TWI750675B - 可設定划船感覺之划船運動機 - Google Patents
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Abstract
一種划船運動機尤其包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力。在該划船行程之划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力與一划船者之一目標感覺相符。該目標感覺對應於一目標另一划船運動機之一划船者之一感覺或所關注之另一目標感覺。
Description
本描述係關於具有一可設定划船感覺之划船運動機(例如測力計)。
划船者可能習慣於測力計之一特定設計或模型之一特定感覺。在一些情況中,一划船者可期望在不同時間及為了不同目的使用具有不同感覺之機器。一划船者可能由於一先前損傷或作為復健訓練之部分而需要維持一安全心跳及避免肌肉或關節損傷。
機械測力計
划船(在一真實船中或一划船運動機或測力計上兩者)需要一序列行程8。圖1繪示此序列。各行程可理解為劃分為兩個階段。
第一階段10係划動階段,其中划船者在一初始位置13處開始將一拉力11水平施加於一手柄或其他握把12上(或在一真實船之情況中,施加於一槳上)。划船者設法增加划船運動機之一飛輪之旋轉速度(或一真實船之質量在水中之速度)且最終達到一最終位置15。
第二階段14係復原階段,其在最終位置處開始且其中划船者允許手柄(或槳)返回至初始位置。划動之開始及結束亦分別被稱為接16
及收18。復原之開始及結束分別係收及接。接及收係瞬時,而划動及復原係若干時間間隔。
在划動階段期間,划船者施加一相對大拉力,且在復原階段期間,划船者施加一相對小力以允許手柄返回至接處之初始位置。在行程結束時,另一行程以一新划動階段開始。
圖2展示一運動機20(諸如稱為Hydrowtm且可自CREW by True Rowing of Cambridge,Massachusetts購得之一可設定感覺測力計,及2018年5月16日申請之美國專利申請案第15/981,834號中所描述之運動機,該案之全部內容以引用的方式併入本文中)之組件。圖2亦繪示可量測及用於分析及控制運動機之操作之相關變數。
在划動期間,划船者使用一拉力f且在一拉速u下拉動手柄12。在划動期間,一正拉速u自初始位置13朝向接位置增大手柄位置x。最小(初始)位置x係在接處,且最大(最終)位置15係在收處。拉力f透過一單向離合器26(包含一回動彈簧28)傳輸至具有一慣性矩I之一飛輪24,使得手柄僅在划動期間由離合器接合至飛輪。當在划動期間拉動手柄時,手柄帶30使離合器順時針轉動且透過一皮帶32使飛輪順時針旋轉。在划動期間,由划船者施加於手柄之拉力f在飛輪上施加一正手柄扭矩τh(圖中在順時針方向上)。當飛輪上之淨扭矩(包含由飛輪之慣性表示之反向扭矩中之手柄扭矩)為正時,旋轉飛輪速度ω將增加。
在復原期間,離合器使飛輪自手柄脫離以允許回動彈簧將手柄拉回接位置。因為在返回期間,由划船者施加於手柄上之扭矩τh對應於飛輪上之一零扭矩,因此飛輪速度將依取決於飛輪之慣性及作用於飛輪上之其他扭矩之一方式減小。
圖3展示依據時間變化之飛輪速度ω及手柄扭矩τh,且繪示其中平均飛輪速度自一行程至一連續行程增加之一情況,如圖中所展示。圖3亦繪示通常,在整個划動階段期間,由划船者施加於手柄之拉力f(及對應手柄扭矩τh)不恆定但可根據力或扭矩隨時間或位置或兩者變化之一量變曲線變動。
下文,吾人描述可賦予測力計一可設定划船感覺之技術。吾人有時將此等測力計指稱為可設定感覺測力計。吾人寬泛地使用術語「可設定划船感覺」以包含(例如)針對一組給定參數值之由手柄施加於划船者上之一划船力f。划船感覺可設定、調整或改變以模擬、複製或具有與一目標划船感覺之一特定類似性或與該目標划船感覺之一特定差異。吾人廣泛地使用術語「目標划船感覺」或僅「目標感覺」以包含(例如)測力計之一划船者、一製造商或一供應商期望、預期、偏好或所關注之任一或多個種船感覺。一目標划船感覺可為機械或其他測力計之一已知設計或模型之一感覺、一真實船之一划船感覺、處於研究中之一實驗划船感覺、一所提出之划船感覺或有用、必要、或所關注之任何其他划船感覺或其等之組合。
一般而言,在一態樣中,一種划船運動機包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之一部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力。在該划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力與一划船者之一目標感覺相符。該目標感覺對應於一目標另一划船運動機之一划船者之一感覺。
實施方案可包含以下特徵之一者或兩者或兩者以上之一組合。該可移動慣性元件包含一飛輪且該渦流制動器耦合至該飛輪以在該划船行程之該划動階段期間引起對該划船握把之運動之該阻力。該划船握把包含透過一撓性長形元件耦合至該可移動慣性元件之一手柄。該控制電路包含一感測器以量測該可移動慣性元件之一位置或速度或兩者。該控制電路包含關於該可移動慣性元件之速度、施加於該渦流制動器之電流與對該划船握把之運動之阻力之量之間的關係之資訊之儲存器。該目標另一划船運動機包含一機械划船運動機之一識別模型。一划船者之感覺包含在該划動階段之部分或全部期間對該握把之運動之阻力之量之一量變曲線。
一般而言,在一態樣中,一種划船運動機包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之一部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力。在該划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力在一預定感覺精確度及感覺準確度內符合該划船運動機之一划船者隨時間之一目標感覺及一組划船運動機之其他划船運動機亦符合之一目標感覺。
實施方案可包含以下特徵之一者或兩者或兩者以上之一組合。該划船運動機及該組划船運動機具有一特定設計或模型。該控制電路包含表示該目標感覺及該可移動慣性元件之速度、施加於該渦流制動器之電流與對該划船握把之運動之阻力之量之間的關係之資訊之儲存器。
實施方案可包含以下特徵之一者或兩者或兩者以上之一組合。該目標感覺包含在該划動階段之部分或全部期間對該划船握把之運動之阻力之量之一量變曲線。該目標感覺包含一目標另一划船運動機之一感
覺。
一般而言,在一態樣中,一種划船運動機包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力。在該划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力在一指定感覺準確度內符合一划船者之一目標感覺。
實施方案可包含以下特徵之一者或兩者或兩者以上之一組合。該目標感覺包含在該划動階段之部分或全部期間對該划船握把之運動之阻力之一量變曲線。該控制電路經設定以在該划動階段期間將對該划船握把之運動之該阻力維持在相對於對該目標感覺之該划船握把之運動之該阻力之一預指定誤差量內。儲存表示該目標感覺及一渦流制動器模型之資訊。
一般而言,在一態樣中,一種划船運動機包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力。在該划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力在一指定感覺精確度內符合一划船者之一目標感覺。
實施方案可包含以下特徵之一者或兩者或兩者以上之一組合。該目標感覺包含在該划動階段之部分或全部期間對該划船握把之運動之阻力之一量變曲線。該控制電路經設定以在該划動階段期間將對該划船握把之運動之該阻力維持在相對於對該目標感覺之該划船握把之運動之該
阻力之一預指定變動量內。儲存表示該目標感覺及一渦流制動器模型之資訊。
一般而言,在一態樣中,一種划船運動機包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之一部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力及在一划船行程之除該划動階段之外之一部分期間實質上不引起阻力。在該划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力符合一划船者之一目標感覺。在該划動階段期間,該控制電路基於關於在該划船行程之除該划動階段之外之該部分期間所獲取之關於該可移動慣性元件之資訊而控制對該划船握把之運動之該阻力。
實施方案可包含以下特徵之一者或兩者或兩者以上之一組合。該控制電路包含一元件以量測該可移動慣性元件之一位置或速度且關於在該划船行程之除該划動階段之外之該部分期間所獲取之該可移動慣性元件之該資訊包含該移動元件之一速度。該划船行程之除該划動階段之外之該部分包含該復原階段。
一般而言,在一態樣中,一種划船運動機包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力及在一划船行程之除該划動階段之外之一部分期間實質上不引起阻力。在該划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力符合一划船者之一目標感覺且基於由該控制電路獲取之關於該可移動慣性元件之運動之資訊。獲取該資訊,同時引起對
該划船握把之運動之該阻力包含該划船者未體驗到之一特徵作為該划船運動機之該感覺之部分。
實施方案可包含以下特徵之一者或兩者或兩者以上之一組合。該控制電路經設定以藉由在該划船者未體驗到之一頻率下引起對該划船握把之運動之阻力而獲取該資訊。該頻率包含高於該划船者可體驗到之一頻率。該頻率包含低於該划船者可體驗到之一頻率。具有低於該划船者可體驗到之該頻率之該阻力亦具有低於該划船者可體驗到之一量值。該控制電路經設定以在該划船行程之除該划動階段之外之該部分期間獲取該資訊。該划船行程之除該划動階段之外之該部分包含一復原階段。
一般而言,在一態樣中,一種划船運動機包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力。在該划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力符合一划船者之一目標感覺。儲存器含有界定該目標感覺之資訊且可由該控制電路使用以將該目標感覺賦予該划船者。該目標感覺包含任何任意目標感覺。
實施方案可包含以下特徵之一者或兩者或兩者以上之一組合。含於該儲存器中之該資訊不可改變。含於該儲存器中之該資訊可改變為透過網際網路接收於該划船運動機處之資訊。含於該儲存器中之該資訊可回應於來自該使用者介面之使用者介面控制件之輸入而改變。該目標感覺包含一機械測力計之一既有模型或設計之一感覺。該目標感覺相同於一給定模型或設計之其他划船運動機之該等目標感覺。在該划船者之一划船環節期間,該目標感覺適用於所有該等連續行程。在該划船者之一划船環
節期間,對於不同行程,該目標感覺不同。該目標感覺包含與該可移動慣性元件之速度成比例之一項。該目標感覺包含與該划船握把在一行程期間已由該划船者拉動之一距離成比例之一項。該目標感覺包含該測力計外部之一參數。該參數包含該划船者之一心跳速率。在一划船環節期間,該目標感覺隨一划船者之行程之持續時間而變動。
一般而言,在一態樣中,一種划船運動機包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力。在該划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力符合一划船者之一目標感覺。該機器包含用於可由該控制電路執行以判定待施加於該划船握把之一請求阻力量之指令之一儲存器。該等指令包含基於使該渦流制動器中之電流、該可移動慣性元件之速度與曳力相關之量測之一線性最小平方迴歸。
一般而言,在一態樣中,一種划船運動機包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力。在該划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力符合一划船者之一目標感覺。該機器包含用於可由該控制電路使用以藉由應用一雙線性近似來判定待施加於該划船握把之一請求阻力量之一扭矩表之指令之一儲存器。
實施方案可包含以下特徵之一者或兩者或兩者以上之一組合。含於該儲存器中之指令可由該控制電路執行以重新計算該扭矩表以校正該划船運動機之一實際感覺與該目標感覺之一偏差。
一般而言,在一態樣中,一種划船運動機包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力。在該划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力符合一划船者之一目標感覺。該機器包含用於可由該控制電路執行以使用一閉型計算判定待施加於該划船握把之一請求曳力量之指令之一儲存器。
一般而言,在一態樣中,一種划船運動機包含:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力。在該划動階段期間,對該划船握把之運動之該阻力符合一划船者之一目標感覺。該機器包含用於可由該控制電路執行以應用使用一請求扭矩及一量測速度之一固定渦流制動器模型來判定一請求電流及將按比例調整因數應用於該請求曳力、該量測速度及該請求電流之一或多者之指令之一儲存器。
此等及其他態樣、特徵、實施方案及優點(a)可表達為方法、裝置、系統、組件、程式產品、商務方法、方式或用於執行功能之步驟且以其它方式,及(b)將自以下描述及自申請專利範圍明白。
8:行程
10:第一階段
11:拉力
12:手柄/握把
13:初始位置
14:第二階段
15:最終位置
16:接
18:收
20:運動機
24:飛輪
26:單向離合器
28:回動彈簧
30:手柄帶
32:皮帶
40:單線
42:陰影曲線
43:感覺之精確度
45:感覺之準確度
48:編碼器
50:線圈電流驅動器
54:可設定感覺之測力計之控制電路
56:微控制器
57:儲存方程式
58:量測速度
59:目標感覺
62:儲存反轉制動模型
64:請求扭矩
70:三角形
72:三角形
74:三角形
76:元件
78:淨扭矩
79:手柄扭矩
80:所得渦流制動扭矩
82:機械系統
84:連接線
86:渦流制動器驅動器及渦流制動器
87:請求電流
f:拉力/划船力/划船感覺
I:慣性矩
ir:電流
u:拉速
x:手柄位置/最小(初始)位置/極限位置
τ:限淨扭矩
τe:減速渦流制動扭矩
τh:正手柄扭矩
τr:請求扭矩
ω:求旋轉飛輪速度
ωm:量測速度
圖1示意性地展示一划船行程之一解剖。
圖2展示一划船運動機之一示意性側視圖。
圖3展示速度及扭矩相對於時間之圖表。
圖4展示精確度及準確度之圖表。
圖5係一機器之一控制系統之一方塊圖。
圖6展示量測划船感覺之方法。
圖7示意性地繪示一測試方法。
圖8係具有校準之一控制系統之一方塊圖。
在一機械划船測力計上(或在一船上),作用於飛輪上之扭矩(或作用於船之質量上之力)係由飛輪上之空氣阻力施加之一阻力矩(或由船上之水阻力施加之一曳力)及一反向手柄扭矩τh。手柄扭矩自施加於手柄之划船者之拉力f機械傳輸。阻力矩(或一船上之力)等於一阻力因數k乘以旋轉飛輪速度之平方(或船相對於水之速度之平方)。
如先前段落中所描述,若船之質量由飛輪之慣性矩替換且力由扭矩替換,則水上之一船或一機械划船測力計之機械模型相同。在無之普遍性之任何損失之情況下,在一飛輪及相關聯之扭矩之內文中給出以下方程式。
在此情況中,在划動期間抗划船者之拉動而施加於手柄處之此反作用力f由飛輪之速度及其導數唯一界定。
然而,力f可取決於其他變數,諸如手柄之位置、溫度及甚至划船者之心跳。吾人將划船感覺f界定為針對一組給定參數值之由手柄施加於划船者之力而非對力之一主觀人類感知。例如,吾人可在環境溫度下、在一訓練進度表之一特定日期及時間、在一特定心跳及表面阻力下及回應於與外部觀看者之現場交互作用而將力f界定為隨著手柄自接處之位置移動至收處之位置之位置及時間之一函數。
吾人將感覺精確度界定為所有使用時間下之一給定模型或設計之所有機器之感覺之間的之變動之一誤差量測(例如一均方根誤差量測)。以此方式界定之感覺精確度併入(尤其)可歸因於划船運動機之設計或模型、製造程序、使用及環境及其等之組合之變動。在計算精確感覺精度可能不合理或不可行之情況中,可替代地使用適當統計技術。
類似地,吾人將感覺準確度界定為一給定設計或模型之所有機器在所有使用時間下之感覺與一給定目標感覺之間的差異之一誤差量測。
圖4繪示此等定義。單線40表示一任意目標感覺相對於手柄位置。陰影曲線42表示由一划船者或若干划船者在所有機器之手柄之各位置處在所有使用時間下感覺之實際或量測感覺f之一集合或由感覺精確度界定之任何其他集合。感覺f之變動係感覺精確度43且各位置處之實際感覺與目標感覺之間的差異係感覺準確度45。
機械測力計之各設計或模型由(尤其)一特定感覺及由機械
設計及製造均勻性支配之一感覺精確度及一感覺準確度特徵化。一給定機械測力計之感覺f可隨時間(在短週期及長週期兩者內)改變且可不同於相同設計或模型之其他機械測力計。
划船運動機感覺之重要性
測力計感覺、感覺精確度及感覺準確度對於測力計之划船者、製造商及供應商很重要。划船者可能習慣於測力計之一特定設計或模型之一特定感覺且可偏好在展現該特定感覺之運動划船機上划船。在一些情況中,一划船者可期望在不同時間及為了不同目的使用具有不同感覺之機器。例如,划船者可能需要進行訓練以在一特定環境(其可包含溫度、其他競爭者及喝彩觀看者)下針對一特定比賽在一特定船中具有巔峰表現。一划船者可能由於一先前損傷或作為復健訓練之部分而需要維持一安全心跳及避免肌肉或關節損傷。一划船者可能在競賽中使用需要细致及一致效能以確保公平之機器。初學者及易受傷的划船者可能需要避免任何急拉且可適應划船變動或錯誤而不會引起損傷之感覺。預期製造商及供應商提供具有良好感覺精確度及良好感覺準確度之運動划船機以滿足划船者之期望且產生如先前所描述之新體驗。
具有一可設定感覺之測力計
此處,吾人描述可賦予測力計一可設定划船感覺之技術。吾人有時將此等測力計指稱為可設定感覺測力計。吾人寬泛地使用術語「可設定划船感覺」以包含(例如)可設定、調整或改變以模擬、複製或具有與一目標划船感覺之一特定類似性或與該目標划船感覺之一特定差異之一划船感覺。吾人廣泛地使用術語「目標划船感覺」以包含(例如)測力計之一划船者、一製造商或一供應商期望、預期、偏好或所關注之任一或多個划船感
覺。一目標划船感覺可為機械或其他測力計之一已知設計或模型之一感覺、一真實船之一划船感覺、在研究中之一實驗划船感覺、一所提出之划船感覺或有用、必要、或所關注之任何其他划船感覺或其等之組合。
吾人此處描述之可設定感覺之測力計之一些實施方案係基於Hydrow測力計。圖2展示一實例性可設計感覺之測力計(諸如Hydrow)之組件。不同於一機械測力計(或一船),一可設計感覺之測力計之飛輪不經受基於空氣之曳力;然而,其經受可歸因於機械損失之一小機械扭矩τm。替代基於空氣之曳力,一可設定感覺之測力計上之飛輪由於其作為一渦流制動器44之一組件之角色而經受一電磁阻力。
在吾人此處描述之可設計感覺之測力計之一渦流制動器中,飛輪24包含導電材料且由於導電材料與放置為靠近飛輪之一或多個電磁線圈46之交互作用而提供阻力。根據法拉第感應定律,通過線圈或若干線圈之電流引起線圈或若干線圈在飛輪之導電材料中感應出一磁場。當飛輪之速度增加時,根據楞次定律,磁場繼而在飛輪之導電材料中感應出與磁場相反之渦流。根據勞侖次力定律,渦流及磁場協作以產生一減速渦流制動扭矩τ e(先前所提及之電磁阻力之一實例)。由渦流制動線圈及所得渦流制動扭矩感應出之磁場與驅動線圈之電流成比例。因此,渦流制動扭矩隨增大飛輪速度及增大線圈電流增加。此提供用於藉由控制線圈電流而設定一測力計之感覺之一機會。
特定言之,任何給定可設定感覺之測力計之感覺fh可使用渦流制動扭矩τ e調整。因為渦流制動扭矩經受跨一寬值範圍之設定且可經受一高頻下之改變,因此測力計之划船感覺及沿行程之划動階段之每個力矩可經設定以滿足一寬範圍之目標感覺。
因為渦流制動扭矩隨增大飛輪速度及增大渦流兩者增加,因此渦流制動扭矩可基於飛輪速度之量測及線圈電流之控制設定。為量測飛輪速度,一可設定感覺之測力計具有一速度量測器件,諸如一編碼器48(例如一軸傾角編碼器)。為控制線圈電流,測力計具有一線圈電流驅動器50,其可回應於在驅動器之一輸入處自一微控制器56之一輸出接收之電流量值指令而(在驅動器之一輸出處)將一電流範圍內之任何電流施加至線圈或若干線圈。微控制器之一輸入依(例如)240Hz之一取樣率自編碼器或其他速度量測器件接收量測速度ω m,且依(例如)240Hz之一指令週期率發送電流量值指令至線圈電流驅動器。速度取樣之速率可不同於發送指令之速率(指令週期率),且各活動之速率可不同於240Hz,即低於或高於240Hz。取決於實施方案,速率可為大於10Hz之任何數目。
各電流量值指令攜載指定一電流ir之資料。因為速度ω m經量測且對應於各電流ir及速度ω m之渦流制動扭矩憑經驗已知,故微控制器可將任何目標感覺賦予手柄。
渦流制動器模型
為能夠在各指令週期處輸送基於所要渦流制動扭矩及量測速度之正
確電流量值指令,微控制器應用渦流制動器模型之一反轉。渦流制動器模型模擬包含線圈電流、飛輪速度與扭矩之間的關係之渦流制動器之行為。可使用多種模型化技術來表達模型且所得模型之複雜性、大小及處理要求可涵蓋自簡單至複雜之情況。模型之複雜性或準確度與微控制器足夠快地儲存及處理模型以滿足速度量測速率或指令週期速率之能力之間可需要一取捨。下文討論取捨之態樣。
渦流制動器模型可在製造時安裝於控制電路之記憶體中且可藉由透過網際網路下載至控制電路或根據基於即時量測之計算而不時更新、修訂或增強。模型之改變可源自對渦流制動器或測力計之行為、由測力計之製造商或供應商採取之方法中之改變、渦流制動器、測力計、電流驅動器、微控制器或計算演算法中之設計改變之一更佳理解,或改變可基於使用自適應控制、機器學習或其他統計或預測數學技術之來自機器自身之資料之即時或後處理或其他因數。
控制系統
圖5展示可設定感覺之測力計之控制電路54。微控制器56讀取自編碼器48接收之量測速度58且計算一請求扭矩τ r 64。使用一經儲存方程式57計算針對一給定指令週期之請求扭矩,方程式57期望在給定輸入量測速度之情況下在該指令週期之時間處產生目標感覺。
在製造時,目標感覺59可儲存於與微控制器相關聯之儲存器中。目標感覺可對於一給定測力計係固定及不可改變的或可改變以界定、更新、編輯或替換一給定目標感覺。當目標感覺可(例如)藉由更改經儲存目標感覺而改變時,可經由網際網路自一中央伺服器進行改變或在一些實施方案中,藉由由一使用者操縱使用者介面控制件而進行改變。在一
些情況中,兩個或兩個以上不同目標感覺可儲存且可透過係測力計之部分之一器件之一使用者介面給予使用者選擇一所要目標感覺之機會。
微控制器必須計算產生等於請求扭矩之一渦流制動扭矩80必需之請求電流ir 87。此計算依賴渦流制動器之一經儲存反轉制動模型62。除請求扭矩之外,亦需要飛輪速度作為一輸入。在各指令週期中,微處理器發佈含有請求電流之值之一指令至渦流制動器驅動器及渦流制動器86。驅動器及制動器86產生一所得渦流制動扭矩80。例如,若吾人期望一可設定感覺之測力計感覺起來如同具有一特定目標感覺之一機械測力計,則吾人可設定
圖5將速度、扭矩及電流之按比例調整因數分別展示為三角形70、72及74。如由元件76所指示,淨扭矩τ 78指示,係由使用者施加且由反向渦流制動扭矩80偏移之手柄扭矩79。此淨扭矩78施加於機械系統(例如飛輪及任何相關聯之機械損失τm)82。連接線84指示飛輪之速度將影響由渦流制動器產生之渦流扭矩。
因此,只要反轉制動模型經設計以使得控制電路能夠正確
地計算一請求扭矩之請求電流且渦流制動器能夠基於請求電流產生請求扭矩作為一渦流制動扭矩,可設定感覺之測力計之感覺可經設定以匹配任何目標感覺59。
設定一目標感覺
多種方法可用於設定一或多個測力計之一目標感覺或若干目標感覺。在一些實施方案中,一給定設計或模型之所有測力計可使用一特定固定目標感覺(例如對應於機械測力計之一特定模型之感覺之一目標感覺)預設。在一些情況中,一給定設計或模型之測力計可組織於子集中且一共同固定目標感覺可對於一給定子集之所有測力計加載。不同固定目標感覺可應用於不同子集之測力計。
多種目的可由目標感覺之選擇實現。在一些例項中,可選擇目標感覺以模擬既有測力計以使得使用者在使用熟悉目標感覺時舒適。在一些應用中,目標感覺可經產生用於實驗或提供具有預期特性之一划船體驗。可為了由一組划船者進行訓練或聯合划船之目的或為了競賽或其他目的應用特定目標感覺。
一或多個目標感覺可由可包含測力計之一製造商之一源提供。可開發一市場,其中新目標感覺之產生器可將新目標感覺分配至測力計之擁有者。在一些實施方案中,可向一給定測力計之使用者提供測力計或無線連接行動器件上之一器件之使用者介面控制件,從而使得使用者能夠選擇可用目標感覺或產生一全新目標感覺。在一些實例中,可向一使用者呈現關於一目標感覺之資訊,諸如展示手柄力相對於位置之一圖表。使用者可(尤其)能夠透過一使用者介面編輯或更改目標感覺以產生一新目標感覺且接著將新目標感覺應用於一測力計之操作。
在一些實施方案中,一目標感覺可為不同於划船感覺但與划船感覺相關聯之某物,諸如一划船者之一心跳速率、表面阻力或任何其他可量測量。
一目標感覺不需要對於使用一可設定感覺之測力計之一划船者之每個行程保持固定。目標感覺可在行程之間(例如隨機)或以在一划船環節之過程內以一審慎方式改變目標感覺之一方式變動。
例如,為模擬與舉升一組重量相關聯之一恆定力,目標感覺將為手柄上之一恆定力。可用於界定一目標感覺之其他真實或假想力可包含與將模擬一槳之撓性之距離成比例之一項、與速度成比例之一項以模擬槳與船之線性摩擦或極限位置x處之高力以模擬槳之行進極限。若划船者佩戴一心跳監視器,則目標感覺可動態調整以在間歇訓練期間維持一恆定心跳或劇烈變動。目標感覺亦可隨行程之時段變動以訓練划船者每分鐘具有恆定行程。
次要因素
儘管渦流制動扭矩由如先前所闡釋之線圈電流及飛輪速度支配,但亦存在影響渦流制動扭矩之次要因素。一些次要因素係比線圈電流及飛輪速度更難量測且亦可對所得渦流制動扭矩具有一顯著影響之次要變數。
此等次要變數包含(尤其)飛輪之絕對溫度、跨飛輪之溫度梯度、機械容限及製造變動。例如,飛輪中之鋼及製造線圈之材料之絕對溫度將影響材料之磁導率及導電性。溫度之改變導致渦流制動扭矩遠離基本預期渦流制動器模型之變動。軸承及軸及支撐元件之膨脹及收縮亦可改變移動部件之應力及動力。製造、修復及組裝之變動亦可影響機器之應力及動力。
次要因素亦可包含對控制電路獲得良好量測及足夠快完成複雜及處理器密集型計算之能力之限制。例如,微控制器不可避免地具有有限處理速度、記憶體及其他計算資源。
機械容限、製造變動及磨損及撕裂亦引起編碼器擺動,其污染輸送至微控制器之速度量測。
此等次要因素可改變行程之間及機器之壽命內以及機器之間及自任何機器至任何目標感覺之一可設定感覺之測力計之感覺。因此,次要因素可使一可設定感覺之測力計之感覺準確度及感覺精確度降級。
為改良一給定模型之每個可設定感覺之測力計及各可設定測力計在行程之間及其壽命內之準確度及精確度兩者,吾人提出與感覺之偏差之量測、計算及校正有關之若干方法。
計算之化簡
首先,吾人描述與由測力計上之微控制器進行之計算有關之特定細節。
可用於表達具有定義函數所需之一相對較小數目個參數pi之一渦流制動器之行為。另外,為減少計算負載,可使用給定使電流、速度及扭矩相關之一組量測下之一線性最小平方迴歸,藉由如下般取對數計算參數pi:ln τ=p 1+p 2 ln i+p 3 ln ω+p 4 ln(ω+ω 0)
然而,微控制器需要反轉此函數以基於一請求扭矩及一量測速度找到待包含於至渦流制動器之一指令中之請求電流ir。微控制器可不具有在(例如)240Hz下實施此等計算之必要計算能力。將此函數之一近似作為一扭矩表儲存於與微控制器相關聯之儲存器中允許使用一雙線性近似快速反轉(根據請求扭矩計算必要電流):
可使用一仿射模型擷取歸因於機械損失之機械扭矩τ m,尤其由於其比重比渦流制動扭矩之比重少得多,τ m =a m ω+b m
假定電流恆定,來自雙線性近似之渦流制動扭矩亦將為仿射,τ e =a e ω+b e
閉型解更精確且計算效率高且避免需要使用一導數估計扭矩。
再次,閉型解更精確且計算效率高且避免需要估計一導數。
此等因數允許在無需重新計算扭矩表之情況下即時調整渦流制動器模型。
量測
圖5展示手柄79上之實際划船感覺等於施加於機械系統78之扭矩偏移渦流制動扭矩80。可設定感覺之測力計之控制電路之目標係最小化手柄上之實際划船感覺與控制電路之各指令週期中之預期目標感覺59之間的偏差。為此,能夠量測實際划船感覺將是有用的。然而,一可設計感覺之測力計可不必具有一測力器或其他力量測器件以直接量測手柄上之實際划船感覺。
在一些實施方案中,機器之實際划船感覺可主要使用飛輪速度間接量測。圖6繪示用於直接量測實際划船感覺之方法,如下文所描述。在判定實際划船感覺時,亦可使用所描述之方法之兩者或兩者以上之組合。
在一些實施方案中,沒有必要精確地計算量測感覺與目標
感覺之間的差異,而若量測感覺匹配目標感覺,則僅獲得將趨向於零之一代理量測。在非線性控制中,此被稱為一李昂普諾夫(Lyapunov)函數。吾人將此指稱為「量化感覺中之差異」,如與總是精確地量測手柄處之力之間的差異相反。
在一划船行程之復原階段期間應用下文所描述之若干方法。在復原期間,自划船者施加於飛輪之扭矩係零。此等方法之優點在於,在划船者在復原期間未意識到或未關注飛輪之速度之程度上,可能在復原期間將「測試」應用於飛輪制動,此可改良此等方法之準確度。
其他方法依靠其中一划船者可覺察一改變之頻帶及量值。特定言之,手柄處之力可比划船者可感覺更快改變,但可由控制系統量測。替代地,划船者亦可覺察不到特定量值以下之改變,但仍經由若干量測輸送統計上顯著資料。
復原期間相對於目標之速度改變速率(方法1)
此計算對於高頻雜訊敏感,且攜載導數之估計之誤差。
然而,實際感覺與目標感覺之間的差異可由可影響除復原期間之導數之外之變數之其他變動(不同於形式k+△k之曳力因數中之線性差)引起。特定言之,變動可同時影響多個變數或變動與量測之間的關係可為非線性。
復原期間相對於目標之速度(方法1a)
此方法避免與計算一導數及導數之近似之誤差相關聯之雜訊。然而,藉由此方法計算之誤差整合於一大速度範圍內,且鑑於後續誤差被添加至所有先前誤差之總和,量測一導數意義不大。另外,此量測很大程度上取決於在量測速度之初始時間之後吾人要等待多久。
復原期間相對於制動之速率(方法2)
如在基於速度導數相對於目標速度導數之差之情況中,此計算對於雜訊敏感且包含導數之近似之誤差。然而,其自目標解耦感覺之差異之量化,從而使可設定感覺之測力計之此量測獨立於目標感覺。
復原期間相對於制動之速度(方法2a)
如期望,此方法自目標感覺解耦實際感覺之量測,且避免雜訊及導數誤差兩者,但誤差仍累積且取決於時間間隔。
使用測試之復原期間相對於制動之速率或速度(方法3及3a)在其中吾人計算實際速度導數對於由渦流制動器模型預測之速度導數之差之兩種方法中,電流ir通常仍將由目標感覺給出。復原期間之此電流之範圍通常小於划動期間之範圍。
然而,假定划船者在復原期間未意識到或未關注飛輪之速度,對於划船者唯一重要之速度係下一接處之速度。圖7展示若吾人追蹤根據目標感覺速度之值應為多少,則吾人可暫時忽略由目標感覺給出之電流且設定電流之較大或較小值,只要速度在下一接之前返回至使用目標感覺預測之值。吾人將此指稱一「測試」。
在此方法中,可使用速度導數或速度量化實際感覺與期望感覺掃描之間的差異,但優點係經測試之電流之範圍可類似於在划動期間應用之範圍且在划船者感覺可設定感覺之測力計之響應之範圍內。
如同方法1及方法2,方法3可依一類似方式分為兩個單獨方法3及方法3a。
跨全行程之功率計算(方法4)
其中總和再次在相同行程上且速度係行程之開始及結束時之速度。可使用全行程內之期望能量與量測能量之間的差量化實際感覺與目標感覺之偏差。
此量測對於雜訊相當穩健,但每個行程僅可輸送一值且假定請求扭矩之慣性分量係準確的。其亦更計算密集及記憶體需求密集。
高頻干擾(方法5)
功率計算方法4允許吾人量化包含划動之整個行程中之實際感覺自與標感覺之一偏差。為增加經測試之電流及速度之範圍,吾人可在划船者之覺察能力以上之頻率下將一零平均扭矩信號添加至請求扭矩。
低頻干擾(方法6)
類似於先前方法5,吾人亦可注入一低頻扭矩信號,只要其振幅在划船者之覺察能力以下。此方法將用於使用統計分析、機器學習或應用於跨多個行程之資料之其他數學技術檢查長期偏差。
復原期間之最小平方(方法7)
且接著儲存跨若干行程估計之速度、電流及扭矩。如計算階段中所闡釋,渦流制動器模型方程式已經設計以允許使用線性最小平方以使用此資料計算一新扭矩表。然而,此方法最記憶體需求密集,因為其需要在可進行處理之前儲存大量原始量測。
感覺之校正
一旦存在實際感覺與目標感覺之偏差之一可靠量化,將存在若干方式以改變可設定感覺之測力計之行為以在模擬目標感覺時改良其感覺準確度及感覺精確度。可使用以下方法之一者或兩者或兩者以上之任何組合:
調整目標感覺
圖8展示包括其中實際感覺基於實際感覺與目標感覺之間的一差異進行調整之一回饋迴路(由圖中之粗線繪示)之一方法。多種控制轉移函數可用於回饋迴路中。然而,可選擇一簡單PID控制或甚至僅比例控制,因為其等不計算密集且可易於即時進行。
然而,此回饋迴路方法將一調整目標感覺鏈接至各特定可設定感覺之測力計。因此,調整一給定模型或設計之所有測力計之目標感
覺可對各給定測力計之感覺精確度及感覺準確度具有影響,此係不期望的。即,一特定可設定感覺之測力計之感覺精確度及感覺準確度應獨立於目標感覺。
調整扭矩、電流及/或速度增益
圖8展示可使用扭矩增益值、電流增益值或速度增益值或其等之兩者或兩者以上之組合調整渦流制動器模型。調整此等增益值之任何者具有可數學地預測及使用資料展現之優點及缺點兩者。可基於此等數學預測及資料展現作出使用此等調整之任一者或其等之兩者或兩者以上之組合之選擇。
使用一回饋迴路實施此等調整之各者,且可實施多種控制轉移函數。然而,一簡單PID或甚至僅比例控制不計算密集且可易於即時進行。
另外,此方法尊重可設定感覺之測力計之內部渦流制動器模型與目標感覺之間的抽象屏障。
重新計算扭矩表
此方法係最精確的,因為其將改變由扭矩表表示之扭矩函數之形狀以反映渦流制動器及機械系統之剩餘部分之實際行為。
然而,儘管微控制器能夠執行一線性最小平方迴歸(包含對數之計算),但此計算可將微控制器之計算資源推至其極限。特定言之,此技術需要儲存具有較高精確度之值且(取決於微控制器之本質)可在收集資料之後耗費至少若干秒以完成計算。因此,在一些實例中,計算無法即時進行,因為其僅可在至少一些行程已儲存於記憶體中之後可靠地進行。
另外,如在先前校正方法中,此技術不表示一逐漸調整。
資料或計算中之誤差可導致產生對實際感覺之突變之步進偏差。其他防護可用於減輕此關注,諸如逐漸移動至新感覺或拒絕具有大幅改變之結果或其等之組合,但此等防護增加複雜性及計算成本。
其他實施方案
其他實施方案亦在以下申請專利範圍之範疇內。
例如,儘管上文所討論之實例適用於具有旋轉飛輪作為可移動慣性元件之測力計,但可使用其他可移動慣性元件及相關聯之電磁致動器,諸如線性阻力元件及其相關聯之渦流制動器或其他電磁致動器。吾人寬泛地使用術語「可移動慣性元件」以包含(例如)耦合至手柄或其他握把且與一渦輪制動協作之任何可移動器件以施加所要力作為一測力計之一預期划船輪感覺之部分。
12:手柄/握把
13:初始位置
24:飛輪
26:單向離合器
28:回動彈簧
30:手柄帶
32:皮帶
f:拉力/划船力
ir:電流
u:拉速
x:手柄位置/最小(初始)位置/極限位置
τe:減速渦流制動扭矩
ω:動旋轉飛輪速度
ωm:量測速度
Claims (28)
- 一種划船運動機,其包括:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器且經組態以執行一控制迴路,以在一划船行程之部分或全部期間引起對該划船握把之運動之一阻力以追蹤一目標感覺,其中該控制電路儲存一扭矩表,且其中執行該控制迴路包括:基於該扭矩表,判定待施加於該渦流制動器之一電流。
- 如請求項1之划船運動機,其中該可移動慣性元件包括一飛輪且該渦流制動器耦合至該飛輪以在該划船行程之期間引起對該划船握把之運動之該阻力。
- 如請求項1之划船運動機,其中該划船握把包括透過一撓性長形元件耦合至該可移動慣性元件之一手柄。
- 如請求項1之划船運動機,其中該控制電路包括一感測器以量測該可移動慣性元件之一位置或速度或兩者。
- 如請求項1之划船運動機,其中該控制電路經組態以在該划船握把之運動期間重新計算該扭矩表以減少對該划船握把之運動之該阻力與該目標感覺之間的一差異。
- 如請求項1之划船運動機,其中該目標感覺對應至另一目標划船運動機之一划船者之一感覺。
- 如請求項1之划船運動機,其中該目標感覺包括在該划船行程之期間對該划船握把之運動之阻力之量之一量變曲線。
- 一種划船運動機,其包括:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器以在一划船行程之至少部分期間引起對該划船握把之運動之一阻力以追蹤一目標感覺,其中該控制電路經組態以,基於該划船運動機隨時間之變化特性,維持對該划船握把之運動之該阻力在一預定集合感覺精確度及一預定集合感覺準確度內,且其中該預定集合感覺精確度及該預定集合感覺準確度係基於該划船運動機及至少一額外划船運動機而被集體地定義。
- 如請求項8之划船運動機,其中該划船運動機及該至少一額外划船運動機具有一特定設計或模型。
- 如請求項8之划船運動機,其中該控制電路包括一儲存器,其儲存表示該目標感覺及該可移動慣性元件之速度、施加於該渦流制動器之電流與對該划船握把之運動之阻力之量之間的關係之資訊。
- 如請求項8之划船運動機,其中該目標感覺包括在該划船行程之一划 動階段期間之對該划船握把之運動之阻力之量之一量變曲線。
- 如請求項8之划船運動機,其中目標感覺包括一目標另一划船運動機之一感覺。
- 如請求項8之划船運動機,其中該預定集合感覺準確度包括該划船運動機及該至少一額外划船運動機之該目標感覺及對該划船握把之運動之該阻力之間之差異之一統計誤差測量。
- 如請求項8之划船運動機,其中該目標感覺包括與舉升一組重量相關聯之一恆定力。
- 如請求項8之划船運動機,其中該預定集合感覺精確度包括該划船運動機及該至少一額外划船運動機之對該划船握把之運動之該阻力之一變動之間之一統計誤差測量。
- 如請求項8之划船運動機,其包括一儲存器,該儲存器儲存表示該目標感覺及一渦流制動器模型之資訊。
- 一種划船運動機,其包括:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器且經組態以在一划船行程之期間導致該渦流制動器產生對該划船握把之運動之一阻力,其中該划船行程包括一划 動階段及一復原階段,其中該控制電路經組態以使該渦流制動器在該划船行程之該划動階段期間,使對該運動之該阻力符合一划船者之一目標感覺,且其中該控制電路經組態以在該划船行程之該復原階段期間,測試該渦流制動器對一測試電流之一回應,該測試電流係不同於與該目標感覺相關聯之一電流。
- 如請求項17之划船運動機,其中使對該運動之該阻力符合該目標感覺包括在該划動階段施加一電流至該渦流制動器,該渦流制動器與該划船握把之運動之該阻力之一量變曲線相關聯。
- 如請求項17之划船運動機,其中測試該渦流制動器之該回應包括量化該可移動慣性元件之一期望旋轉速度及該可移動慣性元件之一實際旋轉速度之間之一差異,或量化該可移動慣性元件之一旋轉速度之一期望改變速率及該可移動慣性元件之該旋轉速度之一實際改變速率之間之一差異。
- 如請求項17之划船運動機,其包括一儲存器,該儲存器依據經測試之該渦流制動器之該回應儲存一渦流制動器模型。
- 一種划船運動機,其包括:一可移動慣性元件;一渦流制動器,其耦合至該可移動慣性元件;一划船握把,其耦合至該可移動慣性元件;及控制電路,其耦合至該渦流制動器且經組態以執行一控制迴路以在一划船行程之部分或全部期間引起對該划船握把之運動之一阻力以追蹤一目標感覺,其中執行該控制迴路包括,基於該划船運動機之隨時間變化之特性, 調整該划船運動機之作為該控制迴路之部分一控制模型之一或多個參數。
- 如請求項21之划船運動機,其包括一儲存器,定義該目標感覺之資訊儲存於該儲存器中,其中儲存於該儲存器中之資料不可改變。
- 如請求項21之划船運動機,其包括一儲存器,定義該目標感覺之資訊儲存於該儲存器中,其中儲存於該儲存器中之資料係可基於透過網際網路在該划船運動機處被接收之資訊而改變。
- 如請求項21之划船運動機,其包括一儲存器,定義該目標感覺之資訊儲存於該儲存器中,其中含於該儲存器中之該資訊可回應於來自該划船運動機之一使用者介面之使用者介面控制件之輸入而改變。
- 如請求項21之划船運動機,其中該目標感覺包括一機械測力計之一既有模型或設計之一感覺。
- 如請求項21之划船運動機,其中該一或多個參數包括下列項目之至少一者:一扭矩增益值、一電流增益值或一速度增益值。
- 如請求項21之划船運動機,其中在一划船者之一划船環節期間,該目標感覺適用於所有連續行程。
- 如請求項21之划船運動機,其中在一划船者之一划船環節期間,對於不同行程,該目標感覺不同。
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