CN101007206A

CN101007206A - 与锻炼器械相关的方法和设备

Info

Publication number: CN101007206A
Application number: CNA2007100082707A
Authority: CN
Inventors: S·马昂帕阿; M·马基; P·斯唐斯特罗姆; P·马特蒂拉
Original assignee: Tunturi Ltd Oy
Current assignee: Tunturi Ltd Oy
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2007-08-01
Also published as: US20070179024A1; FI20065053L; FI20065053A0; FI20065053A7; EP1813313A1

Abstract

本发明涉及与锻炼器械相关的方法和设备，该锻炼器械包括飞轮，其中通过使飞轮的旋转减速来调节正在执行的锻炼的阻力，该方法和设备还包括通过虚拟飞轮仿真来进一步调节锻炼阻力的大小。

Description

与锻炼器械相关的方法和设备

技术领域

本发明涉及与锻炼器械相关的方法，其包括飞轮(flywheel)，其中通过使飞轮的旋转减速来调节正在执行的锻炼的阻力。本发明还涉及一种与锻炼器械相关的设备，其包括飞轮，其中通过使飞轮的旋转减速来调节正在执行的锻炼的阻力。

背景技术

关于锻炼器材，使性能尽可能得自然已经在很长的时间里是一个重要目标。例如各种锻炼自行车试图模仿类似于在自然设置中骑自行车的蹬踏，并且划船器材试图模仿尽可能地接近划船，等等。

关于锻炼自行车，例如，在自然事件中的尝试涉及“自由轮(freewheel)”的生成和对例如当骑车人在骑车下坡或者不蹬踏时骑车人的动能的考虑。在传统的锻炼自行车中，其中通过使飞轮减速来生成阻力，如果用户停止蹬踏，则飞轮的运动相对较快地停止下来。因此该事件与骑自行车不完全一致。

为了消除上述缺点，现有技术中已经设计了解决方案，其中给用作飞轮的元件配备有电动制动器，其便于实现在下坡情况下飞轮的旋转，即当骑车人蹬踏下坡时飞轮的旋转。与该解决方案相关联的缺点是它的复杂性，其导致昂贵的设备。另一个缺点是由于复杂的结构产生的对维修相对频繁的需求，这也增加了花费。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和设备，其消除了与现有技术相关联的缺点。这是通过根据本发明的方法和设备实现的。根据本发明的方法的特征在于：进一步通过虚拟飞轮仿真来调节锻炼阻力的大小。根据本发明的设备的特征在于：该设备包括进一步被设置为通过虚拟飞轮仿真来调节阻力的装置。

本发明的主要优点在于：可以以有利的方式使得诸如蹬踏事件之类的锻炼事件尽可能地自然。一个优点在于：可以根据路线和情况来自动调节阻力，而不需要复杂的电机或会增加维护需求的其他解决方案等。本发明的另一个优点是其灵活性，因为本发明可以以非常有利的方式应用于不同的情形，诸如各种骑车路线。

附图说明

下面，将通过附图中说明的例子来更详细地描述本发明，在附图中：

图1示意性地说明了锻炼自行车；

图2说明了自行车的仿真情形的实现；以及

图3到图15说明了在不同情形中根据本发明的解决方案的函数。

具体实施方式

图1示例性地数模了锻炼自行车。锻炼自行车包括骨架结构1和与其相连的座位结构2以及把手结构3。锻炼自行车进一步包括飞轮，在图1的例子中，飞轮装在壳体结构4中。用于通过蹬踏使飞轮旋转的踏板结构5通过合适的动力传动设备连接到飞轮。飞轮进一步配备有用于使飞轮的旋转减速从而获得期望的蹬踏阻力的装置。图1中说明的锻炼自行车进一步包括用于例如通过调节阻力等控制锻炼进程的用户界面6。用户界面还包括显示器7，其上可以示出锻炼相关的信息。

上面描述的要点对于本领域的普通技术人员完全是常规的，为此，在本上下文中不对这些要点进行更详细的描述。

本发明的一个基本特征在于：除了真实的飞轮，还使用了虚拟的(即计算的)飞轮。换言之，本发明利用虚拟飞轮仿真。

对于角度、速度、质量和用户和自行车的横截面面积、以及滚动阻力来计算瞬时蹬踏效率存在清晰的公式。通过软件对飞轮和骑车人的动能的仿真在例如仿真的下坡情形中或者在没有蹬踏的情形下的仿真中已经引起了问题，因为仿真没有使用可以帮助实现调速器的运动的电动机。

本发明的出发点是对自行车的仿真。可以通过检查图2中示例性地说明的自行车来表明下面的相关性。

转矩Nc通过踏板传动到曲柄轴。其转换为驱动轮的转矩Nc/s，其中s是要仿真的自行车的齿轮系统的传动比。试图使自行车向前移动的力Fw被导向自行车与地面之间的接触面。在图2中，还说明了在自行车与地面之间的接触面上的阻力Fr。驱动轮的直径是d。

基于上述出发信息，可以规定自行车的地面速度是

v＝sπd(R/60)

其中R上以rpm(圈/分钟)为单位的蹬踏速度。

设

Y＝空气阻力系数

ρ＝空气密度(kg/m³)

A＝骑车人和自行车的横截面面积(m²)

μ＝滚动摩擦系数

m＝骑车人和自行车的总质量

g＝重力加速度(m/s²)

θ＝地形的角度系数

在该情况下，阻力是

F_{R} = \frac{1}{2} \cdot γ \cdot ρ \cdot A \cdot v^{2} + μ \cdot m \cdot g + θ \cdot m \cdot g

第一项是空气阻力，第二项滚动摩擦和第三项是由地形的陡度引起的。

可以如下表示使自行车向前移动的力：

F_{W} = \frac{2 \cdot N_{c}}{s \cdot d}

现在可以将自行车的运动方程写成下面的形式：

m \cdot \frac{dv}{dt} = F_{W} - F_{R}

除了力之外，运动方程包括加速度。

在测力器中，骑车人和自行车的总质量由飞轮的惯性力矩来表示。假设在考虑的点上仿真的飞轮的动能和真实的飞轮的动能是相同的。于是据此来计算飞轮所需要的惯性力矩。可以将动能写成如下形式：

\frac{1}{2} \cdot m \cdot v^{2} = \frac{1}{2} \cdot I \cdot ω^{2}

在上面的等式中，I是飞轮的惯性力矩而ω是飞轮的角速度。当已知从曲柄轴到飞轮的传动比时，可以根据曲柄速度R来计算飞轮的角速度ω，传动比k与所仿真的自行车的齿轮装置的传动比s不同。

ω = 2 \cdot π \cdot k \cdot \frac{R}{60}

在开始处导出的公式被用于地面速度，这得到下面的等式

\frac{1}{2} \cdot m \cdot {(s \cdot π \cdot d \cdot \frac{R}{60})}^{2} = \frac{1}{2} \cdot I \cdot {(2 \cdot π \cdot k \cdot \frac{R}{60})}^{2}

从该等式中可以解出惯性力矩：

I \frac{m \cdot s^{2} \cdot d^{2}}{4 \cdot k^{2}}

可以看出，适合的惯性力矩是传动比的函数，即所用的仿真的齿轮，并且相关性是二次的。

该模型用于纠正下面的不足：

在斜坡的开始处或者当发生从下坡转换到平坦表面时，轻的飞轮不起作用。

自行车不会滚动下坡。

在平坦表面上骑车的出发处加速度太小。

当换档齿轮时，自行车速度立即改变。

当使用齿轮时，还应该注意，不能将地面速度与曲柄速度完全分开，因为地面速度必须至少某种程度上对应于曲柄速度并且当骑车人积极地蹬踏时使用齿轮。这要求增加模型的复杂性。因为要仿真的自行车包括自由轮，所以该要求布偶适用于空转。

一种可能的途径是减少慢速运动中的刹车的阻力，并且因此仿真如何利用动能的损失部分来克服阻力的事实。在加速运动中，将相应地增加刹车力。

下面，将检查标准齿轮中的运动。写出了针对仿真的自行车和真实测力器的飞轮的运动方程。

m \cdot \frac{dv}{dt} = F_{W} - F_{R}

F_{W} = \frac{2 \cdot N_{c}}{s \cdot d}

I \cdot \frac{dω}{dt} = N_{W} - N_{R}

N_{W} = \frac{N_{c}}{k}

可以通过在两个等式中曲柄速度的改变dR/dt来表示速度的改变和加速度的改变。对于两个等式，该变量必须是相等的。

\frac{1}{60} \cdot \frac{dR}{dt} = \frac{2 \cdot N_{c}}{π \cdot m \cdot s^{2} \cdot d^{2}} - \frac{F_{R}}{π \cdot m \cdot s \cdot d}

\frac{1}{60} \cdot \frac{dR}{dt} = \frac{N_{c}}{2 \cdot π \cdot k^{2} \cdot I} - \frac{N_{R}}{2 \cdot π \cdot k \cdot I}

从该等式对中可以解出曲柄轴的阻力矩和目标力矩：

N_{R} = (1 - \frac{4 \cdot k^{2} \cdot I}{s^{2} {\cdot d}^{2} \cdot m}) \cdot \frac{N_{c}}{k} + \frac{2 \cdot k \cdot I}{s \cdot d \cdot m} \cdot F_{R}

{(N_{c})}^{< t raget >} = (1 - \frac{4 \cdot k^{2} \cdot I}{s^{2} \cdot d^{2} \cdot m}) \cdot {(N_{c})}^{< now >} + \frac{2 \cdot k^{2} \cdot I}{s \cdot d \cdot m} \cdot F_{R}

这样，当骑车人以标准齿轮来骑车时，仿真的自行车的速度改变和飞轮的速度改变彼此至少近似地相跟随(follow)。

在恒定速度

N_{c} = s \cdot F_{R} \cdot \frac{d}{2}

并且因此

(N_C)^<larg et>＝(N_C)^<now>

当将齿轮换档到较低的齿轮时，阻力消失。必须增加曲柄速度直到自由轮咬合。当滚动下坡后骑车人开始蹬踏时会发生同样的情形。实践中，测力器中的阻力不会完全消失，因为飞轮必须加速。

当将齿轮换档到较高的齿轮时，逐步地生成阻力矩。此处，刹车能力对改变设置了实际的限制。

这些情形需要引入另外的项，其中，当飞轮的速度对应于仿真的速度时，该项消失。该项涉及自行车齿轮装置和齿轮啮合的操作。可以导出针对该另外的项的物理模型。

考虑该计算模型，该算法可以表示如下。

1)测量当前刹车和曲柄速度R

2)计算Nc和Fw

F_{W} = \frac{2 \cdot N_{c}}{s \cdot d}

3)计算Δv和v

Δv = \frac{1}{m} \cdot (F_{W} - F_{R}) \cdot Δt

v＝v+Δv

其中Δv是刹车的调节范围。

4)计算新的F_R

F_{R} = \frac{1}{2} \cdot γ \cdot ρ \cdot A \cdot v^{2} + μ \cdot m \cdot g + θ \cdot m \cdot g

5)设置新的目标力矩

v (rpm) = π \cdot s \cdot d \cdot \frac{R}{60}

5a)如果V(rpm)≥v-δ，则

{(N_{c})}^{< l \arg et >} = (1 - \frac{4 {\cdot k}^{2} \cdot I}{s^{2} \cdot d^{2} \cdot m}) \cdot {(N_{c})}^{< now >} + \frac{2 {\cdot k}^{2} \cdot I}{s \cdot d \cdot m} \cdot F_{R} + K \cdot (v (rpm) - v)

5b)如果v(rpm)＜v-δ，则

(N_C)^<larg et>＝0。

如上文已经陈述的，本发明的基本特征是对虚拟飞轮仿真的使用。在虚拟飞轮仿真中，将期望的锻炼路线存储为进程和评估文件。例如，通过GPS设备和评估传感器设备来执行该存储。可以根据用户执行的存储来获得上述信息。使用供销售的或者其他方式可获得的存储的路线信息也是切实可行的。通过软件在锻炼器械的用户界面中虚拟地重复该路线，使得可以根据路线的上坡和下坡角度以及取决于速度的空气和滚动阻力来自动调节根据计算的动能和势能获得的阻力和惯性。可以根据上述计算原则来执行该调节。

对路线的存储还可以涉及路线的录像(video)。根据用户的行进速度来重复被录像的路线。

优选地，当锻炼的人进行锻炼时，在锻炼器械的用户界面的显示器7上重复该路线。该路线可以作为评估配置文件等来重复。虚拟地重复该路线，以便从根据如上所述的路线来自动调节阻力。锻炼的人可以通过换档虚拟自行车的齿轮来影响阻力。较低的齿轮导致用来执行上坡的较低的速度，较小的空气阻力和较少量的功。较高的齿轮相应地导致用来执行上坡的较高的速度，较大的空气阻力和较大量的功。

下述实施例可以作为本发明的应用的例子进行表述。

自行车和骑车人的总质量是80kg。骑车人在平坦地形上以曲柄速度91rpm和具有传动比为3的齿轮来骑车。在该情况下，地面速度是10m/s。阻力是16.1N。为了维持恒定速度，骑车人需要16.9Nm的恒定转矩。

骑车人碰到具有角度系数为0.01的上坡(倾斜0.6度)。现在阻力暴涨到值24N。因为骑车人在以恒定转矩骑车，所以他的速度开始以加速度-0.1m/s²降下来。图3中说明了这种情况。相应地，刹车的目标力矩表现为如图4所示。阻力矩的最大值是20.7Nm，其对应于19.7N的力。这样，考虑慢下来将虚拟阻力从24N降到19.7N，即斜坡变得更加平缓。

在轻的飞轮的情况下，以如图5所示的更加受控的方式来增加阻力矩。

图6和图7说明了其中齿轮从齿轮3向下换档到齿轮15的情形。在该情形下，飞轮的惯性力矩应该为小。在图6和图7的情形中，花费了几秒，直到开始蹬踏以使自行车的速度加速。

图8和图9说明了当使用轻的飞轮时的向下换档。从图8和图9可以看出，当使用轻的飞轮时换档发生的较快。基于图6到图9，可以假设对于轻的飞轮和重的飞轮需要不同的时间常量。

图10和图11说明了其中齿轮从齿轮3向上换档到齿轮3.5的情形。对于力矩，如果骑车人试图维持与换档前的相同的曲柄速度，则他在踏板上受到大阻力。

图12和图13说明了其中骑车人使用齿轮3在平坦的表面上加速的情形。即使在阻力变得显著之前，阻力也是相当大的。

图14和图15说明了骑车人不蹬踏从平坦的表面下坡的情形。在图中，假设下坡的斜度大于2度(0＝-0.04)。飞轮的运动直到蹬踏开始才会达到所仿真的速度。

上面说明的要点和例子决不意味着对本发明的限制，相反在所附权利要求书的范围内可以自由地修改本发明。通过锻炼自行车/测力器说明了本发明。然而，本发明不以任何方式限制于这种器械，相反本发明可应用于任何配备有飞轮的锻炼器械，诸如动感单车、椭圆锻炼器械、划船器械等。

Claims

1.一种与锻炼器械相关的方法，该锻炼器械包括飞轮，其中通过使所述飞轮的旋转减速来调节正在执行的锻炼的阻力，所述方法的特征在于：通过虚拟飞轮仿真来进一步调节锻炼阻力的大小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述虚拟飞轮仿真包括将期望的锻炼路线存储为进程和评估文件，以及通过软件在所述锻炼器械的用户界面中虚拟地重复所述路线，使得根据所述路线的上坡/下坡角度和取决于速度的空气和滚动阻力来自动调节根据计算的动能和势能获得的阻力和惯性。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述锻炼器械的用户通过虚拟地使用所述锻炼器械的齿轮来改变阻力。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：录像并存储所述期望的锻炼路线，以及当锻炼的人进行锻炼时重复所述存储的锻炼路线。

5.根据权利要求2或4所述的方法，其特征在于：在所述锻炼器械的用户界面(6)的显示器(7)上重复所述存储的锻炼路线。

6.一种与锻炼器械相关的设备，该锻炼器械包括飞轮，其中正在执行的锻炼的阻力被设置为通过使所述飞轮的旋转减速来调节，所述设备的特征在于：所述设备包括设置为通过虚拟飞轮仿真来进一步调节所述阻力的装置。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：在所述虚拟飞轮仿真中，期望的锻炼路线被设置为被存储作为进程和评估文件，以及所述存储的信息被设置为通过软件在所述锻炼器械的用户界面中虚拟地重复，使得根据所述路线的上坡/下坡角度和取决于速度的空气和滚动阻力来自动调节根据计算的动能和势能获得的阻力和惯性。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：所述设备配备有允许所述锻炼器械的用户虚拟地使用所述锻炼器械的齿轮并且因此改变所述阻力的装置。

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：录像并存储所述锻炼路线，以及所述设备包括用于当锻炼的人进行锻炼时重复所述存储的锻炼路线的装置。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：所述锻炼路线被设置为在所述锻炼器械的用户界面(6)的显示器(7)上进行重复。