FI20187009A1 - Kuntolaitteen tasavirtamoottorilla toteutettu vastusyksikkö - Google Patents

Abstract

Kuntolaitteen vastusyksikölle, joka käsittää tasavirtamoottorin (l) ja sen pulssinleveysmodulaatiota soveltavan ohjausyksikön (2), on tunnusomaista, että tasavirtamoottorin rinnalle on kytketty suojausyksikkö (4), joka käsittää välineet (4A) korkeataajuisten häiriöiden suodattamiseksi, välineet (4B) korkeajännitteisten ja negatiivisten piikkien suodattamiseksi ja välineet (4C) ylij ännitteen suodattamiseksi ja samalla lämmön poistamiseksi. Kun kuntolaitteen toimintaja käyttö järjestetään siten, että sähkövirran suunta on aina sama ja voiman suunta vaihtelee ohjauksen mukaan, mahdollistetaan voiman monipuolinen ja nopea ohjaaminen. Voidaan toteuttaa esimerkiksi eksentrisen ylikuormituksen käyttö niin sanotussa pakkotoistoharjoittelussa.

Description

KUNTOLAITTEEN TASAVIRTAMOOTTORILLA TOTEUTETTU VASTUSYKSIKKÖ EN MED LIKSTRÖMSMOTOR UTFÖRD MOTSTÄNDSENHET FÖR TRÄNINGSANORDNING

KEKSINNÖN ALA

Keksintö liittyy kuntolaitteen tasavirtamoottorilla toteutettuun vastusyksikköön.

KEKSINNÖN TAUSTA

Vastusyksikön toteuttaminen laitteen käyttäjän voimaa vastaan vääntävän tasavirtamoottorin avulla on sinänsä tunnettua. Tällä ratkaisulla voidaan toteuttaa myös erityisesti kotikäyttöön tarkoitettu erittäin kompakti vastusyksikkö ja kuntolaite, jollainen on esitetty esimerkiksi patenttihakemuksessa FI20160059. Vastusyksikköön voidaan sisällyttää vain välttämätön ohjauselektroniikka ja tuoda ohjausdata laitteeseen langattoman yhteyden kautta esimerkiksi älypuhelimesta tai tabletista. Näin kuulolaitteesta saadaan sekä hankinta- että käyttökustannuksiltaan edullinen.

Varsinkin kotikäyttöön tarkoitetun kompaktin kuntolaitteen tavanomainen käyttötapa on sellainen, että vastusyksikkö kehittää ohjauksella asetetun suuruisen vastavoiman käyttäjän veto- tai työntöliikkeelle ja sen päätyttyä palauttaa esimerkiksi kahvan, jolla liike on suoritettu, lähtöasemaan kelaamalla siihen kytketyn vaijerin sopivalla pienehköllä voimalla takaisin, minkä jälkeen harjoitusliike voidaan toistaa.

Harjoittavan veto- tai työntöliikkeen aikana moottori toimii tasavirtageneraattorina eli liikettä asetetulla voimalla vastustaessaan kehittää virtaa, joka voidaan hyödyntää esimerkiksi vastusyksikön akun lataamiseen. Palautusliikkeen aikana moottori kehittää siihen syötettyä virtaa vastaavan voiman, jolla se palauttaa harjoitusvälineen lähtöasemaan.

Vastusyksikön toimintaan ja ohjaukseen kohdistuvat vaatimukset kasvavat, kun kuntolaitteella halutaan tehdä myös harjoituksia, joissa vastusyksikkö ohjataan ensiksi tuottamaan esimerkiksi 10 kg:n vastavoima harjoitusliikkeelle yhteen suuntaan ja sitten esimerkiksi 20 kg:n voimalla tuottamaan liike vastakkaiseen suuntaan, jolloin harjoituksena on liikkeen vastustaminen lihasvoimalla. Kolmas harjoitusmuoto on isometrinen lihastyö, jossa harjoitettava lihas-jännekokonaisuus pidetään paikallaan.

Ensimmäisessä tapauksessa, jossa toteutetaan liike ylittämällä lihasvoimalla vastavoima, on kysymys konsentrisesta lihastyöstä, ja jälkimmäisessä tapauksessa, jossa lihasvoimalla vastustetaan suuremman voiman tuottamaa liikettä, on kysymys eksentrisestä lihastyöstä. Eksentristä osuutta pidetään nykyisin erittäin merkittävänä sekä urheiluhaijoituksissa että kuntoutuksessa, mutta kaikkia liikeharjoitteita tarvitaan hyvään lopputulokseen

20187009 prh 30 -01- 2018 pääsemiseksi. Liikkeiden toteutuksessa nouseekin olennaiseksi kysymykseksi mahdollisuus kuormitusten nopeaan vaihtoon ja säätöön liikesarjojen eri vaiheissa.

Kuvio 1 esittää kaavamaisesti perusratkaisua, jota tasavirtamoottorin ohjauksessa yleensä käytetään. Virransyöttöä moottorille 1 ohjaa pulssinleveysmodulaatiota (PWM) soveltava ohjausyksikkö 2. Tehon säätö tapahtuu siten, että moottorille menevää sähkövirtaa kytketään nopeasti päälle ja pois useita tuhansia kertoja sekunnissa, ja säätö tehdään muuttamalla on-ja off-jaksojen suhdetta. Moottorin teho on sitä suurempi mitä suurempi pulssissa on on-jakson pituus suhteessa off-jakson pituuteen. Katkomistaajuus on vakio ja tyypillisesti 1-20 kHz.

Sähkömoottori on induktiivinen kuorma. Moottorissa on kela, ja kun virta kulkee kelan läpi, energiaa varastoituu kelan magneettikenttään. Varastoituva energia purkautuu jännitepiikkinä. Jännitepiikki tulee, kun PWM-signaalin tilaa muutetaan on-ja off-tilojen välillä. Ilman minkäänlaista suojausta jännitepiikit todennäköisesti rikkoisivat PWM-ohjausyksikön. Kuten kuviossa 1 on esitetty, tavanomainen ja usein riittävä ratkaisu ohjausyksi15 kön suojaamiseksi on moottorin 1 rinnalle kytketty diodi 3. Tämä suojaustapa toimii, kun moottorin tuottama voima on liikkeen kanssa saman suuntainen. Sen sijaan se ei toimi, jos liikkeen suunta muuttuu vastaiseksi, koska suojadiodi jarruttaa liikettä.

Tilanne siis muuttuu aivan toiseksi, kun harjoitusliikkeen suuntaa suhteessa moottorin tuottaman voiman suuntaan vaihdellaan ja kun vielä voimaa tietyissä vaiheissa hyvin nope20 asti lisätään tai vähennetään ja muutetaan jarrutusvoimasta vetovoimaksi tai päinvastoin. Sellaisissa tilanteissa moottori tuottaa erilaisia häiriöitä, jotka hyvin pian johtavat ohjauselektroniikan vikaantumiseen ja toimintakyvyttömyyteen.

YHTEENVETO KEKSINNÖSTÄ

Keksinnön tarkoituksena on esittää ratkaisu, joka mahdollistaa sinänsä edullisen pulssinleveysmodulaatiota soveltavalla ohjauksella varustetun tasavirtamoottorin hyödyntämisen kompaktissa kuntolaitteessa, jolla voidaan suorittaa monipuolisesti erilaisia liikeharjoitteita esimerkiksi niin, että niihin kuuluvat kahden suunnan liikkeet voiman vaikuttaessa yhteen suuntaan.

Tämän tarkoituksen saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle kuntolaitteen vastusyksikölle, joka käsittää tasavirtamoottorin ja sen pulssinleveysmodulaatiota soveltavan ohjausyksikön, on tunnusomaista se, mitä on määritelty oheen liitettyjen patenttivaatimusten itsenäisen vaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Muissa patenttivaatimuksissa määritellään keksinnön eri suoritusmuotoja.

Keksinnön mukainen ratkaisu mahdollista sen, että kuntolaitteessa eksentrinen voima voidaan säätää halutuksi ennen liikesaijaa riippumatta konsentrisesta voimasta. Tämän mah

20187009 prh 30 -01- 2018 elollistaa toisaalta voimantuottojärjestelmä, jossa vastus tuotetaan sähkömoottorilla ja sitä ohjataan sähköisesti säätöarvojen ja anturidatan perusteella.

Keksinnön mukainen vastusyksikkö mahdollistaa sekä kompaktin ja yksinkertaisen että monipuolisen ja älykkään kotikäyttöön tarkoitetun kuntolaitteen toteuttamisen.

PIIRUSTUSTEN LYHYT KUVAUS

Keksintöä ja sen eräitä suoritusmuotoja selitetään seuraavassa yksityiskohtaisemmin viitaten oheen liitettyihin piirustuksiin, joista:

kuvio 1 esittää tekniikan tason mukaista ratkaisua tasavirtamoottorin ohjauksessa ja kuvio 2 esittää erään esimerkin keksinnön mukaisesta ratkaisusta.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS

Kuvion 2 esittämässä esimerkkiratkaisussa pulssinieveysmodulaatiota soveltavan ohjausyksikön 2 ohjaaman tasavirtamoottorin 1 rinnalle on kytketty suojausyksikkö 4, jonka tehtävänä on suodattaa moottorin 1 ja samalla ohjausyksikön 2 tulo- ja lähtöliittymien väliltä pois moottorin toiminnassa syntyvät erilaiset sähköiset häiriöt, jotka ovat haitallisia ohjausyksikölle ja sen toiminnalle ja voisivat johtaa nopeasti ohjauselektroniikan vikaantumiseen ja toimintakyvyttömyyteen. Suojausyksikkö 4 käsittää kolme rinnakkaista kytkentää 4A, 4B ja4C.

Kytkentä 4A käsittää sarjaan kytketyt vastuksen 5 ja kondensaattorin 6. Kytkentä on molemmissa suunnissa aktivoituva ja toimii eräänlaisena iskunvaimentimena, joka suodattaa ohjausyksikön 2 läpi kiertävästä virrasta pois korkeataajuiset häiriöt.

Kytkennän 4B muodostaa transientti diodi 7, joka suodattaa ohjausyksikön 1 lähtö-ja tuloliittimien väliltä pois korkeajännitteiset ja negatiiviset piikit. Valitsemalla toiminta25 arvoiltaan sopiva transientti diodi asetetaan j ännite, j olla se alkaa päästää virtaa läpi j a suodattaa siten pois korkeajännitteiset piikit. Transientti diodi on edullinen valinta myös siksi, että se toimii erittäin nopeasti. Myös tämän kytkennän tulee olla molemmissa suunnissa aktivoituva.

Kytkentä 4C käsittää vastuksen 9 kanssa sarjaan kytketyn transistorin 8 ja sen rinnalle 30 kytketyn vastuksen 12 sekä transistoria ohjaavan, vastuksen 10 ja Zenerdiodin 11 muodostaman kytkennän. Tämä kytkentä on hitaampi ja isoa tehoa ja virtaa kestävä. Se suodattaa pois alhaisempia ylijännitteitä ja vähentää samalla lämpöä kehittävää sähkötehoa. Myös tämä kytkentä aktivoituu molemmissa suunnissa. Kytkentää tarvitaan, kun moottori toimii generaattorina eli kun se kehittää vastavoiman käyttäjän konsentriselle liikkeelle. Kytkentää 35 tarvitaan erityisesti nopeissa liikkeissä, jolloin generoitu virta on suuri.

Jotta suojaus kokonaisuudessaan toimisi, tarvitaan kaikkien kolmen kytkennän ominaisuuksia ja toimintaa. Kytkennät voivat tietenkin jossain määrin vaihdella vastaavien vaikutusten toteutuessa. Komponentit ja niiden suoritusarvot valitaan sovelluksen suoritusarvojen, toimintojen ja ohjaustapojen mukaan.

Keksinnön mukainen ratkaisu kuntolaitteen vastusyksikössä mahdollistaa voiman monipuolisen ja nopean ohjaamisen. Kuntolaitteen toiminta ja käyttö jäljestetään siten, että sähkövirran suunta on aina sama ja voiman suunta vaihtelee ohjauksen mukaan halutunlaisesti. Voidaan tuottaa voimaa esimerkiksi tietyn voimakäyrän mukaisesti painovoimaa tai lihaksen voimantuottoa mukaillen. Ratkaisu mahdollistaa esimerkiksi eksentrisen ylikuor10 mituksen käytön niin sanotussa pakkotoistoharjoittelussa.

Keksintö voi vaihdella oheen liitettyjen patenttivaatimusten sallimissa rajoissa.

Claims (4)

1. PATENTTIVAATIMUKSET

   1. Kuntolaitteen vastusyksikkö, joka käsittää tasavirtamoottorin (1) ja sen pulssinleveysmodulaatiota soveltavan ohjausyksikön (
2. 2), tunnettu siitä, että tasavirtamoottorin rinnalle on

   5 kytketty suoj ausyksikkö (4), j oka käsittää:

   välineet (4A) korkeataajuisten häiriöiden suodattamiseksi, välineet (4B) korkeajännitteisten ja negatiivisten piikkien suodattamiseksi ja välineet (4C) ylijännitteen suodattamiseksi ja samalla lämmön poistamiseksi.

   10 2. Patenttivaatimusten 1 mukainen kuntolaitteen vastusyksikkö, tunnettu siitä, että välineet (4A) korkeataajuisten häiriöiden suodattamiseksi käsittävät Saijaan kytketyt vastuksen (5) ja kondensaattorin (6), joka kytkentä on molemmissa suunnissa aktivoituva.
3. 3. Patenttivaatimusten 1 mukainen kuntolaitteen vastusyksikkö, tunnettu siitä, että välineet

   15 (4B) korkeajännitteisten ja negatiivisten piikkien suodattamiseksi käsittävät transientti diodin (7), joka on molemmissa suunnissa aktivoituva.
4. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kuntolaitteen vastusyksikkö, tunnettu siitä, että välineet (4C) ylijännitteen suodattamiseksi ja samalla lämmön poistamiseksi käsittävät vastuksen (9)

   20 kanssa sarjaan kytketyn transistorin (8) ja sen rinnalle kytketyn vastuksen (12) sekä transistoria ohjaavan kytkennän (10, 11).