CN112774085B - 基于柔性机械臂原理的健身器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于健身器材设计制造技术领域，具体涉及一种基于柔性机械臂原理的健身器，包括机械臂、支撑部，机械臂与支撑部连接，所述机械臂末端设有机械交互结构；还包括力馈关节、运动控制模块、力场控制模块、人机交互模块与人体运动姿态分析模块；本发明不使用任何配重进行力量控制，可以在有限的环境中进行过去只能在专业环境中才能完成的健身训练。本发明能够模拟多种庞大的健身设备，将众多健身房中的大型运动器材小型化，一体化，使有限空间内的力量训练成为可能，也能让健身房节约大量设备占地，极大的提高其运营效率。

Description

基于柔性机械臂原理的健身器
技术领域
本发明属于健身器材设计制造技术领域，具体涉及一种基于柔性机械臂原理的健身器。
背景技术
力量训练是人类参与健身运动中必不可少的组成部分。力量训练通让人体与器械进行多次多组的力量对抗来提高肌肉力量、增加肌肉围度。力量训练以无氧训练为基础，可以提高上肢力量、腰腹部力量、下肢力量等、力量训练包括徒手训练和负重训练，负重训练比徒手训练拥有更好的运动效果。
现有负重训练需要通过固定或自由健身器械来完成，这些设备的动力来源分为“被动阻尼来源”与“主动动力来源”。被动阻力使用于传统健身设备，包括：
重物阻尼：通过让人体与配重块、配重片等重物产生的力量对抗进行训练，例如杠铃、哑铃、蹬腿机、史密斯机等。
水利阻尼：通过让人体与液体产生的阻力进行对抗进行训练，例如划船机、登高机。
空气阻尼：通过让人体与空气产生的阻力进行对抗进行训练，例如带有风扇的动感单车。
磁力阻尼：通过让人体与磁力产生的阻力进行对抗进行训练，例如椭圆机、磁阻动感单车。
弹簧阻尼：通过让人体与弹力结构(弹簧、液压、气压等)产生的阻力进行对抗进行训练，例如拉力器。
肌肉力量训练的有效性来自与肌肉运动过程中能量消耗之后的超量恢复效应。力量的控制、运动的轨迹、运动的速度对于健身效果而言尤为重要。在现有健身器材中，受制于动力来源的产生原理，健身器往往具备以下问题：
健身器通过增减配重块的形式改变训练力量，每次增减配重只能增减固定的重量，如增减5公斤配重。训练力量变化间隔大，容易造成过度训练或训练不足。
通过增减配重块调节力量的健身器材，在一次训练中只能使用恒定的力量，如需调整力量，必须等待训练完成后才能进行更换。无法精确控制每次训练效果，使每次训练完成时都恰好达到肌肉消耗与过量恢复的临界值，无法精确的完成肌肉训练所需的力竭训练。
配重块密度恒定，为了增加可调范围，必须配置大量配重，体积巨大。以史密斯机为例，若要配置总重100公斤的杠铃片配重，需要通过2个20公斤片，2个10公斤片，4个5公斤片和一根20公斤杠铃杆搭配实现，总体积巨大，无法使用于有限环境。
现有技术力量方向恒定，每次训练只能固定方向施力，运动受力点单一，无法做到对健身者运动需求的精确控制。单一设备只能使用单一动作，训练部位单一。
部分固定器械虽然可以控制运动轨迹，但无法跟踪、控制运动的速度，不利于锻炼效果提升。
针对以上问题，一些智能健身器材尝试使用其他力量来源对健身流程进行控制，例如气压动力，或者通过电机控制金属拉索来制造对抗阻力，然而这些设备同样因为其自身基于的原理具有一些重大缺陷。
气动控制健身器材过将气筒连接在机械设备上，通过调节气筒内气压的方式来调整机械运动。然而这种作用方式响应频率低，响应速度慢，控制范围窄，且设备巨大。气动调节只适用于连接金属链条用作部分拉力训练，并不具备更广泛用途。
通过电机连接钢索进行力量控制可以在一定程度上给健健身器带来主动控制的单向力量，通过调整设备外观和使用方式，可以实现部分推拉动做，并根据使用者的输出力量反馈进行相应的调整。然而，这类设备只能调整力量的大小，不能调整力量的方向和力量的加速度，无法模拟复杂器械的工作效果，无法在一个动作中同时实现推、拉两个方向阻力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于柔性机械臂原理的健身器，通过由算法控制的机械臂结构向健身者提供可以对力量的加速度、强度、方向进行可实时精确控制的、连贯的、可变的对抗力量，使在有限空间内可以达到的健身效率大幅提高。
本发明采取的技术方案具体如下：
一种基于柔性机械臂原理的健身器，包括机械臂、支撑部，机械臂与支撑部连接，所述机械臂末端设有与人的肢体相配合的机械交互结构；还包括力馈关节、运动控制模块、力场控制模块、人机交互模块与人体运动姿态分析模块；所述力馈关节位于机械臂与支撑部的连接处和/或机械臂本身的各个关节处，所述力馈关节包含力量传感器、动力器件以及机械传动机构；人机交互模块用于选择\输入训练模式和训练强度，人机交互模块将训练模式和训练强度参数输送至力场控制模块，力场控制模块根据接收的训练模式和训练强度参数生成机械臂末端发力需求参数并将该参数发送至运动控制模块，运动控制模块根据接收到的机械臂末端发力需求参数计算出每个力馈关节的动力输出参数并将各动力输出参数发送至各个力馈关节，各个力馈关节驱动机械臂各关节动作，各力量传感器检测各力馈关节的实际受力参数并形成负反馈控制逻辑，力场控制模块将机械臂运动参数反馈至人机交互模块。
本发明取得的技术效果为：本发明不使用任何配重进行力量控制，可以在有限的环境中进行过去只能在专业环境中才能完成的健身训练。借助于对机械臂的精确控制，健身器能实时干预健身者的运动姿态，在健身者动作出现偏差时可以通过限制轨迹的方式纠正健身动作，在健身者出现力竭或其他运动风险时及时停止运动，保证运动安全。本发明能够模拟多种庞大的健身设备，将众多健身房中的大型运动器材小型化，一体化，使有限空间内的力量训练成为可能，也能让健身房节约大量设备占地，极大的提高其运营效率。
附图说明
图1是本发明的实施例所提供的基于柔性机械臂原理的健身器的立体结构示意图；
图2是本发明的实施例所提供的基于柔性机械臂原理的健身器电控模块部分的结构框图；
图3是本发明的实施例所提供的双手握把的结构示意图；
图4是本发明的实施例所提供的座椅的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
如图1、2所示，一种基于柔性机械臂原理的健身器，包括机械臂、支撑部4，机械臂与支撑部4连接，所述机械臂末端设有与人的肢体相配合的机械交互结构；还包括力馈关节、运动控制模块、力场控制模块、人机交互模块与人体运动姿态分析模块；所述力馈关节位于机械臂与支撑部的连接处和/或机械臂本身的各个关节处，所述力馈关节包含力量传感器、动力器件以及机械传动机构；人机交互模块用于选择\输入训练模式和训练强度，人机交互模块将训练模式和训练强度参数输送至力场控制模块，力场控制模块根据接收的训练模式和训练强度参数生成机械臂末端发力需求参数并将该参数发送至运动控制模块，运动控制模块根据接收到的机械臂末端发力需求参数计算出每个力馈关节的动力输出参数并将各动力输出参数发送至各个力馈关节，各个力馈关节驱动机械臂各关节动作，各力量传感器检测各力馈关节的实际受力参数并形成负反馈控制逻辑，力场控制模块将机械臂运动参数反馈至人机交互模块。
所述人机交互模块还用于输入运动姿态检测控制指令，人机交互模块将运动姿态检测控制指令发送至人体运动姿态检测模块，人体运动姿态检测模块接收力场控制模块输出的机械臂运动参数，并根据该参数计算人体实际运动姿态数据，再将人体运动姿态数据发送至人机交互模块。
本发明中人机交互模块的交互应当指双向的信息流动，包含两方面：1、人对机器下达指令；2、机器对人反馈信息。其中，机器对人反馈的信息可能包含：a.机器运行的状态；b.机器获取的人体监控数据，例如运动时间、强度、心跳频率、呼吸速率等；c.考虑到机器的联网游戏功能，还可能反馈其他玩家的各种参数。反馈的参数通过人机交互模块展示给用户，显示参数的方式可以在多种显示类型中进行选择，例如数据、图表、静态图像与动态图像等。
所述机械臂包括第一动力臂1和第二动力臂2，第一动力臂1通过第一力馈关节与支撑部4铰接，第二动力臂2通过第二力馈关节与第一动力臂1铰接，第一力馈关节和第二力馈关节的动力器件与运动控制模块电连接；所述机械交互结构与第二动力臂2连接。
所述第一力馈关节和第二力馈关节的机械传动机构相同，其中第一力馈关节的机械传动机构包括连杆8和滑动部7，所述滑动部7沿第一动力臂1长度方向与第一动力臂1滑动连接，所述连杆8的一端与滑动部7铰接，另一端与一固定座5铰接，固定座5与支撑部4连接，第一动力臂1与固定座5铰接；所述第一力馈关节的动力器件是用于驱动滑动部7滑动的直线驱动元件。
所述固定座5沿竖直方向与支撑部4活动连接以使机械臂的整体竖直高度可调。
如图3所示，所述机械交互结构为双手握杆3，所述双手握杆3包括固定部31和折叠部32，所述固定部31水平设置，所述折叠部32铰接在固定部31两端使折叠部32能够在以下两工位间活动：工位一，折叠部32与固定部31同轴；以及工位二，折叠部32相对于固定部31向上或向下摆动至与固定部31成夹角的状态。
如图1、4所示，支撑部4上设有座椅6，所述座椅6包括底座63、第一翻板61和第二翻板62，第一翻板61和第二翻板62表面设有软垫，第一翻板61和第二翻板62与底座63同轴铰接使第一翻板61和第二翻板62能够在以下三工位间进行切换：工位a，第一翻板61为直立状态，第二翻板62为摊平状态；工位b，第一翻板61为摊平状态，第二翻板62为直立状态；以及工位c，第一翻板61和第二翻板62均为摊平状态，所述第一翻板61、第二翻板62和底座63之间设有能够将三者保持在上述三个工位且能够将三者从上述三个工位释放的第一锁止机构。
所述底座63与支撑部4上设置的滑轨滑动连接，且滑轨与底座63之间设有能够将底座63锁止在任意位置且能够将底座63从该位置释放的第二锁止机构。
所述人机交互模块为移动终端，所述双手握杆3上设有用于固定移动终端的支架12。
所述机械交互结构上设有用于检测人体生理参数的检测模块，检测模块包括双手握杆3上设置的电流传感器11，电流传感器11用于检测人体心率和血样数据，检测模块将检测数据发送至人机交互模块。
以下结合几种具体使用场景对本发明的技术方案进行详细说明：
卧推训练
将座椅6调解成平摊状态，并锁定于轨道上，将双手握杆3调解至工位一，使用者通过人机交互模块将机械臂调整为卧推训练模式，用户平躺于座椅6之上，向上推举双手握杆3，机械臂向下施加压力，压力可在0-100kg之间线性调节，力量可满足从入门水平至专业水平的卧推训练强度要求。
深蹲训练
该动作无需用到座椅6，因此将座椅6滑动至靠近机械臂的位置并锁定以将其收纳，将双手握把调节至工位一，用户半蹲于支撑部4之上，双手握把中部靠在用户肩膀上方，用户双手支撑双手握杆3向上进行深蹲训练，机械臂在双手握杆3位置向下施加压力，压力可在0-100kg之间线性调节，力量可满足从入门水平至专业水平的深蹲训练强度要求。
划船机训练
将座椅6调节至朝向机械臂的坐姿，用户坐于座椅6之上，双手握住握把，向后用力拉，机械臂在水平方向上产生阻力，模拟划船训练。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (8)

1.一种基于柔性机械臂原理的健身器，其特征在于：包括机械臂、支撑部（4），机械臂与支撑部（4）连接，所述机械臂末端设有与人的肢体相配合的机械交互结构；还包括力馈关节、运动控制模块、力场控制模块、人机交互模块与人体运动姿态分析模块；所力馈关节位于机械臂与支撑部的连接处和/或机械臂本身的各个关节处，所述力馈关节包含力量传感器、动力器件以及机械传动机构；人机交互模块用于选择\输入训练模式和训练强度，人机交互模块将训练模式和训练强度参数输送至力场控制模块，力场控制模块根据接收的训练模式和训练强度参数生成机械臂末端发力需求参数并将该参数发送至运动控制模块，运动控制模块根据接收到的机械臂末端发力需求参数计算出每个力馈关节所需的动力输出参数并将各动力输出参数发送至各个力馈关节，各个力馈关节驱动机械臂各关节动作，各力量传感器检测各力馈关节的实际受力参数并形成负反馈控制逻辑，力场控制模块将机械臂运动参数反馈至人机交互模块；所述机械臂包括第一动力臂（1）和第二动力臂（2），第一动力臂（1）通过第一力馈关节与支撑部（4）铰接，第二动力臂（2）通过第二力馈关节与第一动力臂（1）铰接，第一力馈关节和第二力馈关节的动力器件与运动控制模块电连接；所述机械交互结构与第二动力臂（2）连接；所述第一力馈关节和第二力馈关节的机械传动机构相同，其中第一力馈关节的机械传动机构包括连杆（8）和滑动部（7），所述滑动部（7）沿第一动力臂（1）长度方向与第一动力臂（1）滑动连接，所述连杆（8）的一端与滑动部（7）铰接，另一端与一固定座（5）铰接，固定座（5）与支撑部（4）连接，第一动力臂（1）与固定座（5）铰接；所述第一力馈关节的动力器件是用于驱动滑动部（7）滑动的直线驱动元件。
2.根据权利要求1所述的基于柔性机械臂原理的健身器，其特征在于：所述人机交互模块还用于输入运动姿态检测控制指令，人机交互模块将运动姿态检测控制指令发送至人体运动姿态检测模块，人体运动姿态检测模块接收力场控制模块输出的机械臂运动参数，并根据该参数计算人体实际运动姿态数据，再将人体运动姿态数据发送至人机交互模块。
3.根据权利要求1所述的基于柔性机械臂原理的健身器，其特征在于：所述固定座（5）沿竖直方向与支撑部（4）活动连接以使机械臂的整体竖直高度可调。
4.根据权利要求1所述的基于柔性机械臂原理的健身器，其特征在于：所述机械交互结构为双手握杆（3），所述双手握杆（3）包括固定部（31）和折叠部（32），所述固定部（31）水平设置，所述折叠部（32）铰接在固定部（31）两端使折叠部（32）能够在以下两工位间活动：工位一，折叠部（32）与固定部（31）同轴；以及工位二，折叠部（32）相对于固定部（31）向上或向下摆动至与固定部（31）成夹角的状态。
5.根据权利要求1所述的基于柔性机械臂原理的健身器，其特征在于：支撑部（4）上设有座椅（6），所述座椅（6）包括底座（63）、第一翻板（61）和第二翻板（62），第一翻板（61）和第二翻板（62）表面设有软垫，第一翻板（61）和第二翻板（62）与底座（63）同轴铰接使第一翻板（61）和第二翻板（62）能够在以下三工位间进行切换：工位a，第一翻板（61）为直立状态，第二翻板（62）为摊平状态；工位b，第一翻板（61）为摊平状态，第二翻板（62）为直立状态；以及工位c，第一翻板（61）和第二翻板（62）均为摊平状态，所述第一翻板（61）、第二翻板（62）和底座（63）之间设有能够将三者保持在上述三个工位且能够将三者从上述三个工位释放的第一锁止机构。
6.根据权利要求5所述的基于柔性机械臂原理的健身器，其特征在于：所述底座（63）与支撑部（4）上设置的滑轨滑动连接，且滑轨与底座（63）之间设有能够将底座（63）锁止在任意位置且能够将底座（63）从该位置释放的第二锁止机构。
7.根据权利要求4所述的基于机械臂的健身器，其特征在于：所述人机交互模块为移动终端，所述双手握杆（3）上设有用于固定移动终端的支架（12）。
8.根据权利要求4所述的基于柔性机械臂原理的健身器，其特征在于：所述机械交互结构上设有用于检测人体生理参数的检测模块，检测模块包括双手握杆（3）上设置的电流传感器（11），电流传感器（11）用于检测人体心率和血样数据，检测模块将检测数据发送至人机交互模块。
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