一种等速力量训练动力装置及等速运动实现方法
阅读说明：本技术 一种等速力量训练动力装置及等速运动实现方法 (Constant-speed strength training power device and constant-speed movement implementation method ) 是由 王远 周真友 李冕 方伟 徐玉兵 陈焱焱 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种等速力量训练动力装置及等速运动实现方法,涉及等速运动领域。它包含阻力源模块、信号采集模块及控制模块,阻力源模块用于产生阻力,控制模块用于通过控制阻力源内部阀门元器件调节阻力大小,信号采集模块用于采集力量信号与位移信号进行处理,通过速度、力量与脉冲阀开关频率三者间关系模型,检测到力的数据以及运动的速度数据快速找到与之对应的PWM控制脉冲阀调节油流动阻力产生的等效阻力,实现等速运动。降低等速运动的成本,易于推广,采用脉冲阀进行控制油速,通过拉力测试和数据回归拟合,获得不同速度V下的F-PWM关系曲线图,并基于该图快速获取计算单片机输出的PWM占空比,实现等速运动,响应速度快,控制精准。(The invention discloses a constant speed strength training power device and a constant speed movement implementation method, and relates to the field of constant speed movement. The resistance source module is used for generating resistance, the control module is used for adjusting the resistance by controlling internal valve elements of the resistance source, the signal acquisition module is used for acquiring force signals and displacement signals to process, and through a relation model among speed, force and pulse valve switching frequency, the equivalent resistance generated by adjusting oil flow resistance through PWM control pulse valves corresponding to detected force data and motion speed data is quickly found out, so that constant-speed motion is realized. The constant-speed motion cost is reduced, the popularization is easy, the oil speed is controlled by adopting the pulse valve, F-PWM relation curve graphs under different speeds V are obtained through tension test and data regression fitting, the PWM duty ratio output by the singlechip is rapidly obtained and calculated based on the F-PWM relation curve graphs, the constant-speed motion is realized, the response speed is high, and the control is accurate.)
技术领域
本发明涉及等速运动领域，具体涉及一种等速力量训练动力装置及等速运动实现方法。
背景技术
等速运动是使肌肉在等速情况下收缩训练，这种肌肉收缩不论何种关节角度都可以发挥最大肌力训练，等速肌力训练设备能够在关节运动的全范围提供顺应性阻力，并能够有同时训练一对拮抗肌群，有效避免肌肉功能恢复不平衡状况出现，由于等速运动中速度不便，阻力可调，随肌肉收缩力量大小产生的顺应性阻力使肌肉在关节的全部活动范围内产生最大肌力，因此，能更有效的锻炼肌肉的力量、耐力和灵活性，是现如今在运动科学与康复医学界被公认最安全也是最有效肌力训练方式。
其早期主要应用于体育运动方面，其配有计算机获取运动员在训练中的数据，并逐渐向其他领域扩展，最终在康复医学领域应用最为广泛，其早去由于设备比较复杂，使用成本较高暂时未普及开。20世纪90年代后，国内部分大医院相继引进等速运动肌力测试和训练系统，帮助病人做恢复性训练，随着科技进步，越来越多的医学、儿科、神经康复、老年医学、运动医学都依赖等速肌力评估训练系统提供连续性的客观数据。
现有技术存在以下缺陷：
1.市场上实现等速运动装置价格昂贵，后期维护成本很高，难以普及；
2.其响应速度不够灵敏；
如何在实现等速运动的同时又能降低成本，是等速运动普及的关键问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种等速力量训练动力装置及等速运动实现方法，以解决上述背景技术中提出的如何在实现等速运动的同时又能降低成本，是等速运动普及的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种等速力量训练动力装置，它包含阻力源模块、信号采集模块及控制模块，其中，阻力源模块用于产生阻力，控制模块用于通过控制阻力源内部阀门元器件调节阻力大小，信号采集模块用于采集力量信号与位移信号进行处理；
所述的阻力源模块采用油缸装置，以液油作为阻力源，通过调节放置在两个油腔之间连接管道中的脉冲阀的开关频率实现液油流动阻力的控制；
所述的信号采集块通过力传感器和位移传感器实时采集数据，其中力传感器与油缸的拉杆在同一条直线上，并通过螺纹与油缸拉杆相连接，运动过程中力通过连杆作用到力量传感器实现采集数据；位移传感器与油缸平行固定，其位移传感器拉杆与油缸拉杆通过一块金属板进行固定，油缸拉杆进行运动的同时，位移传感器拉杆也同步运动，其位移量也是相同的，不同位移输出不同的电压值进行信号采集；
所述的控制模块由脉冲阀和控制板构成，脉冲阀内置在油缸内部两个腔联通管道之间，控制液油流动时的阻力，控制板中的主控电路分别与阻力源模块和信号采集块电连接，采集力的数据以及位移的数据，结合对应的速度的关系输出对应脉冲控制阀门的开合频率实现等效阻力调节。
本发明还提供一种等速运动实现方法：通过速度、力量与脉冲阀开关频率三者间关系模型，检测到力的数据以及运动的速度数据快速找到与之对应的PWM控制脉冲阀调节油流动阻力产生的等效阻力，实现等速运动。
(三)有益效果
与现有技术相比，采用上述技术方案后，本发明有益效果为：
(1)本发明利用油缸本体加上脉冲阀、力传感器、控制单元实现等速运动，与传统电机式等速运动装置相比降低了等速运动的成本易于推广。
(2)本发明独特采用了脉冲阀进行控制油速，通过拉力测试和数据回归拟合，获得不同速度V下的F-PWM关系曲线图，并基于该图快速获取计算单片机输出的PWM占空比，实现了等速运动，响应速度快，控制精准。
附图说明
图1是本发明所提供的实施例的结构示意图；
图2是本发明所提供的实施例中不同速度V下的F-PWM关系曲线图；
图3是本发明所提供的实施例中控制模块的控制板主控电路原理图；
图4是本发明所提供的实施例中控制模块的脉冲阀电路原理图；
图5是本发明所提供的实施例中信号采集模块的电路原理图；
图6是本发明所提供的实施例中电源模块电路原理图；
图7是本发明所提供的实施例中串口电路原理图。
附图标记说明：
1-油缸；2-位移传感器；3-脉冲阀；4-力传感器；5-通道；6-活塞；7-油缸拉杆；8-位移传感器拉杆；9-金属板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图7，本发明提供的一种实施例：一种等速力量训练动力装置，它包含油缸1、位移传感器2、脉冲阀3、力传感器4、通道5、活塞6、油缸拉杆7、位移传感器拉杆8和金属板9，
采取油缸1为阻力源模块，以液油作为阻力源，油缸1中分两个油腔，并通过通道5相连接，通过活塞6在内部往返运动实现液油通过带有脉冲阀3的通道在两个油腔中反复流动；
力传感器4和位移传感器2组成信号采集模块，力传感器4两端都具有螺纹通孔可将其一端固定在油缸拉杆7上，另一端通过鱼眼螺丝与连杆相结合，即在人体关节在做一定角速度运动时，带动连杆运动并通过力传感器4使活塞6在油缸1中做往返运动，过程中实时测得力的大小，既可测拉力也可以测压力，产生的是差分信号，需要经过控制板调理信号进行放大、滤波最后将滤波后的信号经过A/D转换器转换为数字信号给主控电路的处理器处理。其位移传感器拉杆8通过金属板9与油缸拉杆7固定在一起，位移传感器拉杆8也跟着一起运动，其输出的时电压信号不同的位移量输出不同的电压值，信号通过信号调理电路处理之后将滤波后的信号经过A/D转换器转换为数字信号给处理器，其处理器是采取固定频率采集该位移量，即一定时间内的位移量即可获得速度；
脉冲阀3和控制板构成控制模块，脉冲阀3是内置在油缸1内部两个腔联通管道5之间，控制液油流动时的阻力，控制板中MCU单片机通过采集力的数据结合对应的V的关系输出对应脉冲控制阀门的开合时间实现阻力调节。
一种等速运动实现方法：通过速度、力量与脉冲阀开关频率三者间关系模型，检测到力的数据以及运动的速度数据快速找到与之对应的PWM控制脉冲阀调节油流动阻力产生的等效阻力，实现等速运动。
所述的速度、力量与脉冲阀开关频率三者间关系模型，推导过程如下：
根据流体力学，忽略连接腔1和腔2通道的管道阻力，脉冲阀产生等效阻力为R为：
其中P1为腔1的压强，P2为腔2的压强，S为腔体的横截面积,作用在拉杆F为上的力，液体流动的速度为V1，
根据力与压强的关系，得到活动杆的拉力：
F＝(P1-P2)*S ②
由①与②联立推得F＝R*V1*S ③
又横截面一定时，根据流速公式可得知，拉杆运动的速度V＝V1/S，带入公式③可得F＝R*V*，S2其中S为常数，则F和V*R的乘积成线性关系。
拉力等效阻力R与PWM脉宽调制成比例。控制板输出的方波型号中，高电平使脉冲阀打开，低电平使脉冲阀关闭，即恒定高电平持续时间，调节低电平持续时间其等效阻力是可控的，低电平持续时间越长，R越大，低电平持续时间越短，R越小。在不同的PWM占空比设定下，通过拉力测试和数据回归拟合，即可得不同V下的F-PWM曲线图如图2所示，若要实现不同力量F下的等速,保持F/R恒定皆可。
通过试验获得不同速度V下的F-PWM关系曲线图后，当训练设备参数V设定后，在F发生变化时，要保持V不变，可查找设定的V对应的F-PWM曲线，找到变化后的F对应的PWM占空比值，并通过单片机输出该PWM占空比值，保持F/R恒定，从而快速实现等速调控。
等速运动实现方法需要通过实验找到F-PWM的关系，本实施例设置4种档位的角速度，并设置2种PWM脉宽调制下的阻力30％、50％，寻找出此PWM下实现等速运动时F的数据，并获取该直线图像建立数学模型。其实验步骤如下：
1设定该PWM脉宽调制是30％时，人体关节在此设定下进行运动，在达到4种档位下角速度恒定不变时测得的F1、F2、F3、F4的数据；
2设定该PWM脉宽调制是50％时，人体关节在此设定下进行运动，在达到4种档位下角速度恒定不变时测得的F1、、F2、、F3、、F4、的数据；即可根据实验的数据得到如图2所示。
3找到关系并建立数学模型之后，设定某恒定的角速度，实时采集运动过程中的力量数据，都有与之对应的PWM脉宽调制调节阻力实现等速运动。
本发明通过控制单元采集力传感器运动过程中的数据，输出具有不同占空比的脉冲进而控制脉冲阀，实现液油流动阻力大小控制，推导出拉力F和等效阻力R、速度V间的关系，并通过拉力测试和数据回归拟合，获得不同速度V下的F-PWM关系曲线图，并基于该图快速获取计算单片机输出的PWM占空比，实现了等速运动，响应速度快，控制精准。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式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适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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