CN105031884A - 一种室内自行车骑行健身装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种室内自行车骑行健身装置，包括：骑行姿态监控模块，用于监控用户骑行时双手的位置、坐姿及站姿；踏频采集模块，安装在自行车的踏板上并与测量踏频信息；转速功率测量及阻力调节模块，用于测量自行车转速和输出功率信息，并调节阻力；用户界面，将采集的姿态、转速、踏频、功率、阻尼数据进行实时显示。与现有技术相比，本发明具有装置占地面积小、便于拆装、健身数据及时反馈、训练效果好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种健身装置，尤其是涉及一种室内自行车骑行健身装置。
背景技术
室内骑行是一种非常常见的健身方式。但由于场地和器材的限制，锻炼者需要前往健身房或购买昂贵的室内健身自行车来完成锻炼。且骑行时的数据也不能被及时反馈，使锻炼效果大打折扣。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种室内自行车骑行健身装置，通过对传统自行车骑行台进行改装，并在自行车上添加传感器，能够使锻炼者非常方便地在室内进行骑行健身；且骑行数据实时反馈，骑行阻力可连续、自动调节，极大地提高了锻炼效果。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种室内自行车骑行健身装置，其特征在于，包括：
骑行姿态监控模块，用于监控用户骑行时双手的位置、坐姿及站姿；
踏频采集模块，安装在自行车的踏板上并与测量踏频信息；
转速功率测量及阻力调节模块，用于测量自行车转速和输出功率信息，并调节阻力；
用户界面，将采集的姿态、转速、踏频、功率、阻尼数据进行实时显示。
所述的骑行姿态监控模块包括：
握把位置检测单元，通过粘贴在车把不同位置的电极采集人体触摸信号，对信号进行数字分析处理即可检测用户骑行过程中的握把位置；
坐姿检测单元，通过红外发射和接收对管实现，将红外对管平行放置于坐垫中间，当用户采取坐姿骑行时，红外发射管发出的红外线信号被反射回来，接收管收到信号后导通；当用户采取站姿骑行时，红外信号不能反射回接收管，接收管处于截止状态。
所述的踏频采集模块具体过程：在自行车曲柄上添加一块磁铁，在车身上放置霍尔元件，每次磁铁经过，霍尔元件都产生一次电信号脉冲，通过测量脉冲频率即得到用户的踏频。
所述的转速功率测量及阻力调节模块包括转速测量单元、功率测量单元和阻尼控制单元。
所述的转速测量单元通过直接测量发电机输出电压，识别出电压波动的频率，通过换算即可得到电机的实际转速。
所述的功率测量单元通过测量发电机的输出电压和输出电流即可得到发电机的输出电功率。
所述的阻尼控制单元对电流进行跟踪控制以实现对空气阻力的模拟。
通过电流闭环和数字PID控制实现电流跟踪，即实现对阻力的控制。
所述的用户界面为手机，其他模块通过蓝牙与手机进行数据传输，把姿态、速度、踏频、功率、阻尼数据实时显示在手机上；用户通过手机对阻尼进行调节，以增大或减小运动量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、装置占地面积小、便于拆装；
2、用户可选用自己习惯的自行车；
3、传感器根据用户个人需要选择性加装；
4、健身数据及时反馈，训练效果好。
附图说明
图1为本发明发电机和惯性飞轮安装后的示意图；
图2为本发明坐姿检测的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
1、电机与机械结构
发电机作为机械能到电能的转化装置，容量、转速、转矩都需要与自行车的输出范围相匹配，同时也需要机械结构的配合。由于正常人骑行过程中极限输出功率不到300W，大多数情况下维持在100W～200W之间，同时考虑到需要方便控制电机转矩，因此选择容量为300W的直流主轴电机作为发电机，电机参数如表1所示：
表1
| 额定电压 | 额定转速 | 额定功率 | 电机直径 | 重量 | 主轴直径 |
| 48V | 12000rpm | 300W | 52mm | 0.8kg | 8mm |
系统的机械结构部分主要由自行车、骑行台和一些辅助支撑结构组成。其中自行车部分对系统性能并无过大影响，用户可以将自己的自行车安装到系统中使用。骑行台部分由市场上比较常见的磁阻式骑行训练台改装而成，原骑行台主要结构有钢架、飞轮、电磁阻尼几部分，由于系统中使用电机提供阻尼，因此我们将电磁阻尼部分拆除，通过同步皮带轮将电机与惯性飞轮连接，通过控制电机实现对骑行阻力的控制，如图1所示。
2、阻尼控制
在真实的骑行运动中，骑行阻力主要源自四个方面：自行车机械结构摩擦、车轮与地面之间滚动摩擦、上、下坡时重力分量以及空气阻力。在我们的系统中，由于使用了真实自行车，而且车轮与飞轮滚筒之间的传动可以模拟与路面之间的滚动摩擦，因此只需要通过电机产生空气阻力和重力分量带来的阻力即可让用户有真实的骑行体验。
根据直流电机特性方程：
式中，CT、Ce为常值。
我们可以近似认为发电机的转矩与电流成正比，输出电压与转速成正比，因此需要对电流进行跟踪控制以实现对空气阻力的模拟，系统通过电流闭环和数字PID控制实现电流跟踪，即实现对阻力的控制。
对于电气系统，功率平衡至关重要。在用户骑行速度和负载阻力一定的条件下，人体的输出功率为一确定值，以正常人骑行运动为例，平均功率约为150W，而装置自身用电量非常少，因此大部分能量通过电阻转化为热能耗散，同时系统也提供了220交流输出接口，允许用户接入小功率的用电负荷。
3、功率测量
通过测量发电机的输出电压和输出电流即可得到发电机的输出电功率，在通过软件，利用实验数据归算出人体的输出功率即可实现对人体输出功率的检测。
4、人体姿态检测
通过传感器，系统可以监控用户骑行时双手的位置以及坐姿和站姿。
(1)握把位置检测
对于用户握把位置的测量，我们采取测量人体电容的方法进行测量。通过粘贴在车把不同位置的电极采集人体触摸信号，对信号进行数字分析处理即可检测用户骑行过程中的握把位置
(2)坐姿检测
坐姿传感器采用红外发射/接收对管实现。将红外对管平行放置于坐垫中间，当用户采取坐姿骑行时，红外发射管发出的红外线信号被反射回来，接收管收到信号后导通；当用户采取站姿骑行时，红外信号不能反射回接收管，接收管处于截止状态。只需要简单的比较电路即可得到所需的数字信号，如图2所示。
5、速度测量
对于车速的测量采用了直接测量发电机输出电压的方法。由于装置采用了直流电机，而直流电机的换向器在切换的过程中会产生电压和电流的波动。系统通过对电机输出电压的检测，识别出电压波动的频率，通过换算即可得到电机的实际转速。由于机械传动装置的传动比固定，因此可间接得出车速。
6、踏频检测
对于踏频的检测，动态性能不做过多要求，只考虑稳态情况即可，因此这里选用霍尔元件测量，简单易行。在自行车曲柄上添加一块磁铁，在车身上放置霍尔元件，每次磁铁经过，霍尔元件都会产生一次电信号脉冲，通过测量脉冲频率即可得到用户的踏频。
7、用户界面
硬件系统通过蓝牙与手机进行数据传输，把姿态、速度、踏频、功率、阻尼等数据实时显示在手机上。用户也可以通过手机对阻尼进行调节，以增大或减小运动量。
Claims (9)
1.一种室内自行车骑行健身装置，其特征在于，包括：
骑行姿态监控模块，用于监控用户骑行时双手的位置、坐姿及站姿；
踏频采集模块，安装在自行车的踏板上并与测量踏频信息；
转速功率测量及阻力调节模块，用于测量自行车转速和输出功率信息，并调节阻力；
用户界面，将采集的姿态、转速、踏频、功率、阻尼数据进行实时显示。
2.根据权利要求1所述的一种室内自行车骑行健身装置，其特征在于，所述的骑行姿态监控模块包括：
握把位置检测单元，通过粘贴在车把不同位置的电极采集人体触摸信号，对信号进行数字分析处理即可检测用户骑行过程中的握把位置；
坐姿检测单元，通过红外发射和接收对管实现，将红外对管平行放置于坐垫中间，当用户采取坐姿骑行时，红外发射管发出的红外线信号被反射回来，接收管收到信号后导通；当用户采取站姿骑行时，红外信号不能反射回接收管，接收管处于截止状态。
3.根据权利要求1所述的一种室内自行车骑行健身装置，其特征在于，所述的踏频采集模块具体过程：在自行车曲柄上添加一块磁铁，在车身上放置霍尔元件，每次磁铁经过，霍尔元件都产生一次电信号脉冲，通过测量脉冲频率即得到用户的踏频。
4.根据权利要求1所述的一种室内自行车骑行健身装置，其特征在于，所述的转速功率测量及阻力调节模块包括转速测量单元、功率测量单元和阻尼控制单元。
5.根据权利要求4所述的一种室内自行车骑行健身装置，其特征在于，所述的转速测量单元通过直接测量发电机输出电压，识别出电压波动的频率，通过换算即可得到电机的实际转速。
6.根据权利要求4所述的一种室内自行车骑行健身装置，其特征在于，所述的功率测量单元通过测量发电机的输出电压和输出电流即可得到发电机的输出电功率。
7.根据权利要求4所述的一种室内自行车骑行健身装置，其特征在于，所述的阻尼控制单元对电流进行跟踪控制以实现对空气阻力的模拟。
8.根据权利要求7所述的一种室内自行车骑行健身装置，其特征在于，通过电流闭环和数字PID控制实现电流跟踪，即实现对阻力的控制。
9.根据权利要求1所述的一种室内自行车骑行健身装置，其特征在于，所述的用户界面为手机，其他模块通过蓝牙与手机进行数据传输，把姿态、速度、踏频、功率、阻尼数据实时显示在手机上；用户通过手机对阻尼进行调节，以增大或减小运动量。
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