專利名稱：以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，尤指一種以梁式荷重傳感器回授荷重值，經由伺服控制器比對設定值并予調整后驅動馬達，以達到運動負載與設定扭力值相等的伺服裝置。
背景技術：
鍛煉肌力的運動器材或健身機，除了架體及連動機構外，必須包括一提供運動負載的阻力裝置，如圖I、圖2美國第7，396，319號專利的主要構造圖所示，此類型健身機于座位11的前方設有一供大腿121及小腿122靠合的伸展構件12,底部設有一移動及內部或外部方向轉換構件13,側邊設有一提供負載的阻力構造(resistance arrangement) 14,且該阻力構件14借由一纜線15與該移動及內部或外部方向轉換構件13連動。借此，當使用者·的大腿及小腿帶動該伸展構件12朝向內部或外部而連動該移動轉換構件13時，則該阻力構件14提供一運動負載給使用者。但查，現有的運動負載大都是使用數片疊置的鐵塊141所組成的阻力構件14，但這種傳統的負重方式，存在有如下的缺失一、鐵塊141體積大占空間，且當使用者運動量負載要調整時，增加或減少鐵塊141等負載的個數及重量，來作為調整，其不僅費時費力，且無法使運動持續進行，不易達到預期的練習功效。二、該鐵塊141等負載，不但笨重且負載大小調整不易，亦無法依設定曲線做連續而圓滑的變動負載，因此不但使運動效果大打折扣而且還有造成肌肉運動傷害的潛在危險。三、當鐵塊141等負載被傳動纜線15拉起，然后放下時，會產生極大的噪音，其不僅會干擾到別人，亦令運動者感到刺耳與不適，且傳動纜線15須配合絞盤等構件，增加復雜性。是以，現有健身機10的負載裝置，具備上述三項缺點；因此，當有改進空間。又，現有的運動器材或健身機，已有運用馬達扭力作為運動負載的阻力控制，并在其馬達轉軸上連動一光遮斷圓盤，及在其周緣設置光藕合器，用以構成一運動行程感知器，來控制馬達電流，作曲線負載達到順暢健身的情境。但查，該光電機構，體積較為龐大，安裝頗占空間，且因其精確度與耐久性稍差，制造成本也偏高，其應用性較難被一般使用者所接受。

實用新型內容本實用新型所要解決的主要技術問題在于，克服現有技術存在的上述缺陷，而提供一種以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其是利用馬達主軸的扭力，來代替傳統鐵塊，具有構造輕簡，不僅大幅降低機臺重量及體積，且無噪音的功效增進；其是在結合梁式荷重傳感器的精確感測功能，回授荷重值給控制裝置，修正差異后驅動馬達，達到使用者所期望的運動負載；其提供使用者可自行設定連續而圓滑的變動負載，達到肌力鍛煉的最佳效果。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是一種以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，包含一架體，是本實用新型的載體，該架體可屬于運動器材或醫療器材；一扭力源，固定于該架體上，該扭力源包括一馬達及一齒輪減速箱；該馬達為無刷馬達或直流馬達，該齒輪減速箱一端與該馬達連接，另一端設有一主軸；一操作桿，其底端樞設于該架體上，為使用者鍛煉肌力的操控構件；一驅動臂，其上端內側為壓持面，其下端兩側各設有凸緣，該凸緣中心設有一軸 孔，該軸孔套設于該主軸上；一連動機構，包括一搖臂，其下端套設于該操作桿上，使之受該操作桿的驅動；一前側板與一后側板，其下端各設有一中心孔，分別樞設于該驅動臂兩側的凸緣上；一連桿，其兩端分別樞設于該搖臂及該前側板與后側板的上端；借此，操控該操作桿，該搖臂將拉或推動該連桿，繼之驅使該前、后側板產生正反向回轉；一梁式荷重傳感器，固設在該驅動臂的側邊，其一端將觸壓該驅動臂的壓持面；借此，當該前、后側板反向回轉時，該梁式荷重傳感器的一端將頂壓該驅動臂亦作反向回轉；梁式荷重傳感器的原理，應用機構一端承受剪力作用時，該機構的彈性體會產生剪切應變，其應變量會使黏貼于機構上的電阻值因而改變；因系統施予固定電源電壓，因此，通過梁式荷重傳感器的分壓也隨之改變，該改變的分壓值被測得后，其訊號經放大與運算，即可轉換成該機構所承受的剪力，亦即荷重值。梁式荷重傳感器的原理并非本實用新型的訴求重點，但，發明人很巧妙地將機構裝置于該驅動臂的側邊，就是應用梁式荷重傳感器，在連結操作桿、連動機構至驅動臂以驅轉齒輪減速箱主軸時，其彈性體所承受的剪切力可被感測并轉換成荷重值，再傳送給系統而達到控制的成效；一電子表，供使用者設定其鍛煉肌力所需的扭力值；一伺服控制器，用以比對該連動機構傳遞給梁式荷重傳感器的荷重感測值，與該電子表設定值的差異，其差異值經調整后輸出電流以驅動該馬達，該馬達即可產生轉矩；又，該轉矩經齒輪減速箱放大后，即為使用者所需的扭力，亦即運動負載的阻力；該扭力值再經連動機構傳遞至操作桿，使用者操控該操作桿，其肌力就能因承受該運動阻力，而達到鍛煉的效果。前述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其中伺服控制器包括一直流電源供應器、一荷重訊號放大器、一差動放大器、一 PID即比例積分微分、控制器、及一 DSP驅動器；該梁式荷重傳感器的感測值，回授給該荷重訊號放大器，訊號經放大后再傳至該差動放大器；又，該電子表的設定值，傳送給該差動放大器；該差動放大器比對荷重與設定值的差異后，其差異值經PID控制器調整后，推動該DSP驅動器輸出電流以驅動該馬達。前述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其中更包括一荷重固定塊，以數個螺絲將其鎖固在該前、后側板之間；該梁式荷重傳感器的下端，以螺絲鎖固在該荷重固定塊上。前述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其中梁式荷重傳感器的上端，鎖固一調整螺絲，使該調整螺絲的端部觸壓該驅動臂的壓持面。前述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其中前、后側板下端的中心孔，分別置入一軸承座及一滾珠軸承，該軸承座以數個螺絲鎖固于前、后側板上，該滾珠軸承樞設于該驅動臂兩側的凸緣上，前后各一 C型扣環置于該凸緣內側以定位該滾珠軸承，借此，該前、后側板得在該驅動臂的凸緣上樞轉。前述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其中操作桿為左右分離的桿體，各以一法蘭座緊密套入該桿體端，兩法蘭座之間裝設該搖臂，并以數組螺栓與螺帽鎖合固定，使該搖臂得隨該操作桿往復擺動。前述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其中搖臂與所述連桿之間，以2片曲柄連結，并以數組螺栓與螺帽鎖合固定。前述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其中更包括以一軸座， 將所述操作桿樞設于所述架體上。本實用新型的有益效果是，其是利用馬達主軸的扭力，來代替傳統鐵塊，具有構造輕簡，不僅大幅降低機臺重量及體積，且無噪音的功效增進；其是在結合梁式荷重傳感器的精確感測功能，回授荷重值給控制裝置，修正差異后驅動馬達，達到使用者所期望的運動負載；其提供使用者可自行設定連續而圓滑的變動負載，達到肌力鍛煉的最佳效果。
以下結合附圖
和實施例對本實用新型進一步說明。圖I是美國第7，396，319號專利所揭示的伸展機立體示意圖(一)。圖2是美國第7，396，319號專利所揭示的伸展機立體示意圖(二)。圖3是本實用新型實施例的分解立體示意圖。圖4是本實用新型實施例的組合立體示意圖。圖5是本實用新型的電路方塊圖。圖6是本實用新型實施例應用在運動器材立體示意圖。圖中標號說明20 架體31 馬達32齒輪減速箱321 底座322 主軸323 方鍵33驅動臂331壓持面332 凸緣333 軸孔334 鍵槽34軸承座341第三螺栓孔[0050]35滾珠軸承36 C型扣環40連動機構41后側板42前側板421中心孔422第二螺栓孔423第一螺栓孔424第一螺絲孔43 連桿431第二螺栓孔432第六螺栓孔44 搖臂441第四螺栓孔442第五螺栓孔45 曲柄451第五螺栓孔452第六螺栓孔46梁式荷重傳感器47荷重固定塊471第二螺絲孔50操作桿51右桿體52左桿體53 軸座54法蘭座541法蘭面542第四螺栓孔61第一螺栓611 第一螺帽62第二螺栓621 第二螺帽63第三螺栓631第三螺帽64第三螺絲65第二螺絲66調整螺絲70電子表具體實施方式
首先，請參閱圖3 圖6所示，本實用新型的實施例包含一架體20，由數支空心桿體所建構而成，為裝置本實用新型的構件；該架體可屬于運動器材或醫療器材中具備往復運動者皆適用的，而本實施例(如圖6所示)，為眾多具備往復運動的器材中應用本實用新型，但不限定于此。一馬達31，包括無刷馬達與直流馬達的任一型式，用以產生該運動器材所需線性運動的負載。一齒輪減速箱32，一端與該馬達31的馬達軸連接，內含數個大小不同的齒輪，借著齒輪間不同的齒數產生的減速比，以放大該馬達31輸出的扭力值；該齒輪減速箱32下端設有底座321，可采螺絲將其鎖固于該架體20上；該齒輪減速箱32相對于連接該馬達31的另一端設有一主軸322，以傳輸放大后的扭力值，該主軸322，可設置鍵槽并運用鍵來傳送扭力，本實施例在主軸322上直接成型一方鍵323來連接被動構件。一操作桿50，由左右分 離的右桿體51及左桿體52所構成；2個法蘭座54，各以干涉配合方式組合在該右桿體51及該左桿體52的桿體端部；一軸座53，以螺絲或焊接方式固設于該架體20上，其內含有可使桿體樞轉的構成，在此不予贅述；該右桿體51穿過該軸座53，使該操作桿50固定在架體20并可在該軸座53上樞轉。一驅動臂33，其上端內側為壓持面331，其下端兩側各設有凸緣332，該凸緣332中心設一貫穿的軸孔333，其孔徑略大于主軸322，該軸孔333內設一與該主軸322的方鍵323相配合的鍵槽334，將該凸緣332套設于該主軸322外，使該驅動臂33可驅使該主軸322轉動。一連動機構40，包括一搖臂44、一連桿43、及一后側板41與一前側板42 ;該前、后側板42、41各設有一中心孔421，該中心孔421外緣沿圓周設有6個等周距的第一螺絲孔424，在該中心孔421的側方設有4個第一螺栓孔423，另在該前、后側板42、41的上端設一第二螺栓孔422 ；2個滾珠軸承35分別以干涉配合方式置入2個軸承座34內；該軸承座34沿圓周壁設有6個與該第一螺絲孔相配合的第三螺栓孔341，各以6支第一螺絲67鎖入該第三螺栓孔341及第一螺絲孔424內，使該2個軸承座34分別置入該前、后側板42、41的中心孔421內，于兩側凸緣332上各裝置一 C型扣環36，再將已置入前、后側板42、41的滾珠軸承35套入該凸緣332上，使該前、后側板42、41可在凸緣332上回轉。該搖臂44，其下端設有6個第四螺栓孔441，該2個法蘭座54，其法蘭面541上亦各設有6個第四螺栓孔542，以6支第三螺栓63與6個第三螺帽631，將該法蘭座54與該搖臂44鎖合固定，使該搖臂44可受該操作桿50驅使而轉動。該搖臂44的上端設有4個第五螺栓孔442，2片曲柄45，其下端亦各設有4個第五螺栓孔451，以4支第一螺栓61與4個第一螺帽611，將該搖臂44與該2片曲柄45予以鎖合固定。該連桿43，其右側端設有一第二螺栓孔431，以一第二螺栓62與一第二螺帽621，將前、后側板42、41與該連桿右側端的第二螺栓孔422、431予以鎖合固定，使該連桿43的右側端可在該前、后側板42、41的上端樞轉。該連桿43的左側端設有一第六螺栓孔432,另在該2片曲柄45的上端亦各設有一第六螺栓孔452,以一第二螺栓62與一第二螺帽621，將該2片曲柄45與該連桿43左側端的第六螺栓孔452、432予以鎖合固定，使該連桿43的左側端可經由該曲柄45的連結，在該搖臂44的上端樞轉。一梁式荷重傳感器46，其下端以2支第二螺絲65將其鎖固在一荷重固定塊47上，另在該荷重固定塊47前、后側各設有4個與該前、后側板42、41的第一螺栓孔423相配合的第二螺絲孔471，各以4支第三螺絲64將其鎖固，使該荷重固定塊47得以鎖固于該前、后側板42、41上。該梁式荷重傳感器46的上端，鎖付一調整螺絲66，該螺絲端部將觸壓該驅動臂33的壓持面331，而使該操作桿50的動作力，經該連動機構40傳遞給該梁式荷重傳感器46后，再經該調整螺絲66的觸壓，驅使該驅動臂33回轉。借此，馬達端31產生的轉矩，經由該齒輪減速箱32減速而放大扭力值后，再傳遞給驅動臂33、梁式荷重傳感器46、前后側板42、41、連桿43、曲柄45、搖臂44，而至操作桿50 ;是以，使用者不論是以手部或腿部操控該操作桿，其肌力都需承受馬達經齒輪減速箱放大的扭力值；換言之，使用者往復操控該操作桿，該馬達經齒輪減速箱產生的扭力，即形成鍛煉肌力所需的負載阻力。一電子表70，固定在該架體20上，供使用者設定其肌力鍛煉所需的扭力值；為了強化鍛煉的效果，本實用新型可設定成固定不變的負載，亦可由使用者設定成連續而圓滑的變動式運動負載。 一伺服控制器，其主要功能在比對該梁式荷重傳感器46的感測值，與該電子表70設定值的差異，其差異值經該電流控制器調整后輸出一電流以驅動該馬達31 ;該伺服控制器的電路如圖5所不,包括一直流電源供應器、一荷重訊號放大器、一差動放大器、一 PID(比例積分微分)控制器，及一 DSP驅動器；該梁式荷重傳感器46的感測值，回授給該荷重訊號放大器，訊號放大后再傳至該差動放大器；另外，該電子表70的設定值，亦傳送至該差動放大器；是以，該差動放大器比對實際端一梁式荷重傳感器的荷重訊號，以及目標端一電子表所設定的需求值，其兩者的差異值，經PID控制器調整后，推動該DSP驅動器輸出一電流以驅動該馬達，因此，該伺服控制器會在本實用新型使用的各個階段，不斷比對實際荷重與目標設定的差異，修正差異后輸出電流驅動馬達，以達到實際運動負載與需求的設定值相等的效果。是以，本實用新型借由機電整合的伺服控制系統，即運用馬達、齒輪減速箱、控制器、扭力感應器以及電子表，完全取代傳統鐵塊作為運動負載的阻力，可廣泛應用于各種肌力鍛煉器材，達到機構簡單、操控方便與連續性的效益。再者,本實用新型借由價廉的梁式荷重傳感器(Beam Type Load Cell)與連桿及搖臂的整合，達到可取代昂貴的旋轉式扭力感應器(Rotary Type Torque Sensor),其可靠的耐久性與精確度不但適用于一般肌力鍛煉，亦可使用在醫療級的精密應用上。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術方案的范圍內。綜上所述，本實用新型在結構設計、使用實用性及成本效益上，完全符合產業發展所需，且所揭示的結構亦是具有前所未有的創新構造，具有新穎性、創造性、實用性，符合有關新型專利要件的規定，故依法提起申請。
權利要求1.一種以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其特征在于，包括 一架體； 一扭力源，固定于該架體上，該扭力源包括一馬達及一齒輪減速箱；該馬達為無刷馬達或直流馬達，該齒輪減速箱一端與該馬達連接，另一端設有一主軸； 一驅動臂，其上端內側為壓持面，其下端兩側各設有凸緣，該凸緣中心設有一軸孔，該軸孔套設于該主軸上； 一操作桿，其底端樞設于該架體上，為使用者鍛煉肌力的操控構件； 一連動機構，包括一搖臂，其下端套設于該操作桿上，使之受該操作桿的驅動；一前側板與一后側板，其下端各設有一中心孔，分別樞設于該驅動臂兩側的凸緣上；一連桿，其兩端分別樞設于該搖臂及該前側板與后側板的上端；借此，操控該操作桿，該搖臂將拉或推動該連桿，繼之驅使該前、后側板產生正反向回轉； 一梁式荷重傳感器，固設在該驅動臂的側邊，其一端將觸壓該驅動臂的壓持面；借此，當該前、后側板反向回轉時，該梁式荷重傳感器的一端將頂壓該驅動臂亦作反向回轉； 一電子表，固定在該架體上，供使用者設定其所需的扭力值； 一伺服控制器，用以比對該梁式荷重傳感器的感測值與該電子表設定值的差異，其差異值經調整后輸出電流以驅動該馬達。
2.根據權利要求I所述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其特征在于，所述伺服控制器包括一直流電源供應器、一荷重訊號放大器、一差動放大器、一 PID即比例積分微分、控制器、及一 DSP驅動器；該梁式荷重傳感器的感測值，回授給該荷重訊號放大器，訊號經放大后再傳至該差動放大器；又，該電子表的設定值，傳送給該差動放大器；該差動放大器比對荷重與設定值的差異后，其差異值經PID控制器調整后，推動該DSP驅動器輸出電流以驅動該馬達。
3.根據權利要求2所述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其特征在于，更包括一荷重固定塊，以數個螺絲將其鎖固在該前、后側板之間；該梁式荷重傳感器的下端，以螺絲鎖固在該荷重固定塊上。
4.根據權利要求3所述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其特征在于，所述梁式荷重傳感器的上端，鎖固一調整螺絲，使該調整螺絲的端部觸壓該驅動臂的壓持面。
5.根據權利要求4所述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其特征在于，所述前、后側板下端的中心孔，分別置入一軸承座及一滾珠軸承，該軸承座以數個螺絲鎖固于前、后側板上，該滾珠軸承樞設于該驅動臂兩側的凸緣上，前后各一 C型扣環置于該凸緣內側以定位該滾珠軸承，借此，該前、后側板得在該驅動臂的凸緣上樞轉。
6.根據權利要求5所述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其特征在于，所述操作桿為左右分離的桿體，各以一法蘭座緊密套入該桿體端，兩法蘭座之間裝設該搖臂，并以數組螺栓與螺帽鎖合固定，使該搖臂得隨該操作桿往復擺動。
7.根據權利要求6所述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其特征在于，所述搖臂與所述連桿之間，以2片曲柄連結，并以數組螺栓與螺帽鎖合固定。
8.根據權利要求7所述的以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，其特征在于，更包括以一軸座，將所述操作桿樞設于所述架體上。
專利摘要一種以馬達組合梁式荷重傳感器的肌力鍛煉控制裝置，包括一架體；一扭力源固定于架體上，扭力源包括一馬達及一齒輪減速箱；馬達為無刷馬達或直流馬達；一驅動臂上端內側為壓持面，其下端兩側各設有凸緣；一操作桿底端樞設于架體上；一連動機構包括一搖臂，其下端套設于操作桿上，使之受操作桿的驅動；一前側板與一后側板，其下端各設有一中心孔；一連桿兩端分別樞設于搖臂及前側板與后側板的上端；一梁式荷重傳感器固設在驅動臂的側邊；一電子表固定在架體上；一伺服控制器用以比對梁式荷重傳感器的感測值與電子表設定值的差異。本實用新型構造輕簡，無噪音，提供使用者可自行設定連續而圓滑的變動負載，達到肌力鍛煉的最佳效果。
文檔編號A63B23/04GK202699935SQ20122004489
公開日2013年1月30日 申請日期2012年2月13日 優先權日2011年3月11日
發明者謝豊民 申請人:祺驊股份有限公司