CN117101079B - 电机驱动式抗阻力量训练器及其失速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及健身器材技术领域，具体公开一种电机驱动式抗阻力量训练器及其失速控制方法，包括控制模组、阻力拉绳、永磁发电机、制动电机、速度传感器、张力传感器以及两个制动继电器；控制模组包括内置嵌入式单片机，内置嵌入式单片机内置肌力测试评估软件模块以及老年人肌力水平评测软件模块；当永磁发电机速度失控时，电阻制动电路与永磁发电机相连实现电阻制动；当阻力拉绳异常断裂，制动件在异常状态下受制动电机驱动而制动阻力拉绳。本发明克服了由于电控零件异常引起的失速控制以及由于阻力拉绳磨损断裂引起的惯性快速移动所造成的安全事故，大大提升了训练器的安全使用性能，在不增加硬件成本的情况下创新延伸了娱乐化训练指导功能。

Description

电机驱动式抗阻力量训练器及其失速控制方法

技术领域

本发明涉及健身器材技术领域，具体涉及一种电机驱动式抗阻力量训练器及其失速控制方法。

背景技术

抗阻力量训练器材是主要的室内肌力训练设备，传统的重量块的室内肌力训练设备占地空间大和运输不方便都不便于家庭化推广。近年来，通过电机产生的阻力设计的抗阻力量训练器越来越多投入市场，成为家庭方便肌力训练的器材，例如CN110898403A。

但是电机驱动式抗阻力量训练器存在以下因素会导致伤害使用者的安全隐患：1、电控零件异常引发失速控制；2、传输阻力的拉绳磨损断裂导致使用者惯性速度摔倒。另外，现有的电机驱动式抗阻力量训练器大部分没有配套肌力评价功能，特别是没有老年人肌力评价功能，部分有此功能的都很昂贵，无法大众化推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机驱动式抗阻力量训练器及其失速控制方法，既具有肌力训练安全性功能，也有普通人肌力评价和定制老年人肌力评价功能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

电机驱动式抗阻力量训练器，包括控制模组、电机控制器、阻力拉绳、永磁发电机、制动电机、速度传感器、张力传感器以及第一制动继电器、第二制动继电器；

所述第一制动继电器和第二制动继电器共有三个常开触点和三个常闭触点，三个常开触点分别串联在永磁发电机的三相线与电机控制器之间，三个常闭触点电连接在永磁发电机的三相线和电阻制动电路之间；

所述阻力拉绳传动连接永磁发电机且所述阻力拉绳的末端穿出训练器外部；所述速度传感器和张力传感器分别对应安装在阻力拉绳的传送路径上；

所述电机控制器通过电源适配器电连接至控制模组，所述控制模组包括嵌入式单片机MCU、第一可变电阻器、第一电阻器、第一比较运算放大器、第二电阻器、第一制动继电器线圈、第二制动继电器线圈、三极管、第三电阻器、第四电阻器、第一模数转换器、第二可变电阻器、第六电阻器、第二比较运算放大器、第七电阻器、第二模数转换器；

所述速度传感器通过第三电阻器、第四电阻器与第一比较运算放大器的一个输入端电连接，第一可变电阻器的滑动端通过第一电阻器与第一比较运算放大器的另一个输入端电连接，所述第一比较运算放大器输出端通过第二电阻器与三极管基极电连接，所述三极管的集电极并联连接第一制动继电器线圈和第二制动继电器线圈；

所述速度传感器还通过第一模数转换器电连接至嵌入式单片机MCU的输入端；

所述张力传感器通过第七电阻器与第二比较运算放大器的一个输入端电连接，第二可变电阻器的滑动端通过第六电阻器与第二比较运算放大器的另一个输入端电连接，所述第二比较运算放大器输出端通过第二模数转换器电连接至嵌入式单片机MCU的输入端；

所述制动电机电连接在嵌入式单片机MCU的输出端，所述制动电机传动连接有制动件，所述制动件在异常状态下受制动电机驱动而制动阻力拉绳；

所述嵌入式单片机MCU内置存储媒介存储软件模块，软件模块包括肌力测试评估软件模块以及老年人肌力水平评测软件模块。

优选地，该抗阻力量训练器还包括人机交互显示设备，所述人机交互显示设备电连接电机控制器和控制模组。

优选地，所述制动件为制动凸轮，所述制动凸轮与制动电机之间采用皮带传动。

优选地，所述张力传感器安装在张力导向轮上，所述张力导向轮位于制动凸轮上方且阻力拉绳从张力导向轮和制动凸轮之间穿过。

优选地，所述电阻制动电路为采用三角形接法或星形接法的三个制动电阻。

优选地，所述制动电阻为小电阻值功率电阻。

优选地，所述老年人肌力水平评测软件模块内置第二功率时间关系曲线绘图软件模块。

优选地，所述肌力测试评估软件模块内置张力数据转换拉力数据算法模块、加速度算法模块、功率和做功算法模块和第一功率时间关系曲线绘图软件模块。

优选地，肌力测试评估软件模块将输入的速度传感器和张力传感器电信号转换为速度和张力数据；通过内置的张力数据转换拉力数据算法模块获得人体抗阻肌力数据，通过内置的加速度算法模块将所述速度数据转为加速度数据；通过功率和做功算法模块结合抗阻肌力数据和速度数据计算得到人体训练功率数据，同时结合锻炼时长计算人体训练做功数据，同时计算最大功率、平均功率和总做功，并通过总做功数据计算锻炼过程人体消耗的热量。

本发明还提供一种电机驱动式抗阻力量训练器的失速控制方法，具体为：

当阻力拉绳异常断裂，所述速度传感器监测的阻力拉绳速度和加速度超过预设上限时和/或所述张力传感器检测的阻力拉绳张力小于预设下限时，所述控制模组控制制动电机带动制动件制动阻力拉绳，防止由于突然失去阻力而惯性快速移动引起受伤风险；

当永磁发电机速度失控时，所述速度传感器监测的阻力拉绳速度和加速度超过预设上限时，所述第一制动继电器和第二制动继电器失电而使得三个常闭触点闭合，从而使电阻制动电路与永磁发电机相连实现电阻制动，保证训练者不会由于移动速度太快引起意外伤害。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一方面在永磁发电机的三相线路通过第一制动继电器和第二制动继电器的常闭触点电连接有电阻制动电路，这样当永磁发电机速度失控时，所述速度传感器监测的阻力拉绳速度和加速度超过预设上限时，所述第一制动继电器和第二制动继电器失电而使得三个常闭触点闭合，从而使电阻制动电路与永磁发电机相连实现电阻制动，利用永磁发电机转动自发电产生的电流产生阻力，移动速度越快，发电电流越大，产生的阻力越大，保证训练者不会由于移动速度太快引起意外伤害。

本发明另一方面在阻力拉绳的传送路径上设置由制动电机驱动的制动件，当阻力拉绳异常断裂，所述速度传感器监测的阻力拉绳速度和加速度超过预设上限时和/或所述张力传感器检测的阻力拉绳张力小于预设下限时，所述控制模组控制制动电机带动制动件制动阻力拉绳，防止由于突然失去阻力而惯性快速移动引起受伤风险。

综上两方面，克服了现有技术的抗阻力量训练器由于电控零件异常引起的失速控制以及由于阻力拉绳磨损断裂引起的惯性快速移动所造成的安全事故，大大提升了训练器的安全使用性能。

另外，结合速度传感器、张力传感器以及嵌入式单片机MCU中的肌力测试评估软件模块以及老年人肌力水平评测软件模块，实现抗阻肌力、人体训练功率、人体消耗的热量以及功率时间关系曲线等肌力评价功能相关的数据运算和显示，在不增加硬件成本的情况下创新延伸了娱乐化训练指导功能。

附图说明

图1为本发明电机驱动式抗阻力量训练器的失速控制示意图。

图2为本发明控制模组的控制电路示意图。

图中标记：10、电机控制器；20、控制模组；30、人机交互显示设备；40、电源适配器；51、永磁发电机；52、阻力拉绳；61、制动电机；62、制动凸轮；63、张力导向轮；64、张力传感器；65、速度传感器；71、第一制动继电器；72、第二制动继电器；

81、第一电阻器；82、第二电阻器；83、第三电阻器；84、第四电阻器；85、第五电阻器；86、第六电阻器；87、第七电阻器；88、第一可变电阻器；89、第二可变电阻器；91、第一比较运算放大器；92、第一模数转换器；93、第二比较运算放大器；94、第二模数转换器。

具体实施方式

为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1-图2所示，本实施例提供一种电机驱动式抗阻力量训练器，包括硬件部分和软件部分，主要有电机控制器10、控制模组20、人机交互显示设备30、阻力拉绳52、永磁发电机51、制动电机61、速度传感器65、张力传感器64以及第一制动继电器71和第二制动继电器72。电机控制器10用于控制永磁发电机51的正反转与阻力值大小调节，本实施例的电机控制器10对永磁发电机51的控制电路可参考申请人的公开专利文献CN112791342A；控制模组20主要用于在正常停机或异常故障、意外断电及阻力拉绳52意外断裂等情况下进行安全保护并提供肌力评价功能。

在本实施例中，所述人机交互显示设备30电连接电机控制器10和控制模组20，所述电机控制器10通过电源适配器40电连接至控制模组20和人机交互显示设备30，所述控制模组20包括嵌入式单片机MCU。

在本实施例中，所述阻力拉绳52传动连接永磁发电机51且所述阻力拉绳52的末端穿出训练器外部，具体的：所述阻力拉绳52卷绕在卷筒上，卷筒通过阻力传送带传动连接永磁发电机51的输出端，阻力拉绳52绕经阻力转换箱从抗阻力量训练器伸出在外部，通过永磁发电机51的正反转可控制阻力拉绳52的缓慢释放或收回，进而提供阻力，同时可以调节阻力大小。

另，在阻力转换箱与训练器上的阻力拉绳52出口之间的阻力拉绳52传送路径上对应安装速度传感器65和张力传感器64，所述速度传感器65和张力传感器64分别通过电路电连接至嵌入式单片机MCU的输入端，这样可以通过速度传感器65检测阻力拉绳52的速度数据，通过张力传感器64可以监测阻力拉绳52的张力数据。

在本实施例中，所述制动电机61电连接在嵌入式单片机MCU的输出端，所述制动电机61传动连接有制动件，所述制动件在异常状态下受制动电机61驱动而制动阻力拉绳52。其中，所述制动件为制动凸轮62，所述制动凸轮62与制动电机61之间采用皮带传动。所述张力传感器64安装在张力导向轮63上，所述张力导向轮63位于制动凸轮62上方且阻力拉绳52从张力导向轮63和制动凸轮62之间穿过。当阻力拉绳52异常断裂，所述速度传感器65监测的阻力拉绳52速度和加速度超过预设上限时和/或所述张力传感器64检测的阻力拉绳52张力小于预设下限时，所述控制模组20控制制动电机61带动制动件制动阻力拉绳52，防止由于突然失去阻力而惯性快速移动引起受伤风险。

所述第一制动继电器71和第二制动继电器72共有三个常开触点和三个常闭触点，三个常开触点电连接在电机控制器10和永磁发电机51之间，三个常闭触点电连接在永磁发电机51和电阻制动电路之间。所述电阻制动电路为采用三角形接法或星形接法的三个制动电阻，所述制动电阻为小电阻值功率电阻。当永磁发电机51速度失控时，所述速度传感器65监测的阻力拉绳52速度和加速度超过预设上限时，所述第一制动继电器71和第二制动继电器72失电而使得三个常闭触点闭合，从而使电阻制动电路与永磁发电机51相连实现电阻制动，利用永磁发电机51转动自发电产生的电流产生阻力，移动速度越快，发电电流越大，产生的阻力越大，保证训练者不会由于移动速度太快引起意外伤害。

在本实施例中，所述控制模组20包括嵌入式单片机MCU、第一可变电阻器88、第一电阻器81、第一比较运算放大器91、第二电阻器82、第一二极管、第一制动继电器线圈、第二二极管、第二制动继电器线圈、三极管、第三电阻器83、电容器、第四电阻器84、第五电阻器85、第一模数转换器92、第二可变电阻器89、第六电阻器86、第二比较运算放大器93、第七电阻器87、第二模数转换器94。嵌入式单片机MCU型号优选采用STM32F303RCT6。

本实施例的所述速度传感器65还通过第一模数转换器92电连接至嵌入式单片机MCU的输入端，所述速度传感器65通过第三电阻器83、第四电阻器84与第一比较运算放大器91的一个输入端电连接，第三电阻器83与第四电阻器84的相接端通过电容器接地，第一可变电阻器88的滑动端通过第一电阻器81与第一比较运算放大器91的另一个输入端电连接，所述第一比较运算放大器91输出端通过第二电阻器82与三极管基极电连接，所述第二电阻器82与三极管的相接端通过第五电阻器85接地，所述三极管的集电极并联连接第一制动继电器线圈和第二制动继电器线圈，所述第一制动继电器线圈并联有第一二极管，所述第二制动继电器线圈并联有第二二极管。

通过调节第一可变电阻器88设置第一比较运算放大器91的其中一端电压值作为速度监测限制基准值，当速度传感器65感应的速度在正常范围时，第一比较运算放大器91输出高电平，三极管导通，第一制动继电器线圈和第二制动继电器线圈获得电流而闭合常开触点，永磁发电机51的三相线通过第一制动继电器71、第二制动继电器72的闭合的常开触点与电机控制器10电连接而接受控制；当速度传感器65感应的速度在超过正常范围时，第一比较运算放大器91输出低电平，三极管不导通，第一制动继电器线圈和第二制动继电器线圈失去电流而断开常开触点再闭合常闭触点，永磁发电机51的三相线通过三个制动电阻与第一制动继电器71、第二制动继电器72的三个常闭触点连接并形成发电电流回路实现电阻制动，所述电流将形成运动反方向的阻力，速度越快，电流越大，阻力越大，从而防止因电机失控过快而引起的运动伤害。

同时，速度传感器65感应到的速度信号可直接通过第一模数转换器92转换为数字量输出给嵌入式单片机MCU的输入端。

本实施例的所述张力传感器64通过第七电阻器87与第二比较运算放大器93的一个输入端电连接，第二可变电阻器89的滑动端通过第六电阻器86与第二比较运算放大器93的另一个输入端电连接，所述第二比较运算放大器93输出端通过第二模数转换器94电连接至嵌入式单片机MCU的输入端。通过调节第二可变电阻器89调节设置第二比较运算放大器93的其中一端电压值作为张力监测的基准值，第二比较运算放大器93可将张力传感器64感应到的张力信号放大，然后通过第二模数转换器94转换为数字量输出给所述嵌入式单片机MCU的输入端。

本实施例的所述嵌入式单片机MCU内置存储媒介存储软件模块，软件模块包括肌力测试评估软件模块以及老年人肌力水平评测软件模块。其中：所述肌力测试评估软件模块内置张力数据转换拉力数据算法模块、加速度算法模块、功率和做功算法模块和第一功率时间关系曲线绘图软件模块，所述老年人肌力水平评测软件模块内置第二功率时间关系曲线绘图软件模块。

肌力测试评估软件模块将输入的速度传感器和张力传感器电信号转换为速度和张力数据，然后通过内置的张力数据转换拉力数据算法模块获得人体抗阻肌力数据，通过内置的加速度算法模块将所述速度数据转为加速度数据。

抗阻肌力计算公式：抗阻肌力值j=z×k

式中：z为张力，k为根据张力导向轮和阻力拉绳相对角度转换的参数，×为乘号。

移动加速度计算公式：加速度a=dv/dt（微分算法）

式中：dv为速度变化值，dt为时间变化值。

另外，通过功率和做功算法模块结合抗阻肌力数据和速度数据计算得到人体训练功率数据，同时结合锻炼时长计算人体训练做功数据，同时计算最大功率、平均功率和总做功，并通过总做功数据计算锻炼过程人体消耗的热量。

人体训练功率计算公式：训练功率p=v×j

式中：v为速度，j为抗阻肌力，×为乘号。

人体训练总做功计算公式：W=∫(p(t)×dt)（积分算法）

式中：p(t)为实时功率，dt为时间变化值，×为乘号。

人体消耗的热量的计算公式消耗热量H=W×c×4

式中：W为人体训练总做功，c为转换系数，×为乘号；

注：根据实验测试人体做功效率为25%，因此乘以4因子。

功率时间关系曲线坐标图上包括作为锻炼指导的标准功率时间关系曲线，该标准曲线根据肌力数据定义设计；标准功率时间关系曲线有两条，一条为标准上限线，另一条为标准下限线，以及随锻炼过程实时数据绘画的进程功率时间关系曲线；标准上限曲线和标准下限曲线用一种颜色显示，实时数据绘画的进程功率时间关系曲线用第二种颜色显示；当实时功率数据超出标准上限曲线和标准下限曲线范围，即用第三种颜色显示。

老年人肌力水平评测软件模块内置功率时间关系曲线绘图软件模块，功率时间关系曲线坐标图上包括作为锻炼指导的老年人标准功率时间关系曲线，该标准曲线根据老年人标准的肌力数据定义设计；标准功率时间关系曲线有三条，一条为标准上限线，一条为标准下限线，一条安全下限线，以及随锻炼过程实时数据绘画的进程功率时间关系曲线；标准上限线和标准下限线用一种颜色显示，安全下限线用第二种颜色显示，实时数据绘画的进程功率时间关系曲线用第三种颜色显示；当实时功率数据超出标准上限曲线和标准下限曲线范围，即用第四种颜色显示。当实时功率数据低于安全下限曲线，用即用第五种颜色显示，并通过电机控制器控制降低阻力电机输出力矩，直至实时功率数据回到述标准上限曲线和标准下限曲线范围，以保证老年人安全测试和训练。

另外，所述嵌入式单片机MCU还包括锻炼动作3D形象动画指导软件模块。锻炼动作3D形象动画指导软件模块包括训练行程算法模块、3D形象动画生成模块、3D形象动画指导模块。训练行程算法模块根据速度计算训练行程，3D形象动画生成模块生成虚拟人在人机交互的显示设备显示，3D形象动画指导模块根据行程将虚拟人进行标准动作动画播放，以此形象指导使用者按标准动作训练，在科学运动的同时进行娱乐化展示，解决运动枯燥的训练痛点。

以上显示和描述了本发明创造的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明创造精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.电机驱动式抗阻力量训练器，其特征在于：包括控制模组、电机控制器、阻力拉绳、永磁发电机、制动电机、速度传感器、张力传感器以及第一制动继电器、第二制动继电器；

所述第一制动继电器和第二制动继电器共有三个常开触点和三个常闭触点，三个常开触点分别串联在永磁发电机的三相线与电机控制器之间，三个常闭触点电连接在永磁发电机的三相线和电阻制动电路之间；

所述阻力拉绳传动连接永磁发电机且所述阻力拉绳的末端穿出训练器外部；所述速度传感器和张力传感器分别对应安装在阻力拉绳的传送路径上；

所述电机控制器通过电源适配器电连接至控制模组，所述控制模组包括嵌入式单片机MCU、第一可变电阻器、第一电阻器、第一比较运算放大器、第二电阻器、第一制动继电器线圈、第二制动继电器线圈、三极管、第三电阻器、第四电阻器、第一模数转换器、第二可变电阻器、第六电阻器、第二比较运算放大器、第七电阻器、第二模数转换器；

所述速度传感器通过第三电阻器、第四电阻器与第一比较运算放大器的一个输入端电连接，第一可变电阻器的滑动端通过第一电阻器与第一比较运算放大器的另一个输入端电连接，所述第一比较运算放大器输出端通过第二电阻器与三极管基极电连接，所述三极管的集电极并联连接第一制动继电器线圈和第二制动继电器线圈；

所述速度传感器还通过第一模数转换器电连接至嵌入式单片机MCU的输入端；

所述张力传感器通过第七电阻器与第二比较运算放大器的一个输入端电连接，第二可变电阻器的滑动端通过第六电阻器与第二比较运算放大器的另一个输入端电连接，所述第二比较运算放大器输出端通过第二模数转换器电连接至嵌入式单片机MCU的输入端；

所述制动电机电连接在嵌入式单片机MCU的输出端，所述制动电机传动连接有制动件，所述制动件在异常状态下受制动电机驱动而制动阻力拉绳；

所述嵌入式单片机MCU内置存储媒介存储软件模块，软件模块包括肌力测试评估软件模块以及老年人肌力水平评测软件模块。

2.根据权利要求1所述的电机驱动式抗阻力量训练器，其特征在于：该抗阻力量训练器还包括人机交互显示设备，所述人机交互显示设备电连接电机控制器和控制模组。

3.根据权利要求1所述的电机驱动式抗阻力量训练器，其特征在于：所述制动件为制动凸轮，所述制动凸轮与制动电机之间采用皮带传动。

4.根据权利要求3所述的电机驱动式抗阻力量训练器，其特征在于：所述张力传感器安装在张力导向轮上，所述张力导向轮位于制动凸轮上方且阻力拉绳从张力导向轮和制动凸轮之间穿过。

5.根据权利要求1所述的电机驱动式抗阻力量训练器，其特征在于：所述电阻制动电路为采用三角形接法或星形接法的三个制动电阻。

6.根据权利要求5所述的电机驱动式抗阻力量训练器，其特征在于：所述制动电阻为小电阻值功率电阻。

7.根据权利要求1所述的电机驱动式抗阻力量训练器，其特征在于：所述老年人肌力水平评测软件模块内置第二功率时间关系曲线绘图软件模块。

8.根据权利要求1所述的电机驱动式抗阻力量训练器，其特征在于：所述肌力测试评估软件模块内置张力数据转换拉力数据算法模块、加速度算法模块、功率和做功算法模块和第一功率时间关系曲线绘图软件模块。

9.根据权利要求8所述的电机驱动式抗阻力量训练器，其特征在于：肌力测试评估软件模块将输入的速度传感器和张力传感器电信号转换为速度和张力数据；通过内置的张力数据转换拉力数据算法模块获得人体抗阻肌力数据，通过内置的加速度算法模块将所述速度数据转为加速度数据；通过功率和做功算法模块结合抗阻肌力数据和速度数据计算得到人体训练功率数据，同时结合锻炼时长计算人体训练做功数据，同时计算最大功率、平均功率和总做功，并通过总做功数据计算锻炼过程人体消耗的热量。

10.一种如权利要求1所述的电机驱动式抗阻力量训练器的失速控制方法，其特征在于：

当阻力拉绳异常断裂，所述速度传感器监测的阻力拉绳速度和加速度超过预设上限时和/或所述张力传感器检测的阻力拉绳张力小于预设下限时，所述控制模组控制制动电机带动制动件制动阻力拉绳，防止由于突然失去阻力而惯性快速移动引起受伤风险；

当永磁发电机速度失控时，所述速度传感器监测的阻力拉绳速度和加速度超过预设上限时，所述第一制动继电器和第二制动继电器失电而使得三个常闭触点闭合，从而使电阻制动电路与永磁发电机相连实现电阻制动，保证训练者不会由于移动速度太快引起意外伤害。