的速度或力量)。可以显示所述指令，直到能量跟踪系统200检测到由用户的上身执行的零做功或标称做功为止，或者在一些情况下直到能量跟踪系统200检测到由用户的上身执行的正做功为止。
所有的相对用语和方向用语(包括：上、下、向上、向下、左、右、向左、向右、顶、底、侧、上方、下方、前、中、后、竖直、水平等)都是通过举例的方式给出以有助于读者理解本文所述的特定实施例。除非在权利要求中具体阐述，否则不应将它们理解为要求或限制，特别是对于位置、取向或用途等更是如此。连接用语(例如，附接、联接、连接、联结等)应被广义地解释，并且可以包括在连接的元件之间的中间构件以及元件之间的相对移动。因而，除非在权利要求中具体阐述，否则连接用语不一定表明两个元件直接连接并且彼此间成固定关系。
本领域技术人员应当理解，本公开的实施例通过举例而非限制性的方式给出教导。因此，包含在上面的说明中或者在附图中示出的内容应当被解释为说明性的而不是限制性的含义。所附的权利要求旨在涵盖本文描述的所有通用和具体的特征、以及本申请的方法和系统的范围的所有陈述，这些内容在语言上可以说都落在本申请的范围内。

Claims (22)

1.一种固定式锻炼器械，其包括：
框架；
曲柄轴，所述曲柄轴连接到所述框架并且能够围绕曲柄轴线旋转；
下部力矩产生机构，所述下部力矩产生机构操作性地连接到所述曲柄轴并且包括刚性地联接到所述曲柄轴的至少一个曲柄臂以响应于所述曲柄臂的旋转导致所述曲柄轴的旋转；
上部力矩产生机构，所述上部力矩产生机构操作性地连接到所述曲柄轴并且包括联接到所述曲柄轴的至少一个虚拟曲柄臂以响应于所述虚拟曲柄臂的旋转导致所述曲柄轴的旋转，其中所述至少一个虚拟曲柄臂弹性地联接到所述至少一个曲柄臂；以及
测量装置，所述测量装置包括光学感测部件和一对编码轮，所述一对编码轮包括彼此联接并且能够围绕曲柄轴线旋转的第一编码轮和第二编码轮，其中所述第一编码轮相应地联接到所述下部力矩产生机构并且所述第二编码轮相应地联接到所述上部力矩产生机构，其中所述第一编码轮和第二编码轮可移动地彼此联接，并且其中所述光学感测部件可操作用以检测所述第一编码轮和第二编码轮之间的相对位移。
2.根据权利要求1所述的固定式锻炼器械，其中所述第一编码轮配置成用以与所述曲柄臂的旋转同步旋转，并且所述第二编码轮配置成用以与所述虚拟曲柄臂的旋转同步旋转，并且其中所述光学感测部件布置成用以检测所述第一编码轮和第二编码轮之间的相对移位。
3.根据权利要求1所述的固定式锻炼器械，其中所述第一编码轮同轴地联接到所述第二编码轮。
4.根据权利要求1所述的固定式锻炼器械，其中所述第一编码轮和第二编码轮中的每一个包括多个窗口，并且其中所述第一编码轮和第二编码轮布置成用以使得所述第一编码轮的多个窗口中的每一个与所述第二编码轮的多个窗口中的相应窗口至少部分地重叠。
5.根据权利要求1所述的固定式锻炼器械，其中所述第一编码轮和第二编码轮布置成用以使得所述第一编码轮的窗口与所述第二编码轮的窗口仅部分地重叠。
6.根据权利要求1所述的固定式锻炼器械，其中所述一对编码轮包括多个有效窗口，每个有效窗口由所述第一编码轮的窗口和所述第二编码轮的窗口之间的重叠区域限定。
7.根据权利要求6所述的固定式锻炼器械，其中所述光学感测部件配置成用以生成指示所述一对编码轮的有效窗口的宽度的信号。
8.根据权利要求7所述的固定式锻炼器械，其中所述光学感测部件与处理电路操作性地联接，所述处理电路配置成用以确定所述有效窗口的宽度的变化。
9.根据权利要求7所述的固定式锻炼器械，其中所述光学感测部件配置成用以生成具有矩形波形的信号，所述矩形波形包括多个正脉冲，每个正脉冲具有指示所述有效窗口的宽度的持续时间。
10.根据权利要求9所述的固定式锻炼器械，其中所述测量装置操作性地联接到处理器，所述处理器配置成用以基于所述有效窗口的宽度相对于所述有效窗口的标称宽度的变化来确定响应于来自所述上部力矩产生机构的输入而产生的功率。
11.根据权利要求1所述的固定式锻炼器械，其中所述上部力矩产生机构包括操作性地连接到所述曲柄轴的相对两侧的左侧上部联动装置和右侧上部联动装置，所述左侧上部联动装置和右侧上部联动装置中的每一个操作性地连接到左手柄和右手柄以使所述曲柄轴响应于所述左手柄或右手柄中的任一个的移动而旋转。
12.根据权利要求11所述的固定式锻炼器械，其中所述左侧上部联动装置和右侧上部联动装置中的每一个包括上部往复构件和可枢转地联接到所述上部往复构件并偏心地联接到所述曲柄轴的盘，并且其中所述虚拟曲柄臂被限定在所述盘的轴线和曲柄轴线之间。
13.根据权利要求12所述的固定式锻炼器械，其中所述盘的轴线从曲柄轴线偏移的距离小于所述盘的半径。
14.根据权利要求12所述的固定式锻炼器械，其中所述左侧上部联动装置和右侧上部联动装置中的每一个的输出端包括围绕所述盘中的相应一个盘的套箍，所述套箍可操作用以独立于所述盘的旋转而围绕所述盘的轴线旋转。
15.根据权利要求1所述的固定式锻炼器械，其中所述下部力矩产生机构包括操作性地连接到所述曲柄轴的相对两侧的左侧下部联动装置和右侧下部联动装置，所述左侧下部联动装置和右侧下部联动装置中的每一个操作性地连接到相应的左踏板和右踏板以使所述曲柄轴响应于所述左踏板或右踏板中的任一个的移动而旋转。
16.根据权利要求15所述的固定式锻炼器械，其中所述左侧下部联动装置和右侧下部联动装置中的每一个包括可枢转地联接到所述曲柄臂的下部往复构件。
17.根据权利要求12所述的固定式锻炼器械，其中所述左侧上部联动装置或右侧上部联动装置的盘中的至少一个弹性地联接到相应的左侧下部联动装置或右侧下部联动装置的曲柄臂。
18.根据权利要求17所述的固定式锻炼器械，其中所述相应的左侧下部联动装置或右侧下部联动装置的曲柄臂包括被接纳在至少一个盘中的开口中的销，所述固定式锻炼器械还包括布置在所述销和所述开口的壁之间的顺应构件。
19.根据权利要求1所述的固定式锻炼器械，其还包括阻力机构，所述阻力机构操作性地布置成用以抵抗所述曲柄轴的旋转。
20.根据权利要求1所述的固定式锻炼器械，其中所述测量装置操作性地联接到处理器，所述处理器配置成用以确定响应于来自所述上部力矩产生机构与下部力矩产生机构的输入而产生的相对功率。
21.根据权利要求20所述的固定式锻炼器械，其中所述处理器是能量跟踪系统的一部分，所述能量跟踪系统配置成用以显示关于相对功率的信息，所述相对功率响应于来自所述上部力矩产生机构与所述下部力矩产生机构的输入而产生。
22.一种用于固定式锻炼器械的测量装置，所述固定式锻炼器械包括框架和可旋转的轴，所述测量装置包括：
光学感测部件，所述光学感测部件包括光发射器和光检测器；以及
与所述可旋转的轴操作性地相关联的一对同心的编码轮，其中所述一对同心的编码轮包括第一编码轮和第二编码轮，其中所述第一编码轮包括多个第一窗口，并且其中所述第二编码轮包括多个第二窗口，其中所述第一编码轮的第一窗口和所述第二编码轮的第二窗口布置成使得所述第一编码轮和第二编码轮中的一个编码轮的每个窗口的至少一部分与另一个编码轮的相应窗口的一部分重叠，以限定所述一对编码轮的有效窗口，其中所述光发射器和所述光检测器位于所述一对编码轮的相对两侧上，使得所述一对编码轮的相对位移能够通过使用所述光学感测部件检测所述有效窗口的起始宽度的缩窄来确定。
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