阅读说明：本技术 一种智能健身系统及可调式恒阻力输出装置 ([db:专利名称-en]) 是由 杨巍 徐铃辉 罗琦 王芳 于 2019-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种智能健身系统及可调式恒阻力输出装置,属于健身设备技术领域。智能健身系统包括控制单元、拉伸带、恒阻力输出装置及拉力传感器；恒阻力输出装置包括摩擦件、旋转驱动装置、可转动的摩擦轮、可转动的恒阻力输出轮及压力调节装置；控制单元基于拉力检测信号及控制指令,控制压力调节装置调节预紧压力,至恒阻力输出轮输出目标阻力力矩；在恒阻力输出轮卷绕拉伸带至缠绕长度与目标值之差小于预设阈值时,控制压力调节装置减少预紧压力,至缠绕长度等于目标值时小于预设压力阈值。不仅能提供连续可调的恒阻力输出,且其力控频响高及控制算法简单,且使用安全,可广泛用于健身设备的制造领域。([db:摘要-en])

一种智能健身系统及可调式恒阻力输出装置

技术领域

本发明涉及健身设备技术领域，具体地说，涉及一种拉伸式健身系统及基于摩擦力的可调式恒阻力输出装置。

背景技术

拉伸式健身系统作为一种常用健身设备，通常由恒力输出装置提供拉伸所需的力源，传统的恒力输出装置通常包括配重块、滑轮及导轨，其所提供的恒力输出通常与配重块的质量成正比，在使用过程中，需人工改变配重块的规格或数量而达到改变所输出恒力的目的，且无法做到对所输出恒力进行连续调节的目的，只能是阶梯式的调节。

随着健身需求的增加及生活水平的提高，设备功能需求要求恒力输出装置能对其所输出的恒力进行自动调节，且训练力的控制精度要求更高。

为了解决上述技术问题，公开号为CN104707294A的专利文献中公开了一种气压无级可调式恒阻力健身器械阻尼器，其通过一个偏心式动滑轮改变主从力臂的比值，以修正可变容积的封闭腔体内容积变化所产生压力变化的，以输出恒阻力；然而该恒力并不是真正的恒力，存在着较大的误差，该误差随着训练复训行程和当前气体压强的变化而变化，且当往复训练行程较大时，为抵消气体压缩产生的压强需要的偏心距就越大，导致其在设计制造上更加困难。

在公布号为CN205850085U的专利文献中公开了一种健身器材用阻尼油缸，其通过阻尼调节阀调节液压回路阀口大小，可以实现液压阻尼的大小调节，结构简单实用；但存在以下缺点：液压粘度系数容易受温度等影响，阻力大小与阀口并非成线性，更为重要的一点是，阻力与速度有关，当速度为零时，液压缸是不会提供力的，因此这类阻力只适用于跑步，爆发等训练时有速度的场合，不适用于缓慢的上肢拉伸，举重等需要静态保持力的训练。

此外，现有技术还基于电磁阻力提供可调式阻力的输出，有被动和主动之分。其中，被动方法为利用磁感应原理，将飞轮置于磁场中，在一定速度下，飞轮切割磁场产生涡流，涡流在磁场下将产生阻力；这类被动方法无法定量调节阻力，不同速度下阻力不同，导致其难以实现恒定的阻力输出，难以确定训练的实际效果。而对于主动方法，其通过电机提供负载扭矩，例如公开号为 CN109011332A的专利文献所公开的阻尼电机结构，在拉伸训练过程中电机工作于低速工作状态，其反电动势几乎为0，发热严重，必须采用冷却装置，为使用和维护带来了不便。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种智能健身系统，以使其恒阻力输出装置能提供连续可调的恒阻力输出，且其力控频响高及控制算法简单；

本发明的另一目的是提供一种可用于构建上述智能健身系统的恒阻力输出装置。

为了实现上述主要目的，本发明提供的智能健身系统包括控制单元，拉伸带，受控制单元控制的恒阻力输出装置，及用于对拉伸带的张紧力进行监测的拉力传感器；拉力传感器向控制单元输出拉力检测信号；恒阻力输出装置包括摩擦件、旋转驱动装置、可转动的摩擦轮、可转动的恒阻力输出轮及压力调节装置；压力调节装置用于调节摩擦件的摩擦面与摩擦轮的轮周面之间的预紧压力，拉伸带缠绕于阻力输出轮上且内端部固连在阻力输出轮上；旋转驱动装置至少用于驱使摩擦轮与摩擦件中的一者相对另一者产生接触式位移，而在摩擦轮与摩擦件间生成动摩擦力；另一者通过传递机构向恒阻力输出轮输出基于动摩擦力的转动力矩；控制单元基于拉力检测信号及控制指令，控制压力调节装置调节预紧压力，至恒阻力输出轮输出目标阻力力矩；在恒阻力输出轮卷绕拉伸带至缠绕长度与目标值之差小于预设阈值时，控制压力调节装置减少预紧压力，至缠绕长度等于目标值时小于预设压力阈值。

在上述恒阻力输出装置中，由于摩擦轮与摩擦件的摩擦面之间的动摩擦力与压力调节装置所施加的预紧压力成正比，而与旋转驱动装置的转速无关，从而可通过控制该预紧压力而实现对所输出恒阻力的快速调节，以有效地提高了其力控频响高，且控制算法简单；对于力能很好地进行连续调节，所以该恒阻力输出装置能够进行无极调控；此外，由于旋转驱动装置的转速不会对该恒阻力的输出造成影响，可根据该装置的工作效率进行转速调节，例如选用电机构建旋转驱动装置时，以获取更高的工作效率及确保工作安全。此外，该控制方法简单，便于实现，有效地减少拉伸带回收末程时的张紧力，避免对拉伸带及拉力传感器造成破坏。

具体的方案为旋转驱动装置包括与摩擦轮构成一组带轮对的主动带轮，及用于驱使主动带轮转动的旋转驱动电机；摩擦件为与带轮对构成带传动机构的传动带；恒阻力输出轮与摩擦轮共轴布置，传递机构为用于固连恒阻力输出轮与摩擦轮的固定连接件或固定连接部；压力调节装置包括张紧轮及位移输出装置，位移输出装置用于调节张紧轮对传动带的张紧位移。

采用带传动机构中的从动带轮构建摩擦轮及传动带构建摩擦件，不仅能利用现成机构结构，且能利用现有传动带张紧力调节机构构建压力调节装置，以降低设计难度及制造成本。

具体的方案为传递机构包括可转动的传递轮及一组以上串联传动布置的内啮合齿轮传动机构，内啮合齿轮传动机构包括内齿轮、与内齿轮共轴布置的输出齿轮及与二者同步啮合的行星轮；传递轮与首级内齿轮同轴转动地固连，末级输出齿轮与恒阻力输出轮同轴转动地固连；旋转驱动装置包括用于驱使摩擦轮转动的旋转驱动电机；摩擦件为与摩擦轮的外周面相适配的刹车瓦片，刹车瓦片可沿传递轮的径向滑动地安装在传递轮的轮面上；压力调节装置用于驱使刹车瓦片相对传递轮沿径向往复移动。

优选的方案为旋转驱动装置至少用于在恒阻力输出构件所受外部反向力大于等于预设阈值时，驱使摩擦轮与摩擦件中的一者相对另一者产生接触式位移，而在摩擦轮与所述摩擦件的摩擦面之间生成动摩擦力，外部反向力具有与恒阻力输出装置所输出恒阻力的方向相反的力分量。

进一步的方案为旋转驱动装置用于在外部反向力小于预设阈值时，基于传递机构所传递的一者与另一者间的摩擦力矩，驱使恒阻力输出构件转动。

为了实现上述另一目的，本发明提供的可调式恒阻力输出装置包括摩擦件、旋转驱动装置、阻力输出构件、压力调节装置及可转动的摩擦轮；压力调节装置用于调节摩擦件的摩擦面与摩擦轮的摩擦面之间的预紧压力；旋转驱动装置用于驱使摩擦轮与摩擦件中的一者相对另一者产生接触式位移，而在摩擦轮与摩擦件的摩擦面之间生成动摩擦力；另一者通过传递机构向阻力输出构件输出基于动摩擦力的力矩。

在上述恒阻力输出装置中，由于摩擦轮与摩擦件的摩擦面之间的动摩擦力与压力调节装置所施加的预紧压力成正比，而与旋转驱动装置的转速无关，从而可通过控制该预紧压力而实现对所输出恒阻力的快速调节，以有效地提高了其力控频响高，且控制算法简单；对于力能很好地进行连续调节，所以该恒阻力输出装置能够进行无极调控；此外，由于旋转驱动装置的转速不会对该恒阻力的输出造成影响，可根据该装置的工作效率进行转速调节，例如选用电机构建旋转驱动装置时，以获取更高的工作效率及确保工作安全。

具体的方案为摩擦轮的摩擦面为其轮周面。

更具体的方案为旋转驱动装置包括与摩擦轮构成一组带轮对的主动带轮，及用于驱使主动带轮转动的旋转输出设备；摩擦件为与带轮对构成带传动机构的传动带；压力调节装置包括张紧轮及位移输出装置，位移输出装置用于调节张紧轮对传动带的张紧位移。

进一步的方案为恒阻力输出构件与摩擦轮共轴布置，传递机构为用于固连恒阻力输出构件与摩擦轮的固定连接件或固定连接部；恒阻力输出装置包括用于将传动带保持于套装带轮对外的保持机构；位移输出装置为直线位移输出装置。

另一个更具体的方案为旋转驱动装置用于驱使摩擦轮转动；传递机构包括可转动的传递轮；摩擦件为与摩擦轮的外周面相适配的刹车瓦片，刹车瓦片可沿传递轮的径向滑动地安装在传递轮的轮面上；压力调节装置用于驱使刹车瓦片相对传递轮沿径向往复移动。

更具体的方案为传递机构包括一组以上串联传动布置的内啮合齿轮传动机构，内啮合齿轮传动机构包括内齿轮、与内齿轮共轴布置的输出齿轮及与二者同步啮合的行星轮；传递轮与首级内齿轮同轴转动地固连，末级输出齿轮与恒阻力输出构件同轴转动地固连；压力调节装置包括直线位移输出装置，刹车瓦片的外周面上设有沿其周向布置的弧形滑槽，直线位移输出装置的动子可沿弧形滑槽滑动地套装在弧形滑槽内。

优选的方案为阻力输出构件为可转动的阻力输出轮或阻力输出轴；旋转驱动装置的旋转输出由旋转驱动电机驱使，以能更好地平衡其工作效率与工作安全性；预紧压力为弹性预紧压力，有效地提高使用安全性。

附图说明

图1为本发明实施例1中恒阻力输出装置与拉伸带的立体图；

图2为本发明实施例1中恒阻力输出装置与拉伸带在区别于图所示视角下的立体图；

图3为本发明实施例1中恒阻力输出装置与拉伸带的结构分解图；

图4为本发明实施例2中恒阻力输出装置与拉伸带的立体图；

图5为本发明实施例2中恒阻力输出装置与拉伸带在区别于图 4所示结构下的立体图；

图6为本发明实施例2中恒阻力输出装置与拉伸带的结构分解图；

图7为本发明实施例2中内啮合齿轮传动机构的立体图；

图8为本发明实施例2中恒阻力输出装置与拉伸带在略去拉伸带、恒阻力输出轮及一级内啮合齿轮传动机构后的结构分解图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

本发明主要对拉伸式健身系统等健身设备中的恒阻力输出装置的结构进行改进，对于健身设备的其他部分的结构可参照现有产品的结构进行设计，例如，如公开号为CN103830873A及公告号为 CN204352447U等专利文献所公开的结构。

实施例1

参见图1至图3，在本发明智能健身系统包括控制单元、拉伸带11、拉伸带12、恒阻力输出装置及拉力传感器；在本实施例中，在拉伸带1的外连端部与拉伸器件之间由该拉力传感器进行固定连接，从用于对拉伸带1的张紧力进行监测，并向控制单元输出拉力检测信号。控制单元包括处理器与存储器，存储器内存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，能控制相关单元动作而实现对训练过程的控制，至少包括对拉伸带11、12施加恒阻力及根据需求对该恒阻力进行无极调节，并可在训练人员放开拉伸带或减少对拉伸带的拉伸力时，按照预定速度收回拉伸带。

恒阻力输出装置包括带传动机构、旋转驱动电机20及压力调节装置3。带传动机构包括主动带轮40、传动带41及与从动带轮42，在本实施例中，主动带轮40通过键槽机构而套装在旋转驱动电机20的转子轴200上，也可通过减速机构而传动连接；从动带轮42 通过轴承23而可转动地套装在支撑轴24。在本实施例中，用于缠绕拉伸带11的带轮21与用于缠绕拉伸带12的带轮22与主动带轮 40以一体成型的方式制成，从而可实现同轴等速转动，即两轮部之间的固定连接部构成本实施例中的传递机构，从而将从动带轮41所接收的转矩传递给带轮21与带轮22，以对拉伸带11与拉伸带12 输出阻力或提供缠绕至带轮上的缠绕动作；此外，三者也可通过螺栓等固定连接件固连成同轴且等转速转动的一体结构，也可通过键槽结构而套装在同一转动轴上而实现同轴等速转动，即螺栓等固定连接件及键槽结构与转轴构成本实施例中的传递机构，从而将从动带轮41所接收的转矩传递给带轮21与带轮22，以对拉伸带11与拉伸带12输出阻力或提供缠绕至带轮上的缠绕动作。

压力调节装置3包括张紧轮30及用于调节张紧轮30对传动带 41的张紧位移的位移输出装置31，在本实施例中，位移输出装置为直线位移输出装置，具体包括旋转驱动电机32、导杆33及丝杆螺母机构，旋转驱动电机32用于驱使丝杆螺母机构的丝杆34转动；丝杆螺母36与张紧轮30的转动轴35固连，且设有与导杆33相适配的导孔360，张紧轮30通过轴承而可转动地套装在转动轴35上。

在工作过程中，旋转驱动电机20通过主动带轮40驱动传动带 41转动，由于拉伸带11、12收到拉力作用，使得从动带轮42与传动带41的内表面件存在打滑，即存在接触式位移，从而在二者间生成动摩擦力，而该动摩擦力仅与传动带41与从动带轮42之间的预紧压力相关，与二者的相对转速无关，所以在二者间预紧力保持恒定的前提，传动带41对从动带轮所施加的力矩也为恒定，即带轮 21、22对两根拉伸带11、12输出为恒定的阻力，基于此，可以通过位移输出装置31调节张紧轮30在导杆33轴向上的位置而对该恒定阻力进行调节，由于位移可以无极地进行调节，因此也能实现对该恒定阻力进行无极地调节。即带轮21、22构成本实施例中的可转动的阻力输出轮，拉伸带11、12缠绕于该阻力输出轮上且内端部固连在阻力输出轮上；从动带轮42构成本实施例中可转动的摩擦轮，传动带41构成本实施例中的摩擦件，其与摩擦轮间存有摩擦面对；压力调节装置用于调节摩擦件的摩擦面与摩擦轮的轮周面之间的预紧压力；旋转驱动电机20与主动带轮40构成本实施例中的旋转驱动装置，用于驱使摩擦轮与摩擦件中的一者相对另一者产生接触式位移，而在摩擦轮与摩擦件间生成动摩擦力，具体为用于驱使传动带相对从动带轮42转动，而从动带轮42通过传递机构向恒阻力输出轮输出基于动摩擦力的转动力矩，且该转动力矩为恒定转动力矩，且可以无极地进行调节。

如图1至图3所示，为了防止传动过程中由于张紧力的变化而存在传动带41与带轮脱离的问题，在两个带轮的两侧各布设一个用于将传动带保持于套装带轮对外的弧形保持角板50。

本发明智能健身系统在训练过程中的力矩控制方法包括以下步骤，即控制单元的处理器在执行存储在其存储器内的计算机程序时，能实现以下步骤：

(1)控制单元基于拉力检测传感器所输出的拉力检测信号及控制指令，控制压力调节装置调节传动带41与从动带轮42之间的预紧压力，至恒阻力输出轮输出目标阻力力矩；即在恒阻力输出构件所受外部反向力大于等于预设阈值时，旋转驱动装置驱使摩擦轮与摩擦件中的传动带相对摩擦轮产生接触式位移，而在摩擦轮与摩擦件的摩擦面之间生成动摩擦力，在本实施例中，该外部反向力为拉伸带所受到的拉力，其具有与恒阻力输出装置所输出恒阻力的方向相反的力分量，摩擦轮通过传递机构向恒阻力输出构件输出基于动摩擦力的力矩，以驱使恒阻力输出构件输出恒阻力；其中，该“预设阈值”为该外部反向力能够使从动带轮能克服其与传动带之间的最大静摩擦力，且该最大静摩擦力由压力调节装置所调整。

在训练过程中，训练者拉动拉伸带11、12而提供值为F的拉力，当该拉力F足够克服从动带轮42与传动带41之间的最大静摩擦力 f时，在传动带41与带轮之间发生相对滑动，从小包角的地方先开始滑动，从而使传动带与从动带轮42之间存有动摩擦力，训练者开始拉伸运动，运动过程中由于带轮与轮带之间的摩擦系数是不变的，并且张紧力也不变，因此摩擦力矩为恒定。此外，可以通过对带传动机构的结构进行改进，从而使传动带41与从动带轮保持静止，而主动带轮40与传动带之间存有接触式位移而生成动摩擦力。

(2)在恒阻力输出轮卷绕拉伸带11、12至缠绕长度与目标值之差小于预设阈值时，控制压力调节装置减少预紧压力，至缠绕长度等于目标值时小于预设压力阈值。

在训练者撤回拉力F后，动摩擦力f并没有消失，很短一端时间内驱使带动传动与带轮实现同步旋转，实现与F方向相反的回复力，即将拉伸带收回，此时，在带轮与传动带之间为静摩擦力；即拉伸时，负载力矩由动摩擦力提供，回复力矩由动摩擦和静摩擦提供，即在本实施例中，有外力克服摩擦轮与摩擦件之间的最大静摩擦时，二者将产生相对移动位移而存有动摩擦，即能为拉伸训练过程中的拉伸提供恒定阻力；在外力无法克服摩擦轮与摩擦件之间的最大静摩擦时，二者间将相对保持静止而存有静摩擦，该静摩擦力将也为拉伸的收回提供驱动力，该驱动力与拉伸带12的外力相适配；即在恒阻力输出构件所受外部反向力小于预设阈值时，在本实施例中，该外部反向力为拉伸带所受的拉力传递至带轮的作用力，其力方向与本发明所输出的恒阻力的方向相反，基于传递机构所传递的摩擦轮与摩擦件间的摩擦力矩，驱使恒阻力输出构件转动，在本实施例中为驱使带轮反转而收回拉伸带。

在拉伸带11、12回收缠绕的过程，会在拉伸带的外端部上布设止挡件，从而对其回收最大长度进行限制，即缠绕长度有一个目标值，为了避免回收过快而破坏拉伸带，在使用过程中，在恒阻力输出轮卷绕拉伸带11、12至缠绕长度与目标值之差小于预设阈值时，即剩余部分长度时，控制压力调节装置减少预紧压力，至缠绕长度等于目标值时小于预设压力阈值，从而使传动带能始终处于张紧状态的同时，为拉伸带11、12提供一个较小的阻力，以便于训练者重新拉动拉伸带时，能有一个基础阻力。

该系统通过带轮传动的过载保护能力进行恒力输出，其好处在于，电机工作在匀速状态下，因此电机工作工况良好，不会产生高温。从电源总的能量流向考虑，由于电机的工况比低速状态下更加优良，效率更加高，本发明摩擦阻力在带轮产生的温度仅仅是原低速运转电机发热量的一部分。

在调整所输出阻力的过程中，首先设置需要的训练力矩目标，计算需要的训练拉力，与通过拉力传感器检测到的训练拉力进行比较，误差作为伺服电机的位置控制指令，实现预紧力的补偿，进而调整张紧力，调整实际负载力矩，实现闭环控制，从而更好地实现训练力矩精确控制。

此外，在拉伸带回收之后，可以通过调整带轮与传动带之间的预紧压力为0而减少磨损；在训练过程中，保持旋转驱动电机20为匀速转动。训练暂停时，控制张力为0，防止无意义的摩擦消耗。系统关机时，预紧力控制为0，伺服电机速度降为0。

本发明主要解决的技术问题包括以下三方面：

(1)使用电机产生电磁阻力训练时，电机效率很低发热严重；

(2)人体上肢训练属于往复运动，训练器材在往复两个方向都能提供力矩，实现自动复位；

(3)人体上肢在训练过程中需要提供稳定的训练力矩，以达到良好的训练效果；

(4)实现智能训练，负载力矩智能可控。

实施例2

作为对本发明实施例2的说明，以下仅对于上述实施例中的不同之处进行说明。

参见图4至图8，采用刹车瓦片60构建本实施例中的摩擦件，而旋转驱动电机20直接驱动摩擦轮61转动，即摩擦件为与摩擦轮的外周面相适配的刹车瓦片60；压力调节装置为直线位移输出装置63，具体可采用丝杆螺母机构与旋转驱动电机配合而输出直线位移，也可以直接采用直线电机进行构建，刹车瓦片60的外周面上设有沿其周向布置的弧形滑槽62，在本实施例中，弧形滑槽62 的横截面为燕尾槽结构，直线位移输出装置63的动子630为燕尾结构，且可沿弧形滑槽62滑动地套装在弧形滑槽62内。

布设在摩擦轮61与带轮65之间的传递机构包括可转动的传递轮66及串联传动布置的第一内啮合齿轮传动机构67与第二内啮合齿轮传动机构68；如图7所示，内啮合齿轮传动机构包括内齿轮 71、与该内齿轮71共轴布置的输出齿轮72及与二者同步啮合的行星轮73；传递轮66与首级内齿轮同轴转动地固连，即与第一内啮合齿轮传动机构67上的内齿轮同轴转动地固连，末级输出齿轮与带轮65同轴转动地固连，第一内啮合齿轮传动机构67的输出齿轮通过传动轴71、转盘72而与第二内啮合齿轮传动机构68的内齿轮同轴转动的固连；即与第二内啮合齿轮传动机构68的输出齿轮同轴转动地固连，从而通过两级减速传动，而在带轮65旋转多周时，传递轮66转动角度较少，从而可将刹车瓦片60与传递轮设置成固连而能同步转动，具体为，刹车瓦片60可沿传递轮66的径向滑动地安装在该传递轮66的轮面上；压力调节装置用于驱使刹车瓦片60相对传递轮66沿所述径向往复移动。

在本实施例中，当拉伸带所受拉力大于等于预设阈值时，旋转驱动装置驱使摩擦轮相对刹车瓦片转动，而在两者间生成动摩擦力，该动摩擦力力矩通过传递机构而驱使带轮65输出恒阻力力矩；并在拉伸带所受拉力小于预设阈值时，摩擦轮能通过传动机构驱使带轮65回收拉伸带。

本发明的主要构思是通过一种设置一种基于摩擦力的可调式恒阻力输出装置，以能提供连续且无极的可调阻力，且其力控频响高及控制算法简单；根据本构思，摩擦件的结构还有多种显而易见的变化，并不局限于上述实施例中的结构，摩擦轮的摩擦面并不局限于其轮周面，还可以为轮端面，阻力输出构件还可以为阻力输出轴等；并可在压力调节装置上设置压缩弹簧而将预紧压力设为弹性预紧压力。