CN113164807A - 多功能锻炼装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于人、尤其是宇航员锻炼的多功能锻炼装置，该装置包括第一模块(1)和第二模块(4)，第一模块包括可操作地连接至扭矩阻力机构(3)的线缆卷轴系统(2)，第二模块包括飞轮(5)和用于向飞轮提供阻力的制动器(6)。本发明提供的用于进行锻炼的能力将飞轮和制动器与扭矩阻力机构相结合，为训练身体关节和肌肉群提供了进一步的可能性。

Description

多功能锻炼装置
技术领域
本公开涉及一种用于人类、尤其是宇航员锻炼的多功能锻炼装置。该多功能锻炼装置可以用于在宇航员长时间处于微重力状态时，训练各种身体关节和肌肉群。
背景技术
在太空中的微重力情况下，肌肉始终处于松弛状态，导致肌肉萎缩加速。因此，宇航员和太空旅行者在执行任务时需要锻炼。
只能在地球上使用(earth-bound)的锻炼装置通常施加实际重量以给用户提供阻力。然而，在微重力下，必须以其它方式获得阻力，例如可伸缩绳、气压缸、电动制动器、扭矩带等。
US2014/0213414中公开了一种使用气动阻力机构的多功能锻炼装置。用户通过抓住连接至气动阻力机构的杆与该装置互动。在US2018/0021614公开的替代实施例中，阻力机构是从以下制动器组成的组中选择的阻力机构：线性致动器制动器、线性致动器机电制动器、线性致动器摩擦盘制动器、步进电机制动器、伺服电机制动器、伺服电机电磁制动器、伺服电机摩擦盘制动器和电粒子制动器。
由于重量和空间的限制，可以被带到太空船上的锻炼装置数量有限。此外，一些阻力机构的尺寸和质量都很大。因此，宇航员在锻炼类型的多样化方面受到限制。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于人、尤其是宇航员锻炼的多功能锻炼装置，该装置包括第一模块和第二模块，第一模块包括可操作地连接至扭矩阻力机构的线缆卷轴系统，第二模块包括飞轮和用于向飞轮提供阻力的制动器，
其中，第一模块和第二模块可以相对于彼此布置在至少第一位置和第二位置，使得在第一位置，第一模块的扭矩阻力机构可操作地连接至第二模块的飞轮，并且在第二位置，当用户拉动线缆卷轴系统时，第一模块的扭矩阻力机构独立于飞轮操作。
连接至扭矩阻力机构的线缆卷轴系统特别适用于诸如举重的抗阻锻炼，而连接至向飞轮提供阻力的制动器的飞轮特别适用于诸如骑行和划船的耐力锻炼。本发明提供的用于进行锻炼的能力将飞轮和制动器与扭矩阻力机构相结合，为训练身体关节和肌肉群提供了进一步的可能性。值得注意的是，已经发现，当两种类型的阻力组合时，由于飞轮产生惯性并且扭矩阻力机构形成恒力，所以划船体验更加类似于船滑过水面和Concept2划船机。
在本发明的一个实施例中，扭矩阻力机构连接至联接机构的第一部分，并且飞轮连接至联接机构的第二部分，从而当联接机构的第一部分和第二部分接合时，能够实现可操作的连接。在一个优选方面，联接机构的第一部分和第二部分分别是使用公共轮轴接合的第一轮毂和第二轮毂。第一轮毂和第二轮毂可以设置有平行于轴线的凹槽，其中，凹槽对应于设置在公共轮轴内的脊部。
在本发明的一个实施方式中，第一模块和第二模块通过铰链连接，以允许多功能锻炼装置在第一位置和第二位置之间移动。铰链允许在位置之间相对快速地转移，从而允许用户感觉到不受阻碍的训练体验。
在本发明的一个实施例中，铰链是双铰链，其允许第一模块的表面与第二模块的表面齐平。由第一模块和第二模块的表面形成的平整平台允许用户站在平台上进行各种锻炼。
在本发明的一个实施方式中，第一模块和第二模块可以布置在第三位置，在第三位置，第一模块的主延展垂直于第二模块的主延展。第三位置允许使用飞轮和制动器作为骑行阻力。
当根据本发明的多功能锻炼装置转换为训练器模式时，通常第二轮毂设置有贯穿轮轴，在第三位置，该贯穿轮轴的每个端部分别装配有踏板臂和踏板。优选地，第二轮毂设置有平行于轴线的凹槽，其中，凹槽对应于设置在贯穿轮轴内的脊部。
为了提高多功能锻炼装置的可用性，可以提供用于容纳座柱的接合装置。接合装置通常设置在第二模块上，以允许提供在诸如骑行和划船的耐力锻炼期间使用的座柱。座柱可以包括可调节管，可调节管的一端与接合装置接合，并且在另一端设置有座。
在本发明的一个实施例中，制动器包括制动带，制动带围绕飞轮的部分周边布置；以及张力调节机构，张力调节机构允许调节制动带的张力。
为了在线缆卷轴系统和用户之间引导线缆，通常应用旋转接头。在本发明的一个实施方式中，第一模块设置有用于容纳卷轴线缆的旋转接头。在本发明的另一实施例中两个旋转接头分别设置在由与第二模块的平面齐平的第一模块的平面提供的平台的每个端部。
本发明还涉及一种用于多功能锻炼装置的线缆卷轴系统，该线缆卷轴系统包括可旋转地轴颈安装在轴上的两个线缆卷轴、两个环形齿轮和至少两个小齿轮，
其中，两个环形齿轮中的一个连接至两个卷轴中的一个，两个环形齿轮中的另一个连接至两个卷轴中的另一个，
两个环形齿轮面向彼此，其中，至少两个小齿轮布置在两个环形齿轮之间，其中，至少两个小齿轮分别与两个环形齿轮两者啮合，并且
轴设置有用于至少两个小齿轮中每个小齿轮的小齿轮托架。
线缆卷轴系统允许两个独立的线缆由单个电机驱动。卷轴的差动设置意味着如果同时使用两个线缆，则线缆将以1:1的比率随轮轴移动。如果只使用单个线缆而另一线缆未使用，则线缆将以2:1的比率随轮轴移动。线缆卷轴系统允许卷轴独立于轮轴旋转，并且由此，轮轴上的扭矩将在各个卷轴之间平均分配。
在本发明的一个实施方式中，小齿轮托架从轴沿径向延伸，小齿轮托架在其远端设置有至少两个小齿轮中的一个小齿轮，该小齿轮围绕小齿轮托架的轮轴可旋转地轴颈安装。与其它托架组件相比，这种设计允许简单且有效的结构且易于维护。
在本发明的一个优选方面，每个线缆卷轴的外表面上具有周向槽，用于容纳相应线缆。外表面的设计允许操纵线缆，使其保持在线缆卷轴上的适当位置并且不会卡住。
在本发明的一个实施例中，线缆卷轴使用滚珠轴承可旋转地轴颈安装在轴上。
滚珠轴承为线缆卷轴提供稳定性。轴承一般是使用非接触式金属密封件的不锈钢轴承。此类密封件将油脂保持在适当位置，同时提供最少的摩擦。
在本发明的另一实施方式中，每个卷轴使用两个或更多个滚珠轴承轴颈安装。该两个或更多个滚珠轴承为卷轴提供轮轴向稳定性，使得当用户拉动线缆时，卷轴不会在轮轴上晃动。
虽然2个小齿轮足以使卷轴的差动起作用，但一般优选的是，轴具有沿径向方向延伸的三个或四个小齿轮托架。使用更多小齿轮为系统提供了稳定性，从而避免当用户仅拉动一个线缆时，线缆卷轴相对于彼此晃动或挠曲。
一般地，期望周向槽围绕卷轴的外表面延伸2圈或更多圈。这种设计允许使用更长的线缆或更短直径的线缆卷轴。当进行直立锻炼时，长线缆是有用的。
在本发明的一个实施例中，轴的端部设置有联接机构的第一部分。联接机构的第一部分允许连接至具有联接机构的另一部分的设备。因此，联接机构允许线缆卷轴系统与包括联接机构的第二部分的飞轮连接。这样，用户可以体验扭矩阻力和飞轮的双重作用。
虽然线缆卷轴系统对所使用的轴承类型不敏感，但一般优选的是，滚珠轴承使用非接触式金属密封件。此类密封件将油脂保持在适当位置，同时提供少量摩擦。
在本发明的一个实施例中，增量编码器分别用于每个线缆卷轴。选择这种类型的编码器是因为其允许读取头和编码环之间的相当大的气隙。另外，其能够在高分辨率下提供足够的速度能力。
本发明的一个方面涉及一种多功能锻炼装置的扭矩阻力机构，包括具有中空轴的电动力矩电机/发电机、同轴地容纳在中空轴内的扭力弹簧、具有第一部分和第二部分的部分联接机构，以及具有第一位置和第二位置的选择器，
其中，选择器使得用户能够将部分联接机构在第一位置与电动力矩电机/发电机接合，并且在第二位置与扭力弹簧接合。
当电源正常工作时，选择器通常设置在第一位置，以向用户提供由电动力矩电机/发电机提供的附加特征。然而，在电源断开或电路停止正常操作的情况下，用户可以选择将选择器设置在第二位置以接合扭力弹簧。因为扭力弹簧的寿命减少，选择器的第二位置在本文中可以称为“应急模式”。然而，应急模式将提供时间，直到更换就位。骑行和划船都可以在“应急模式”下进行，然而，抗阻锻炼受到限制。
在本发明的一个实施例中，电动力矩电机/发电机包括定子和转子，定子附接至第一壳体，并且转子能够与部分联接机构接合。环形定子通常设置在对应的大致圆柱形第一壳体中。转子可旋转地设置在由环形定子限定的中空空间内。转子的中心部分适当地设置有接合机构，用于与轮毂接合。在所示实施例中，轮毂的外周面上设置有多个齿或“犬齿”，用于与机械加工或以其它方式设置在转子中心的匹配开口配合。
在一个合适的实施例中，部分联接机构包括可轴向移动轮毂，可轴向移动轮毂具有第一位置和第二位置，第一位置用于与电动力矩电机接合，并且第二位置用于与扭力弹簧接合。当轮毂的周向齿与转子中心的相应开口接合时，接合被锁定。然而，当用户移动选择器时，导致轮毂沿轴向方向移动，并且由此断开轮毂与电动力矩电机/发电机之间的连接。轮毂可以设置有用于第二位置的第二组接合机构的第一部分。因此，在本申请所示实施例中，轮毂的端部可以设置有凹入瓣状体，该凹入瓣状体的形状与设置在扭力弹簧的端部上的第二组接合机构的第二部分的形状互补。
在本发明的一个实施方式中，扭力弹簧存在于可旋转地安装在第一壳体内的第二壳体中。未应用应急模式时，扭力弹簧通常可以处于松弛状态。然而，当需要将锻炼装置调整为应急模式时，扭力弹簧初始需要通过旋转第二壳体来张紧。扭力弹簧张紧后，在锻炼的向心阶段，用户将在线缆卷轴系统被接合并且线缆被拉动时经受负载。在锻炼的回复阶段，线缆将通过扭力弹簧的作用返回线缆卷轴系统。
在本发明的一个实施例中，扭力弹簧的第一端附接至第二壳体，并且扭力弹簧的第二端附接至弹簧转子，弹簧转子可与部分联接机构连接。通常，扭力弹簧是螺旋扭力弹簧，并且在这种情况下，第一端一般是扭力弹簧的外端。此时，附接至弹簧转子的螺旋扭力弹簧的另一端是最靠近中心的端部。弹簧转子通常设置有同轴犬齿齿轮，该犬齿齿轮的形状能够与轮毂的凹入瓣状体配合。当扭矩阻力机构处于应急模式时，即当选择器位于第二位置时，当出现在线缆卷轴系统上的另一部分联接机构与出现在轮毂上的部分联接机构接合时，用户可以在划船过程中使用螺旋扭力弹簧作为回复力来进行锻炼。
在本发明的一个实施例中，第二壳体设置有手柄，用于旋转第二壳体，手柄上设置有可释放锁，用于释放扭力弹簧。当扭力弹簧被张紧时，手柄为用户提供抓握。当用户松开对手柄的抓握时，除非锁被主动停用，否则将阻止张力被释放。
在本发明的一个特定实施方式中，电动力矩电机/发电机由伺服驱动器控制。通过伺服驱动器控制电机/发电机使得电机/发电机能够用作具有位置控制的高速伺服电机。一般地，电动力矩电机/发电机的转子配备有连接至伺服驱动器的编码器。编码器将允许系统保持固定负载，无论拉动速度和方向如何。
在本发明的一个实施例中，电机/发电机与分路电路连接。在锻炼的向心阶段，分路电路保护电机DC总线免受电机/发电机移动时产生的反电动势的影响。分路电路可以设置在壳体中，用于引导产生的热远离电机/发电机，壳体还包围线缆卷轴系统。
本发明还涉及一种多功能锻炼装置的飞轮装置，包括飞轮，飞轮可旋转地设置在壳体中；制动带，制动带围绕飞轮的部分周边布置；以及张力调节机构，张力调节机构包括能够调节制动带的张力的可动臂和用于操作可动臂的电动电机，
其中，张力调节机构还包括用于手动操纵可动臂的旋钮，以及选择器，选择器用于使用户能够在第一位置利用电动电机操作可动臂，并且在第二位置利用旋钮操作可动臂。
通常，选择器处于第一位置，以允许电动电机操作可动张力臂。然而，在功率损耗、电动电机故障或负责管控的电子器件故障的情况下，电动电机无法继续调节制动带的张力。本发明提供了一种电子管控系统无法继续用于调节工作负载的情况下的应急模式。该应急系统通过将选择器推至第二位置中而运行，从而允许手动操纵旋钮以操作可动臂，并进而调节制动带。
在本发明的一个实施例中，张力臂的中部可转动地附接至壳体，可动张力臂的端部张紧制动带，并且通过可动臂轴的旋转使另一端部移动。张力臂的设计允许更长的行程距离和制动带上更大的拉力。此外，这种设计允许仅使用一个张力臂，同时仍具有完全的手动旋钮能力。
在本发明的一个实施方式中，可动臂轴由电动步进电机旋转。力传感器可以测量步进电机牵引制动带的力度，而另一力传感器测量飞轮上的实际制动扭矩。传感器数据将由步进电机使用，以调整强度水平，用于例如骑行、划船和拉绳。
通过将张力臂的一端固定在滑板上并在滑板上提供螺母，步进电机轮轴的旋转可以转换为张力臂的移动。当步进电机的螺纹轮轴接合在螺母中时，制动带的张力可以通过步进电机的作用来调节。
在本发明的一些实施例中，旋钮安装在张力臂轴上。在一个优选实施例中，手动旋钮通过滑动浮动轴与张力臂轴接合。适当地，浮动轴的每个端部设置有齿轮，该齿轮能够与浮动轴的一端连接至旋钮的齿轮和浮动轴的另一端设置于张力臂轴上的齿轮啮合。浮动轴的使用避免了旋钮在不期望时由步进电机转动。当选择器处于第二位置时，手动旋钮经由浮动轴直接与张力臂轴接合。当选择器处于第二位置时，手动旋钮将断开连接并且不会被步进电机转动。
在本发明的一个优选实施方式中，浮动轴通过手动旋钮滑块操作。滑块优选设置于壳体的外侧，以便于用户操作。滑块附接有臂，该臂延伸至壳体内并以叉形结束，该叉形能够与浮动轴上的凹部接合，以根据所选择的位置移动轴。
在一个优选方面，浮动轴上的两个齿轮相对于连接至旋钮的齿轮和设置于张力臂上的齿轮略微错位，使得一个齿轮组在另一齿轮组之前啮合。由于啮合发生在两个步骤中，略微错位使得啮合更容易。
在本发明的一个实施例中，飞轮包括行星齿轮。
行星齿轮实现了期望的惯性，同时保持飞轮质量和尺寸减小。优选地，所有齿轮都是不锈钢齿轮。
优选地，飞轮的辐条用作风扇。风扇的功能可以通过使辐条的高度与飞轮的轮辋大致相同来实现。此外，风扇作用可以通过使辐条成角度来获得。优选地，成一定角度以帮助从飞轮散热的辐条现在用作风扇。风扇优选从电子器件侧抽入冷空气，并通过模块的前部将其吹出。
在本发明的一个实施例中，飞轮的周边设置有齿，以允许速度传感器测量速度。传感器可以被调节为每当齿经过读取头时发射脉冲。传感器数据可以用于调整飞轮的张力。
在下文描述的(一个或多个)实施例中，这些及其它方面将变得清楚明了。
附图说明
图1公开了处于第一位置的多功能锻炼装置，
图2公开了第一模块，其中，移除了盖以示出线缆卷轴系统，
图3示出飞轮，其中，移除了第二模块的盖，
图4示出第一模块和第二模块的第二位置，其中，第一模块的扭矩阻力机构可以独立于飞轮的作用而操作，
图5公开了第一模块和第二模块的第三位置，
图6示出每个端部均装配有踏板臂和踏板的轮轴，
图7示出用于骑行模式的骑行座椅，
图8示出配置为骑行模式的多功能锻炼装置，
图9示出配置为划船模式的多功能锻炼装置，
图10示出构造为“双绳模式”的多功能锻炼装置。
图11公开了连接至多功能锻炼装置的绳索牵引单元，
图12示出包含无极绳的绳索牵引单元，
图13以分解图示出线缆卷轴系统，
图14以横截面图公开了线缆卷轴系统，
图15示出扭矩阻力机构的分解图，
图16示出与电动力矩电机/发电机的转子接合的联接机构，
图17示出与扭力弹簧的转子接合的联接机构，
图18以分解图公开了盖和弹簧转子，
图19示出可旋转地安装在电动扭矩阻力机构的壳体中的弹簧壳体，
图20公开了轮毂升高的第二位置，
图21示出轮毂降低的第一位置，
图22以分解图示出第二模块的一部分，
图23公开了处于第一位置的张力调节机构。
具体实施方式
图1公开了处于第一位置的多功能锻炼装置，第一位置即通过扭矩阻力机构和飞轮的组合作用获得用户所经受的力的位置。第一模块1具有带圆角的大致盒形形状。图2公开了第一模块，其中，移除了盖以示出线缆卷轴系统2。线缆卷轴系统可操作地连接至扭矩阻力机构3，当线缆卷轴系统上的线缆被拉动时，扭矩阻力机构3提供阻力并使线缆返回卷轴。
多功能锻炼装置还包括第二模块4。第二模块具有略带圆角的大致盒形形状。在图3中，已经移除了第二模块的盖以示出容纳在盒形模块中的飞轮5。围绕飞轮的部分周边设置有制动带6，用于对飞轮产生的惯性提供阻力。
第一模块和第二模块可以分别布置在如图1和图4所示的至少2个不同位置。图1示出第一位置，其中，第一模块的扭矩阻力机构3可操作地连接至设置在第二模块中的飞轮5，即第二模块设置在第一模块的顶部上。图4示出第一模块和第二模块的第二位置，其中，当用户拉动线缆卷轴系统3的线缆时，第一模块的扭矩阻力机构3可以独立于飞轮5的作用而操作。
扭矩阻力机构3与飞轮5的连接可以通过为扭矩阻力机构提供诸如轮毂的联接机构的第一部分，并为飞轮提供诸如轮毂的联接机构的第二部分来执行，由此，当模块处于第一位置时，轮毂同轴地设置，以在轮毂中设置有轮轴时实现可操作的连接。
第一模块1和第二模块通过铰链7沿每个模块的边缘连接。铰链允许第一模块和第二模块相对于彼此移动，以获得第一位置和第二位置。铰链7是双铰链，其允许第一模块的主表面与第二模块的主表面齐平，从而为用户提供平台。双铰链包括2个枢转接头8，用于将第二模块相对于第一模块枢转至不同位置。提供手柄9以帮助用户将第二模块设置在期望位置。铰链8可以锁定在某一位置，以在锻炼期间保持模块的期望位置。
图5公开了第一模块和第二模块相对于彼此的第三位置。在第三位置，第一模块的主延展(main extent)，即图5中朝上的表面，垂直于第二模块的主延展。第二模块的轮毂设置有贯穿花键轮轴10，在第三位置，贯穿花键轮轴10的每个端部分别装配有踏板臂11和踏板12。踏板臂设置有弹簧锁13，用于快速有效地安装和拆卸进行骑行锻炼必需的设备。
第二模块设置有接合装置14，用于容纳座柱15。可选地，第二接合装置可以设置在铰链上，以允许座柱附接至两个位置，从而获得更高的稳定性。座椅设置有角度可以调节的背部支撑件16。另外，背部支撑件可以具有5-10度的弹簧加载挠曲，该挠曲可以启用和停用。对于骑自行车，座椅将如图7所示配置。背部支撑件将与手柄17结合使用，以实现类似于斜躺锻炼训练器的姿势。背部支撑件可以根据用户的喜好锁定或允许挠曲。座柱包括腰带18，用于在锻炼期间以微重力将用户保持在座椅上。对于骑自行车，该腰带可以与手柄组合使用或代替手柄使用。飞轮的惯性使得可以以类似于在地面上骑自行车的方式调整工作负载。在一个优选实施例中，当对象停止踩踏板时，飞轮继续旋转，同时踏板保持固定不动。由于采用将飞轮连接至轮轴的单向轴承，这是可能的。
为了在模块的第一位置划船，背部支撑件一般设置在更直立的位置。背部支撑件的弹簧加载挠曲将为用户提供触觉反馈，即当用户感觉到座椅没有碰到“刚性壁”时，不应继续伸展。在划船过程中，由于来自绳索的力将产生远离座椅的旋转，因此腰带是必需的。
座椅安装在滑架19上，滑架19可以在座柱的内管20上滑动以允许用户进行划船练习。当装置用于骑行锻炼时，滑动功能可以锁定在顶部位置。内管可以在外管21内自由调节，并且可以利用外管上的弹簧锁22锁定在任何位置。
图8示出配置为骑行模式的多功能锻炼装置。用户最初通过将带18围绕腰部固定而坐在座椅中。随后，在踏板中卡入骑行鞋(未示出)，骑行鞋具有与踏板锁定系统相对应的夹具。
图9示出配置为划船模式的多功能锻炼装置。对于划船，安装单独的踏板23。需要这些踏板固定脚并实现合适的几何形状，其中,脚位于座椅和绳索出口点下方。这些踏板还使脚正确地倾斜，并且允许用户弯曲自己的脚趾而不会从脚固定装置中掉出。从第一模块延伸并在其它配置中用作第二模块的支撑件的框架27设置有旋转接头24。类似地，平台设置有旋转接头24。一端附接至划船手柄25的线缆由旋转接头引导至线缆卷轴系统，线缆卷轴系统可操作地连接至扭矩阻力机构。当用户拉动划船手柄时，人将经受由扭矩阻力机构和具有制动器的飞轮施加的合力。
当进行抗阻锻炼时，用户可以选择使用从平台的侧面引出的两条绳索，平台由布置在第二位置的第一模块和第二模块形成。这通常利用用于诸如深蹲、仰卧推举和硬拉的重训的宽手柄来完成。如果需要，其也可以用于二头肌训练和其它轻锻炼。图10示出“双绳模式”，其中以深蹲锻炼为例。旋转接头设置在由与第二模块的上表面齐平的第一模块的上表面形成的平台的每个端部。来自线缆卷轴系统的线缆由旋转接头引导至由用户选定的特定附加装置。在图10中，用户已经选择在每个端部连接至松弛线28的宽杆。当宽手柄用于“杆下”锻炼时，松弛线更安全。松弛线是安装在手柄与绳索上的机械端部止挡件29之间的绳索。这种额外绳索永远不会被拉入机器中，并且作为用户的安全特征。其通过确保用户不会被迫进入杆与平台之间的危险位置而起作用，即在进行深蹲时，松弛线防止机器将杆拉到低于下蹲的最低位置的位置。松弛线还使得更容易实现用于开始某些锻炼的更好位置。松弛线周围有多个橡胶套筒30，以使绳索稍微变硬，其中，橡胶套筒之间具有交替的环31，用于允许杆的端部与松弛线接合。在深蹲锻练期间，扭矩阻力机构施加的力由用户而不是飞轮经受。
旋转接头允许在原点位于旋转接头中的半球体内沿任何方向拉动线缆。挠曲性使得可以使用多种附加装置，包括使用单个绳索的锻炼的单个手柄，诸如肱三头肌屈伸、扭转锻炼或其它不对称锻炼。为了使用一个绳索，另一绳索在其端部止动件处简单地保持不接触。然后，将单手手柄附接至另一绳索端部止挡件。松弛线通常是不需要的，因为用户不会被困在手柄下方。
代替使用主出口点，滑轮也可以附接至锻炼单元上的一个附接点。然后，可以像往常一样将手柄连接至绳索端部止挡件。这样，绳索此时处于“单绳”模式，但来自平台上的不同位置。
图11和12示出用于与第二模块中的飞轮连接的绳索牵引单元32。绳索牵引单元包括无极绳33。该绳索驱动安装在第二模块的轮毂中的轮轴。因此，绳索将拉动飞轮运动，并且有可能进行手动拉动。绳索牵引装置优选具有滑轮34，滑轮34固定安装在绳索上，因为需要滑轮将一段无极绳固定至平台。此外，滑轮适用于绳索牵引装置中通常使用的较粗绳索。通过转动螺栓35，绳索单元可释放地附接至第二模块。螺栓头部具有易于人手操作的尺寸和外形。
无极绳的阻力通过制动带调节。与划船时有限的绳索冲程相反，绳索牵引附加装置中的绳索是无极(闭环)的，并且可以被拉动“无限”量。绳索由滑轮34引导至中心附接点。
图13和14示出线缆卷轴系统。面向第二模块的上线缆卷轴36和面向扭矩阻力机构的下线缆卷轴37的外圆周上设置有用于容纳线缆39的凹槽38。在上线缆卷轴的面向下线缆卷轴的一侧上设置有环形齿轮40，并且在下线缆卷轴的面向上线缆卷轴的一侧上设置有另一环形齿轮41。上下线缆卷轴可旋转地轴颈安装在轴42上。在上下线缆卷轴之间的轴上，设置有沿径向延伸的4个托架。在托架的上端，小齿轮44可旋转地轴颈安装并与两个环形齿轮啮合。当4个小齿轮绕其轴线自由旋转时，跟随轴的旋转。因此，如果轴是固定的并且一个卷轴顺时针旋转，则另一个卷轴将逆时针旋转。如果一个卷轴是固定的，则另一个卷轴将跟随轴和轮毂的旋转。不过，卷轴的移动速度将是轴和轮毂的移动速度的两倍。如果两个卷轴以相同的速度移动，则轴和轮毂将跟随这两个卷轴1:1地旋转。由于这种机制的存在，轴上的扭矩总是在每个卷轴之间等分。
上下线缆卷轴利用滚珠轴承93轴颈安装在轴上。滚珠轴承由不锈钢制成，使用非接触式金属密封件。此类密封件将油脂保持在适当位置，同时提供最少的摩擦。
在设计用于与扭矩阻力机构接合的轴的端部中，设置有花键部件45。在轮轴的另一端，设置轮毂46用于与相应的轮轴接合。当轮毂不与轮轴接合时，可以设置有帽47。
图15示出扭矩阻力机构的分解图。该电动扭矩阻力机构包括电动力矩电机/发电机48，该电动力矩电机/发电机包括定子49和转子50。在由定子限定的中空轴内，同轴地容纳有扭力弹簧51。电动扭矩阻力机构还包括部分联接机构，该部分联接机构可以选择为轮毂53，轮毂53具有能够与另一部分联接机构，诸如线缆卷轴系统的轴，匹配的腔体52。一般地，轴是花键轴，并且轮毂包括用于容纳轴的互补槽。电动扭矩阻力机构还包括选择器54，选择器54能够移动到至少两个位置。在图16所示的第一位置，联接机构与电动力矩电机/发电机的转子50接合，并且在图17所示的第二位置，联接机构与扭力弹簧的转子55接合。
定子49附接至外壳56的下部，并且转子50可旋转地布置在基本上由环形定子限定的中空空间内。转子50设置有辐条57，用于连接轮辋和中心。转子50的中心设置有凹部，该凹部能够与部分联接机构接合，诸如外圆周上设置有多个齿或“犬齿”的轮毂53，用于与机械加工或以其它方式设置在转子中心的匹配开口配合。
用于说明本发明的联接机构是轮毂，该轮毂能够沿轴向方向在与电动扭矩阻力机构48接合的第一位置和与扭力弹簧51接合的第二位置之间移动。当轮毂53的周向齿58与转子中心59的相应开口接合时，接合被锁定。然而，当用户移动选择器54时，导致轮毂沿轴向方向移动，并且由此断开轮毂与电动力矩电机/发电机之间的连接。轮毂的上部设置有凹入瓣状体，其形状与连接至扭力弹簧51的转子55的犬齿61的形状互补。
弹簧51位于单独的弹簧壳体62内，弹簧壳体62可旋转地安装在电扭矩阻力机构的壳体中。图18示出弹簧壳体62的盖63，包括未示出的从盖的后侧突出的杆，用于与钩64接合。螺旋扭力弹簧65的另一端与弹簧转子55接合。因此，当设置在弹簧转子上的犬齿齿轮61与轮毂53的瓣状体60接合时，用户可以使用螺旋扭力弹簧作为负载来进行锻炼。
在用户能够使用扭力弹簧作为负载之前，需要张紧扭力弹簧。这种张紧通过旋转弹簧壳体来执行。为了帮助用户扭转弹簧壳体，设置附接至盖63的手柄66。手柄设置有锁，用于防止弹簧壳体旋回松弛位置。使用完成后，可以通过停用锁来释放螺旋扭力弹簧的张紧。
图20和图21详细示出用于在两个位置之间沿轴向移动轮毂的切换机构。选择器54延伸穿过第一壳体的盖69上的开口68，第一壳体包括电动扭矩系统。选择器可以在被用户称为“电机”的第一位置和被用户成为“弹簧”的第二位置之间移动。当选择器移动时，臂70转动设置有迹线72的移位轴套71。可轴向移动环73设置有位于迹线72中的径向延伸销74。由于移位环柱75固定在盖69上，当选择器在不同位置之间移动时，环73将轴向移动。图20示出第二位置，其中，轮毂升高，并且瓣状体60将与设置在弹簧转子上的犬齿61啮合。图21示出第一位置，其中，轮毂降低，并且使得周向犬齿58与电动力矩电机/发电机的转子上的开口59啮合。
用于电动力矩电机/发电机的转子设置有用于编码器76的光学读取头。为了提高编码器的可维护性，设置盖77。编码器可以选择为Renishaw RESOLUTETM绝对编码器，其中，RESA30旋转环设置在转子上。
轮毂可以设置有用于第二位置的第二组接合机构的第一部分。
图22以分解图示出第二模块的一部分。该分解图从第二模块中提取了张力调节机构78，并且从第二模块的盖80中提取了手动旋钮滑块94。飞轮4可旋转地设置在第二模块中。制动带79围绕飞轮的部分周边布置。张力调节机构包括能够调节制动带的张力的可动臂81和用于操作可动臂的电动电机82。张力调节机构包括用于手动操纵张力臂的旋钮83。张力调节机构还包括选择器94，用于使用户能够在第一位置利用电动电机操作可动张力臂，并且在第二位置利用旋钮操作可动臂。
张力臂81是弯曲的，并且在中部84附接至壳体。张力臂的指向飞轮的端部上设置有狭槽85，用于引导和张紧制动带。狭槽可以设置有辊，用于减小狭槽与制动带之间的阻力。张力臂的另一端部通过张力臂轴86的旋转而移动。张力臂轴通过步进电机82旋转。通过将张力臂的一端固定在滑板88上并在滑板上提供螺母89，步进电机轮轴87的旋转可以转换为张力臂的移动。当步进电机的螺纹轮轴87接合在螺母中时，制动带的张力可以通过步进电机82的作用来调节。
手动旋钮83的相对端上设置有具有齿轮91的轮轴。齿轮91可以通过滑动浮动轴90与张力臂接合，浮动轴90在每个端部91处设置有齿轮。图23示出处于第一位置(即手动操作被断开)的张力调节机构，图22示出处于第二位置的张力调节机构，其中，旋钮被接合，并且具有对张力臂的完全控制，无论步进电机82的位置如何。浮动轴上的两个齿轮91相对于连接至旋钮91的齿轮和设置于张力臂92上的齿轮略微错位，使得一个齿轮组在另一齿轮组之前啮合。
在该实施例中，为了简单起见，与先前描述或在此示出的相应结构和特征相同或相似的结构和特征用先前使用的相同附图标记表示。
已经结合本文的各种实施例描述了各个方面和实施方式。然而，在实践所要求保护的主题过程中，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以满足权利要求中所述的多项功能。某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中的事实不指示这些措施的组合不能被用于获得优势。

Claims (40)

1.一种用于人、尤其是宇航员锻炼的多功能锻炼装置，所述装置包括第一模块和第二模块，所述第一模块包括可操作地连接至扭矩阻力机构的线缆卷轴系统，所述第二模块包括飞轮和用于向所述飞轮提供阻力的制动器，
其中，所述第一模块和所述第二模块能够相对于彼此布置在至少第一位置和第二位置，使得在所述第一位置，所述第一模块的扭矩阻力机构可操作地连接至所述第二模块的飞轮，并且在所述第二位置，当用户拉动所述线缆卷轴系统时，所述第一模块的扭矩阻力机构独立于所述飞轮操作。
2.根据权利要求1所述的多功能锻炼装置，其中，所述扭矩阻力机构连接至联接机构的第一部分，并且所述飞轮连接至所述联接机构的第二部分，从而当所述联接机构的第一部分和第二部分接合时，能够实现可操作的连接。
3.根据权利要求1或2所述的多功能锻炼装置，其中，所述第一模块和所述第二模块通过铰链连接，以允许所述多功能锻炼装置在所述第一位置和所述第二位置之间移动。
4.根据权利要求3所述的多功能锻炼装置，其中，所述铰链是双铰链，其允许所述第一模块的表面与所述第二模块的表面齐平。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的多功能锻炼装置，其中，所述第一模块和所述第二模块能够布置在第三位置，在所述第三位置，所述第一模块的主延展垂直于所述第二模块的主延展。
6.根据权利要求2-5中任意一项所述的多功能锻炼装置，其中，所述联接机构的第一部分和第二部分分别是使用公共轮轴接合的第一轮毂和第二轮毂。
7.根据权利要求6所述的多功能锻炼装置，其中，所述第二轮毂设置有贯穿轮轴，在所述第三位置，所述贯穿轮轴的每个端部分别装配有踏板臂和踏板。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的多功能锻炼装置，还设置有接合装置，用于容纳座柱。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的多功能锻炼装置，其中，所述制动器包括制动带，所述制动带围绕所述飞轮的部分周边布置；以及张力调节机构，所述张力调节机构允许调节所述制动带的张力。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的多功能锻炼装置，其中，所述第一模块设置有用于容纳所述卷轴的线缆的旋转接头。
11.一种用于多功能锻炼装置的线缆卷轴系统，所述线缆卷轴系统包括可旋转地轴颈安装在轴上的两个线缆卷轴、两个环形齿轮和至少两个小齿轮，
其中，所述两个环形齿轮中的一个连接至所述两个卷轴中的一个，所述两个环形齿轮中的另一个连接至所述两个卷轴中的另一个，
所述两个环形齿轮面向彼此，其中，所述至少两个小齿轮布置在所述两个环形齿轮之间，其中，所述至少两个小齿轮分别与所述两个环形齿轮两者啮合，并且
所述轴设置有用于所述至少两个小齿轮中每个小齿轮的小齿轮托架。
12.根据权利要求11所述的线缆卷轴系统，其中，所述小齿轮托架从所述轴沿径向延伸，所述小齿轮托架在其远端设置有所述至少两个小齿轮中的一个小齿轮，所述小齿轮围绕所述小齿轮托架的轮轴可旋转地轴颈安装。
13.根据权利要求11或12所述的线缆卷轴系统，其中，每个线缆卷轴的外表面上具有周向槽，用于容纳相应线缆。
14.根据权利要求11-13中任意一项所述的线缆卷轴系统，其中，所述线缆卷轴使用滚珠轴承可旋转地轴颈安装在所述轴上。
15.根据权利要求11-14中任意一项所述的线缆卷轴系统，其中，每个卷轴使用两个或更多个滚珠轴承轴颈安装。
16.根据权利要求11-15中任意一项所述的线缆卷轴系统，其中，所述轴具有沿径向方向延伸的三个或四个小齿轮托架。
17.根据权利要求13-14中任意一项所述的线缆卷轴系统，其中，所述周向槽围绕所述卷轴的外表面延伸2圈或更多圈。
18.根据权利要求11-15中任意一项所述的线缆卷轴系统，其中，所述轴的端部设置有联接机构的第一部分。
19.根据权利要求11-16中任意一项所述的线缆卷轴系统，其中，所述滚珠轴承使用非接触式金属密封件。
20.根据权利要求11所述的线缆卷轴系统，其中，增量编码器用于每个线缆卷轴。
21.一种多功能锻炼装置的扭矩阻力机构，包括具有中空轴的电动力矩电机/发电机、同轴地容纳在中空轴内的扭力弹簧、具有第一部分和第二部分的部分联接机构，以及具有第一位置和第二位置的选择器，
其中，所述选择器使得用户能够将所述部分联接机构在所述第一位置与所述电动力矩电机/发电机接合，并且在所述第二位置与所述扭力弹簧接合。
22.根据权利要求21所述的扭矩阻力机构，其中，所述电动力矩电机/发电机包括定子和转子，所述定子附接至第一壳体，并且所述转子能够与所述部分联接机构接合。
23.根据权利要求21或22所述的扭矩阻力机构，其中，所述部分联接机构包括可轴向移动轮毂，所述可轴向移动轮毂具有第一位置和第二位置，所述第一位置用于与所述电动力矩电机接合，并且所述第二位置用于与所述扭力弹簧接合。
24.根据权利要求21-23中任意一项所述的扭矩阻力机构，其中，所述扭力弹簧存在于可旋转地安装在所述第一壳体内的第二壳体中。
25.根据权利要求21-24中任意一项所述的扭矩阻力机构，其中，所述扭力弹簧的第一端附接至所述第二壳体，并且所述扭力弹簧的第二端附接至弹簧转子，所述弹簧转子可与所述部分联接机构连接。
26.根据权利要求24或25中任意一项所述的扭矩阻力机构，其中，所述第二壳体设置有手柄，用于旋转所述第二壳体，所述手柄上设置有可释放锁，用于释放所述扭力弹簧。
27.根据权利要求21-26中任意一项所述的扭矩阻力机构，其中，所述电动力矩电机/发电机由伺服驱动器控制。
28.根据权利要求22-27中任意一项所述的扭矩阻力机构，其中，所述电动力矩电机/发电机的转子配备有连接至所述伺服驱动器的编码器。
29.根据权利要求21-28中任意一项所述的扭矩阻力机构，其中，所述电机/发电机与分路电路连接。
30.根据权利要求21-29中任意一项所述的扭矩阻力机构，其中，当在所述两个位置之间移动时，所述选择器使得所述轮毂轴向移动。
31.一种多功能锻炼装置的飞轮装置，包括飞轮，所述飞轮可旋转地设置在壳体中；制动带，所述制动带围绕所述飞轮的部分周边布置；以及张力调节机构，所述张力调节机构包括能够调节所述制动带的张力的可动臂和用于操作所述可动臂的电动电机，
其中，所述张力调节机构还包括用于手动操纵所述可动臂的旋钮，以及选择器，所述选择器用于使用户能够在第一位置利用所述电动电机操作所述可动臂，并且在第二位置利用所述旋钮操作所述可动臂。
32.根据权利要求31所述的飞轮装置，其中，所述张力臂的中部可转动地附接至所述壳体，所述可动张力臂的端部张紧所述制动带，并且通过可动臂轴的旋转使另一端部移动。
33.根据权利要求31或32所述的飞轮装置，其中，所述可动臂轴由电动步进电机旋转。
34.根据权利要求31-33中任意一项所述的飞轮装置，其中，所述手动旋钮通过滑动浮动轴与所述张力臂轴接合。
35.根据权利要求34-34所述的飞轮装置，其中，所述浮动轴的每个端部设置有齿轮，所述齿轮能够与所述浮动轴的一端连接至所述旋钮的齿轮和所述浮动轴的另一端设置于所述张力臂轴上的齿轮啮合。
36.根据权利要求31-35中任意一项所述的飞轮装置，其中，所述浮动轴通过手动旋钮滑块操作。
37.根据权利要求35或36所述的飞轮装置，其中，所述浮动轴上的两个齿轮相对于连接至所述旋钮的齿轮和设置于所述张力臂上的齿轮略微错位，使得一个齿轮组在另一齿轮组之前啮合。
38.根据权利要求31-37中任意一项所述的飞轮装置，其中，所述飞轮包括行星齿轮。
39.根据权利要求31-38中任意一项所述的飞轮装置，其中，所述飞轮的辐条用作风扇。
40.根据权利要求31-38中任意一项所述的飞轮装置，其中，所述飞轮的周边设置有齿，以允许速度传感器测量速度。
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