ТРЕНАЖЕРНОЕ УСТРОЙСТВО, УСТАНОВКА И СПОСОБ Российский патент 2016 года по МПК A63B21/05 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к тренажерному устройству в соответствии с преамбулой независимого п.1 формулы изобретения. Такое тренажерное устройство, содержащее тренажерный элемент для пользователя, выполняющего упражнения, электродвигатель переменного тока и преобразователь частоты, выполненный с возможностью управления электродвигателем переменного тока, причем преобразователь частоты содержит измерительное средство, выполненное с возможностью измерения напряжения и тока электродвигателя переменного тока, и вычислительное средство, выполненное с возможностью вычисления магнитного состояния электродвигателя переменного тока с использованием измеренного напряжения, измеренного тока, опорного крутящего момента и опорного магнитного потока для генерирования крутящего момента электродвигателя переменного тока, можно использовать для работы с прямым управлением крутящим моментом (DTC). Соответственно, это тренажерное устройство готово к применению для тренировочного упражнения для мышц упражняющегося человека. Данное изобретение также относится к тренажерной установке, содержащей тренажерное устройство, и к способу эксплуатации тренажерной установки. Этот способ гарантирует интерактивную поддержку упражняющегося человека в процессе упражнений.

Уровень техники

Тренажерные устройства с электрическими двигателями, предназначенные для тренировки мышц, известны в данной области техники. Например, известны тренажерные устройства, в которых вычислительный блок подает в преобразователь частоты значения уставок для силы тока, выраженной в амперах, и частоты тока трехфазного электродвигателя переменного тока, предназначенного для генерирования крутящего момента. В вычислительный блок подается выходной сигнал датчика положения, измеряющего положение коленчатого рычага с приводом от электродвигателя, причем этот рычаг работает как тренажерный элемент. Посредством сохраняемых в памяти таблиц, содержащих все уместные параметры, специфичные для машины, вычислительный блок вычисляет значения силы тока, выраженной в амперах, и частоты тока электродвигателя, необходимые для желаемого изменения крутящего момента в зависимости от положения, на основе значения положения коленчатого рычага с приводом от электродвигателя. Этим устройствам недостает высокой точности, необходимой для постепенной тренировки в пределах больших диапазонов крутящего момента.

Другие тренажерные устройства, известные в данной области техники и имеющие трехфазный электродвигатель переменного тока для генерирования крутящего момента, измеряют две величины: скорость вращения электродвигателя измеряется частотно-аналоговым датчиком скорости, а выходной крутящий момент измеряется датчиком силы. Измеренную скорость вращения используют для управления частотой, а измеренный крутящий момент используют для управления током электродвигателя. Таким образом, принцип действия этого тренажерного устройства предусматривает наличие двух датчиков и двух взаимосвязанных с ними контуров управления, и поэтому его воплощение подразумевает относительно высокую сложность конструкции. Измерение силы датчиком также приводит к потенциальным проблемам, таким как воздействие температуры, например дрейф, а также нарушение функционирования из-за вибраций или ударов.

Кроме того, в данной области техники известны другие тренажерные устройства, имеющие трехфазный электродвигатель переменного тока, связанный с датчиком угла поворота, измеренный сигнал которого подается и в преобразователь частоты, и в блок управления. В пределах этих устройств блок управления обеспечивает значение уставки для крутящего момента, генерируемого электродвигателем, а преобразователь частоты управляет крутящим моментом с помощью замкнутого контура управления (содержащего преобразователь частоты, электродвигатель переменного тока и датчик, подсоединенный к электродвигателю, а его обратная связь - к преобразователю частоты), в котором используется принцип управления с ориентацией по полю, также известного как векторное управление. Однако эти устройства имеют несколько недостатков. Во-первых, датчику угла поворота приходится обнаруживать значительные числа оборотов электродвигателя, поскольку перед ним имеется понижающая передача. Это либо делает датчик относительно сложной частью, либо приводит к необходимости дополнительных вычислений для получения абсолютного положения тренажерного элемента. Во-вторых, отсутствует непосредственная информация о том, что происходит на валу двигателя. С помощью этой конструкции вряд ли можно обнаружить люфт редуктора и другие эффекты вала электродвигателя, критичные с точки зрения безопасности.

Дополнительно, например, Halabeya (High Performance Electrical Drive System for a Biomechanical Test and Rehabilitation Equipment, 2000) описывает «регулярный» алгоритм прямого управления крутящим моментом (DTC), предназначенный для управления асинхронным приводом в пределах тренажерного устройства, используемого для физической реабилитации. Такой алгоритм DTC предусматривает сравнение опорного крутящего момента и опорного магнитного потока с фактическими значениями крутящего момента и магнитного потока. На основе этого сравнения происходит выработка сигналов управления с помощью способа управления гистерезисом. Вместе с тем, опорный магнитный поток используется как исключительное управляющее значение в пределах этого устройства, чтобы достичь малого времени отклика по крутящему моменту. Таким образом, интенсивность крутящего момента на валу электродвигателя является недостаточно точной, а кроме того, могут возникать негативные эффекты сильного намагничивания. И то, и другое приводит к нежелательно высокой жесткости системы привода, особенно если электродвигатель работает во втором или четвертом квадранте (т.е., «как тормоз») и на малых скоростях. Кроме того, Halabeya рекомендует использование углового датчика, установленного на нагрузочном валу и имеющего собственную обратную связь по сигналу с преобразователем частоты. Безопасное измерение предусматривает четыре переключателя, которые установлены около нагрузочного вала и сигнализируют о том, что рычаг достиг своего верхнего или нижнего диапазона пределов движения. Следовательно, устройство, описанное Halabeya, не обеспечивает обнаружения опасных случаев, подобных сломанному звену между угловым датчиком и нагрузочным валом или неправильному функционированию внутри преобразователя частоты. Таким образом, тренажерное устройство, описанное Halabeya, не обеспечивает достаточной безаварийности.

Поэтому существует неудовлетворенная потребность в усовершенствованном тренажерном устройстве, дающем возможность получить высокоточное ответное тренировочное сопротивление, безаварийность и малое время отклика по крутящему моменту электродвигателя тренажерного устройства.

В соответствии с изобретением, эта потребность удовлетворяется посредством тренажерного устройства, охарактеризованного признаками независимого п.1 формулы изобретения, тренажерной установки, охарактеризованной признаками независимого п.11 формулы изобретения, и посредством способа эксплуатации тренажерной установки, охарактеризованного признаками независимого п.13 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

В частности, в изобретении предложено тренажерное устройство, содержащее тренажерный элемент для упражняющегося человека, электродвигатель переменного тока и преобразователь частоты, выполненный с возможностью управления электродвигателем переменного тока, причем преобразователь частоты содержит измерительное средство, выполненное с возможностью измерения напряжения и тока электродвигателя переменного тока, и вычислительное средство, выполненное с возможностью вычисления магнитного состояния электродвигателя переменного тока с использованием измеренного напряжения, измеренного тока, опорного крутящего момента и опорного магнитного потока для генерирования крутящего момента электродвигателя переменного тока. Такое вычисление можно использовать в рамках алгоритма управления DTC для управления электродвигателем переменного тока. Тренажерное устройство дополнительно содержит блок управления, имеющий машинный модуль управления, выполненный с возможностью вычисления опорного магнитного потока и опорного крутящего момента с использованием планируемого суммарного крутящего момента, причем машинный модуль управления соединен с преобразователем частоты и выполнен с возможностью передачи опорного магнитного потока и опорного крутящего момента в преобразователь частоты.

При эксплуатации тренажерный элемент подвергается воздействию силы, прикладываемой упражняющимся человеком к тренажерному устройству во время тренировки, и может быть в качестве неограничительного примера коленчатым рычагом. Тренажерный элемент может принимать многие различные формы, такие как форма дугообразного захвата, рукоятки и т.п., или одной, или двух педалей, или троса, который соединен с валом посредством лебедки. Объем притязаний данного изобретения не будет ограничен коленчатым рычагом, а включает в себя все мыслимые виды вариантов тренажерного элемента, к которому человек может приложить мышечную силу. Эти притязания также распространяются, помимо прочих, на тренажерные элементы, которым сообщается не вращательное, а поступательное движение, при этом последнее будет затем механически преобразовано во вращение вала электродвигателя. В этом случае употребляемые здесь термины «угол поворота», «скорость вращения» и «крутящий момент» будут соответствовать терминам поступательного перемещения, либо поступательной скорости или силы соответственно. Во время такого упражнения сила, которая должна быть приложена посредством электродвигателя, зависит от огромного количества параметров, включая механическое трение, инерцию и, конечно же, тип упражнения, которое хочет выполнить упражняющийся человек. По этой причине блок управления вычисляет опорный крутящий момент и опорный магнитный поток во время упражнения, чтобы в непрерывном или прерывистом режиме обеспечивать преобразователь частоты вычисленными опорным крутящим моментом и опорным магнитным потоком. Предлагаемая компоновка тренажерного устройства позволяет обеспечивать выгодные эффекты, такие как малое время отклика по крутящему моменту электродвигателя переменного тока в сочетании со сравнительно точным управлением крутящим моментом, генерируемым электродвигателем с меньшими затратами энергии. Время отклика по крутящему моменту оказывается важным, в частности, в точках реверса движения при упражнении, поскольку, исходя из концепции тренировки, желательны частые изменения с одного направления на другое. В преимущественном варианте опорный магнитный поток регулируют как функцию абсолютной величины крутящего момента, необходимого на выходном валу электродвигателя переменного тока. Это значительно расширяет опыт тренировки при меньших крутящих моментах и позволяет очень точно дозировать крутящий момент в широких пределах, а также выгодно для снижения энергопотребления и поэтому снижает требования к охлаждению и позволяет создавать системы без принудительного охлаждения, а лишь с конвекционным охлаждением. Это дает возможность избежать шума, создаваемого воздуходувным устройством.

Машинный модуль управления предпочтительно разделяет планируемый суммарный крутящий момент на составляющую крутящего момента и составляющую магнитного потока в пределах блока управления, а также вычисляет опорный магнитный поток и опорный крутящий момент на основе составляющей крутящего момента и составляющей магнитного потока с помощью характеристической диаграммы. Это вычисление опорного крутящего момента и опорного магнитного потока в пределах тренажерного устройства полезно, в частности, для снижения жесткости электродвигателя переменного тока и для точного управления крутящим моментом, генерируемым электродвигателем переменного тока.

Машинный модуль управления блока управления предпочтительно выполнен с возможностью вычисления планируемого суммарного крутящего момента на основе заранее определенного сопротивления при тренировке, выдаваемого в блок управления, и коэффициента коррекции. Вычисление планируемого суммарного крутящего момента на основе заранее определенного сопротивления при тренировке и коэффициента коррекции полезно для компенсации трения и механической инерции тренажерного устройства, вследствие чего упражнения оказываются удобными для упражняющегося человека. Заранее определенное сопротивление при тренировке может изменяться в зависимости от состояния движения тренажерного рычага, которое включает в себя его положение, скорость и ускорение; заранее определенное сопротивление при тренировке может изменяться в зависимости от каждого повторения упражнений; заранее определенное сопротивление при тренировке может изменяться в зависимости от истекшего времени в рамках упражнений; или заранее определенное сопротивление при тренировке может изменяться в зависимости от направленности упражнений.

В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «заранее определенное сопротивление при тренировке» относится к весу или уровню трудности, заранее определенному на тренажерном устройстве или, в противном случае, заранее определенному упражняющимся человеком так, как описывается здесь ниже (например, в веб-интерфейсе, в интерфейсе пользователя), причем каждое усилие прикладывается с сопротивлением конкретной противодействующей силе, генерируемой за счет сопротивления (т.е. сопротивления отталкиванию, сжатию, растяжению или изгибу). Такое заранее определенное сопротивление при тренировке используется для развития силы и увеличения размера скелетных мышц.

Машинный модуль управления предпочтительно содержит гибридный контроллер, чтобы генерировать опорный крутящий момент и опорный магнитный поток для преобразователя частоты. Гибридный контроллер срабатывает перед тем, как происходит вычисление опорного крутящего момента и опорного магнитного потока.

Применение гибридного контроллера внутри тренажерного устройства допускает наличие совокупности многочисленных контроллеров, переключение которых происходит на основе дискретных состояний, таких как состояние, в котором задан лишь крутящий момент, и состояние, в котором вместо этого осуществляется управление положением, а также состояния, которые связаны с функциями безопасности. По причинам безопасности максимальная скорость электродвигателя ограничена, так что тренажерный элемент не может резко разогнаться с максимально возможной скоростью в случае, когда упражняющийся человек отпускает его или соскакивает с него. Кроме того, по причинам безопасности может оказаться целесообразным ограничение максимального крутящего момента электродвигателя переменного тока во избежание риска чрезмерного механического напряжения и опасности подвергнуться травмам.

Машинный модуль управления предпочтительно содержит компоновку ступенчатого управления, чтобы генерировать опорный крутящий момент и опорный магнитный поток для преобразователя частоты.

В том смысле, в каком он употребляется в этом описании, термин «компоновка ступенчатого управления» относится к модели управления, предназначенной для управления приводами, содержащими электродвигатели, такие как электродвигатель переменного тока, при этом предусматриваются схема внутреннего управления для скорости вращения (ω) и схема внешнего управления для положения (phi). Пределы phi и ω могут быть встроены как функции насыщения в рамках этих схем или могут быть встроены в преобразователь частоты. Такая компоновка ступенчатого управления полезна для повышения надежности критической меры безопасности в пределах тренажерного устройства. Подробный способ реализации этой компоновки ступенчатого управления, входящей в состав тренажерного устройства, известен в данной области техники.

Вычислительное средство преобразователя частоты предпочтительно содержит математические модели для вычисления магнитного состояния электродвигателя переменного тока. Такие математические модели полезны для определения магнитного состояния электродвигателя переменного тока и поэтому вносят вклад в точное управление электродвигателем переменного тока.

В том смысле, в каком он употребляется в этом описании, термин «математическая модель» относится к модели, предназначенной для описания тренажерного устройства. В этом контексте математические модели могут принимать многие формы, включая, но не в ограничительном смысле, динамические системы, статистические модели или дифференциальные уравнения, таблицы или их комбинации. Можно осуществлять совмещение моделей этих и других типов, при этом некоторая заданная модель подразумевает множество абстрактных структур и может быть воплощена для описания тренажерного устройства.

Вычислительное средство преобразователя частоты предпочтительно содержит математические модели вычисления скорости вращения электродвигателя переменного тока и температуры электродвигателя переменного тока. Вычисление скорости вращения электродвигателя переменного тока и температуры электродвигателя переменного тока гарантирует точное управление опорным крутящим моментом и опорным магнитным потоком в пределах тренажерного устройства. Кроме того, чтобы отслеживать температуру электродвигателя переменного тока, не пользуясь датчиком температуры, используют тепловую модель для аппроксимации температуры электродвигателя.

Тренажерное устройство предпочтительно содержит датчик углового положения, соединенный с тренажерным элементом, причем датчик углового положения выполнен с возможностью измерения положения тренажерного элемента и передачи измеренного положения в блок управления, и при этом блок управления выполнен с возможностью регулирования опорного крутящего момента и опорного магнитного потока с помощью измеренного положения.

Датчик углового положения, установленный на тренажерный элемент, содержит, например, плечо рычага. Датчик углового положения обеспечивает обратную связь фактического движения плеча рычага с блоком управления, который регулирует опорный крутящий момент и опорный магнитный поток в соответствии со значением из датчика углового положения, скорость вращения, вычисляемую преобразователем частоты, и конкретный набор данных упражняющегося человека. Что касается безаварийности тренажерного устройства, то обратную связь по сигналу датчика углового положения, установленного на валу рычага, предпочтительно осуществлять не с преобразователем частоты, а с блоком управления более высокого уровня. Так, возможно обнаружение опасных событий типа сломанного звена между датчиком углового положения и нагрузочным валом электродвигателя переменного тока или нарушения функционирования внутри преобразователя частоты.

Для эффективной тренировки и по причинам безопасности важно ограничить возможный диапазон движения упражняющегося человека. Чтобы достичь этого, блок управления может изменять крутящий момент в зависимости от угла плеча рычага, который измеряется датчиком углового положения на плече рычага, и если бы был пройден некоторый заданный угол, то крутящий момент увеличивался бы так, будто существовал некий механический упор. Увеличивающийся крутящий момент также может расти как функция дальнейшего углового движения, так что можно, например, моделировать механическую пружину. Чтобы предотвратить отскок плеча рычага, можно приложить дополнительную силу, зависящую от направления движения и устанавливаемую в нуль для направления, в котором обычно должна расширяться пружина.

Блок управления предпочтительно содержит модуль связи, выполненный с возможностью передачи данных тренировки, содержащих заранее определенное сопротивление при тренировке, и приема данных тренировки. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «данные тренировки» относится к данным, которые необходимы до начала тренировки и содержат персональные и конкретные для организма данные, настройки устройства, такие как положение упражняющегося человека, положения фиксаций устройства и алгоритм тренировки, содержащий цели тренировки, способы тренировки, частоту тренировки, количество и порядок прохождения тренажерных устройств, частоты подходов при тренировке, тренировочные веса. Аналогичным образом, термин «данные тренировки» относится к данным, которые регистрируются во время тренировки и содержат частоту упражнения и нагрузочный вес, данные сигнала датчика, получаемого из датчика углового положения, и степень достижения целей тренировки. Такой модуль связи полезен для передачи данных тренировки из тренажерного устройства, например, на сервер удаленной базы данных, такой как сервер центральной базы данных, а также для приема данных тренировки упражняющегося человека.

Модуль связи предпочтительно выполнен с возможностью подключения к базе данных с целью сохранения данных тренировки в базе данных и получения данных тренировки из базы данных. Этот вариант осуществления полезен, например, для передачи в базу данных особого идентификационного кода, который представлен упражняющимся человеком и идентифицируется на тренажерном устройстве с помощью системы идентификации, например, смарт-карты, бесконтактной смарт-карты, средства обнаружения отпечатков пальцев, идентификационного номера пользователя, системы персональных идентификационных номеров (PIN), устройства распознавания штриховых кодов, магнитной карты или беспроводного устройства, содержащего устройство радиочастотной идентификации (RFID) и устройство Bluetooth. Базу данных можно воплотить на сервере локальной базы данных, на сервере удаленной базы данных, таком как сервер центральной базы данных, или на самом тренажерном устройстве. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «сервер базы данных» относится к компьютерной программе, которая предоставляет услуги базы данных другим устройствам, модулям или аппаратам. Воплощение базы данных на самом тренажерном устройстве делает возможным использование машины даже в случае временного отказа сетевого соединения и тем самым повышает надежность и отказоустойчивость машины.

Модуль связи предпочтительно выполнен с возможностью соединения с сетью, а также передачи и приема данных тренировки через эту сеть. Модуль связи используется для передачи и приема данных через сетевое соединение. В качестве неограничительного примера отметим, что модуль связи передает результаты тренировки на тренажерном устройстве в удаленную базу данных и принимает данные о тренировке упражняющегося человека, который хочет выполнять упражнения на тренажерном устройстве.

В дополнительном аспекте изобретения тренажерная установка содержит тренажерное устройство, описанное выше, а также базу данных и веб-интерфейс, причем база данных подключена к веб-интерфейсу и к модулю связи блока управления тренажерного устройства, при этом веб-интерфейс и база данных выполнены с возможностью сохранения данных тренировки или воздействия на них посредством веб-интерфейса. Эта тренажерная установка полезна для обеспечения интерактивного способа поддержки упражняющегося человека с целью достижения им или ею целей тренировки.

База данных тренажерной установки предпочтительно подключена к веб-интерфейсу посредством Всемирной паутины. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «Всемирная паутина» следует понимать как компьютерную сеть, содержащую коллекцию форматированных документов, в которых данные, такие как данные тренировки, представлены посредством протокола передачи гипертекстовых файлов, доступного через Internet. Эти документы отформатированы на языке разметки, называемом языком разметки гипертекста (HTML), который поддерживает связи с другими документами, а также графикой, файлами аудио- и видеоинформации. Это значит, что можно перескакивать от одного документа к другому, щелкая мышью на активных областях. Существуют несколько приложений, подобных веб-браузерам, которые дают возможностью доступа к Всемирной паутине. Соответственно, Всемирная паутина является эффективным инструментом для обмена данными, такими как данные тренировки, в пределах тренажерной установки или в пределах тренажерного устройства.

В еще одном дополнительном аспекте изобретения тренажерная установка содержит тренажерное устройство, а также базу данных и веб-интерфейс, причем база данных выполнена с возможностью подключения к веб-интерфейсу и к тренажерному устройству.

В еще одном дополнительном аспекте изобретения способ эксплуатации тренажерной установки включает в себя этапы передачи данных тренировки, содержащих заранее определенное сопротивление при тренировке, в базу данных, воздействия на переданные данные тренировки посредством веб-интерфейса и передачи данных тренировки, подвергшихся воздействию, в блок управления тренажерного устройства тренажерной установки.

В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «интерфейс пользователя» относится к модулю, с помощью которого люди взаимодействуют с тренажерным устройством. Такой интерфейс пользователя может включать в себя аппаратные (физические) и программные (логические) компоненты. Интерфейсы пользователя существуют для различных устройств, модулей или аппаратов и обеспечивают средство ввода, позволяющее упражняющемуся человеку, например, воздействовать на такие устройства, модули или аппараты, и/или вывода, позволяющее системе, например, указывать эффекты воздействия упражняющихся людей.

Передача данных тренировки в рамках способа в соответствии с изобретением предпочтительно содержит передачу заранее определенного сопротивления при тренировке из веб-интерфейса в базу данных.

Способ предпочтительно содержит также этап синхронизации данных, хранящихся в базе данных, с сервером центральной базы данных, причем эти данные содержат передаваемые данные тренировки, данные тренировки, подвергшиеся воздействию, и данные тренировки, содержащие заранее определенное сопротивление при тренировке.

В еще одном дополнительном аспекте изобретения способ эксплуатации тренажерной установки в соответствии с изобретением содержит этапы передачи данных тренировки, содержащих заранее определенное сопротивление при тренировке, из интерфейса пользователя в базу данных, воздействия на переданные данные тренировки с помощью веб-интерфейса и передачи данных тренировки, подвергнутых воздействию, в блок управления тренажерного устройства тренажерной установки в соответствии с изобретением.

В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «синхронизация» следует понимать как находящийся в области вычислительной техники и относящийся к потребности поддержки многочисленных копий набора данных, таких как данные тренировки, когерентно друг с другом. Синхронизацию данных, таких как данные тренировки, между базой данных или сервером удаленной базы данных, таким как сервер центральной базы данных, и веб-интерфейсом можно проводить либо в непрерывном, либо в прерывистом режиме. В рамках способа в соответствии с изобретением предусматривается синхронизация данных любого типа, таких как данные тренировки, содержащие данные тренировки, подвергнутые воздействию, переданные данные тренировки и данные тренировки, содержащие заранее определенное сопротивление при тренировке. Таким образом, синхронизация данных тренировки может происходить разными путями, такими как между базой данных и сервером удаленной базы данных, таким как сервер центральной базы данных, посредством Всемирной паутины, или между базой данных и веб-интерфейсом, выполненным с возможностью сохранения данных, или между интерфейсом пользователя, выполненным с возможностью сохранения данных, и базой данных и/или сервером удаленной базы данных, таким как сервер центральной базы данных.

Программы тренировки предпочтительно содержат классические упражнения с заранее определенным сопротивлением и заранее определенным количеством повторений и подходов, или предусматривают «пирамидальную» тренировку, при которой сопротивление будет начинаться на низком уровне, увеличиваться в течение первой половины повторений и уменьшаться в течение второй половины повторений. Кроме того, в рамках данного изобретения предусматривается программа измерения максимальной силы упражняющегося человека. Для этого можно увеличивать крутящий момент на плече рычага с увеличением угла плеча рычага аналогично механической пружине, а максимального угла упражняющийся человек достигает пропорционально своей максимальной силе. В качестве альтернативного способа плечом рычага можно управлять так, чтобы поддерживать фиксированное положение за счет использования замкнутого контура управления. Величина крутящего момента, необходимая контроллеру для поддержания этого фиксированного положения, является мерой силы, которую упражняющийся человек прикладывает к тренажерному рычагу. Вследствие этого, оказывается возможным изометрическое измерение максимальной силы. После окончания тренировки генерируется набор данных, описывающий все результаты тренировки. В пределах этого набора данных сохраняют и передают через сетевое соединение в удаленную базу данных информацию о проделанных повторениях, подходах, весах, а также записях данных из датчиков. В свою очередь, доступ в эту базу данных возможен посредством сервера базы данных, где упражняющийся человек посредством веб-сайта может просмотреть собранные данные и другие анализы на основе этих данных. Также, с помощью базы данных или сервера центральной базы данных, регулирование сохраненных переменных, например плана тренировки, можно осуществлять и синхронизировать посредством сетевого соединения тренажерного устройства, так что все эти регулировки будут доступны в следующий раз, как только упражняющийся человек идентифицируется на тренажерном устройстве.

Краткое описание чертежей

Устройство, согласно настоящему изобретению, подробнее описывается ниже посредством примерных вариантов осуществления и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 показана условная схема тренажерного устройства в соответствии с данным изобретением;

на фиг.2 показана условная схема блока управления тренажерного устройства согласно фиг.1.

Способы осуществления изобретения

На фиг.1 показана условная схема тренажерного устройства. Это тренажерное устройство содержит тренажерный элемент 1 и электродвигатель 3 переменного тока, которые взаимосвязаны посредством понижающей передачи 2. Тренажерное устройство дополнительно содержит преобразователь 5 частоты, соединенный с электродвигателем 3 переменного тока посредством соединения 4, и блок 6 управления, соединенный с преобразователем 5 частоты. Блок 6 управления также соединен с датчиком 13 углового положения, установленным на выходном валу тренажерного элемента 1, посредством информационного соединения 24. Кроме того, блок 6 управления соединен с интерфейсом 7 пользователя посредством информационного соединения 14, c системой 8 идентификации посредством соединения 15 интерфейса пользователя и с базой 9 данных посредством информационного сетевого соединения 20. База 9 данных подключена к сети 10 посредством сетевого соединения 21. Сеть 10 соединена с сервером 11 центральной базы данных посредством сетевого соединения 22. Сервер 11 центральной базы данных соединен с веб-интерфейсом 12 посредством сетевого соединения 23.

При эксплуатации тренажерный элемент 1 подвергается воздействию силы, прикладываемой упражняющимся человеком к тренажерному устройству во время тренировки. Например, тренажерный элемент 1 может быть выполнен в форме коленчатого рычага. Кроме того, тренажерный элемент 1 может принимать разные формы, такие как форма изогнутого захвата, рукоятки и т.п., либо одной, либо двух педалей, либо троса, который соединен с валом посредством лебедки.

Преобразователь 5 частоты управляет частотой, напряжением и током трехфазного электродвигателя 3 переменного тока, чтобы получить определенный крутящий момент электродвигателя 3 переменного тока. Входной сигнал для преобразователя 5 частоты обеспечивается блоком 6 управления, который снабжает преобразователь 5 частоты значениями опорного крутящего момента М_опорн и опорного магнитного потока Ф_опорн. В целях управления преобразователь 5 частоты вычисляет угловую скорость вращения электродвигателя (ω_выч) и температуру (Т_выч) и передает их в блок 6 управления. Кроме того, датчик 13 углового положения, установленный на выходном валу тренажерного элемента 1, измеряет фактическое положение тренажерного элемента и посылает сигнал в блок 6 управления. Кроме того, система 8 идентификации позволяет упражняющемуся человеку идентифицироваться на тренажерном устройстве. Система 8 идентификации содержит смарт-карту, бесконтактную смарт-карту, средство обнаружения отпечатков пальцев, идентификационный номер пользователя, систему персональных идентификационных номеров (PIN), устройство распознавания штриховых кодов, магнитную карту или беспроводное устройство, содержащее устройство радиочастотной идентификации и устройство Bluetooth. Затем из системы 8 идентификации пользователя в блок 6 управления посредством соединения 15 интерфейса пользователя посылается особый идентификационный код. Для дальнейшего взаимодействия предусмотрен интерфейс 7 пользователя, который получает данные посредством информационного соединения 14 и передает входные сигналы от упражняющегося человека посредством информационного соединения 14 обратно в блок 6 управления. В одном варианте осуществления интерфейс 7 пользователя представляет собой устройство, имеющее сенсорный экран для ввода и отображения данных тренировки. Блок 6 управления оснащен информационным сетевым соединением 20. Посредством этого соединения происходит обмен данными тренировки с базой 9 данных, которая сама подключена к сети 10, например Всемирной паутине, посредством сетевого соединения 21. Пользуясь веб-интерфейсом 12, можно просматривать данные тренировки для тренажерного устройства и воздействовать на его настройки. Данные тренировки синхронизируются между сервером 11 центральной базы данных и базой 9 данных. База 9 данных и/или сервер 11 центральной базы данных подключен(ы) к веб-интерфейсу 12 и тренажерному устройству, причем веб-интерфейс 12 и база 9 данных и/или сервер 11 центральной базы данных выполнены с возможностью сохранения данных тренировки или воздействия на них посредством веб-интерфейса 12. В предпочтительном варианте угловую скорость вращения электродвигателя 3 переменного тока не измеряют с помощью датчика, а вычисляют внутри преобразователя частоты, пользуясь математической моделью электродвигателя. Кроме того, внутри преобразователя 5 частоты реализован алгоритм прямого управления крутящим моментом для электродвигателя 3 переменного тока. За счет прямого управления крутящим моментом управление и магнитным потоком, и крутящим моментом осуществляет гистерезисный контроллер, что делает этот контроллер очень чувствительным и дает возможность наделения электродвигателя 3 переменного тока преимуществами прямого управления крутящим моментом устройства типа электродвигателя постоянного тока и прямого управления магнитным потоком. Таким образом, потребность в кодере, находящемся в электродвигателе, отпадает.

На фиг.2 показана условная схема блока 6 управления тренажерного устройства согласно фиг.1. Блок 6 управления содержит модуль 25 связи, модуль 26 интерфейса пользователя и машинный модуль 27 управления. Модуль 25 связи предпочтительно соединен с сетевым соединением 20 и с модулем 26 интерфейса пользователя, который дополнительно соединен с машинным модулем 27 управления. Информационное соединение 24 связано с машинным модулем 27 управления. Модуль 26 интерфейса пользователя дополнительно соединен с системой 8 идентификации посредством соединения 15 интерфейса пользователя и с интерфейсом 7 пользователя посредством информационного соединения 14. Информационное сетевое соединение 20 связано с модулем 25 связи.

В предпочтительном варианте модуль 25 связи передает и принимает данные через сетевое соединение 20, в частности, он передает результаты тренировки на тренажерном устройстве в базу 9 данных посредством информационного сетевого соединения 20, а также принимает данные о тренировке упражняющегося человека, который хочет выполнить упражнения на тренажерном устройстве. Эти данные могут содержать информацию о весах, повторениях и количестве подходов, а также специфичные для тренажерного устройства настройки типа положения фиксаций или положения сиденья, либо информацию о режиме тренировки или данные об истории тренировки упражняющегося человека.

Блок 6 управления дополнительно содержит модуль 26 интерфейса пользователя, принимающий идентификационные данные упражняющегося человека из системы 8 идентификации посредством соединения 15 интерфейса пользователя и выдающий информацию упражняющемуся человеку. Упражняющийся человек взаимодействует с интерфейсом 7 пользователя посредством информационного соединения 14. Входные сигналы направляются в модуль 26 интерфейса пользователя и обрабатываются там.

Блок 6 управления дополнительно содержит машинный модуль 27 управления. В частности, машинный модуль 27 управления вычисляет значения уставок для опорного крутящего момента и опорного магнитного потока. Чтобы генерировать эти значения, можно воспользоваться двумя предпочтительными принципами. Одной возможностью является реализация компоновки ступенчатого управления, т.е. схемы внутреннего управления для скорости ω вращения и схемы внешнего управления для положения phi. Пределы phi и ω могут быть встроены как функции насыщения в пределах этих схем или могут быть встроены в преобразователь частоты для повышения надежности критической меры безопасности. В качестве альтернативы, можно воспользоваться гибридным контроллером, реализованным внутри машинного модуля 27 управления.

Гибридный контроллер имеет разные дискретные состояния, т.е. состояние, в котором задан лишь крутящий момент, и состояние, в котором вместо этого осуществляется управление положением, а также состояния, которые связаны с функциями безопасности. В пределах этих состояний этот контроллер работает как контроллер непрерывного действия, но при наступлении некоторых внешних событий дискретные состояния могут изменяться. Например, переход через верхний предел скорости ω включает сигнал, который устанавливает контроллер в состояние, длящееся до решения этой проблемы, а потом переключает обратно в другое состояние.

Ниже рассматривается одна возможность осуществления изобретения. Чтобы узнать, какую программу тренировки выполнить для тренажерного устройства, упражняющийся человек идентифицируется на тренажерном устройстве. Модуль 26 интерфейса пользователя соединен с системой 8 идентификации, что позволяет упражняющемуся человеку идентифицироваться на тренажерном устройстве с помощью средства идентификации, такого как смарт-карта, бесконтактная смарт-карта, средство обнаружения отпечатков пальцев, идентификационный номер пользователя, система персональных идентификационных номеров (PIN), беспроводное устройство, содержащее устройство радиочастотной идентификации, устройство Bluetooth, устройство распознавания штриховых кодов или магнитная карта. Особый идентификационный код посылается в блок 6 управления через соединение 15 интерфейса пользователя. Блок 6 управления выполнен с возможностью передачи особого идентификационного кода в базу 9 данных и на сервер 11 центральной базы данных. База 9 данных и сервер 11 центральной базы данных присваивают особый идентификационный код данным, последовательно передаваемым в блок 6 управления. Данные тренировки содержат данные об упражняющемся человеке, т.е. имя, и настройки тренажерного устройства, т.е. положение упражняющегося человека, положение фиксаций или механического концевого упора, и информацию о плане тренировки, подробную информацию об упражнениях, присваиваемую тренажерному устройству, такую как тренировочный вес, частота упражнений, скорость упражнений и указатель предстоящего упражнения. В частности, в рамках этого набора данных сохраняют план тренировки, содержащий всю возможную информацию о тренировке, включая период времени, в течение которого план тренировки действителен, как часто следует выполнять упражнения, какие тренажерные устройства и в каком порядке следует использовать, какие паузы следует выдерживать между подходами к тренажерному устройству, насколько быстро следует выполнять упражнение, какие механические положения (например, сиденья) следует задавать и как будет изменяться тренировочный вес с изменением любого из таких параметров как угол при тренировке, количество повторений или количество подходов, либо комбинацию всех этих факторов, и как следует задавать диапазон движения.

Блок 6 управления регулирует настройки тренажерного устройства на основе данных, выдаваемых в базу 9 данных и/или на сервер 11 центральной базы данных, чтобы активировать курс тренировки, подобной силовой тренировке с постоянным весом и определенной частотой упражнения. После этого блок 6 управления передает данные, такие как опорный крутящий момент и опорный магнитный поток, в преобразователь 5 частоты, и таким образом начинается курс тренировки. Блок 6 управления регулирует положение тренажерного рычага на основе обеспечиваемых данных об упражняющемся человеке посредством сигнала обратной связи датчика 13 углового положения, получая индивидуальные исходные настройки.

Если тренажерный рычаг будет незначительно поднят, блок 6 управления вычисляет планируемый суммарный крутящий момент, который может быть вычислен на основе заранее определенного сопротивления при тренировке, выдаваемого в блок 6 управления, и коэффициента коррекции, причем блок 6 управления содержит машинный модуль 27 управления, соединенный с преобразователем 5 частоты и выполненный с возможностью передачи опорного магнитного потока и опорного крутящего момента в преобразователь 5 частоты. Вычисленный планируемый суммарный крутящий момент передается из блока 6 управления в преобразователь 5 частоты.

Сила, которую должен прикладывать электродвигатель во время упражнения, зависит от огромного количества параметров, включая механическое трение, инерцию и, конечно же, тип упражнения, которое хочет выполнить упражняющийся человек. По этой причине блок 6 управления вычисляет опорный крутящий момент и опорный магнитный поток во время упражнения, чтобы снабжать преобразователь 5 частоты вычисленными опорным крутящим моментом и опорным магнитным потоком. Кроме того, блок 6 управления анализирует данные, предоставляемые из датчика 13 углового положения во время упражнения. Этот анализ обеспечивает информацию о том, выполняет ли упражняющийся человек предписания плана тренировки. Эта информация будет представлена упражняющемуся человеку через интерфейс 7 пользователя.

После окончания упражнения блок 6 управления регулирует тренажерный рычаг, возвращая его в исходное положение. Все данные, собранные во время упражнения, передаются в базу 9 данных и на сервер 11 центральной базы данных посредством модуля 25 связи и сохраняются в этих базах данных. Упражняющийся человек информируется о предстоящем упражнении через интерфейс 7 пользователя.

Хотя изобретение проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в вышеизложенном описании, такие иллюстрации и описание следует рассматривать как демонстрационные или примерные, а не ограничительные. Обычным специалистам в данной области техники должно быть ясно, что в рамках объема и существа притязаний нижеследующей формулы изобретения в него можно внести изменения и модификации. В частности, данное изобретение охватывает дополнительные варианты осуществления с любым сочетанием признаков из разных вариантов, описанных выше и ниже.

Изобретение также охватывает все дополнительные признаки, показанные на чертежах по отдельности, хотя они могут и не быть описаны в вышеизложенном или нижеследующем описании. Помимо этого, в формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а признак единственного числа не исключает множество. На одном этапе возможно выполнение функций согласно нескольким признакам, приведенным в формуле изобретения. В частности, термины «по существу», «примерно», «приблизительно» и т.п. в связи со свойством или значением также определяют точно это свойство или точно это значение, соответственно. Компьютерную программу можно хранить или распространять на подходящем носителе, таком как оптическое запоминающее устройство или твердотельный носитель, поставляемые вместе с другими аппаратными средствами, или как часть их, но она может также распространяться и в других формах, например, посредством Internet либо других проводных или беспроводных телекоммуникационных систем. Любые позиции в формуле изобретения не следует считать ограничивающими объем притязаний.

Изобретение относится к тренажерному устройству, содержащему тренажерный элемент (1) для пользователя, выполняющего упражнения, электродвигатель (3) переменного тока и преобразователь (5) частоты, выполненный с возможностью управления электродвигателем (3) переменного тока, причем преобразователь (5) частоты содержит измерительное средство, выполненное с возможностью измерения напряжения и тока электродвигателя (3) переменного тока, и вычислительное средство, выполненное с возможностью вычисления магнитного состояния электродвигателя (3) переменного тока с использованием измеренного напряжения, измеренного тока, опорного крутящего момента и опорного магнитного потока для генерирования крутящего момента электродвигателя (3) переменного тока. Тренажерное устройство дополнительно содержит блок (6) управления, имеющий машинный модуль (27) управления, выполненный с возможностью вычисления опорного магнитного потока и опорного крутящего момента с использованием планируемого суммарного крутящего момента, причем машинный модуль (27) управления соединен с преобразователем (5) частоты и выполнен с возможностью передачи опорного магнитного потока и опорного крутящего момента в преобразователь (5) частоты. Кроме того, данное изобретение содержит тренажерную установку, содержащую тренажерное устройство, и способ эксплуатации тренажерной установки. Это тренажерное устройство легко применимо к упражнению для тренировки мышц упражняющегося человека. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тренажерное устройство, содержащее
тренажерный элемент для упражняющегося человека;
электродвигатель переменного тока;
преобразователь частоты, выполненный с возможностью управления электродвигателем переменного тока посредством использования схемы прямого управления крутящим моментом (DTC),
измерения напряжения и тока электродвигателя переменного тока, и
вычисления магнитного состояния электродвигателя переменного тока с использованием измеренного напряжения, измеренного тока, опорного крутящего момента и опорного магнитного потока для генерирования крутящего момента электродвигателя переменного тока; и
блок управления, содержащий:
машинный модуль управления, соединенный с преобразователем частоты и выполненный с возможностью
вычисления опорного магнитного потока и опорного крутящего момента с использованием планируемого суммарного крутящего момента, и
передачи опорного магнитного потока и опорного крутящего момента в преобразователь частоты, причем машинный модуль управления дополнительно выполнен с возможностью
разделения планируемого суммарного крутящего момента на составляющую крутящего момента и составляющую магнитного потока, и
вычисления опорного магнитного потока и опорного крутящего момента на основе составляющей магнитного потока и составляющей крутящего момента, соответственно, с помощью характеристической диаграммы.

2. Тренажерное устройство по п. 1, в котором машинный модуль управления дополнительно выполнен с возможностью вычисления опорного крутящего момента и опорного магнитного потока на основе способа управления гистерезисом.

3. Тренажерное устройство по п. 1, в котором машинный модуль управления дополнительно выполнен с возможностью вычисления планируемого суммарного крутящего момента на основе заранее определенного сопротивления при тренировке, выдаваемого в блок управления, и коэффициента коррекции.

4. Тренажерное устройство по п. 1, в котором машинный модуль управления содержит гибридный контроллер, выполненный с возможностью генерировать опорный крутящий момент и опорный магнитный поток.

5. Тренажерное устройство по п. 1, в котором преобразователь частоты содержит математические модели для вычисления магнитного состояния электродвигателя переменного тока.

6. Тренажерное устройство по п. 1, содержащее угловой датчик, соединенный с тренажерным элементом,
причем угловой датчик выполнен с возможностью измерения положения тренажерного элемента и передачи измеренного положения в блок управления, и
при этом блок управления выполнен с возможностью регулирования опорного крутящего момента и опорного магнитного потока с помощью измеренного положения.

7. Тренажерное устройство по п. 3, в котором блок управления содержит
модуль связи, выполненный с возможностью передачи данных тренировки, содержащих заранее определенное сопротивление при тренировке, и получения данных тренировки.

8. Тренажерное устройство по п. 7, в котором модуль связи дополнительно выполнен с возможностью
подключения к базе данных,
сохранения данных тренировки в базе данных и
получения данных тренировки из базы данных.

9. Тренажерное устройство по п. 7, в котором модуль связи дополнительно выполнен с возможностью
соединения с сетью,
передачи и приема данных тренировки через сеть.

10. Тренажерная установка, содержащая:
тренажерное устройство по п. 7,
базу данных; и
веб-интерфейс,
причем база данных подключена к веб-интерфейсу и к модулю связи блока управления тренажерного устройства, и
при этом веб-интерфейс и база данных выполнены с возможностью сохранения данных тренировки или воздействия на них посредством веб-интерфейса.

11. Тренажерная установка по п. 10, в которой база данных подключена к веб-интерфейсу посредством Всемирной паутины.

12. Способ эксплуатации тренажерной установки по п. 10, содержащий этапы, на которых
передают данные тренировки, содержащие заранее определенное сопротивление при тренировке, в базу данных;
воздействуют на переданные данные тренировки посредством веб-интерфейса; и
передают данные тренировки, подвергшиеся воздействию, в блок управления тренажерного устройства тренажерной установки.

13. Способ по п. 12, в котором передача данных тренировки содержит этап, на котором передают заранее определенное сопротивление при тренировке из веб-интерфейса в базу данных или из интерфейса пользователя блока управления тренажерного устройства.

14. Способ по п. 12, дополнительно содержащий:
этап, на котором синхронизируют данные, хранящиеся в базе данных, с сервером центральной базы данных,
причем упомянутые данные содержат передаваемые данные тренировки, данные тренировки, подвергшиеся воздействию, и данные тренировки, содержащие заранее определенное сопротивление при тренировке.