CN111601646B - 具有扁平型马达的锻炼器械 - Google Patents

Abstract

公开了一种锻炼器械。该锻炼器械包括扁平型马达。该锻炼器械包括联接到扁平型马达的扭矩控制器。该锻炼器械包括联接到扁平型马达的高分辨率编码器。

Description

具有扁平型马达的锻炼器械

背景技术

力量训练（也称为阻力训练或举重）是任何日常锻炼的重要部分。它促进肌肉的塑造、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血脂水平。许多用户寻求更高效和安全的力量训练方法。

附图说明

在以下详细描述和所附附图中公开了本发明的各种实施例。

图1A是图示锻炼器械的实施例的框图。

图1B图示了锻炼器械的一个实施例的主视图。

图1C图示了图1B的系统的透视图，其中，为了清楚起见，省略了臂、线缆和带。

图1D图示了图1B的系统的主视图。

图1E图示了图1B的传动系统的透视图。

图2A图示了锻炼器械的一个实施例的俯视图。

图2B图示了锻炼器械的替代实施例的俯视图。

图3A是稳压器的实施例的电路图。

图3B是图示用于锻炼器械的安全回路的过程的实施例的流程图。

图4是锻炼器械的一个实施例中的臂的图示。

图5A是臂的锁定位置的图示。

图5B是臂的解锁位置的图示。

图6是竖直枢轴锁定机构的实施例的图示。

图7A和7B图示了臂竖直枢轴的锁定和解锁。

图8A和8B图示了水平枢轴的导轨的俯视图。

图9A从侧视图示出了立柱（402）。

图9B示出了臂（402）的俯视图。

图9C示出了已经从顶部构件（412）拉回的装置锁定构件（415）。

图9D示出了导轨（402）的侧视图，其中线缆（501）位于导轨（402）的中心，并且臂（702）向下且直接远离器械行进。

图9E示出了主视图，现在臂（702）向下且向左行进。

图9F是向上延伸的锻炼器械臂的透视图。

图9G是水平延伸的锻炼器械臂的透视图。

图9H图示了臂（702）的分解透视图的制图，臂（702）包括其杆（732）、压缩弹簧（733）和锁定构件（722）。

图9I图示了臂（702）的组装好的剖面和非剖面透视图的制图。

图9J是锻炼器械滑块（403）的侧视图剖面，其中，其锁定机构和销被锁定。

图9K是锻炼器械滑块（403）的侧视图剖面，其中，其锁定机构和销未锁定。

图9L是锻炼器械滑块（403）的透视图，该图露出了用于臂竖直枢轴的销（404）以及齿（422）。

图9M是具有露出的齿（422）的立柱/轨道（402）中的锻炼器械滑块（403）的透视图，其中臂（702）在一点处平行于水平平面设置竖直枢轴处。

图9N是立柱/轨道（402）中的锻炼器械滑块（403）的侧视图剖面，其中臂（702）在一点处平行于水平平面设置在竖直枢轴处。

图9O是锻炼器械滑块（403）的剖面侧视图。

图9P图示了锻炼器械滑块（403）的分解透视图的制图。

图9Q是用于水平枢轴的立柱锁定机构的透视图。

图9R是顶部构件（412）的俯视图。

图9S是用于水平枢轴的立柱锁定机构的侧视图。

图9T图示了包括锁定构件（415）的立柱锁定机构的分解透视图的制图。

图9U是肘节（704）的透视图，其示出了弹簧机构，该弹簧机构使得能够接近肘节的内部（例如，图9V和9W所示的螺栓），以便例如维修肘节。

图9V是肘节（704）的透视剖面。

图9W是肘节（704）的侧视图剖面。

图9X图示了肘节（704）的分解透视图的制图。

图10A、10B和10C图示了收起配置。

图11图示了动态臂放置的覆盖区。

图12A、12B、12C和12D图示了用于锻炼器械的差速器。

图12E图示了链轮（201）和轴（210）的分解透视图的制图。

图12F图示了行星齿轮（205、207）、链轮（201）和轴（210）的分解透视图的制图。

图12G图示了用于链轮（201）的盖的分解透视图的制图。

图12H图示了太阳齿轮（204、205）的分解透视图的制图，太阳齿轮分别结合到卷轴（202、203）并与链轮（201）组装在一起。

图12I图示了具有精加工特征的组装好的差速器（200）的分解透视图的制图。

具体实施方式

本发明可以以多种方式实施，包括作为过程；设备；系统；物质的组合物；在计算机可读存储介质上具体实施的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被配置成执行存储在联接到处理器的存储器上和/或由该存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实施方式或本发明可采取的任何其他形式可被称为技术。一般来说，在本发明的范围内，所公开过程的步骤顺序可更改。除非另有陈述，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被实施为被临时配置成在给定时间处执行任务的通用部件或者被制造成执行任务的特定部件。如本文所使用的，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）的一个或多个装置、电路和/或处理核心。

下面提供了对本发明的一个或多个实施例的详细描述以及图示本发明原理的附图。结合这种实施例描述了本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限定，并且本发明涵盖许多替代方式、修改和等同方式。为了提供对本发明的透彻理解，在以下描述中阐述了许多特定细节。这些细节是出于示例的目的而提供的，并且可根据权利要求在没有这些特定细节中的一些或全部的情况下实践本发明。为了清楚起见的目的，没有详细描述在与本发明相关的技术领域中已知的技术材料，使得本发明不会被不必要地模糊。

传统上，大多数力量训练方法和/或设备落入以下类别：

体重：除了体重的重力之外，没有任何事物被用来实现阻力训练。引体向上就是这种情况的很好示例。一些系统（诸如TRX）提供可帮助更好地实现这一点的道具；

自由重量：哑铃就是传统的示例，哑铃也使用重力作为一种力来操作。用户在整个运动范围内经历的张力（在整个本说明书中被称为“所施加的张力曲线”）取决于移动角度和/或重力方向而变化。对于某些运动，诸如二头肌弯举，所施加的张力曲线是特别可变的：对于二头肌弯举，当臂完全伸展时，所施加的张力曲线从接近零处开始，在90度达到峰值，并且然后减小，直到臂再次达到接近零处的完全弯举；

固定导轨器械：使用通过线缆联接的配重的器械（例如由包括配重堆叠的金属板），所述线缆附接到凸轮，凸轮连接到在枢轴和/或导轨上延伸的机构。这些常常具有固定的所施加的张力曲线，虽然一些系统（诸如Nautilus）已经使用了奇怪形状的凸轮以便实现非线性的所施加的张力曲线。常常通过使用与期望的板相关联地插入的销来针对配重堆叠选择配重设置；和

线缆器械：也称为基于重力和金属的线缆器械，这些器械是自由重量和固定导轨器械的结合。它们包括常常经由高度或方向可调节的滑轮系统附接到线缆的配重堆叠。固定导轨器械历来因过分孤立单块肌肉而受一些人批评。另一方面，自由重量历来因激活了过多的小块稳定器肌肉而受一些人批评，激活过多的小块稳定器肌肉意味着用户的锻炼可能在大块肌肉甚至已经得到良好锻炼之前就受到这些小块肌肉的限制。线缆不在导轨上延伸，且因此仍然需要使用一些稳定器肌肉，但是没有自由配重那么多，因为拉动方向严格地沿着线缆向下。如果用户的手和线缆之间的迎角在整个运动范围内变化，则有效施加的张力曲线会变化。

虽然重力是上述所有情况中张力和/或阻力的主要来源，但也已经使用弹簧和/或挠曲的尼龙杆（如用Bowflex）、包括橡胶带/阻力带的弹性件（如用TheraBand）、气动和液压来实现张力。这些系统具有各种不同的特性，并具有自己的所施加的张力曲线。

电子阻力。也可使用电来产生张力/阻力，例如，如2017年7月20日提交的题为“数字力量训练”的共同未决的美国专利申请号15/655,682（代理人档案号：RIPTP001）中所描述的，该专利申请出于所有目的通过引用并入本文。电子阻力的示例包括使用电磁场来产生张力/阻力、使用电动机来产生张力/阻力、以及使用三相无刷直流（BLDC）马达来产生张力/阻力。本申请中所讨论的技术可应用于其他传统的锻炼器械且不限于此，例如基于气缸、弹簧、配重、挠曲尼龙杆、弹性件、气动、液压和/或摩擦的锻炼器械。

低轮廓。使用电来产生张力/阻力的力量训练器可比传统的力量训练系统（诸如配重堆叠）更小且更轻，并且因此可在在更多的地方放置、安置或安装，例如住宅的小房间的墙壁上。因此，对于这种力量训练器来说，低轮廓系统和部件是优选的。使用电来产生张力/阻力的力量训练器也可通过电子和/或数字控制而成为通用的。电子控件使得能够使用软件来控制和引导张力。相比之下，传统系统需要物理地/手动地改变张力；在配重堆叠的情况下，销必须由用户从一个金属板移动到另一个金属板。

这种使用电来产生张力/阻力的数字力量训练器通过使用动态阻力也是通用的，使得张力/阻力几乎可以瞬间改变。当张力与用户相对于其运动范围的位置相关联时，数字力量训练器可就位置以及就移动相位两者而言施加任意的所施加的张力曲线：同心的、偏心的和/或等距的。此外，这些曲线的形状可连续变化和/或响应于事件而变化；张力可根据包括位置和相位在内的多个内部和外部变量被连续控制，并且所得的所施加的张力曲线可被预先确定和/或实时连续调整。

图1A是图示锻炼器械的实施例的框图。该锻炼器械包括以下：

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）；

马达（1006），例如由控制器电路驱动的三相无刷DC；

卷轴，其具有缠绕在卷轴周围并联接到卷轴的线缆（1008）。在线缆的另一端上联接有以便用户抓握和拉动的致动器/手柄（1010）。卷轴直接地抑或经由轴/带/链条/齿轮机构联接到马达（1006）。在整个该说明书中，卷轴也可被称为“轮毂”；

滤波器（1002），其用于基于从线缆（1008）和/或致动器（1010）接收到的信息来数字地控制控制器电路（1004）；

任选地，马达和卷轴之间的齿轮箱（图1A中未示出）。齿轮箱增加扭矩和/或摩擦、分配速度、和/或将功率分给多个卷轴。在不改变数字力量训练基础的情况下，可使用多种马达和齿轮箱的组合来实现相同的最终结果。线缆-滑轮系统可以用来代替齿轮箱，和/或双马达可以用来代替齿轮箱；

以下传感器中的一者或多者（图1A中未示出）：

位置编码器；传感器，用于测量致动器（1010）或马达（100）的位置。位置编码器的示例包括霍尔效应轴编码器、马达/卷轴/线缆（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、直接内置于马达（1006）中的位置测量传感器/方法、和/或光学编码器。在一个实施例中，光学编码器与使用相位来确定与低分辨率编码器相关联的方向的编码模式一起使用。还存在测量来自马达（1006）的反-EMF（反电磁力）以便计算位置的其他选项；

马达功率传感器；用于测量正被马达（1006）消耗的电压和/或电流的传感器；

用户张力传感器；扭矩/张力/应变传感器和/或测量仪，用于测量用户向致动器（1010）施加的张力/力的大小。在一个实施例中，张力传感器内置于线缆（1008）中。替代地，应变测量仪被内置于保持马达（1006）的马达安装件中。当用户拉动致动器（1010）时，这转化成马达安装件上的应变，使用惠斯通电桥配置中的应变测量仪测量该应变。在另一个实施例中，线缆（1008）被引导通过联接到称重传感器的滑轮。在另一个实施例中，联接马达（1006）和线缆卷轴或齿轮箱（1008）的带被引导通过联接到称重传感器的滑轮。在另一个实施例中，基于输入到马达的电压、电流或频率来表征由马达（1006）产生的阻力。

在一个实施例中，三相无刷DC马达（1006）与以下部件一起使用：

· 与滤波器（1002）组合的控制器电路（1004），其包括：

o 运行软件指令的处理器；

o 三个脉宽调制器（PWM），每个脉宽调制器具有两个通道，调制频率为20 kHz；

o 处于H-电桥配置的六个晶体管，其联接到所述三个PWM；

o 任选地，监测H-电桥上的电流的两个或三个ADC（模数转换器）；和/或

o 任选地，监测反-EMF电压的两个或三个ADC；

· 三相无刷DC马达（1006），其可包括同步型和/或异步型永磁马达，使得：

o 马达（1006）可处于如下所述的“外转子（out-runner）配置”;

o 马达（1006）可具有至少60 Nm的最大扭矩输出和至少300 RPM的最大速度；

o 任选地，用编码器或其他方法来测量马达位置；

· 线缆（1008）缠绕在马达（1006）的主体周围，使得整个马达（1006）旋转，因此马达的主体在一种情况下被用作线缆卷轴。因此，马达（1006）直接联接到线缆（1008）卷轴。在一个实施例中，马达（1006）经由轴、齿轮箱、带和/或链条联接到线缆卷轴，从而允许马达（1006）的直径和卷轴的直径独立，以及如果需要的话引入级来增加设置或降低比率。替代地，马达（1006）联接到两个卷轴，在这两个卷轴之间具有用于在这两个卷轴之间分配或共享功率的设备。这种设备可以包括差速器齿轮箱或滑轮配置；和/或

· 致动器（1010），诸如手柄、杆、带条或其他附件，其直接、间接或经由连接器（诸如钩扣）连接到线缆（1008）。

在一些实施例中，控制器电路（1002、1004）被编程为沿一方向驱动马达，使得马达朝向马达（1006）牵引线缆（1008）。用户逆着马达（1006）的拉动方向拉动联接到线缆（1008）的致动器（1010）。

这种设置的一个目的是向用户提供类似于使用传统的基于线缆的力量训练器械的体验，在这种传统的力量训练器械中，线缆附接到重力作用下的配重堆叠。代替用户抵抗重力的拉力，相反，他们抵抗马达（1006）的拉力。

注意，在传统的基于线缆的力量训练器械的情况下，配重堆叠可能沿两个方向移动：远离地面或朝向地面。当用户以足够的张力拉动时，配重堆叠上升，并且当用户减小张力时，重力在力量上胜过用户且配重堆叠返回到地面。

相比之下，在数字力量训练器中，不存在真实的配重堆叠。配重堆叠的概念是由系统建模的概念。物理实施例是联接到线缆（1008）的致动器（1010），线缆（1008）联接到马达（1006）。相反，“配重移动”被转化为马达旋转。由于卷轴的周长是已知的，并且其旋转速度是已知的，所以可计算线缆的线性运动，以提供与配重堆叠的线性运动等效的运动。卷轴的每次旋转等于一个周长或对于半径为r的2πr的线性运动。同样，马达（1006）的扭矩可通过将其乘以半径r而转换成线性力。

如果虚拟/感知的“配重堆叠”正远离地面移动，则马达（1006）沿一个方向旋转。如果“配重堆叠”正朝向地面移动，则马达（1006）沿相反方向旋转。注意，马达（1006）正朝向线缆（1008）拉动到卷轴上。如果线缆（1008）正在解卷绕，则这是因为用户已经在力量上胜过马达（1006）。因此，注意马达（1006）正拉动的方向和马达（1006）正实际转动的方向之间的区别。

如果控制器电路（1002、1004）被设置成以例如沿使线缆卷绕的方向（对应于与配重堆叠正被拉向地面相同的方向）的恒定扭矩驱动马达（1006），那么这转换成在线缆（1008）和致动器（1010）上的特定力/张力。将该力称为“目标张力”，该力可被计算为扭矩乘以线缆（1008）缠绕在其周围的卷轴的半径的函数，其考虑了可能影响线缆张力和扭矩之间关系的任何附加级，诸如齿轮箱或带。如果用户以比目标张力更大的力拉动致动器（1010），则该用户克服马达（1006）并且线缆（1008）朝向该用户移动地解卷绕，这是配重堆叠上升的虚拟等同方式。然而，如果用户施加的张力小于目标张力，则马达（1006）克服用户，并且线缆（1008）卷绕到马达（1006）上并朝向马达（1006）移动，这是配重堆叠返回的虚拟等同方式。

BLDC马达。虽然存在许多以每秒数千转运行的马达，但是诸如针对力量训练设计的健身器材的应用具有不同的要求，并且相比之下是低速度、高扭矩类型的应用，其适合于针对较低速度和较高扭矩而配置的某些类型的BLDC马达。

在一个实施例中，这种马达（1006）的要求是，在用户以每秒62英寸的最大线速度拉动线缆的情况下，缠绕在给定直径的卷轴周围、直接联接到马达（1006）的线缆（1008）表现得像200磅的配重堆叠。可基于卷轴的直径计算多个马达参数。

因此，联接到直径为3英寸的卷轴的具有67.79 Nm的力和395 RPM的最高速度的马达满足这些要求。395 RPM比大多数可用的马达更慢，且68 Nm也比市场上的大多数马达扭矩更大。

轮毂马达是处于“外转子（out-runner）”配置的三相永磁BLDC直接驱动马达：在整个本说明书中，外转子意味着永磁体被放置在定子外侧而不是内侧，与具有被放置在定子内侧的永磁体转子的许多马达不同，因为它们更多针对速度而不是扭矩设计。外转子在外侧上具有磁体，从而允许更大的磁体和磁极计数，并且针对扭矩而非速度设计。另一种描述外转子配置的方式是当轴被固定且马达主体旋转时。

轮毂马达也往往是“扁平样式”。如本文所述，扁平型马达比大多数马达直径更大且深度更小。扁平样式的马达对于期望维持低深度的墙壁安装、底层地板安装和/或地板安装应用是有利的，诸如要安装在消费者家中或锻炼设施/区域中的一件健身器材。如本文所述，扁平型马达是直径大于其深度的两倍的马达。如本文所述，扁平型马达的直径在15至60厘米之间，例如直径为22厘米，其深度在6至15厘米之间，例如深度为6.7厘米。

马达也可以是“直接驱动”，这意味着马达不包含或不需要齿轮箱级。许多马达本质上是高速度低扭矩，但是包含内部齿轮箱以将马达减速到具有较高扭矩的较低速度，并且可以被称为齿轮马达。直接驱动马达可被明确地称为直接驱动马达，这样以表明它们不是齿轮马达。

如果马达不完全满足上表中所示的要求，则可通过使用齿轮或带来调节速度和扭矩之间的比率。马达联接到9”链轮（该链轮经由带联接卷轴，该卷轴联接到4.5”链轮）使马达的速度加倍且扭矩减半。替代地，2：1的传动比可用来实现相同的效果。同样，卷轴的直径可被调节以实现相同的效果。

替代地，速度为100倍且扭矩为100分之一的马达也可与100：1齿轮箱一起使用。由于这种齿轮箱还使摩擦和/或马达惯性增加100倍，因此扭矩控制方案对于健身器材/力量训练应用的设计变得具有挑战性。摩擦可能会主导用户的体验。在其他应用中，摩擦可能存在，但其低到足以使其得到补偿，但当它成为主导时，则难以控制该摩擦。由于这些原因，直接控制马达扭矩更适合健身器材/力量训练系统。这通常将会导致选择感应式马达，对于感应式马达来说，直接控制扭矩是简单的。虽然BLDC马达能够更直接地控制速度和/或马达位置而不是扭矩，但是当与适当的编码器结合使用时，可以通过适当的方法实现BLDC马达的扭矩控制。

参考设计。图1B图示了锻炼器械的一个实施例的主视图。公开了一种锻炼器械（1000），其包括扁平型马达（100）、联接到扁平型马达的扭矩控制器（600）以及联接到扁平型马达（102）的高分辨率编码器。如本文所述，“高分辨率”编码器是具有30度或更大电角度的任何编码器。两根线缆（500）和（501）分别在线缆的一端上联接到致动器（800）和（801）。两根线缆（500）和（501）在相对端上直接或间接地联接到马达（100）。虽然感应马达可用于马达（100），但是BLDC马达就其成本、尺寸、重量和性能而言是优选实施例。BLDC马达在控制扭矩方面比感应马达更具挑战性，并且因此高分辨率编码器辅助系统确定BLDC马达的位置。

滑块（401）和（403）可分别用于分别沿着轨道（400）和（402）引导线缆（500）和（501）。图1B中的锻炼器械将马达扭矩转化为线缆张力。当用户拉动致动器（800）和/或（801）时，该器械在线缆（500）和/或（501）上产生/维持张力。致动器（800、801）和/或线缆（500、501）可串联或彼此独立地致动。

在一个实施例中，电子设备舱（600）被包括在内并且具有驱动系统所需的电子设备。在一个实施例中，风扇托盘（500）被包括在内并且具有冷却电子设备舱（600）和/或马达（100）的风扇。

马达（100）通过带（104）联接到编码器（102）、任选的带张紧器（103）和卷轴组件（200）。马达（100）优选为外转子，使得轴是固定的且马达主体围绕该轴旋转。在一个实施例中，马达（100）产生沿面向锻炼器械的逆时针方向的扭矩，如图1B中的示例。马达（100）具有与沿着外圆周集成到马达主体中的带相容的齿。参照观察系统前部的取向，带（104）的左侧处于张力下，而带的右侧松弛。带张紧器（103）消除带中的任何松弛。联接到带（104）的张紧侧的光学旋转编码器（102）因为带张力而以相当高的准确度捕获所有马达移动。在一个实施例中，光学旋转编码器（102）是高分辨率编码器。在一个实施例中，齿形带（104）用于减少带打滑。卷轴在它们卷绕线缆/收入线缆时逆时针旋转，并且在它们解卷绕/释放线缆时顺时针旋转。

卷轴组件（200）包括前卷轴（203）、后卷轴（202）和带链轮（201）。卷轴组件（200）将带（104）联接到带链轮（201），并将两根线缆（500）和（501）分别与前卷轴（203）和后卷轴（202）联接。这些部件中的每一者都是低轮廓设计的一部分。在一个实施例中，图1B中未示出的双马达配置被用于驱动每根线缆（500）和（501）。在图1B所示的示例中，单个马达（100）被用作单个张力来源，其中被配置为差速器的多个齿轮用于允许两根线缆/致动器独立地或串联操作。在一个实施例中，卷轴（202）和（203）直接邻近于链轮（201），从而使图1B中的器械轮廓最小化。

如图1B所示，两个臂（700、702）、两根线缆（500、501）和两个卷轴（202、203）有益于用户使用双手，并且所公开的原理（不限于）可扩展至三个、四个或更多个臂（700），以用于四足动物和/或团体锻炼。在一个实施例中，所述多根线缆（500、501）和卷轴（202、203）由一个链轮（201）、一条带（104）和一个马达（100）驱动，并且因此器械（1000）将与每个用户的手相关联的成对的装置组合成单个装置。

在一个实施例中，尽管线缆（500）和（501）中的每一者可以以不同的速度移动的事实，但是马达（100）应当在线缆（500）和（501）上提供恒定的张力。例如，一些体育锻炼可能一次只需要使用一根线缆。对于另一个示例，用户可能在其身体的一侧上比另一侧更强壮，从而导致线缆（500）和（501）之间的移动速度不同。在一个实施例中，用于单条带（104）和链轮（201）的组合双线缆（500）和（501）的装置应保持低轮廓，以便维持该器械可以安装在墙壁上的紧凑性质。

在一个实施例中，扁平样式的马达（100）、链轮（201）和卷轴（202、203）以这样的方式制造和布置，使得它们在相同的空间内物理地装配在一起，从而在维持低轮廓的同时使功能性最大化。

如图1B所示，卷轴（202）和（203）分别联接到缠绕在卷轴周围的线缆（500）和（501）。线缆（500）和（501）分别按路线延伸穿过系统到达致动器（800）和（801）。

线缆（500）和（501）分别通过使用“臂”（700）和（702）部分地定位。臂（700）和（702）提供滑轮和/或枢轴点可针对其定位的框架。臂（700）的基部在臂滑块（401）处，且臂（702）的基部在臂滑块（403）处。

用于左臂（700）的线缆（500）在一端处附接到致动器（800）。线缆经由臂滑块（401）按路线延伸，在滑块（401）处，线缆在其改变方向时接合滑轮，然后沿着导轨（400）的旋转轴线按路线延伸。在导轨（400）的顶部处，滑轮（303）固定到框架而不是导轨，滑轮（303）将线缆沿滑轮（300）的方向定向，滑轮（300）进一步将线缆（500）沿卷轴（202）的方向定向，其中线缆（500）缠绕在卷轴（202）周围并且在另一端处附接到卷轴（202）。

类似地，用于右臂（702）的线缆（501）在一端处附接到致动器（601）。线缆（501）经由滑块（403）按路线延伸，在滑块（403）处，线缆在其改变方向时接合滑轮，然后沿着导轨（402）的旋转轴线按路线延伸。在导轨（402）的顶部处，滑轮（302）固定到框架而不是导轨，滑轮（302）将线缆沿滑轮（301）的方向定向，滑轮（301）进一步将线缆沿卷轴（203）的方向上定向，其中，线缆（501）缠绕在卷轴（203）周围并且在另一端处附接到卷轴（203）。

滑轮（300、301）的一个重要用途是它们允许相应的线缆（500、501）“一直向前（straight on）”而不是以一定角度接合相应的卷轴（202、203），其中“一直向前”指的是在垂直于给定卷轴的旋转轴线的平面内。如果给定的线缆以一定角度接合，则该线缆可能在给定卷轴的一侧上形成束，而不是沿着给定卷轴均匀分布。

在图1B所示的示例中，滑轮（301）低于滑轮（300）。这出于任何功能上的原因都不是必要的，但这证明了为线缆定路线的灵活性。在优选实施例中，将滑轮（301）安装得更低为某些设计美学元素留出间隙，这使得器械看起来更薄。图1C图示了图1B的系统的透视图，其中为了清楚起见，省略了臂、线缆和带。图1D图示了图1B系统的主视图。图1E图示了图1B的传动系统的透视图。

图2A图示了锻炼器械的一个实施例的俯视图。在一个实施例中，图2A的俯视图是图1B所示系统的俯视图。只要马达扭矩沿逆时针方向，那么线缆就处于张力下。基于包括马达（100）、链轮（201）和卷轴（202）和（203）的相对直径的因素，张力的量与由马达产生的扭矩成正比。如果拉动线缆的力克服了张力，则相应的卷轴将解卷绕释放的线缆，并且因此卷轴将顺时针旋转。如果力低于张力，则相应的卷轴将会卷绕收入线缆，并且因此卷轴将会逆时针旋转。

当马达正由用户反向驱动时，即当用户正在收回线缆时，但马达正在抵抗，并且马达正在产生功率。这种额外功率可能导致系统内部电压上升。使电压稳定，以防止电压无限上升从而导致系统故障或进入不安全状态。在一个实施例中，使用功率耗散来稳定电压，例如消耗额外功率作为热。

图2B图示了锻炼器械的替代实施例的俯视图。如图2B所示，可通过旋转和平移双卷轴组件省去滑轮（300）和（301）。双卷轴组件的理想位置将被放置成使得从两个卷轴到相应的滑轮（302）和（303）的线缆路线是一直向前的。省去这些滑轮既减少了系统摩擦，又降低了成本，但代价是使得器械（1000）更厚，也就是说，从前到后不那么浅。

电压稳定。图3A是稳压器实施例的电路图。稳压器包括提供系统功率的电源（603），该电源具有保护元件（602）。这种系统可具有固有的或按设计的电容（612）。马达控制器（601）联接到电源（603），电源包括马达控制电路以及消耗或产生功率的马达。控制器电路（604）控制联接到作为开关的高瓦数电阻器（607）的FET晶体管（608），以稳定系统功率。电阻器（607）的样本值是300瓦电阻器/加热器。利用电阻器网络（605）和（606）的电阻分压器被布置成使得电压测试点（609）处的电势是系统电压（611）的特定分数。当FET（608）接通时，功率通过电阻器（607）消耗。到FET（610）栅极的控制信号将其接通和断开。在一个实施例中，该控制信号是以某一频率接通和断开的脉宽调制（PWM）。通过改变占空比和/或接通与断开的时间百分比，可控制通过电阻器（607）耗散的功率量。决定PWM频率的因素包括马达控制器的频率、电源的能力以及FET的能力。在一个实施例中，15-20 KHz范围内的值是适当的。

控制器（604）可使用微控制器、微处理器、离散的数字逻辑、任何可编程门阵列和/或模拟逻辑（例如模拟比较器和三角波发生器）来实施。在一个实施例中，用于实施马达控制器（601）的同一微控制器也用于实施电压稳定控制器（604）。

在一个实施例中，使用48伏电源（603）。因此，该系统可被设计成在高达60伏的最大电压下操作。在一个实施例中，控制器（604）测量系统电压，并且如果电压低于49伏的最小阈值，则PWM具有0%的占空比，这意味着FET（610）被断开。如果马达控制器（601）产生功率，并且电容（612）充电，从而导致系统电压（611）上升到49伏以上，则控制器（601）将增加PWM的占空比。如果系统的最大操作电压是60伏，那么将使用的简单关系是选取低于60伏的最大目标电压（诸如59伏），使得在59伏下，PWM被设置为100%占空比。因此，使用PWM占空比的线性关系，使得占空比在49伏下为0%，且在59伏下为100%。关系的其他示例包括：非线性关系；基于系数的关系，所述系数诸如是代表由PID回路调节的线性线的斜率的系数；和/或直接控制PWM占空比的PID回路。

在一个实施例中，控制器（604）是微控制器，使得模数转换器（ADC）每秒15,000次测量系统电压，调用计算来计算PWM占空比，然后输出具有对应于该占空比的周期的脉冲。

安全。用户的安全和器材的安全对于锻炼器械来说是重要的。在一个实施例中，安全控制器使用一个或多个模型来检查系统行为，并将系统置于安全停止状态（也称为错误停止模式或ESTOP状态），以防止或最小化对用户和/或器材的伤害。安全控制器可以是控制器（604）的一部分或单独的控制器（图3A中未示出）。安全控制器可在冗余模块/控制器/子系统中实施，和/或使用冗余来提供额外的可靠性。图3B是图示用于锻炼器械的安全回路的过程的实施例的流程图。

取决于错误的严重程度，从ESTOP恢复可以是快速且自动的，或者需要用户干预或系统维修。

在步骤3002中，从一个或多个传感器收集数据，示例包括：

1）经由马达内的霍尔传感器的马达（100）的旋转；

2）经由联接到带的编码器（103）的马达（100）的旋转；

3）两个卷轴（202、203）中的每一者的旋转；

4）三相马达（100）的每一相上的电流；

5）安装到框架的加速度计；

6）安装到每个臂（400、402）的加速度计；

7）马达（100）扭矩；

8）马达（100）速度；

9） 马达（100）电压；

10）马达（100）加速度；

11）系统电压（611）；

12）系统电流；和/或

13）安装在系统中的一个或多个温度传感器。

在步骤3004中，模型对传感器数据进行分析以确定它在规格内还是在规格外，包括但不限于：

1）三相马达（100）所有三条引线上的电流之和应等于零；

2）马达（100）消耗的电流应当与马达（100）产生的扭矩成正比。该关系由马达的扭矩常数定义；

3）马达（100）的速度应当与施加到马达（100）的电压成正比。该关系由马达的速度常数定义；

4）马达（100）的电阻是固定的，且不应改变；

5）由编码器测量的马达（100）的速度、反EMF电压（例如过零）和霍尔传感器都应当一致；

6）马达（100）的速度应等于两个卷轴（202、203）的速度之和；

7）安装到框架的加速度计应当报告很少或没有移动。移动可表明框架安装件已经变得松动；

8）系统电压（611）应当在安全范围内，例如如上所述，在48和60伏之间；

9）系统电流应在与马达额定值相关联的安全范围内；

10）温度传感器应在安全范围内；

11）系统的物理模型可以离散的时间间隔连续地计算扭矩的安全量。通过测量线缆速度和张力，该模型可迭代地预测可在马达（100）处测量的扭矩量。如果在马达处发现比预期更小的扭矩，则这表明用户已经释放一个或多个致动器（800、801）；和/或

12）安装到臂（400、402）的加速度计应当报告很少或没有移动。移动将表明臂以某种方式发生故障，或者用户已经解锁臂。

在步骤3006中，如果已经确定违反了模型，则系统可进入错误停止模式。在这种ESTOP模式下，取决于严重性，它可能会做出以下一种或多种响应：

1）禁用到马达的所有功率；

2）禁用主系统电源，依靠辅助电源来保持处理器运行；

3）将马达扭矩和/或线缆张力降低至最大安全值，例如等同于将产生5磅马达张力的扭矩；和/或

4）限制最大马达速度，例如线缆以每秒5英寸的速度收回的等同方式。

臂。图4是锻炼器械的一个实施例中的臂的图示。当锻炼器械很小时，例如将装配在住宅中的墙壁上时，可以方便且更频繁地使用锻炼器械。如图4所示，臂（702）提供一种定位线缆（501）以为用户的锻炼提供方向性阻力的方式，例如，如果臂（702）将线缆用户起始点（704）定位成靠近地面，则通过向上拉动致动器（801），用户可执行二头肌弯举锻炼或提举锻炼。同样，如果臂（702）将线缆用户起始点（704）定位在用户上方，则通过向下拉动致动器（801），用户可执行高滑轮下拉锻炼。

传统上，锻炼器械利用沿竖直方向枢转的一个或多个臂来提供沿竖直方向的可调节性。然而，要实现全范围的可调节性，需要长臂。如果用户希望具有8英尺的调节使得臂的末端可在用户上方离地面8英尺的位置，或在地面位置处，则可能需要5英尺的臂才是实用的。这是不方便的，因为它需要更多的空间来使臂枢转，并且限制了这种器械可以放置的位置数量。此外，更长的臂承受更大的杆臂力，并且增加了接头的尺寸和复杂性以便处理那些更大的力。如果臂的长度可以保持在三英尺以下，则可更方便地放置器械，并且杆臂力可能更合理。

图4示出了连接到导轨（402）上的滑块（403）的臂（702）。不限于此，以下讨论等同地适用于图1B中连接到滑块（401）和导轨（400）的臂（700）。注意，如图4所示，线缆（501）在臂（702）内行进。为了清楚起见，从下面关于臂（702）及其移动的一些附图和讨论中省略了线缆（501）。

公开了一种能够以不同方向和方式移动的锻炼器械的臂（702）。三个方向和方式包括：1）平移；2）竖直枢转；和3）水平枢转。

平移。在一个实施例中，如图4所示，臂（702）能够在导轨（402）上竖直滑动，其中导轨（402）的高度在24和60英寸之间，例如42英寸。臂（702）安装到在导轨（402）上滑动的滑块（403）。这被镜像在具有导轨（400）上的滑块（401）的器械的另一侧上。

如图1B所示，滑块（401）位于比右滑块（403）更高的竖直位置处，因此臂（700）的基部比臂（702）的基部更高。图5A和5B示出了臂（702）可以如何沿竖直方向上下移动。

图5A是臂的锁定位置的图示。在图5A中，滑块（403）内的销（404）处于锁定位置。这意味着销（404）的端部位于一组导轨孔（405）中的一个导轨孔内。销（404）可通过不同方式设置在该位置中，包括手动推动、弹簧收缩以及电驱动运动。

图5B是臂的解锁位置的图示。在图5B中，对于导轨孔（405），销（404）已经收回。这使得滑块（403）能够沿导轨（402）向上或向下移动，这使臂（702）向上或向下移动。在一个实施例中，用户手动地移动滑块（403）。在替代实施例中，马达使用线缆张力和重力使滑块上下移动到期望的位置。

沿导轨（402）上下滑动滑块（403）物理上包括臂（702）的重量。臂（702）（其长度在2到5英尺之间（例如3英尺长），并且例如由钢制成）重量可在6到25磅之间，例如10磅。这可能被一些用户认为直接携带很重。在一个实施例中，马达（100）被配置成通过产生与滑块（403）上的臂（702）的重量匹配的张力（例如线缆（501）上的10磅）来在“臂线缆辅助”模式下操作，并且用户可容易地沿导轨上下滑动滑块（403）而不会感知到臂的重量。

锻炼器械是经过校准的，使得线缆上的张力与滑块的重量匹配，因此用户感知不到臂的重量。校准可通过将线缆张力调节到这样的水平来实现，即滑块（403）既不会在线缆（501）的张力下上升，也不会在重力下下落。通过与用于平衡重力的马达扭矩相比增加或减少马达扭矩，可使滑块可下落得更低或上升得更高。

如图1B所公开的，将马达（100）和双卷轴组件（200）放置成靠近器械顶部。替代设计可将重型部件放置成靠近器械底部，使得线缆（500）和（501）从底部按路线延伸到滑块，这将对用户隐藏线缆和滑轮。通过将较重的部件放置成靠近器械顶部、将线缆从器械顶部和立柱向下定路线到滑块允许线缆张力抵消重力的影响。这允许利用马达扭矩来产生线缆张力，该线缆张力允许用户在没有到立柱顶部的额外的滑轮组的情况下感知不到臂和滑块的重量。这还允许在没有用户干预的情况下利用马达扭矩来移动滑块和臂。

竖直枢转。除了向上和向下平移之外，臂可向上和向下枢转，其中臂的基部处于固定位置，以在定位给定臂的用户起始点时提供大范围的灵活性。将臂（702）保持在固定的竖直枢转位置可需要将臂（702）与滑块（403）锁定。

图6是竖直枢轴锁定机构的实施例的图示。在图6中，滑块（403）包括具有齿（422）的部分（420）。齿（422）与臂（702）的凹形锁定构件（722）匹配。

公开了使用梯形齿来进行锁定。齿（422）和匹配的凹形锁定构件（722）使用梯形形状而不是矩形形状，因为矩形配件应当为齿进入凹形锁定构件留出空间。使用矩形齿在锁定接头中引起“摆动”，并且该摆动在臂（702）的端部处产生杠杆作用（leveraged）。进入凹形锁定机构（722）的一组梯形齿（422）使得两个构件更容易紧密联接，从而使接头摆动最小化。

使用一组梯形齿增加了在高负载压力下时接头打滑/反向驱动的风险。根据经验，在1度和15度（例如5度）之间的斜面使接头打滑最小化，同时使进入和紧固的容易度最大化。梯形的斜面被设置成使得反向驱动力的量低于梯形表面彼此之间的摩擦力。

图7A和7B图示了臂竖直枢轴的锁定和解锁。在图7A中，臂（702）被锁定在滑块部分（420）中。如图7A所示，齿（422）和凹形构件（722）紧密联接。这种紧密联接由压缩弹簧（733）产生的力产生。

在图7B中，用户解锁臂（702）。当用户向上拉动臂（702）的杆（732）时，这导致弹簧（733）释放其压缩，从而导致凹形锁定构件（722）向后拉动，从而与齿（422）脱离。在臂（702）因此脱离的情况下，用户可围绕孔（451）自由地向上或向下枢转臂（702）。要将臂（702）锁定到新的竖直枢转位置，用户将杆（732）返回到图7A的平坦位置。

水平枢转。臂可围绕滑块水平枢转，以便针对不同的锻炼提供彼此靠近或进一步远离的致动器（800、802）的用户起始点。在一个实施例中，导轨（402）枢转，从而允许臂（702）枢转。

图8A和8B图示了水平地枢转的导轨的俯视图。在图8A中，臂（702）以与器械面成90度取向的方式定位成直接从器械伸出。臂（702）可锁定到滑块，如图7A所示。此外，滑块（403）可被锁定到导轨（402）中，如图5A所示。

图8B示出了导轨（402）、滑块（403）和围绕孔（432）向右枢转的臂（702）的所有。当臂处于解锁位置时，用户可简单地通过向左或向右移动臂来做到这一点。

图9A、9B和9C图示了用于水平枢轴的锁定机构。图9A从侧视图示出了立柱（402）。该视图示出了顶部构件（412）。在一个实施例中，图9A中未示出的导轨（402）的底部具有对应的底部构件（412a，未示出），其具有与顶部构件（412）相同的功能和操作。

图9B示出了臂（402）的俯视图。该视图示出了顶部构件（412）和对应的底部构件（412a）两者都具有齿（413）。齿（413）可以围绕顶部构件（412）的整个圆周放置，或者仅围绕其对应于导轨（402）的最大旋转或期望位置的特定圆弧放置。

图9B示出了当装置锁定构件（415）的齿（414）紧密联接到齿（413）时处于锁定位置的导轨（402）。这种紧密联接防止导轨（402）以及因此防止臂（702）水平地向左或向右枢转。

图9C示出了已经被从顶部构件（412）拉回的装置锁定构件（415）。在一个实施例中，装置锁定构件（415）使用类似的压缩弹簧机构，如图7A和7B所示。这与底部构件（412a）的拉回一起释放导轨（402）以围绕线缆（501）自由旋转。为此，用户根据期望简单地向左或向右旋转臂（702）。在一个实施例中，机构被用于允许顶部/底部构件（412、412a）的同时解锁和锁定。

同心路径。为了使线缆（501）适当地操作、承受高重量负荷并允许导轨旋转，它应当始终保持并在导轨（402）的中心行进，无论臂（702）指向哪个方向或导轨（402）旋转的方向怎样。图9D和9E图示了用于布线的同心路径。

图9D示出了导轨（402）的侧视图，其中线缆（501）位于导轨（402）的中心，并且臂（702）向下且直接远离该器械行进。图9E示出了主视图，现在臂（702）向下且向左行进。在图9D和图9E的视图中，线缆（501）直接位于导轨（402）的中心。该系统通过使滑块（403）偏心并包括滑轮（406）来实现线缆（501）的该同心路径，滑轮（406）随着臂（702）、滑块（403）和导轨（402）的旋转而水平地旋转。

臂机械制图。图9F-9X图示了臂（700、702）、联接到臂的部件（诸如滑块（401、403））、以及臂的各种特征的机械制图。图9F是向上延伸的锻炼器械臂的透视图。图9F是从以一定角度向上延伸的臂（702）及其相关联的立柱（400）的侧视图，其中臂处于其沿着立柱（400）的最高位置处。图9G是水平延伸的锻炼器械臂的透视图。图9G是从水平笔直延伸的臂（702）及其相关联的立柱（400）的侧视图，其中臂处于其沿着立柱（400）的最高位置处。图9H图示了臂（702）的分解透视图的制图，臂（702）包括其杆（732）、压缩弹簧（733）和锁定构件（722）。图9I图示了臂（702）的组装好的剖面和非剖面透视图的制图两者。

图9J是锻炼器械滑块（403）的侧视图剖面，其中，其锁定机构和销被锁定。图9K是锻炼器械滑块（403）的侧视图剖面，其中，其锁定机构和销未锁定。图9L是锻炼器械滑块（403）的透视图，该图露出了用于臂竖直枢轴的销（404）和齿（422）。图9M是具有露出的齿（422）的立柱/轨道（402）中的锻炼器械滑块（403）的透视图，其中臂（702）在一点处平行于水平平面设置在竖直枢轴处。图9N是立柱/轨道（402）中的锻炼器械滑块（403）的侧视图剖面，其中臂（702）在一点处平行于水平平面设置在竖直枢轴处。在图9N的剖面内可以看到凹形锁定构件（722）和压缩弹簧（733）。图9O是锻炼器械滑块（403）的剖面侧视图。图9P图示了锻炼器械滑块（403）的分解透视图的制图。

图9Q是用于水平枢轴的立柱锁定机构的透视图。图9Q示出了与装置锁定构件（415）对接的顶部构件（412）两者。图9Q不受限制地示出了用于控制装置锁定构件（415）的螺线管机构。图9R是顶部构件（412）的俯视图，并且图9S是用于水平枢轴的立柱锁定机构的侧视图。图9T图示了包括锁定构件（415）的立柱锁定机构的分解透视图的制图。

在一个实施例中，用户起始点（704）是可配置的“肘节”，以允许用于引导线缆（500、501）的局部旋转。图9U是肘节（704）的透视图，其示出了弹簧机构，该弹簧机构使得能够接近肘节的内部（例如，图9V和9W所示的螺栓），以便例如维修肘节。其具有的好处是可以隐藏肘节的某些部分，而不妨碍接近它们。图9V是肘节（704）的透视剖面。图9W是肘节（704）的侧视剖面。图9X图示了肘节（704）的分解透视图的制图。

收起。公开了使臂（700、702）收起以提供最紧凑的形式。当臂（702）如上所述那样朝向器械顶部向下移动并竖直枢转直到与如上所述的器械齐平时，器械处于其最紧凑形式的收起配置。图10A、10B和10C图示了收起配置。图10A示出了这种收起配置，其中轨道（400、402）可水平枢转，直到臂面向器械（1000）的背面并且完全在用户的视野之外。图10B图示了收起在轨道（402）后面的臂（702）的透视图机械制图。

图10C示出这种配置可能不引人注目。安装在墙壁（2000）上的器械（1000）可占用不超过一面带有装饰性框架的大镜子或其他这种壁挂的空间。这种紧凑的配置使得器械（1000）作为住宅或办公室环境中的锻炼器材很有吸引力。通常，家庭锻炼器材消耗大量的底板空间，使得它们成为步行交通的障碍。传统的家庭锻炼器材缺乏允许器材具有令人愉悦的美感的功能性。安装在墙壁（2000）上的器械（1000）导致较少的阻碍并且避免令人不快的美感。

运动范围。诸如力量训练器械的锻炼器械在其促进全身锻炼时更有用。公开了一种这样的锻炼器械：其被设计成可配置的，使得其可以在多个位置并以多个取向展开，以允许用户进行全身锻炼。在一个实施例中，锻炼器械（1000）可在左侧上以三个自由度调节且在右侧上以三个自由度调节，总共六个自由度。

如上所述，每个臂（700、702）可向上或向下平移/移动、向上或向下枢转、或者向左和向右枢转。总的来说，相对于器械（1000）的紧凑尺寸，这种大范围的运动提供了相当大覆盖区的锻炼区域。图11图示了动态臂放置的覆盖区。如图11所示的覆盖区（2100）表明紧凑/不引人注目的器械（1000）可以为任何尺寸的人服务，这些人的“翼展”不同。如本文所述，翼展是当臂水平向左和向右伸展时，左右指尖之间的距离。

臂传感器。通过可移动臂（700、702）来对电气/数据连接进行布线并不简单，因为接头是复杂的，而测量臂角度的传感器是有用的。在一个实施例中，加速度计被放置在联接到无线发射器的臂中，两者都由电池供电。加速度计测量重力的角度，其重力是一个恒定的加速度。无线发射器将该信息发送回控制器，并且在一个实施例中，使用的无线协议是蓝牙。

为了制造效率，一个臂与另一个臂倒置安装，因此在任何一种情况下控制杆（732）都向内定向。由于两个臂因此是彼此的镜像，所以来自加速度计的信号可至少部分地因为加速度计被倒置/镜像在一个相对的臂上而被区分。

差速器。图12A - 12D图示了用于锻炼器械的差速器。图12A参考与图1B和图2中相同的编号示出了差速器的俯视图，其中链轮（201）和卷轴（202、203）围绕轴（210）旋转。

图12B图示了图12A的剖面图。除了针对图12A所示和讨论的部件之外，该图示出了嵌入链轮（201）以及卷轴（202）和（203）内的部件的差速器配置。在一个实施例中，太阳齿轮（204）和（206）分别嵌入卷轴（203）和（202）内的空腔内。在一个实施例中，行星齿轮（205）嵌入链轮（201）内，其中行星齿轮（205）与卷轴（203、202）内的太阳齿轮（204、206）啮合。

太阳齿轮（204、206）和行星齿轮（205）的这种配置作为差速器操作。也就是说，太阳齿轮（204、206）围绕轴（210）在单个竖直平面内旋转，而行星齿轮（205）既在该竖直平面内旋转，还水平地旋转。如本文所述，差速器是具有三个轴的齿轮箱，使得一个轴的角速度是其他轴的角速度的平均值，或者该平均值的固定倍数。在一个实施例中，为了促进更紧凑的配置，使用锥齿轮样式而不是正齿轮。

所公开的太阳齿轮（204、206）和行星齿轮（205）的使用和/或将齿轮嵌入诸如链轮（201）的其他部件内允许较小尺寸的差异，以用于针对力量训练的目的在线缆（500）和（501）之间分配马达张力。

图12C图示了差速器（200）的剖面图机械制图。图12C示出了组装好的链轮（201）、前卷轴（202）、后卷轴（203）和轴（210）。

图12D图示了链轮（201）的主视剖面图。在一个实施例中，如图12B所示，使用多个行星齿轮代替单个齿轮（205）。如图12D所示，链轮（201）被示为具有容纳行星齿轮（205）和（207）的空腔（211）和（212）。不受限制地，链轮（201）能够嵌入多个行星齿轮。更多的行星齿轮实现更平衡的操作，并减少其相应齿上的负载，但花费的代价是更大的摩擦。空腔（211）和（212）与链轮（201）和卷轴（202）和（203）内的其它空腔一起共同形成“保持架”（200），太阳齿轮（204、206）和行星齿轮（205、207）被容纳在该“保持架”中并在其中操作。

如图12D所示，行星齿轮（205）和（207）分别安装在轴（208）和（209）上。因此，这些齿轮沿水平方向围绕这些轴旋转。如上所述，当这些齿轮围绕它们的轴旋转时，它们也可以作为链轮（201）的一部分围绕图12B和12D的轴（210）旋转。

在一个实施例中，系统中的每个行星齿轮和太阳齿轮具有安置在其内的至少两个轴承以辅助在轴上的平滑旋转，并且链轮（201）具有安置在其中心孔内的至少两个轴承以辅助在轴（210）上的平滑旋转。轴（210）可具有保持环，以辅助将两个太阳齿轮（204、206）定位在轴（210）上。

在一个实施例中，间隔件可在轴（210）上安置在太阳齿轮（204、206）和链轮（201）之间，以维持太阳齿轮（204、206）的位置。行星齿轮（205、207）的位置可通过保持架（200）上保持特定行星齿轮（205、207）的参考表面通过使用间隔件抑或内置特征来转位（index）。

差速器机械制图。图12E-12I图示了差速器（200）的详细机械制图和差速器的各种特征。图12E图示了链轮（201）和轴（210）的分解透视图的制图。图12F图示了行星齿轮（205、207）、链轮（201）和轴（210）的分解透视图的制图。图12G图示了用于链轮（201）的盖的分解透视图的制图。图12H图示了太阳齿轮（204、205）的分解透视图的制图，太阳齿轮（204、205）分别结合到卷轴（202、203）并与链轮（201）组装在一起。图12I图示了具有精加工特征的组装好的差速器（200）的分解透视图的制图。

图12A-12I中所示的部件一起作为紧凑的、集成的、扁平样式的齿轮箱（200）运行。与齿形带（104）啮合的链轮（201）的齿（213）使得扁平式差速器/齿轮箱（200）能够以特定的、预先测量的增量旋转。这可允许电子设备舱（600）维持对线缆（500）和（501）的长度的准确计算。

在健身应用中使用差速器并不简单，因为用户对线缆的感觉很敏感。许多传统健身解决方案使用简单的滑轮来将张力从一根线缆分至两根线缆。使用差速器（200）以及卷轴可带来许多好处和挑战。使用差速器的替代方案是利用两个马达或张力产生方法。这实现了两根线缆，但是取决于应用的要求可能会不太理想。

一个好处是卷绕显著更大量的线缆的能力。简单的滑轮系统限制了可由用户拉动的线缆的距离。对于基于卷轴的配置，对拉动长度的唯一限制是可以物理存储在卷轴上的线缆的量——这可通过使用更细的线缆或更大的卷轴来增加。

一个挑战是对线缆的感觉。如果用户拉动线缆并检测到经过彼此的齿轮的齿，这可能对用户来说是不愉快的体验。公开了使用球面齿轮而不是传统的直齿锥齿轮，这提供了更平滑的操作。可使用金属齿轮，或者可使用塑料齿轮来降低噪音和/或降低用户对齿的感觉。

线缆零点。对于可配置的臂（700、702），器械（1000）必须记住对应于完全收回的相应致动器（800、801）的每根线缆（500、501）的位置。如本文所述，该完全收回点是“零点”。当线缆处于零点时，马达（100）不应以全力进一步拉动该线缆。例如，如果重量设置为50磅，则马达（100）不应以50磅拉动完全收回的线缆，因为这会浪费功率并产生热量。

在一个实施例中，每当线缆的端部在从零点开始的一长度范围内（例如3 cm），则马达（100）被驱动以将线缆张力降低到反而更低的量，例如5磅。因此，当用户拉动处于零点的致动器/线缆时，他们将在开始的3厘米内感测到5磅的标称阻力张力，此后，预期的全张力（例如50磅）将开始。

在一个实施例中，为了在系统加电时确定零点，线缆被收回直到它们停止。另外，如果系统在预定的一定量的时间内（例如60秒）处于无线缆运动的空转状态，则系统将会重新校准其零点。在一个实施例中，将在每个臂重新配置（例如如上图5A和5B所述的臂平移）之后确定零点。

线缆长度变化。为了确定线缆何时处于零点，器械可能需要知道线缆是否已经移动以及已经移动了多少。跟踪线缆长度变化对于确定用户正拉动了多少线缆也很重要。例如，在图5A和5B所示的过程中，如果用户将滑块（403）向下移动20 cm，则线缆长度将已增加了20 cm。通过跟踪这种长度变化，器械（1000）避免高估用户拉动的长度，并避免不知道使线缆张力从全张力下降到标称张力所处的理想线缆长度。

在优选实施例中，为了跟踪线缆长度变化，该器械在图5A和5B的每个立柱孔（405）中具有传感器。当用户使销（404）收回时，该孔中的传感器向电子设备舱（600）发送滑块（403）将要移动的信号。一旦用户将滑块（403）移动到新位置并重置销（404），接收销（404）的导轨孔（405）就向电子设备舱（600）发送滑块（403）的新位置的信号。该信号使得电子设备舱（600）能够计算先前孔和当前孔（405）之间的距离，并将该值添加到当前记录的线缆长度或从线缆的当前记录长度减去。从孔（405）到电子设备舱（600）的关于销（404）收回和重置的控制信号沿着物理传输线行进，不论线缆（501）或销（404）在何处，该物理传输线维持连接。

在实践中，用户仅在线缆完全收回时使销（404）收回并更换销（404），因为如上所述，滑块和臂重量匹配阻力以上的任何线缆阻力使得在物理上相当难以移除销。由于器械（1000）始终维持线缆上的张力以便抵消滑块加臂的重量，所以当滑块上下移动时，线缆自动调节其自己的长度。在重新插入销之后，器械会重新调零线缆长度和/或获知线缆的零点在何处。

在替代实施例中，传感器在销（404）中，而不是在孔（405）中。与优选实施例相比，孔（405）和电子设备舱（600）之间的物理连接仍然存在，并且一旦销（404）被移除或重置，仍然产生信号以将其发送到电子设备舱（600）。一个不同之处在于，信号由销（404）而不是相关的孔（405）发起。这可能不如优选实施例那样高效，因为由于系统启动，孔（405）仍然需要将它们的位置传送到电子设备舱（600），就好似孔（405）不能传送它们的位置一样，器械将无法知道导轨（402）上的滑块（403）位于何处。

在一个实施例中，电子设备（600）使用孔传感器（405）来确定臂位置并相应地调节马达（100）上的扭矩。电子设备（600）也可使用臂位置来检查适当的锻炼，例如，臂对于二头肌弯举来说是低的，以及对于高滑轮下拉来说是高的。

线缆安全。当用户已经收回线缆（501）时，通常有相当大的力正被施加在图5A和5B的滑块（403）上。该力使得用户使销（404）在这一点处收回具有物理挑战性。在用户将线缆（501）收回到零点并且器械将张力重置在5磅的标称重量处之后，用户反而可能发现很容易将销（404）收回。

在没有安全协议的情况下，如果用户能够在正向线缆（501）施加例如50磅的力的同时开始移除销（404），则在用户完全移除销（404）和器械将张力重量减少到5磅之间将会随之发生竞争。由于竞争的结果是不确定的，因此有潜在的不安全的条件，即首先被移除的销将会在50磅的力的作用下突然向上猛拉滑块和臂。在一个实施例中，安全协议被配置成使得孔（405）中的每个传感器包括安全开关，该安全开关通知电子设备舱（600）将马达张力降低到安全水平，诸如5或10磅。被触发的这种开关的电气速度和被降低的马达张力远大于滑块将抵抗重力被向上拉动的速度。

在优选实施例中，锁定销（404）的移除使系统将线缆张力降低到抵消滑块和臂的重量的张力量。这允许使滑块和臂感觉起来无重量。

墙壁托架。为了使锻炼器械更容易安置在家里，在一个实施例中，框架不直接安装在墙壁。相反，首先将墙壁托架安装到墙壁，并且然后将如图1C所示的框架附接到墙壁托架。使用墙壁托架具有的好处是允许一个人来安置该系统，而不需要至少两个人。使用墙壁托架还允许安装进入墙壁螺柱的硬件（诸如方头螺栓），以便将托架隐藏在器械后面。替代地，如果器械（1000）是直接安装的，那么安装硬件将是可接近和可见的，以允许安置。使用墙壁托架还可以保持器械在钻进墙壁中和/或安置硬件时远离所产生的灰尘。

紧凑性。使用数字力量训练的一个优点是紧凑性。所公开的系统包括用于保持整个系统小型的接头和锁定机构的设计，例如使用用于保持系统小型的扁平型马达（100）和差速器（200），以及用于保持臂（700）短的导轨（400）和滑块（401）。

紧凑的系统还允许使用较小的滑轮。当线缆横越系统时，它必须经过几个滑轮。传统健身器材使用常常直径为3英寸至5英寸的大滑轮，因为大直径滑轮具有较低的摩擦力。所公开的系统因为电子设备箱（600）中的马达控制滤波器的摩擦补偿能力而使用许多1英寸的滑轮；用户感知不到摩擦，因为系统会对其进行补偿。这种额外的摩擦也阻尼了对差速器（200）中齿轮齿的感觉。

尽管为了清楚理解的目的，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。有许多实施本发明的替代方式。所公开的实施例是说明性的而非限制性的。

Claims (17)

1.一种锻炼器械，包括：

扁平型马达；

联接到所述扁平型马达的扭矩控制器；

联接到所述扁平型马达的卷轴，以及缠绕在所述卷轴周围的线缆；

臂，所述臂定位所述线缆，其中所述臂包括：1）臂滑块，所述臂滑块使所述臂平移并且沿着与所述臂相关联的轨道引导线缆，2）竖直枢轴锁定机构，所述竖直枢轴锁定机构使所述臂定位且保持在固定的竖直枢转位置，和3）用于所述轨道的水平枢轴机构；

在所述臂的端部处联接到所述线缆的致动器；

联接到所述扁平型马达的高分辨率编码器，其中所述高分辨率编码器确定所述扁平型马达的马达位置，其中所述高分辨率编码器通过带联接到所述扁平型马达，并且其中所述高分辨率编码器联接到带的张紧侧；和

第二编码器，所述第二编码器具有比所述高分辨率编码器低的分辨率，其中所述第二编码器确定所述致动器的位置。

2.根据权利要求1所述的锻炼器械，还包括联接到所述扁平型马达以耗散功率的稳压器，其中所述稳压器包括控制信号以调制通过电阻器耗散的功率。

3.根据权利要求1所述的锻炼器械，其中，所述锻炼器械是力量训练器械。

4.根据权利要求1所述的锻炼器械，还包括联接到所述扁平型马达的差速器。

5.根据权利要求4所述的锻炼器械，其中，所述卷轴包括第一卷轴，其中所述锻炼器械包括第二卷轴，并且其中，每个卷轴联接到所述差速器。

6.根据权利要求5所述的锻炼器械，其中，所述臂包括第一臂，其中，所述线缆包括第一线缆，其中，所述锻炼器械进一步包括：第二臂；和第二线缆，并且其中：所述第一线缆缠绕在所述第一卷轴周围；所述第二线缆缠绕在所述第二卷轴周围；所述第一臂定位所述第一线缆；并且所述第二臂定位所述第二线缆。

7.根据权利要求6所述的锻炼器械，其中，所述扁平型马达、第一卷轴和第二卷轴安装成靠近所述锻炼器械的顶部。

8.根据权利要求6所述的锻炼器械，其中，所述线缆在锻炼器械的顶部上按路线延伸。

9.根据权利要求1所述的锻炼器械，还包括联接到所述扁平型马达的低轮廓齿轮箱。

10.根据权利要求1所述的锻炼器械，还包括联接到所述扁平型马达的低轮廓差速器。

11.根据权利要求1所述的锻炼器械，其中，所述锻炼器械是低轮廓的。

12.根据权利要求1所述的锻炼器械，其中，所述扁平型马达包括第一扁平型马达，并且其中，所述锻炼器械还包括第二扁平型马达。

13.根据权利要求12所述的锻炼器械，其中，所述卷轴包括第一卷轴，其中，所述锻炼器械还包括第二卷轴，并且其中，所述第一卷轴联接到所述第一扁平型马达，并且其中，所述第二卷轴联接到所述第二扁平型马达。

14.根据权利要求13所述的锻炼器械，其中，所述臂包括第一臂，其中，所述线缆包括第一线缆，其中所述锻炼器械进一步包括：第二臂；和第二线缆，其中：所述第一线缆缠绕在所述第一卷轴周围；所述第二线缆缠绕在所述第二卷轴周围；所述第一臂定位所述第一线缆；并且所述第二臂定位所述第二线缆。

15.根据权利要求1所述的锻炼器械，还包括墙壁托架，其中，所述锻炼器械至少部分地悬挂在所述墙壁托架上。

16.根据权利要求1所述的锻炼器械，其中，所述扁平型马达具有齿，所述齿与沿着外圆周集成到所述扁平型马达的主体中的带相容。

17.根据权利要求1所述的锻炼器械，其中，所述扁平型马达使用线缆张力和重力将所述臂滑块上下移动到对于所述臂的期望位置。

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