CN114797063B - 游泳牵引机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种游泳牵引机，其适于为泳池中的游泳运动员提供负向牵引和正向牵引，其中所述控制装置包括：主控制模块，其适于根据所接受的外部输入使所述伺服电机工作选择性地在负向牵引状态或正向牵引状态下工作，其中在所述负向牵引状态下，所述伺服电机的转子以等动的方式向拉绳施加阻力，而在所述正向牵引状态下，所述伺服电机的转子以等速的方式向拉绳施加助力。借由调整控制装置，使伺服电机在发电机和电动机这两种状态下运作以可负向牵引或正向牵引游泳运动员，以提供可程序控制且安全性高的双向牵引机，其整体构件小、噪音小且不占体积。

Description

游泳牵引机

技术领域

本发明涉及一种体育训练器材技术领域，具体涉及一种带双向牵引功能的游泳牵引机。

背景技术

随着健康知识的普及和大众生活水平的提高，人们越来越关注自身健康。游泳运动作为保持健康、塑造形体的绿色途径日益受到大众青睐。力量是游泳运动员诸项素质中最为重要的基本素质之一，成为制约成绩好坏的关键因素。所以研制与开发新型训练器械已成为当今各国的首要问题。由于游泳运动是在水中进行，用力方式是近似于等动力、这使得等动拉力器已成为当今世界各国游泳运动员发展力量的主要训练器。

在公开号为CN1481916A的中国发明专利申请公开文本中涉及一种能提高肌肉相对力量和爆发力的多功能练习机，可使肌肉产生等动收缩和超等长收缩，可大幅度提高运动员的短跑、跳跃、投掷、游泳项目成绩。其包括丁字形支架，丁字形支架可以在双几字形底座上升降、旋转和固定。丁字形支架的一端或两端可以着地，也可以完全悬空。在丁字形支架上的任何地方固定多组哑铃组合和传动轴承链轮组合，哑铃组合和传动轴承链轮组合可在丁字形支架上转动。通过加载不同数量的哑铃组合，可以调节等动训练时的阻力大小。然而，这种使用哑铃组合的练习机存在以下不足：在调节时，需要运动员手动操作不同重量的哑铃，使用非常不便；传统的哑铃在使用过程中，重量固定，而运动员一旦因乏力无法支撑，则容易对运动员造成肌肉拉伤。

为此，在公告号为CN2145049Y的中国实用新型专利公告文件中公开了一种电磁控制等动训练器，包括电磁阻力装置、卷筒式施力装置、复位弹簧装置、测速电机和电气控制装置。其中电磁阻力装置是由安装在转轴上的转子，与其同心配置安装的具有激磁线圈的磁轭及填充于磁轭和转子间隙内的磁粉组成。施力装置与转子同轴安装，转轴两端支承在磁轭和复位弹簧装置所设的轴承上，电气控制装置直接与激磁线圈连接。由于磁轭内激磁线圈是静止不动的，它与电气控制装置的连接不需要通过安装电刷和滑环实现，所以提高了本实用新型的安全性和可靠性。尽管这种电磁阻力装置具有较好的效果，但由于该等动训练器需要外部导入电源后才可以启动电磁场，频繁变化的电磁场需要外加电源造成电力消耗，这样的设计不适于用于外接电源不充分的水上运动场馆。

作为对电磁制动的健身器材的改进，在公告号为CN203291439U的中国实用新型专利公告文件中公开了一种能用于健身器材的涡电流式阻尼机构，其为在一以非导磁性材料所制成的金属环的邻近位置配置有一磁性制动单元，磁性制动单元包括有一磁性元件支架以及多个磁性元件，驱动马达经由传动组件带动磁性元件支架旋动，使磁性元件接近或远离金属环，由磁性元件产生一磁力场，再于金属环产生涡流以及对飞轮产生一制动力。由此磁性元件主要针对金属环的相互作用而产生阻力，而非针对飞轮而产生，故当飞轮静止或转动极慢时，将不致产生任何阻力作用，对于复健者在使用飞轮进行复健时，将可以避免飞轮在起始转动时因产生过大的起始转矩而造成使用者的运动伤害。但显然，涡电流的方式虽然可以实现更加精确的阻力调节，但同样需要外加电源来产生涡电流进而形成磁阻，同时涡电流还会产生高温，存在容易烫伤运动员的风险，因此这样的设计也不适于用于外接电源不充分的水上运动场馆。

除此之外，以上训练器材均是以基于诸如田径或者拔河等陆上运动项目所设计的。但游泳是在特殊的水环境中进行的运动项目。游泳时肢体活动的作力支点不断发生变化，时而以肌肉的起点为远端固定，时而则是起点近端固定，这使得陆上力量训练的设计难于迁移转化至游泳训练中来。以往的陆上力量训练器材均未考虑到游泳时肌肉收缩的特点。进一步，目前的训练器材的功能均非常单一，大多只能提供帮助运动员进行阻力训练的单向牵引载荷。因此，并不能满足游泳运动员日常训练中的需求，也不能充分实现训练效果。

因此，行业内仍存在提供一种能满足游泳运动日常训练需求的、能帮助教练员在日常训练中全面提高游泳运动员多种素质的训练装置。

发明内容

本发明旨在提供一种能解决上述现有技术的种种不足的带双向牵引功能的游泳牵引机。

根据本发明的一方面，提供了一种游泳牵引机，其适于为泳池中的游泳运动员提供负向牵引和正向牵引，其中，包括：固定安放至泳池边的基座，其中所述基座带有能双向旋转的伺服电机；拉绳，其中拉绳的一端与所述伺服电机的转子操作连接且另一端能操作连接至游泳运动员；与所述伺服电机电连接的控制装置，其中所述控制装置包括：主控制模块，其适于根据所接受的外部输入使所述伺服电机工作选择性地在负向牵引状态或正向牵引状态下工作，其中在所述负向牵引状态下，所述伺服电机的转子以等动的方式向拉绳施加阻力，而在所述正向牵引状态下，所述伺服电机的转子以等速的方式向拉绳施加助力；与主控制模块电连接的负向牵引模块，其构造为根据接受自主控制模块的控制信号将对应的电压施加至所述伺服电机；以及与主控制模块电连接的正向牵引模块，其构造为根据接受自主控制模块的控制信号以脉宽调制的方式控制所述伺服电机的操作。

本申请的发明人率先意识到对于游泳项目来说，除了进行负荷训练外，在水中进行正向牵引训练也是非常重要的。具体而言，当运动员被迫以高速运动时，由于他们得到额外的正向牵引，就可以使更多肌纤维-特别是快速收缩性肌纤维参加工作。这有助于较深刻地全面地审查肌肉的功能。并且，高频率的快速练习在某种程度上有助于肌肉神经系统在较长时间内高速地正常工作，产生更大的适应性，从而在高速游时会保持更有效的划水技术。从更实用的角度看，游泳运动员还能获得运动心理学的一些感知觉，如速度感、方位感、力量感、距离感、水感等。同时，由于牵引辅助达到的高速游，能培养游泳运动员在目标时间内或高速度游泳时的良好的自我感觉，帮助加快动作频率，提高划水动作的协调性。

基于这种认识，发明人提出了由伺服电机和控制装置等组成的牵引机，借由调整控制装置，使伺服电机在发电机和电动机这两种状态下运作以可负向牵引或正向牵引游泳运动员，以提供可程序控制且安全性高的双向牵引机，其整体构件小、噪音小且不占体积，具有好的成本效益。

在一个优选实施方式中，还包括附接至该伺服电机的转子的转速检测装置，其中所述转速检测装置与所述控制装置电连接以允许主控制模块闭环控制正向牵引状态下转子的转速。

在一个优选实施方式中，其中所述转速检测装置为附接至所述转子的光电编码器。

在一个优选实施方式中，还包括第一供电模块和为控制装置供电的第二供电模块，其中所述第一供电模块被构造成将来自电源的电压转换成12伏的直流电，且第二供电模块被构造成将12V直流电压转换成5伏的直流电。

在一个优选实施方式中，还包括数据采集模块，其中所述数据采集模块与所述控制装置电连接，其构造成在所述负向牵引状态下采集流过伺服电机的电流且在正向牵引状态下采集伺服电机的转子的转速。

在一个优选实施方式中，其中所述正向牵引模块构造至少包括：启动单元，其以启动脉宽将脉冲施加至伺服电机以使该伺服电机加速旋转；稳态单元，其以脉宽设定为不同于该启动脉宽的稳态脉宽将脉冲施加至伺服电机以使该伺服电机以设定的速度等速旋转；以及减速单元，其以脉宽小于该稳态脉宽的减速脉宽将脉冲施加至伺服电机以使该伺服电机做降速旋转。

在一个优选实施方式中，还包括数据存储模块，其与所述控制装置电连接并构造成存储在负向牵引状态下采集的伺服电机的电流和在正向牵引状态下采集的伺服电机的转子的转速。

在一个优选实施方式中，还包括与所述控制装置电连接的切换模块，其中所述切换模块电连接至继电器，其中在负向牵引状态下采集的伺服电机的电流在预设的时间段内保持为零时，该切换模块触发该继电器以将伺服电机从负向牵引状态切换至正向牵引状态。

在一个优选实施方式中，所述负向牵引模块能对外输出至少九种不同的输出电压，从而无级地调节负向牵引状态下的阻力，且所述正向牵引模块能对外输出至少十种不同的稳态脉宽，从而无级地调节正向牵引状态下的转子转速。

在一个优选实施方式中，所述负向牵引状态下的阻力范围约为50至500牛、所述正向牵引状态下的转子转速约为1.5至3.5米/秒，且所述拉绳的长度约为50至100米。

本发明的其它特征和优点的一部分将会是本领域技术人员在阅读本公开后显见的，另一部分将在下文的具体实施方式中结合附图描述。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1示出了是本发明的牵引机的立体示意图；

图2是图1中的牵引机的系统方框图；

图3是图1中的牵引机的伺服电机的整体控制电路图；

图4是图1中的牵引机的第一供电模块的电路图；

图5是图1中的牵引机的第二供电模块的电路图；

图6是图1中的牵引机的控制装置中含单片机的控制电路的电路图；

图7是图1中的牵引机的负向牵引模块的电路图；

图8是图7中的牵引机的负向牵引模块的电压控制的等效电路图；

图9是图1中的牵引机的正向牵引模块的电路图；

图10是图1中的牵引机的负向牵引时电流放大采集的电路图；

图11是图1中的牵引机的数据采集模块的电路图；

图12是图1中的牵引机的数据采集AD转换模块的电路图；

图13是图1中的牵引机的数据存储模块的电路图。

附图标记说明

10.游泳牵引机 11.基座 12.拉绳 12A.卷筒 13.控制装置 13A.通信端口 13B.控制端口 13C.电源接口 14.伺服电机 14A.电气端口 14B.转子输出 14C.光电编码器15.控制面板 15A.外显示屏 15B.通信端口 15C.WIFI模块 16.继电器

具体实施方式

现参考附图，详细说明本发明所公开的游泳牵引机的示意性方案。尽管提供附图是为了呈现本发明的一些实施方式，但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制，并且某些特征可被放大、移除或局剖以更好地示出和解释本发明的公开内容。附图中的部分构件可在不影响技术效果的前提下根据实际需求进行位置调整。在说明书中出现的短语“在附图中”或类似用语不必参考所有附图或示例。

需要说明的是，当组件被称为“固定”至另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“支撑”或“支承”或“设置”或“安装”于另一个组件，它可以是直接支承或支撑或安置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。在下文中被用于描述附图的某些方向性术语，例如“横”、“竖”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”、“上方”、“下方”和其它方向性术语，将被理解为具有其正常含义并且指正常看附图时所涉及的那些方向。除另有指明，本说明书所述方向性术语基本按照本领域技术人员所理解的常规方向。本发明中所使用的术语“第一”、“第二”及其类似术语，在本发明中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个部件与其它部件进行区分。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在图1中示出了根据本发明的游泳牵引机10的结构视图。在此，该游泳牵引机10适于为泳池中的游泳运动员提供负向牵引和正向牵引，其中，包括：固定安放至泳池边的基座11，其中基座11带有能双向旋转的伺服电机14；拉绳12，其中拉绳12的一端与该伺服电机14的转子操作连接且另一端能操作连接至游泳运动员。在本文中，术语“负向”是指牵引机施加给运动员的力的方向与运动员自身的运动方向是相反的，即在负向牵引状态下，游泳牵引机向运动员提供阻力，术语“正向”则是指牵引机施加给运动员的力的方向与运动员自身的运动方向是相同的，即在正向牵引状态下，游泳牵引机向运动员提供助力。在本文中，该伺服电机14为有刷直流电机，由此其既可以用作为将外部输入的机械能转换为电能的发电机，也可以用作将电能转化为动力的电动机。

在此如图1所示，该伺服电机14是内设于基座11内，其中该伺服电机14的转子14B的外侧带有由其驱动的第一带轮。相应地，在基座11上还设有与该第一带轮借助于带传动实现传动连接的第二带轮，该第二带轮固定连接有其上缠绕有拉绳12的卷筒。在第一带轮和第二带轮之间借助于诸如为V带的皮带进行传动连接，由此，借助于伺服电机14和拉绳12的操作连接，可以将负向牵引和正向牵引的作用力施加至于拉绳12操作连接的游泳运动员。在此，为了更好地示出位于基座11内的各部件，将基座11的部分外壳予以移除。

同样内设于该基座11内的、与所述伺服电机14电连接的控制装置，其包括内部具有数字信号处理器(DSP)或者单片机(Single-Chip Microcomputer)及其所附属的电路板的控制面板，以供使用者输入设定负向牵引的阻力值和正向牵引的牵引速度，并根据预设的控制流程和程序向伺服电机14输出控制信号，数字信号处理器(DSP)或者单片机(Single-Chip Microcomputer)及其所附属的电路板是以预设的训练管理指令及电路以供下文所详细描述的各功能电路驱动及控制面板的各个控制开关或端口操作，以可接受用户输入信号及输出控制信号。作为示例，在下文中以单片机进行描述，其中该单片机例如但不限于为AT单片机或STC单片机，例如AT89S52单片机、AT89S55单片机或者STM32单片机等。

具体来说，其中该控制装置包括：主控制模块，其适于根据所接受的外部输入使所述伺服电机14工作选择性地在负向牵引状态或正向牵引状态下工作，其中在所述负向牵引状态下，伺服电机14的转子以等动的方式向拉绳12施加阻力，而在所述正向牵引状态下，所述伺服电机14的转子以等速的方式向拉绳施加助力；与主控制模块电连接的负向牵引模块，其构造为根据接受自主控制模块的控制信号将对应的电压施加至所述伺服电机14；以及与主控制模块电连接的正向牵引模块，其构造为根据接受自主控制模块的控制信号以脉宽调制的方式控制所述伺服电机14的操作。

如图2所示，在本发明的牵引机10中伺服电机14、控制装置13和控制面板15，其中该控制面板15的通信端口15B与控制装置13的通信接口13A电气连接，其中控制装置13的控制端口13B与伺服电机14的电气端口14A连接，伺服电机14的转子输出14B与其上缠绕有拉绳12的卷筒12A借由皮带传动实现传动连接；其中控制面板15用于接受来自用户的控制指令，该控制装置13根据用户的控制指令通过电机的脉宽调制控制技术控制伺服电机14的旋转转速以实现正向牵引并通过电机的励磁电压控制来实现负向牵引时的阻力控制，由此允许该伺服电机14根据运动员在游泳过程中的爆发力大小为拉绳提供动态阻力。伺服电机还可以通过电源接口向外输出在负向牵引过程中产生的电能，并随后借助于电阻以热能的方式耗散到外部环境中。在此，该伺服电机14优选采用同步直流电机或者无刷直流电机，而且可优选地搭配PWM控制技术，依据电机学中的功率平衡方程以及标定参数进行理论推算，或通过附接至伺服电机的光电编码器14A测量实时转速进行计算。不同的阻力范围和正向牵引的速度范围可以通过控制面板15进行调节，从而满足游泳运动员的各种训练需求。

在此，控制面板15包括显示屏15A，该外显示屏15A用于显示在负向牵引期间的阻力大小(包括用户自己设置的阻力大小，也包括当前实际阻力大小)、伺服电机的转速、时间、功率、能量等运动数据。当然，控制面板也可以是用户使用的手机等移动终端，即用手机代替控制面板，以操控伺服电机。在本实施例中，在控制面板15中还内设有各种通信端口，如与控制装置13通信的通信端口15B、控制面板的通信端口可以采用有线通讯接口或无线通讯接口。其中，无线通讯接口包括但不限于蓝牙接口、WIFI接口、Zigbee接口、ANT+接口，用于对应连接蓝牙设备、WIFI设备、Zigbee设备和ANT+设备。

本申请的发明人认识到对于游泳项目来说，除了进行阻力训练外，在水中进行正向牵引训练也是非常重要的。关于此，一方面在负向牵引进行阻力训练时，游泳运动的需求与陆上力量训练不尽相同。为了确保使游泳运动员承受主要负荷的肌群的力量素质得到全面发展，要求运动员在水中使用过程中肌肉的爆发力与其所受的阻力成正比，使得肌肉在运动全过程中的任何一点都可以释放最大的力量。由于游泳过程中存在水的阻力，因此与路上训练相比，在游泳项目中进行负向牵引训练时牵引机所提供的阻力大小的控制精度会更加高。

另一方面，不同于陆上力量训练，正向牵引训练对于游泳运动员提高划水技术是非常重要的。并且从更实用的角度看，游泳运动员还能获得运动心理学的一些感知觉，如速度感、方位感、力量感、距离感、水感等。同时，由于牵引辅助达到的高速游，能培养游泳运动员在目标时间内或高速度游泳时的良好的自我感觉，帮助加快动作频率，提高划水动作的协调性。在此，在正向牵引的情况下，要考虑游泳训练中的实际需求。

基于这种认识，本发明中的双向牵引机可借由调整控制装置，使伺服电机14在发电机和电动机这两种状态下运作，从而可负向牵引或正向牵引游泳运动员。具体来说，当用户使用根据本发明的游泳牵引机10进行训练时，其可以首先通过移动端应用程序(APP)或控制按钮设置训练模式，包括负向牵引和正牵这两种主要模式，移动端应用程序的设置可以通过蓝牙模块或者无线通信模块传输至控制装置内的DSP或者单片机。若DSP或者单片机未收到训练模式通知，则默认使用负向牵引训练模式。根据训练模式的不同，控制装置可采取不同的实施方案。

DSP或者单片机根据模式决定伺服电机14的运行方式。具体来看：在用户选择负向牵引训练模式时，由于负向牵引训练是游泳运动员在游泳池中处于不同位置处时输出不一致的最大力的训练模式，但在每个位置处均使拉绳的牵引力与运动员的爆发力是大体一致的。因此单片机11接收的训练模式只包含设定的档值，在此该伺服电机14在不同的档值范围内输出的持续变化的阻力，其中该阻力能够确保与拉绳12操作连接的运动员是始终处于力平衡的状态，即始终受到与其自身的肌肉力相等的最大阻力。

为实现这种控制，控制装置首先根据所接受的外部输入例如阻力的档位值使伺服电机14工作在负向牵引状态下工作，其中在负向牵引状态下，伺服电机14处于发电机状态。在运动员开始在泳池中向前方游动时，此时会拉动拉绳12带动伺服电机14的转子进行反向旋转，借助于转子一端连接的诸如为光电编码器等检测装置向控制装置输入用户开始正式训练的信号，随后控制装置与下文详细描述的负向牵引模块通信连接并根据用户已输入的阻力的档位数值来向伺服电机14施加相应的外部电压值。由于运动员借助拉绳12施加至伺服电机14的机械能扣除能量转换损失，全部转化成伺服电机输出的电能。若经过负向牵引模块的电压控制电路使发电机输出稳定的电压，并将发电机输出的电流输给电阻予以耗散。由于运动员输入的功率P＝V*I，其中对于有刷直流电机来说，电压V对应于转速而I对应于转矩，因此若将电压V随时稳定在期望的值，对应于转子转矩(即负向牵引的阻力)的电流I就会随着运动员自身力量变化导致输入给发电机的功率P的变化，从而允许动态地保证运动员所受的阻力与其自身的爆发力随时保持在平衡的程度。

具体来说，例如控制装置中的单片机计算并输出对应的电压，继而通过诸如模数转换器等电器件输出可变化且较小的模拟电压，其中不同大小的电压相当于不同阻力的档位值，在此优选设计为9档的阻力档位值。在每一个档位下，用户所承受的负向牵引的阻力均例如为50至500牛的范围值。其中对应于不同的档位数值，随着运动员借助于拉绳带动伺服电机14的速度来调节阻力从50牛增加至500牛的快慢或者梯度。其中例如，在1档下训练时，其缓慢地从50牛增加至最大阻力500牛，这更适用于业余爱好者或者年轻选手，而对于9档，其迅速地从50牛增加至最大阻力500牛，更适用于专业选手。

经过诸如MOS管对输入电压调整后，调整伺服电机14中励磁部分的磁通量，影响伺服电机14的阻力，进而产生一个与用户施力大小一致的阻力。具体来说，在固定好档位后，施加给伺服电机14的励磁部分的电压是稳定不变的，由此励磁部分的磁通量也保持不变。其结果是，若运动员产生的力越大，其会带动电机以更高的转速转动。结果是作为发电机的伺服电机14的反生电流越大，转矩越大，阻力就越大。反之，电机转速越慢，电流越小，转矩也就越小，进而阻力也就越小。在此，为了避免伺服电机14在负向牵引模式下产生的电流对电机和电路系统产生不利影响，附加地设置有诸如为电阻的能量消耗单元，此时单片机导通伺服电机14与作为能量消耗单元的电阻间的电路，以借助于电阻将发电状态下所产生电能以热的方式进行损耗消除，从而允许该游泳牵引机10能长寿命地持续工作。

随着运动员在泳池中持续的游动，例如在常规的50米长度的泳池，其游动到泳池的对岸，此时运动员会暂停在泳池的对岸。在运动员停止时，拉绳12及光电编码盘也随之变为静止不动的，并向控制装置输入用户已完成负向牵引训练的信号，随后控制装置与下文详细描述的正向牵引模块通信连接并根据用户已输入的速度的档位值来向伺服电机14施加相应的脉冲控制。

具体来说，可以编程为在运动员暂停在泳池的对岸1至10秒后将伺服电机14由负向牵引状态转为正向牵引状态，其中在正向牵引状态下，伺服电机14的转子以等速的方式向拉绳施加助力，即此时拉绳12被伺服电机14回卷，这借助于对伺服电机14的脉宽调制的方式来实现。

以运动员暂停5秒后开始负向牵引转为正向牵引为例，该游泳牵引机10包括与控制装置电连接的切换模块，其中切换模块电连接至继电器，其中在负向牵引状态下采集的伺服电机14的电流在预设的时间段内保持为零时，该切换模块触发该继电器以将伺服电机14从负向牵引状态切换至正向牵引状态。具体来说，继电器跳转后将例如为48V的工作电压施加给伺服电机14。

在本发明中，该伺服电机14例如可以是有刷直流电机，其中可以借助于在下文中详细描述的数字电位器和脉宽(PWM)发生器一起将恒定的48V的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。对伺服电机的上述调速的实质是调节方波高电平和低电平的时间比，例如20％占空比波形，是20％的高电平时间和80％的低电平时间，如果占空比调到60％，那么就是60％的高电平时间和40％的低电平时间，占空比越大，输出的脉冲幅度越高，电压越大，转速越高，反之则转速降低。

为了确保在正向牵引状态下的转速的控制精度，本发明优选地还允许将诸如为光电编码器的转速检测装置与控制装置电连接以允许主控制模块闭环控制正向牵引状态下转子的转速。具体来说，控制装置中的单片机能够经过数字电位器与PWM发生器相连，且PWM发生器与伺服电机相连，该单片机在接受来自光电编码器的转速信号后与用户预设的正向牵引的速度值进行闭环控制，将实际转速与预定转速进行差值比较，若实际转速高于预设转速，此时需要减小PWM发生器所输出的占空比，反之，若实际转速低于预设转速，则需要增大PWM发生器所输出的占空比。由此，由于光电编码器能始终准确地检测电机的转速，使得能借助于闭环控制使正向牵引状态下转子的转速始终位于希望的转速范围内。

进一步，发明人发现，在游泳运动员完成负向牵引训练后，其身体一般处于较疲惫的状态，因此在进行正向牵引训练时期望主要依靠牵引机拉动其回游，即正向牵引时伺服电机需要有一定时期的加速阶段。进一步，在正向牵引后，为防止运动员以过度速度冲向终点撞击泳池的池壁，也需要有一定时期的减速阶段。为此，在本发明中，正向牵引模块构造至少包括：启动单元，其以启动脉宽将脉冲施加至伺服电机以使该伺服电机加速旋转；稳态单元，其以脉宽设定为不同于该启动脉宽的稳态脉宽将脉冲施加至伺服电机以使该伺服电机以设定的速度等速旋转；以及减速单元，其以脉宽小于该稳态脉宽的减速脉宽将脉冲施加至伺服电机以使该伺服电机做减速旋转。

发明人发现，对于伺服电机的控制系统而言，若希望它能以最短的时间到达控制终点，需要使伺服电机的速度尽可能地快。此外，根据伺服电机的特性可知，启动脉宽越高，能够允许在尽可能短的时间段(加速段)内使电机驱动拉绳带动运动员逼近期望的速度。当伺服电机启动一段时间后，根据实际设定的启动脉宽，进入稳态时的稳态脉宽可以低于或高于启动脉宽。具体来说，若用户喜好将启动脉宽设计为高的，在后期可以使稳态单元以小于该启动脉宽的稳态脉宽将脉冲施加至伺服电机以使该伺服电机以设定的速度等速旋转。当然，如果用户并未将启动脉宽设计为高的，则随后的稳态是可能需要使稳态单元以大于该启动脉宽的稳态脉宽将脉冲施加至伺服电机以使该伺服电机以设定的速度等速旋转。由此可见，借助于上述启动单元、稳态单元和减速单元使得原本静止的伺服电机不会一下子稳定到工作脉宽，而是在启动时有一段变速的过程。从高速运行到停止也应该有一段减速的过程，防止伺服电机因为系统惯性的原因，而发生运动员被拉绳12拽动冲过终点的现象。

在本发明中作为一种优选的方式，其中拉绳12的长度约为50至100米，这能适用于目前主流的泳池赛道的长度：50米和100米。其中优选地，在正向牵引时，以拉绳12末端距基座11的长度起算，在距基座50至45米的长度内，启动单元起作用以拉动运动员加速运动，接下来在距基座45至5米的长度内由稳态单元起作用从而以设定规定速度拉动运动员按基本保持不变的速度正向牵引，最后在距基座50至45米的长度内，减速单元起作用从而降低运动员被正向牵引的速度，使运动员在水的阻力的作用下缓慢减速并留给运动员充分的时间触壁停止。

作为本发明的另一优选的方面，该正向牵引模块能对外输出至少十种不同的稳态脉宽，从而无级地调节正向牵引状态下的转子转速。其中以50米的牵引距离为例，该正向牵引的稳态速度可以设定为1.5-3.5米/秒的速度范围内，其中以0.2米/秒的区间来设定不同的档位数值，共计10种不同的档位。

作为本发明的另一优选的方面，为了便于教练员和运动员评估训练过程中的效果，该游泳牵引机10还包括数据采集模块，其中该数据采集模块与控制装置电连接，其构造成在负向牵引状态下采集流过伺服电机的电流且在正向牵引状态下采集伺服电机的转子的转速。正如前文所描述的，在负向牵引状态下伺服电机的电流与运动员借助于拉绳12施加给伺服电机的转子的拉力是对应的，借助于电流的大小值即可推知运动员在水中运动时肌肉所产生的爆发力的大小。同样地，由于在正向牵引状态下转子的转速能对应于拉动运动员进行速度训练的能力，因此该转子的转速值也能使教练员和运动员能直观地感受正向牵引训练的效果。其中示例地用作该数据采集模块的电路将在下文详细描述。

进一步，为了便于将上述有助于评估训练效果的数据加以外显、转移和保留，根据本发明的游泳牵引机10还包括数据存储模块，其与控制装置电连接并构造成存储在负向牵引状态下采集的伺服电机的电流和在正向牵引状态下采集的伺服电机的转子的转速。其中示例地用作该数据存储模块的电路将在下文详细描述。

接下来，结合图3至图13对本发明的牵引机10中的各种实现的电路进行了详细的描述，但本领域技术人员知晓，以上实现上述功能模块的各种功效的电路仅是示例的，本领域技术人员可以在本发明在此披露的控制电路的基础上进行常规的改型和调整，但这些对电路的常规的改型和调整均应视为落入本发明随附的权利要求书中所涵盖的内容内。

如图3所示，其中示出了根据本发明的牵引机的伺服电机的整体控制电路图。如其中虚线框图中所示出的，在控制电路图中设置有由连接至接点6和3的双刀触点开关K1所控制的伺服电机的电路图，其中该双刀触点K1借助于继电器16能够在其不同位置间切换：使接点6和3分别接通至接点4和7的第一位置和使接点6和3分别接通至接点5和8的第二位置。在第一位置，此时使伺服电机14由借助于端口J4的在下文详细描述的负向牵引模块所输出的电压来控制，即伺服电机14工作在负向牵引状态下。若在第二位置，则此时由于接通分别连接至48V和接地的接点5和8使伺服电机14用作为电动机工作在正向牵引状态下，此时借助于下文详细描述的正向牵引模块所输出的脉宽来控制伺服电机14的工作转速。继电器16同样连接至端口J4以接受来自单片机的控制信号，从而在满足预设条件后被致动以实现负向牵引状态和正向牵引状态之间的切换。在此对于伺服电机14的控制是借助于功率三极管N1来实现的，该功率三极管N1响应于端口J4的控制信号选择性地导通。余下的伺服电机的控制电路均为本领域技术人员所熟知的电路设计，在此不再赘述。

在本发明中，为了实现利用48V的单一电源向游泳牵引机的具不同工作电压的元器件供电，还包括第一供电模块和为控制装置供电的第二供电模块，其中所述第一供电模块被构造成将来自电源的电压转换成12伏的直流电以例如为控制面板供电，且第二供电模块被构造成将12V直流电压转换成5伏的直流电。其中在图4中示出了第一供电模块的电路图，在图5中示出了第二供电模块的电路图。

如图4所示，可商购的商业名为48S12的电压调整器被用于对来自端口J5的48V电压进行降压操作，其中该电压调整器的Vin的1号引脚与48V的电源相连接且其2号引脚接地。对应地，在其作为输出的Vout的3号引脚和4号引脚之间形成所需的12V的电压，为了确保该电压的稳定输出，在电路中并联有多个电容，余下的电路均为本领域技术人员所熟知的电路设计，在此不再赘述。在此，该12V电压例如但不限于可以是作为向控制面板或者第二供电模块提供电流输入的模块。

如图5所示，来自第一供电模块的12V直流电压被引入至第二供电模块的稳压芯片的1号引脚，在此该稳压芯片例如是可商购的商业名为LM7805的稳压芯片，其中该稳压芯片的2号公共引脚是接地的，对应地，在其作为输出的Vout的3号引脚和2号公共引脚之间对外输出所需的5V的电压，为了确保该电压的稳定输出，在电路中并联有多个电容，余下的电路均为本领域技术人员所熟知的电路设计，在此不再赘述。在此，该5V的输出电压例如但不限于是向单片机提供电流输入的模块。

在图6中示出了根据本发明的含单片机的控制电路的电路图，在一种优选的实施例中，单片机选用AT89S52，AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kBytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，在芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器。

在本控制系统中，单片机内部资源利用表如表1所示，具体的引脚排布和连接图参照图6。

进一步，如图6所示，最左侧的J1是该单片机电路板的接口，其一方面与单片机的对应引脚电连接，另一方面与控制装置的其他外围控制电路的相应电气件电连接。作为单片机的计算子单元的部分以虚线框标识出，且作为地址锁存子单元的地址锁存芯片U2也以虚线框标识出，进而作为内存子单元的RAM内存U3也以虚线框标识出。余下的电路均为本领域技术人员所熟知的电路设计，在此不再赘述。

在图7和8中分别示出了负向牵引模块及其等效电路的电路图，其中来自单片机的ZLC信号选择性地施加至三极管Q3。结果是，由三极管Q3控制场效应管N1的开闭，进而控制施加给伺服电机14的电压MOT。其中这种控制的等效电路图在图8中予以详细描述。如图8所示，在该等效电路中，显然可以得出以下方程：Vref＝R2/(R1+R2)V_Mot

V_Mot＝R1/R2*V_ref+V_Ref

由三极管的特性可知，V_Ref大概为0.7V。故在此取V_ref＝0.7V，从而将以上方程换算为：V_Mot＝R1/R2*0.7+0.7V。由此不难看出，在电阻R1的阻值保持不变的情况下，通过改变R2的电阻的阻值就可以有效地控制电机V_Mot的输出电压，即改变R2的阻值就可以改变MG1(电机)的输出电压。由此实现了在单片机控制下的，根据用户指令选定的、对应于不同阻力档位的不同大小的电压。这些电压使得伺服电机被不同程度的励磁，从而确保在每个档位下伺服电机的阻力值与游泳运动员的爆发力是平衡的，使运动员令人满意地进行等动训练。

图9中示出了根据本发明的牵引机的正向牵引模块的电路图，其中U14为数字电位器且U13为PWM发生器，在此该数字电位器接受来自单片机的控制信号改变其电阻值，从而使供给至伺服电机的电压发生变化，进而该PWM发生器则在单片机的控制下以期望的占空比对外输出脉宽信号。具体地，在数字电位器U14的三个控制引脚1-2和7分别接受来自单片机的INC、U/D和CS信号从而处于期望的电阻值，随后控制U13的工作，进而以期望的占空比对外输出脉宽信号。作为优选地，光电编码器12A与伺服电机12、单片机相连组成速度反馈部分，光电编码器12A获取的伺服电机14的转动速度并转换为数字信号，输入至单片机控制器，接着根据反馈信号和给定值计算得到控制量，进而将控制量送入数字电位器得到控制信号，控制信号经过PWM发生器工作，驱动伺服电机转动至设定转速。

图10为用于测量在负向牵引状态下的电流值大小的电路，其中该电流值大小与游泳运动员施加给拉绳的作用力是对应的。如图10所示，运算放大器U4的第3管脚通过第一电阻R40电连接电机电流采用电阻的输出端，运算放大器U4的第2管脚还通过第二电阻R27接地；运算放大器U4的第6管脚电连接第三电阻R26的一端，第四电阻R19的另一端分别电连接第五电阻R21一端以及电容C28的一端，第五电阻R21的另一端作为电机电流采样电路单元的输出端，电连接模数转换电路单元的输入端，电容C28的另一端接地。通过对上述电路的详细阐述，即可通过运算放大器对采样电流进行放大，以便为后续模数转换提供数据基础。

在图11中示出了根据本发明的游泳牵引机10的数据采集模块的电路图，其中该数据采集模块至少采集以下数据：负向牵引状态下的电流值(即运动员所受到的阻力值)、电池电源电压值(低电压报警)，其中上述采集信号依次用Force1引脚和Ref引脚来实现，并借助于接入LOWB信号来控制这些数据读入数据采集模块的时序。如图12所示，该模块可以是串行芯片，其中接受来自CLK的时钟信号依序将电流值反映的阻力大小值和电池电源电压值由数据采集模块有序地采集。

在图13中示出了牵引机的数据存储模块，其引脚5和6接受来自控制模块输入的数据信号。优选地，该数据存储模块还可以外接ROM并且在其中存储机器的出厂默认信息和电机转速。

需要强调的是，以上实现上述功能模块的各种功效的电路仅是示例的，本领域技术人员可以在本发明在此披露的控制电路的基础上进行常规的改型和调整，但这些对电路的常规的改型和调整均应视为落入本发明随附的权利要求书中所涵盖的内容内。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。在不脱离本发明的构思和原则的前提下，本领域的技术人员可作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种游泳牵引机，其适于为泳池中的游泳运动员提供负向牵引和正向牵引，其特征在于，包括：

固定安放至泳池边的基座，其中所述基座带有能双向旋转的伺服电机, 其中所述伺服电机转子的外侧带有由其驱动的第一带轮,在基座上还设有与该第一带轮借助于带传动实现传动连接的第二带轮，该第二带轮固定连接有其上缠绕有拉绳的卷筒；

拉绳,其中拉绳的一端与由所述伺服电机的转子传动连接的卷筒操作连接且另一端能操作连接至游泳运动员;

与所述伺服电机电连接的控制装置,其中所述控制装置包括:

主控制模块,其适于根据所接受的外部输入使所述伺服电机工作选择性地在负向牵引状态或正向牵引状态下工作,其中在所述负向牵引状态下,所述伺服电机的转子以等动的方式向拉绳施加阻力,而在所述正向牵引状态下,所述伺服电机的转子以等速的方式向拉绳施加助力;

与主控制模块电连接的负向牵引模块,其构造为根据接受自主控制模块的控制信号将对应的电压施加至所述伺服电机；以及与主控制模块电连接的正向牵引模块，其构造为根据接受自主控制模块的控制信号以脉宽调制的方式控制所述伺服电机的操作；其中控制装置经过数字电位器与伺服电机相连的PWM发生器相连，其中控制装置在接受到转速信号后与用户预设的正向牵引的速度值进行闭环控制；

其中所述正向牵引模块构造至少包括：

启动单元，其以启动脉宽将脉冲施加至伺服电机以使该伺服电机加速旋转,从而拉动运动员加速运动；

稳态单元，其以脉宽设定为大于该启动脉宽的稳态脉宽将脉冲施加至伺服电机以使该伺服电机以设定的速度等速旋转；

以及减速单元，其以脉宽小于该稳态脉宽的减速脉宽将脉冲施加至伺服电机以使该伺服电机做减速旋转;

还包括与所述控制装置电连接的切换模块，其中所述切换模块电连接至继电器，其中所述继电器使双刀触点在第一位置和第二位置之间切换,其中在第一位置,经由所述负向牵引模块所输出的电压控制所述伺服电机的操作,而在第二位置则借助于所述正向牵引模块所输出的脉宽来控制伺服电机的工作转速,其中在负向牵引状态下采集的伺服电机的电流在预设的时间段内保持为零时，该切换模块触发该继电器以将伺服电机从负向牵引状态切换至正向牵引状态;其中所述负向牵引模块能对外输出至少九种不同的输出电压，从而无级地调节负向牵引状态下的阻力，且所述正向牵引模块能对外输出至少十种不同的稳态脉宽，从而无级地调节正向牵引状态下的转子转速。

2.如权利要求1所述的游泳牵引机，其特征在于，还包括附接至该伺服电机的转子的转速检测装置，其中所述转速检测装置与所述控制装置电连接以允许主控制模块闭环控制正向牵引状态下转子的转速。

3.如权利要求2所述的游泳牵引机，其特征在于，其中所述转速检测装置为附接至所述转子的光电编码器。

4.如权利要求1所述的游泳牵引机，其特征在于，还包括第一供电模块和为控制装置供电的第二供电模块,其中所述第一供电模块被构造成将来自电源的电压转换成12伏的直流电，且第二供电模块被构造成将12V直流电压转换成5伏的直流电。

5.如权利要求2所述的游泳牵引机，其特征在于，还包括数据采集模块，其中所述数据采集模块与所述控制装置电连接，其构造成在所述负向牵引状态下采集流过伺服电机的电流且在正向牵引状态下采集伺服电机的转子的转速。

6.如权利要求1所述的游泳牵引机，其特征在于，还包括数据存储模块，其与所述控制装置电连接并构造成存储在负向牵引状态下采集的伺服电机的电流和在正向牵引状态下采集的伺服电机的转子的转速。

7.如权利要求1所述的游泳牵引机，其特征在于，所述负向牵引状态下的阻力范围为50至500牛、所述正向牵引状态下的转子转速为1.5至3.5米/秒，且所述拉绳的长度为50至100米。