CN112545497B - 一种测量人体攀爬功率的系统、方法、装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于攀爬机技术领域，公开了一种测量人体攀爬功率的系统、方法、装置及应用，设计阻力单元，采用发电机的阻力机构特性是当外力拉动电机时，电机会产生与之对应的阻力，以测量及控制单元档位设定的速度运转；将攀爬机上的使用者下放，使用者克服自身体重的力量，以适应电机运转的速度做向上做攀爬的动作，根据使用者的体重和下放速度可以准确的测得人体攀爬功率；然后，设计测量及控制单元，设计攀爬单元，设计固定单元，设计传动单元。本发明实现对人体攀爬功率、攀爬高度的测量，为评价人体攀爬运动能力奠定了坚实的基础；同时以发电机实现对人体攀爬速度的控制和位置控制和测量，无需外接电源，实现数据准确、在使用过程中稳定可靠。

Description

一种测量人体攀爬功率的系统、方法、装置及应用

技术领域

本发明属于攀爬机技术领域，尤其涉及一种测量人体攀爬功率的系统、方法、装置及应用。

背景技术

目前，在直立体位上进行攀爬是人类一种基础的运动能力，在日常生活中常见于登山、爬楼梯等形式，可以手脚并用，也可以用腿独立完成，在攀爬过程中人体消耗能量最终使重心升高。

现有专利发明了攀爬机，采用一个独立运动单元和四个独立运动单元运行的方式，试图以这种方法模拟这种攀爬的动作。还有些专利，使人在一定节奏下、固定高度上做上下运动，运动后测试人体的心率，用于推算人的运动能力。经过研究发现，现有的测试方法有以下不足之处：(1)可以模拟攀爬的动作并测量人体的心率等参数，由于不能测量攀爬时的功率，造成运动负荷和人体机能之间无法匹配，无法进行有价值的数据评估。(2)上述方法采用原地踏步的方式，在整个运动过程中人体重心没有发生变化，无法计算人体攀爬的高度。综上所述，研究出一种可以测量人体直立体位上攀爬功率的方法是非常有价值的。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的攀爬机模拟攀爬的动作并测量人体的心率等参数，由于不能测量攀爬时的功率，造成运动负荷和人体机能之间无法匹配，无法进行有价值的数据评估。

(2)现有的攀爬方法采用原地踏步的方式，在整个运动过程中人体重心没有发生变化，无法计算人体攀爬的高度。

解决以上问题及缺陷的难度为：功率＝速度x力量，人体运动中的功率和运动能力有直接关系，功率表现为完成一个动作时产生肌肉力量的速率。要测定运动中的功率，难度在于要准确地测定人体运动做功的力量和速度，尤其是运动中力量的测定。

解决以上问题的意义为：由于本发明采取用电机以相应速度下放人体的方法，迫使攀爬者必须用克服自身体重和附加重力的力量向上攀爬，才能稳定在一个适当的位置，这个力量就在数值上等于自身体重加附加重力。电机运转所产生的脉冲即为人体运动的准确速度，这样就测得了人体运动的准确功率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种测量人体攀爬功率的系统、方法、装置及应用。

本发明是这样实现的，一种测量人体攀爬功率的方法，所述测量人体攀爬功率的方法包括：功率＝力量x速度，要测定运动中的功率，难度在于要准确地测定运动做功的力量和速度。尤其是运动中力量的测定。

攀爬机的左右脚踏板和把手分别连接在导柱中的左右导杆上。左右导杆分别通过链条挂到嵌套在主轴上左右带单向轴承的链轮上，向下运动单向轴承锁住，运动受到主轴控制，主轴又通过链轮和链条与电机连上，所以电机的转速控制着左右导杆的向下运动，而左右导杆向上运动不受主轴控制。使用时，电机以测控单元设定的速度运转，将左右导杆下放，攀爬机上的使用者必须用克服自身体重的力量，以适应电机运转的速度做向上攀爬的动作，方可使攀爬者的位置稳定在一个适当的高度，使用者的体重和电机下放的速度都可精确测定，根据体重和下放速度可以准确的测得人体攀爬功率：

进一步，人体功率的测算如下：

人体攀爬的功率P＝F(数值上等于人体重力+负重)×V(电机下放人体的速度)。

进一步，某一套有链轮的单向离合器朝向某一固定方向转动而相反方向不转动，此套有链轮的单向离合器转动时带动主轴或中轴及嵌套的链轮向同一方向转动，不影响另一个套有链轮的单向轴转动；

若干链轮嵌套在阻力单元，链条分别与相应链轮啮合，将各部分联系在一起。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述测量人体攀爬功率的方法的测量人体攀爬功率的系统，所述测量人体攀爬功率的系统包括：

阻力单元，用于将发电机固定在固定单元的攀爬架上；采用的发电机的特性是当外力拉动电机时，电机会产生与之对应的阻力，以测量及控制单元档位设定的速度运转；将攀爬机上的使用者下放，使用者必须用克服自身体重的力量，以适应电机运转的速度做向上攀爬的动作，方可使攀爬者的位置稳定在一个适当的高度；

测量及控制单元，包括位置传感器和下位机；位置传感器测量配重块的位置，用于测量人体位置；下位机控制发电机的运动以及对测量数据的加工处理，人体攀爬的速度V和运动的距离S，由下位机进行采集并上传；

攀爬单元，包括脚踏板、手把、滑杆、滑轮、链条联接座；脚踏板、手把、滑轮和链条联接座分别安装在滑杆的不同位置，滑杆上开有若干把手插孔；

固定单元，包括攀爬架、导向杆和底座；攀爬架和导向杆分别安装固定在底座上，攀爬单元、传动单元、阻力单元、测量及控制单元分别固定在固定单元相应位置；

传动单元，包括主轴、轴承、中间轴、单向离合器、链条、链轮；主轴与中间轴两侧端用轴承固定在固定架上，中部均并列嵌套若干外套链轮的单向离合器和嵌套的链轮。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述测量人体攀爬功率的系统的测量人体攀爬功率的装置，所述测量人体攀爬功率的装置设置有：

底座；

底座上固定有导向杆和攀爬架，底座连接作为支架的导杆或支撑杆；

攀爬架与导向杆连接，底座上固定有导杆或支撑杆，导杆或支撑杆两端分别连接脚踏板和把手；

攀爬架上固定有电机支座，电机支座上固定有发电机；攀爬架上固定有中间轴座，中间轴座上固定有中间轴；攀爬架上固定有主轴座，主轴座固定主轴。

进一步，所述攀爬架下端侧固定有链条联接座。

进一步，所述发电机上嵌套一链轮，主轴两端上分别设有一单向轴，每一单向轴上外嵌套链轮，主轴中间位置外嵌套飞轮齿轮；

发电机上的链轮通过链条与主轴上嵌套的飞轮齿轮连接，主轴两端的单向轴上外嵌套的链轮，链轮上啮合有链条，链条的一端连接在脚蹬，另一端通向配重块；

两侧链条的同一端通过钢丝绳绕过连接在配重块上的滑轮上。

进一步，所述发电机为变频电机。

进一步，所述脚踏板的连接板上固定有链条，链条中段与主轴上单向轴上的链轮啮合，链条另一端通过钢丝绳与另一侧链条同端绕过位于配重部的滑轮相连接；

另一链条通过与位于主轴中部的链轮和电机上的链轮分别啮合将主轴与电机联系在一起。

本发明的另一目的在于提供一种攀爬机，所述攀爬机安装有所述的测量人体攀爬功率的装置。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明为了解决现有技术存在的技术问题，把人体攀爬时的主要特点阐述如下：(1)人体在直立位上进行攀爬时，下肢蹬伸向下发力，上肢屈肘向下做拉的动作，上述动作主要的效果是克服人体自身重力使人体产生垂直向上的运动。人体的重力与人体蹬伸等动作的合力是作用力和反作用力的关系，人体重力的数值和人体攀爬四肢、核心产生的合力相等。(2)人体在攀爬过程中，在固定体重的情况之下，攀爬速度的变化与功率的变化具有一致性。(3)人体在攀爬过程中，人体重心在垂直方向的提升，就是人体攀爬的高度。(4)人体在攀爬过程中，采用功率/体重的指标对人体运动能力进行横向比较更加客观。

本发明可以实现对人体攀爬功率、高度的测量，为评价人体攀爬运动能力奠定了坚实的基础；同时本发明以发电机实现对人体攀爬速度的控制和位置控制，可以实现数据准确、在使用过程中稳定可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的测量人体攀爬功率的系统方法流程图。

图2是本发明实施例提供的测量人体攀爬功率的系统结构示意图。

图3是本发明实施例提供的测量人体攀爬功率的系统前视图。

图4是本发明实施例提供的测量人体攀爬功率的系统左视图。

图中：1、左把手；2、主轴；3、大链轮；4、中间轴；5、中间轴座；6、发电机；7、配重；8、导向杆；9、底座；10、右脚踏板；11、攀爬架；12、左脚踏板；13、右把手；14、主轴座；15、电机支座；16、链条联接座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种测量人体攀爬功率的系统、方法、装置及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的测量人体攀爬功率的方法，包括：

S101：设计阻力单元，将发电机固定在固定单元的攀爬架上；采用的发电机的特性是当外力拉动电机时，电机会产生与之对应的阻力，以测量及控制单元档位设定的速度运转；将攀爬机上的使用者下放，使用者必须用克服自身体重的力量，以适应电机运转的速度做向上攀爬的动作，方可使攀爬者的位置稳定在一个适当的高度。

S102：设计测量及控制单元，包括位置传感器和下位机；位置传感器测量配重块的位置，用于测量人体人体位置；下位机控制发电机的运动以及对测量数据的处理，人体攀爬的速度V和运动的距离S，由下位机进行测算。

S103：设计攀爬单元，包括脚踏板、手把、滑杆、滑轮、链条联接座；脚踏板、手把、滑轮和链条联接座分别安装在滑杆的不同位置，滑杆上开有若干把手插孔。

S104：设计固定单元，包括攀爬架、导向杆和底座；攀爬架和导向杆分别安装固定在底座上，攀爬单元、传动单元、阻力单元、测量及控制单元分别固定在固定单元相应位置。

S105：设计传动单元，包括主轴、轴承、中间轴、单向离合器、链条、链轮；主轴与中间轴两侧端用轴承固定在固定架上，中部均并列嵌套若干外套链轮的单向离合器和嵌套的链轮；某一套有链轮的单向离合器朝向某一固定方向转动而相反方向不转动，此套有链轮的单向离合器转动时带动主轴或中轴及嵌套的链轮向同一方向转动，不影响另一个套有链轮的单向轴转动；若干链轮嵌套在阻力单元，链条分别与相应链轮啮合，将各部分联系在一起。

本发明实施例提供的S102中，在设计测量过程中，人体功率的测算如下：

人体攀爬的功率P＝F(数值上等于人体重力+负重)×V(电机下放人体的速度)。

如图2-图4所示，本发明实施例提供的测量人体攀爬功率的系统设置有底座9，底座9上固定有导向杆8和攀爬架11，底座9连接作为支架的导杆或支撑杆，以稳固攀爬机；攀爬架11与导向杆8连接，形成稳固支架并固定传动部分各部件位置；底座9上固定有导杆或支撑杆，导杆或支撑杆两端分别连接脚踏板和把手导杆或支撑杆为把手、脚蹬及配重块提供固定的运动轨迹；同时为使用者提供支撑点的脚踏板与把手各有两个。其中，下位机用于控制电机运行。

传动部分包括电机、主轴、飞轮齿轮、滑轮、钢丝绳、单向轴、链轮、链条。攀爬架11上固定有电机支座15，电机支座15上固定有发电机6；攀爬架 11上固定有中间轴座5，中间轴座5上固定有中间轴4；攀爬架11上固定有主轴座14，主轴座14用以固定主轴2；其中，攀爬架11下端侧固定有链条联接座16。

发电机6上嵌套一链轮，主轴2两端上分别设有一单向轴，每一单向轴上外嵌套链轮，主轴2中间位置外嵌套飞轮齿轮；发电机6上的链轮通过链条与主轴2上嵌套的飞轮齿轮连接，主轴2两端的单向轴上外嵌套的链轮，链轮上啮合有链条，链条的一端连接在脚蹬，另一端通向配重块；两侧链条的同一端通过钢丝绳绕过连接在配重块上的滑轮上。其中，电机为变频电机。脚踏板的连接板上固定有链条，链条中段与主轴2上单向轴上的链轮啮合，链条另一端通过钢丝绳与另一侧链条同端绕过位于配重部的滑轮相连接；另一链条通过与位于主轴中部的飞轮齿轮和电机上的链轮分别啮合将主轴与电机联系在一起。

本发明的工作原理为：攀爬机的左右脚踏板和把手分别连接在导柱中的左右导杆上。左右导杆分别通过链条挂到嵌套在主轴上左右带单向轴承的链轮上，向下运动单向轴承锁住，运动受到主轴控制，主轴又通过链轮和链条与电机连上，所以电机的转速控制着左右导杆的向下运动，而左右导杆向上运动不受主轴控制。使用时，电机以测控单元设定的速度运转，将左右导杆下放，攀爬机上的使用者必须用克服自身体重的力量，以适应电机运转的速度做向上攀爬的动作，方可使攀爬者的位置稳定在一个适当的高度，使用者的体重和电机下放的速度都可精确测定，根据体重和下放速度可以准确的测得人体攀爬功率：功率＝力量x速度。同时，测控单元通过蓝牙将速度与距离等数据上传给上位机显示和保存总功、功率、攀爬高度、时间、相对功率等数据。配重块通过滑轮，钢丝绳分别连接到与左右导杆连接并绕过主轴链轮后的链条的末端，一方面它平衡了左右导杆、脚踏板和把手的重量，另一方面测量它的位置可以知道使用者重心的高度。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

1.一个体重72kg攀爬者A和一个体重48kg攀爬者B使用该攀爬机，10 分钟后达到最大心率，测得A总功为179280焦尔，平均功率为299瓦。测得B 总功为133200焦尔，平均功率为222瓦。分析可知，A所做的功和平均功率要大于B，也就是说在同样的时间内，A比B可以搬运更多的物品，做更多的功。但是，A的每kg体重功率(即相对功率)为4.15W/kg，比B的4.63W/kg要小，所以实际体能比B差，在实际的爬山中B要更强一些。在本发明攀爬机上的表现为，在自适应档上的测试，B的攀爬速度要比A快。本攀爬机的发明和设计可以实现对人体体能的横向评定。

2.一个体重为62KG，25岁的攀爬者背负30kg负重，使用该攀爬机，以0.3m/ 秒的速度攀爬，做10分钟的攀爬运动，6分钟后达到142次/分钟的稳定心率。测试总功为159600焦尔，平均功率为266瓦，相对功率4.29W/kg。以上数据可以表示该攀爬者能适应该强度的登山活动。本攀爬机能帮助登山运动员、军队战士、武警战士科学的进行负重体能训练并进行机能评定。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测量人体在攀爬机上的攀爬功率的方法，其特征在于，

设置固定单元、攀爬单元、传动单元、阻力单元、测量及控制单元；

固定单元包括攀爬架、导向杆和底座，攀爬架和导向杆分别固定安装在底座上；

攀爬单元包括脚踏板、把手、导杆、链条联接座，脚踏板、把手和链条联接座分别安装在导杆的不同位置，导杆上开有若干把手插孔；

传动单元包括主轴、中间轴、单向离合器、链条、链轮；主轴与中间轴两侧端用轴承固定在固定架上，主轴左右两端上分别设有一单向轴，每一单向轴外嵌套包括单向离合器的单向链轮；

阻力单元的核心为发电机，将发电机固定在攀爬架上，当攀爬者攀爬的力拉动发电机时，发电机会产生与之对应的阻力，并以测量及控制单元档位设定的速度运转，将攀爬机上的攀爬者下放，攀爬者必须用克服自身体重的力量，以适应发电机运转的速度做向上攀爬的动作，方可使攀爬者的位置稳定在一个适当的高度；

测量及控制单元包括位置传感器和下位机，位置传感器测量在导向杆上滑动的配重块的位置，其体现人体重心的高度位置，下位机控制发电机的运转以及对测量数据的处理，包括对人体攀爬的速度V和运动的距离S进行测算和传送；

左脚踏板和左把手分别连接在攀爬架上的导柱中的左导杆上，右脚踏板和右把手分别连接在攀爬架上的导柱中的右导杆上；左导杆通过链条挂到嵌套在主轴左端带单向离合器的单向链轮上，右导杆通过链条挂到嵌套在主轴右端带单向离合器的单向链轮上，左导杆或右导杆向下运动时，其对应的链轮的单向离合器与主轴锁住、运动受到主轴控制，主轴又通过链轮和链条与发电机连接，所以发电机的转速控制着左导杆或右导杆的向下运动，而左导杆或右导杆向上运动不受主轴控制；使用时，发电机以测量及控制单元设定的速度运转，将左导杆或右导杆下放，攀爬机上的攀爬者必须用克服自身体重的力量，以适应发电机运转的速度做向上攀爬的动作，可使攀爬者的位置稳定在一个适当的高度，同时，测量及控制单元通过蓝牙将速度与距离数据上传给上位机，以显示和保存总功、功率、攀爬高度、时间、相对功率数据；牵引左、右导杆的链条绕过主轴两端的左、右单向链轮后，用一根钢丝绳将两根链条的末端连接，钢丝绳绕过滑轮，滑轮轴向固定在配重块上；

其中，人体攀爬功率的测算方法如下：

人体攀爬的功率P＝F×V，其中F为人体重力与人体负重的数值和，V为人体攀爬的速度。

2.如权利要求1所述的测量人体在攀爬机上的攀爬功率的方法，其特征在于，其中一个套有链轮的单向离合器朝向一固定方向转动而相反方向不转动，该套有链轮的单向离合器转动时带动主轴及嵌套的链轮向同一方向转动，不影响另一端的链轮的转动。

3.一种安装实施权利要求1所述的测量人体在攀爬机上的攀爬功率的方法的测量人体攀爬功率的系统，其特征在于，攀爬架与导向杆连接，攀爬架上固定有发电机支座，发电机支座上固定有发电机，攀爬架上固定有中间轴座，中间轴座上固定有中间轴，攀爬架上固定有主轴座，主轴座固定主轴。

4.如权利要求3所述的测量人体攀爬功率的系统，其特征在于，发电机上嵌套一电机链轮，主轴中间位置外嵌套飞轮齿轮，发电机上的链轮通过链条与主轴上嵌套的飞轮齿轮连接，主轴左、右两端的单向轴上各有一个内嵌单向离合器的链轮，链轮上各啮合有一根链条，左链条的一端连接左导杆，右链条的一端连接右导杆，左右两根链条的另一端绕过主轴上各自内嵌单向离合器的链轮后，一根钢丝绳将左右两根链条的末端连接，钢丝绳绕过滑轮与配重块连接。

5.如权利要求3所述的测量人体攀爬功率的系统，其特征在于发电机包括变频电机。

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