CN113965115A - 一种健身器材的智能驱动装置及智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及健身装置技术领域，具体涉及一种健身器材的智能驱动装置及智能控制方法，包括驱动模组、设于驱动模组的控制模组、与所述驱动模组电性连接并用于驱动模组供电的电源模组、及连接于控制模组的编码器和连接于驱动模组的电机，所述电机驱动连接有拉绳盘；本发明通过驱动模组和控制模组配合来控制电机模拟实现各种健身模式，智能性强，使用方便。

Description

一种健身器材的智能驱动装置及智能控制方法

技术领域

本发明涉及健身装置技术领域，特别是涉及一种健身器材的智能驱动装置及智能控制方法。

背景技术

随着时代的发展和社会的进步，人们的身体健康越来越得到重视，从而现在健身装置越来越普及，健身可以改善心情、抗击慢性疾病、控制体重、让心脏和肺功能得到加强、促进更佳的睡眠。但是，随着生活节奏的加快，人们的生活压力增大，导致大多数人的生活作息相当紧凑和忙碌，平常没有足够的时间进行运动锻炼，等到休假或有空闲想要进行运动锻炼时，却又受限于场地及其他因素的影响而无法顺利进行。

健身器材上用的电机大都是低转速大扭矩的类型，以满足健身需求。这种电机在额定电压下的额定转速较低，实际使用中健身者若快速拉动练力器，电机会超过额定转速，此时电机由用电器变为了发电机，会在母线上产生比额定电压更高的电压，这股多余的能量会由电源吸收，使得母线电压回归额定。现有的健身器材的驱动装置在使用中，无法实现智能控制，导致在使用中存在不便等问题，不能实现各种模式进行操作使用，使用不便。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种通过驱动模组和控制模组配合来控制电机模拟实现各种健身模式，智能性强，使用方便的健身器材的智能驱动装置及智能控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种健身器材的智能驱动装置，包括驱动模组、设于驱动模组的控制模组、与所述驱动模组电性连接并用于驱动模组供电的电源模组、及连接于控制模组的编码器和连接于驱动模组的电机，所述电机驱动连接有拉绳盘。

对上述方案的进一步改进为，所述驱动模组包括半桥模块、驱动桥模块、连接端口、及电流检测模块，所述连接端口与电机连接，所述半桥模块连接有电阻模块，所述电阻模块为耗散电阻接口，所述驱动桥模块与连接端口电性连接。

对上述方案的进一步改进为，所述半桥模块与控制器电性连接，所述驱动桥模块与控制器电性连接。

对上述方案的进一步改进为，所述驱动桥模块设有多个，所述连接端口数量与驱动桥模块的数量相同，所述驱动桥模块与控制模组连接。

对上述方案的进一步改进为，所述连接端口为三相接口，所述三相接口与电机连接。

对上述方案的进一步改进为，所述电流检测模块设有多个，所述电流检测模块与控制模组连接。

对上述方案的进一步改进为，所述控制模组包括MCU控制器、解码模块、及正交编码模块，所述MCU控制器与解码模块电性连接，所述解码模块与正交编码模块电性连接，所述正交编码模块与编码器电性连接。

对上述方案的进一步改进为，所述MCU控制器连接有连接串口，所述连接串口与电流检测模块连接。

对上述方案的进一步改进为，所述拉绳盘包括端盖、居中连接于端盖的绕线轴、连接于绕线轴且远离端盖一端的线盖、及设于绕线轴内的转轴组件，所述端盖与线盖支架形成绕线槽，所述绕线槽连通至绕线轴的外沿，所述线盖设有绕线固定孔，所述绕线固定孔连通至绕线槽；所述端盖开设有连接凹槽，所述绕线轴置于连接凹槽内，所述连接凹槽内开设有连接孔，所述绕线轴开设有通孔，所述通孔对应连接孔；所述端盖背离绕线轴一面设有连接台阶，所述连接台阶开设有固定孔；所述端盖开设有第一斜面，所述第一斜面连接至绕线轴外沿；所述线盖开设有沉头孔，所述沉头孔开对应于通孔；所述线盖朝向端盖设有第二斜面，所述第二斜面连接至绕线轴外沿；所述绕线轴内开设有安置腔，所述转轴组件安装于安置腔；所述转轴组件包括旋转轴、及套设于旋转轴的第一轴承和第二轴承，所述第一轴承置于端盖内径，所述第二轴承置于绕线轴内径；所述电机包括与转轴组件连接的定子组件、及与端盖连接的转子组件，所述转子组件外部设有外壳，所述外壳与端盖连接。

一种智能驱动装置的控制方法，包括所述的健身器材的智能驱动装置，用于对电机的电枢电流的自动控制方法，

根据健身的不同模式，可分为：

弹簧模式F＝-kx+b；

恒力模式F＝A；

阻尼模式F＝-kv；

等速模式V＝A；

离心模式F＝A(V>0)；F＝B(V<＝0)(A>B)；

向心模式F＝B(V>0)；F＝A(V<＝0)(A>B)；

划船模式F＝A(V>0)；F＝0(V>0)；

上述模式可通过以下公式表达：

F＝ja+k*v+l*x+A

其中j、k、l、b为参数，a为加速度，v为速度，x为位置；

其中F是电机出力，F可由以下公式表达：

F＝(Tem-αJ-Tf)/r

Tem为电机电磁转矩；

α为电机的角加速度；

J为电机的转动惯量；

Tf为电机的阻力矩；

r为拉绳盘的半径；

电磁转矩Tem正比于电枢电流i，

Tem＝c*i

通过上述控制方法，可控制电机的电枢电流，实现健身的不同出力模式，达到利用电机实现健身中不同运动方式。

本发明的有益效果是：

相比现有的健身装置驱动装置，本发明中驱动模组的功能是将控制器发送的控制信号转换成对电机电枢的电流控制；同时通过驱动器的电流传感器，把电机电枢的电流信号回传给控制模组。控制模组起到电机的换向控制，转矩，速度，加速度和位置等不同控制量的控制功能，也起到根据不同运动模式进行模拟。具体是，设置了驱动模组、设于驱动模组的控制模组、与所述驱动模组电性连接并用于驱动模组供电的电源模组、及连接于控制模组的编码器和连接于驱动模组的电机，所述电机驱动连接有拉绳盘；通过驱动模组和控制模组配合来控制电机模拟实现各种健身模式，智能性强，使用方便。

附图说明

图1为本发明健身器材的智能驱动装置的连接示意图；

图2为本发明智能驱动装置的控制方法的连接示意图；

图3为本发明电机的立体结构示意图；

图4为图3中电机的主视图；

图5为图4中A-A的剖视图。

附图标记说明：驱动模组1、半桥模块11、驱动桥模块12、连接端口13、电流检测模块14、电阻模块15、控制模组2、MCU控制器21、解码模块22、正交编码模块23、连接串口24、电源模组3、编码器4、电机5、定子组件51、转子组件52、外壳53、拉绳盘6、端盖61、连接台阶611、绕线轴62、通孔621、线盖63、绕线固定孔631、转轴组件64、旋转轴641、第一轴承642、第二轴承643、绕线槽65。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1～图5所示，一种健身器材的智能驱动装置，包括驱动模组1、设于驱动模组1的控制模组2、与所述驱动模组1电性连接并用于驱动模组1供电的电源模组3、及连接于控制模组2的编码器4和连接于驱动模组1的电机5，所述电机5驱动连接有拉绳盘6。

驱动模组1包括半桥模块11、驱动桥模块12、连接端口13、及电流检测模块14，所述连接端口13与电机5连接，所述半桥模块11连接有电阻模块15，所述电阻模块15为耗散电阻接口，所述驱动桥模块12与连接端口13电性连接，进一步改进为，半桥模块11与控制器电性连接，所述驱动桥模块12与控制器电性连接；驱动桥模块12设有多个，所述连接端口13数量与驱动桥模块12的数量相同，所述驱动桥模块12与控制模组2连接；连接端口13为三相接口，所述三相接口与电机5连接；电流检测模块14设有多个，所述电流检测模块14与控制模组2连接，半桥模块11为半桥电路，驱动桥用于连接三相接口与电机5连接，方便实现智能控制。

控制模组2包括MCU控制器21、解码模块22、及正交编码模块23，所述MCU控制器21与解码模块22电性连接，所述解码模块22与正交编码模块23电性连接，所述正交编码模块23与编码器4电性连接，MCU控制器21连接有连接串口24，所述连接串口24与电流检测模块14连接；采用以上模块组合，能够起到电机5的换向控制，转矩，速度，加速度和位置等不同控制量的控制功能，也起到根据不同运动模式进行模拟。

参阅图3～图5所示，拉绳盘6包括端盖61、居中连接于端盖61的绕线轴62、连接于绕线轴62且远离端盖61一端的线盖63、及设于绕线轴62内的转轴组件64，所述端盖61与线盖63支架形成绕线槽65，所述绕线槽65连通至绕线轴62的外沿，所述线盖63设有绕线固定孔631，所述绕线固定孔631连通至绕线槽65；所述端盖61开设有连接凹槽，所述绕线轴62置于连接凹槽内，所述连接凹槽内开设有连接孔，所述绕线轴62开设有通孔621，所述通孔621对应连接孔；所述端盖61背离绕线轴62一面设有连接台阶611，所述连接台阶611开设有固定孔；所述端盖61开设有第一斜面，所述第一斜面连接至绕线轴62外沿；所述线盖63开设有沉头孔，所述沉头孔开对应于通孔621；所述线盖63朝向端盖61设有第二斜面，所述第二斜面连接至绕线轴62外沿；所述绕线轴62内开设有安置腔，所述转轴组件64安装于安置腔；所述转轴组件64包括旋转轴641、及套设于旋转轴641的第一轴承642和第二轴承643，所述第一轴承642置于端盖61内径，所述第二轴承643置于绕线轴62内径；所述电机5包括与转轴组件64连接的定子组件51、及与端盖61连接的转子组件52，所述转子组件52外部设有外壳53，所述外壳53与端盖61连接；通过绕线槽65用于拉绳的旋转卷绕，通过绕线固定孔631用于拉绳进行固定，绕线方便，通过线盖63和端盖61配合将拉绳导入至绕线槽65内、并在绕线轴62的外径卷绕，拉绳使用方便；将拉绳盘6的连接结构集成在了电机5上，作为健身器材拉绳健身使用，结构稳定可靠，实用性强，结构成本低。

参阅图2所示，一种智能驱动装置的控制方法，包括所述的健身器材的智能驱动装置，用于对电机5的电枢电流的自动控制方法，

根据健身的不同模式，可分为：

弹簧模式F＝-kx+b；

恒力模式F＝A；

阻尼模式F＝-kv；

等速模式V＝A；

离心模式F＝A(V>0)；F＝B(V<＝0)(A>B)；

向心模式F＝B(V>0)；F＝A(V<＝0)(A>B)；

划船模式F＝A(V>0)；F＝0(V>0)；

上述模式可通过以下公式表达：

F＝ja+k*v+l*x+A

其中j、k、l、b为参数，a为加速度，v为速度，x为位置；

其中F是电机5出力，F可由以下公式表达：

F＝(Tem-αJ-Tf)/r

Tem为电机5电磁转矩；

α为电机5的角加速度；

J为电机5的转动惯量；

Tf为电机5的阻力矩；

r为拉绳盘6的半径；

电磁转矩Tem正比于电枢电流i，

Tem＝c*i

通过上述控制方法，可控制电机5的电枢电流，实现健身的不同出力模式，达到利用电机5实现健身中不同运动方式。

本发明中驱动模组1的功能是将控制器发送的控制信号转换成对电机5电枢的电流控制；同时通过驱动器的电流传感器，把电机5电枢的电流信号回传给控制模组2。控制模组2起到电机5的换向控制，转矩，速度，加速度和位置等不同控制量的控制功能，也起到根据不同运动模式进行模拟。具体是，设置了驱动模组1、设于驱动模组1的控制模组2、与所述驱动模组1电性连接并用于驱动模组1供电的电源模组3、及连接于控制模组2的编码器4和连接于驱动模组1的电机5，所述电机5驱动连接有拉绳盘6；通过驱动模组1和控制模组2配合来控制电机5模拟实现各种健身模式，智能性强，使用方便。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种健身器材的智能驱动装置，其特征在于：包括驱动模组、设于驱动模组的控制模组、与所述驱动模组电性连接并用于驱动模组供电的电源模组、及连接于控制模组的编码器和连接于驱动模组的电机，所述电机驱动连接有拉绳盘。

2.根据权利要求1所述的健身器材的智能驱动装置，其特征在于：所述驱动模组包括半桥模块、驱动桥模块、连接端口、及电流检测模块，所述连接端口与电机连接，所述半桥模块连接有电阻模块，所述电阻模块为耗散电阻接口，所述驱动桥模块与连接端口电性连接。

3.根据权利要求2所述的健身器材的智能驱动装置，其特征在于：所述半桥模块与控制器电性连接，所述驱动桥模块与控制器电性连接。

4.根据权利要求3所述的健身器材的智能驱动装置，其特征在于：所述驱动桥模块设有多个，所述连接端口数量与驱动桥模块的数量相同，所述驱动桥模块与控制模组连接。

5.根据权利要求4所述的健身器材的智能驱动装置，其特征在于：所述连接端口为三相接口，所述三相接口与电机连接。

6.根据权利要求5所述的健身器材的智能驱动装置，其特征在于：所述电流检测模块设有多个，所述电流检测模块与控制模组连接。

7.根据权利要求1所述的健身器材的智能驱动装置，其特征在于：所述控制模组包括MCU控制器、解码模块、及正交编码模块，所述MCU控制器与解码模块电性连接，所述解码模块与正交编码模块电性连接，所述正交编码模块与编码器电性连接。

8.根据权利要求7所述的健身器材的智能驱动装置，其特征在于：所述MCU控制器连接有连接串口，所述连接串口与电流检测模块连接。

9.根据权利要求1所述的健身器材的智能驱动装置，其特征在于：所述拉绳盘包括端盖、居中连接于端盖的绕线轴、连接于绕线轴且远离端盖一端的线盖、及设于绕线轴内的转轴组件，所述端盖与线盖支架形成绕线槽，所述绕线槽连通至绕线轴的外沿，所述线盖设有绕线固定孔，所述绕线固定孔连通至绕线槽；所述端盖开设有连接凹槽，所述绕线轴置于连接凹槽内，所述连接凹槽内开设有连接孔，所述绕线轴开设有通孔，所述通孔对应连接孔；所述端盖背离绕线轴一面设有连接台阶，所述连接台阶开设有固定孔；所述端盖开设有第一斜面，所述第一斜面连接至绕线轴外沿；所述线盖开设有沉头孔，所述沉头孔开对应于通孔；所述线盖朝向端盖设有第二斜面，所述第二斜面连接至绕线轴外沿；所述绕线轴内开设有安置腔，所述转轴组件安装于安置腔；所述转轴组件包括旋转轴、及套设于旋转轴的第一轴承和第二轴承，所述第一轴承置于端盖内径，所述第二轴承置于绕线轴内径；所述电机包括与转轴组件连接的定子组件、及与端盖连接的转子组件，所述转子组件外部设有外壳，所述外壳与端盖连接。

10.一种智能驱动装置的控制方法，其特征在于：包括权利要求1～9任意一项所述的健身器材的智能驱动装置，用于对电机的电枢电流的自动控制方法，

根据健身的不同模式，可分为：

弹簧模式F＝-kx+b；

恒力模式F＝A；

阻尼模式F＝-kv；

等速模式V＝A；

离心模式F＝A(V>0)；F＝B(V<＝0)(A>B)；

向心模式F＝B(V>0)；F＝A(V<＝0)(A>B)；

划船模式F＝A(V>0)；F＝0(V>0)；

上述模式可通过以下公式表达：

F＝ja+k*v+l*x+A

其中j、k、l、b为参数，a为加速度，v为速度，x为位置；

其中F是电机出力，F可由以下公式表达：

F＝(Tem-αJ-Tf)/r

Tem为电机电磁转矩；

α为电机的角加速度；

J为电机的转动惯量；

Tf为电机的阻力矩；

r为拉绳盘的半径；

电磁转矩Tem正比于电枢电流i，

Tem＝c*i

通过上述控制方法，可控制电机的电枢电流，实现健身的不同出力模式，达到利用电机实现健身中不同运动方式。

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