Aparato de entrenamiento.

Aparato de entrenamiento, en particular para el entrenamiento de la fuerza,

con un dispositivo generador de un par de rotación, que presenta un motor eléctrico (2) y un engranaje reductor (3), y cuya salida actúa conjuntamente con por lo menos un elemento de ejercicio (1) proporcionado a la persona que realiza los ejercicios, estando configurado el motor eléctrico (2) como motor de corriente trifásica (2), al que está asociado un convertidor de frecuencia (4), mediante el cual pueden ajustarse la frecuencia y la intensidad de la corriente trifásica alimentada al motor eléctrico (2), y estando dispuesto aguas arriba del convertidor de frecuencia (4) un dispositivo de regulación (5), caracterizado porque al motor (2) está asociado un sensor del ángulo de rotación (6), cuya señal de medición (PsiM) se alimenta tanto al convertidor de frecuencia (4) como también al dispositivo de regulación (5), porque al convertidor de frecuencia (4) se suministra mediante el dispositivo de regulación (5) un valor nominal (MM) para el par de rotación que debe emitir el motor (2), en el que entra la señal de medición (PsiM) del sensor del ángulo de rotación (6), y porque el convertidor de frecuencia (4) ajusta la frecuencia y la intensidad de la corriente del motor según el principio de la regulación orientada al campo.

Aparato de entrenamiento.

La presente invención se refiere a un aparato de entrenamiento según el preámbulo de la reivindicación de patente 1. Un aparato de entrenamiento de este tipo se da a conocer en el documento EP 0 853 961 B1. En este aparato de entrenamiento, se suministran a un convertidor de frecuencia desde un dispositivo de cálculo valores nominales para la intensidad de corriente y para la frecuencia de la corriente de un motor de corriente trifásica previsto para la generación del par de rotación. Al dispositivo de cálculo se alimenta la señal de salida de un sensor de posición, que registra la posición de una manivela que funciona como elemento de ejercicio, que se acciona desde el motor. A partir del valor de posición, el dispositivo de cálculo determina mediante tablas almacenadas, en las que están depositados todos los datos característicos específicos de la máquina relevantes, los valores de la intensidad de corriente y de la frecuencia de la corriente del motor necesarios para un desarrollo deseado del par de rotación con respecto a la posición.

Si bien este aparato de entrenamiento conocido funciona de una manera muy satisfactoria, sin embargo con respecto a determinados requisitos funcionales aún podría mejorarse. De este modo, especialmente para la aplicación de tales aparatos de entrenamiento para medidas de rehabilitación médicas se requiere tanto una elevada precisión a la hora de mantener un par de rotación deseado, como también topes de extremo ajustables de manera precisa para el intervalo de movimiento del elemento de ejercicio. Esto último es importante, por ejemplo, cuando el ángulo máximo de desplazamiento de una articulación del organismo debe volver al valor normal tras una intervención quirúrgica mediante ejercicios gimnásticos en etapas definidas.

El documento FR 2 709 067 A1 da a conocer un aparato de entrenamiento con un motor de corriente trifásica para la generación del par de rotación, en el que se mide tanto el número de revoluciones del motor con un sensor de la tasa de rotación analógico en frecuencia como el par de rotación emitido con un sensor de fuerza. El número de revoluciones medido se utiliza para regular la frecuencia y el par de rotación medido para regular la intensidad de la corriente del motor. El concepto de este aparato de entrenamiento contiene por tanto dos sensores y dos bucles de regulación acoplados entre sí y es relativamente complejo en su realización. La medición de la fuerza a través de un sensor implica además problemas potenciales en forma de influencia de la temperatura, deriva a largo plazo e interferencias por vibración o golpes.

Considerando este estado de la técnica, la invención se basa en el objetivo de crear un aparato de entrenamiento del tipo mencionado al principio, que mantenga un par de rotación predeterminado con una elevada precisión, limita simultáneamente el intervalo de movimiento mediante topes de extremo ajustables de manera precisa y que se caracteriza por una construcción sencilla y fiable.

Este objetivo se alcanza según la invención mediante un aparato de entrenamiento con las características de la reivindicación 1. Configuraciones ventajosas se indican en las reivindicaciones subordinadas.

El aparato de entrenamiento según la invención se caracteriza porque para la regulación del par de rotación como valor de medición se registra el ángulo de rotación del motor por medio de un sensor del ángulo de rotación, cuya señal de medición se alimenta tanto al convertidor de frecuencia como al dispositivo de regulación. Al convertidor de frecuencia se suministra mediante el dispositivo de regulación un valor nominal para el par de rotación que debe emitir el motor, en el que entra la señal de medición del sensor del ángulo de rotación. El convertidor de frecuencia ajusta la frecuencia y la intensidad de la corriente del motor según el principio de la regulación orientada al campo. Si bien esto último se conoce en sí mismo como concepto para la regulación de un motor asíncrono, sin embargo no en el contexto con aparatos de entrenamiento del tipo que interesa en este caso.

Una ventaja fundamental de la invención con respecto al estado de la técnica mencionado al principio consiste en que permite una regulación más exacta del par de rotación emitido por el motor. A esto contribuye especialmente que el motor se hace funcionar en el régimen de funcionamiento normal de una máquina asíncrona, es decir con un deslizamiento relativamente reducido, en el que sólo tiene que contarse con dispersiones unitarias reducidas de la línea característica de momentos. Por otro lado, el régimen de funcionamiento según el estado de la técnica mencionado, es decir con un deslizamiento relativamente grande, se ve afectado por dispersiones unitarias considerablemente mayores. Un efecto ventajoso adicional del otro régimen de funcionamiento es la reducción de la pérdida de potencia del motor y por tanto, un ahorro de energía. La menor pérdida de potencia también hace innecesaria una refrigeración mediante convección forzada, de modo que se evita la formación de ruidos procedente de un ventilador. Finalmente, mediante el registro directo del ángulo de rotación del motor se mejora posteriormente en lugar de su determinación por cálculo a partir de un ángulo de rotación medido del elemento de ejercicio también la dinámica del circuito de regulación.

En un modo de funcionamiento ventajoso el dispositivo de regulación regula la posición del elemento de ejercicio hasta un valor nominal, de modo que el usuario debe aplicar una fuerza para la desviación del elemento de ejercicio desde una posición de reposo, y el convertidor de frecuencia regula a su vez el par de rotación del motor hasta el valor nominal predeterminado por medio del dispositivo de regulación, por lo que se establece el valor de la fuerza que debe aplicar el usuario para el movimiento del elemento de ejercicio.

Para poder predeterminar un desarrollo preestablecido del par de rotación en función del ángulo de rotación, es conveniente prever para el dispositivo de regulación dos circuitos de regulación con estructura en cascada, concretamente uno exterior para la regulación de la posición y uno interior para la regulación del número de revoluciones del elemento de ejercicio. Para ello, se necesita un dispositivo de evaluación que a partir de la señal de medición del sensor del ángulo de rotación determina tanto la posición como el número de revoluciones del elemento de ejercicio y los proporciona como valores reales para los dos circuitos de regulación.

Por motivos de seguridad, es además aconsejable prever un limitador en el circuito de regulación de la posición que limite el número de revoluciones nominal del elemento de ejercicio hasta un valor máximo, para que el motor no deje que el elemento de ejercicio vuelva rápidamente a su posición nominal predeterminada con el número máximo de revoluciones debido al sistema, cuando la persona que está entrenando lo suelta o se escurre del mismo.

Desde el punto de vista de la ergonomía es además recomendable que en el circuito de regulación de la posición esté previsto otro limitador que limite la tasa de variación del número de revoluciones nominal del elemento de ejercicio hasta un valor máximo para evitar un comportamiento de movimiento a empujones del mismo.

Para predeterminar un determinado desarrollo del par de rotación en función de la posición del elemento de ejercicio y/o de su número de revoluciones según una determinada función, ha de preverse en el circuito de regulación del número de revoluciones un elemento de transmisión correspondiente que realiza esta función. Componentes de estas funciones pueden ser variaciones a saltos del par de rotación con determinadas posiciones, mediante lo cual pueden simularse topes mecánicos. Si tales variaciones del par de rotación dependientes de la posición no se diseñan de manera que discurren a saltos, sino de manera continua, entonces pueden reconstruirse de este modo topes mecánicos con suspensión elástica, al aumentar de manera lineal el par de rotación que debe superar el usuario tras pasar por una posición final establecida por ejemplo con una desviación adicional creciente. Además puede simularse también una amortiguación de tope, concretamente mediante un aumento continuo del par de rotación con un número de revoluciones creciente que debe superarse tras pasar por una posición final establecida.

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1. Aparato de entrenamiento, en particular para el entrenamiento de la fuerza, con un dispositivo generador de un par de rotación, que presenta un motor eléctrico (2) y un engranaje reductor (3), y cuya salida actúa conjuntamente con por lo menos un elemento de ejercicio (1) proporcionado a la persona que realiza los ejercicios, estando configurado el motor eléctrico (2) como motor de corriente trifásica (2), al que está asociado un convertidor de frecuencia (4), mediante el cual pueden ajustarse la frecuencia y la intensidad de la corriente trifásica alimentada al motor eléctrico (2), y estando dispuesto aguas arriba del convertidor de frecuencia (4) un dispositivo de regulación (5), caracterizado porque al motor (2) está asociado un sensor del ángulo de rotación (6), cuya señal de medición (\varphi_M) se alimenta tanto al convertidor de frecuencia (4) como también al dispositivo de regulación (5), porque al convertidor de frecuencia (4) se suministra mediante el dispositivo de regulación (5) un valor nominal (M_M) para el par de rotación que debe emitir el motor (2), en el que entra la señal de medición (\varphiM) del sensor del ángulo de rotación (6), y porque el convertidor de frecuencia (4) ajusta la frecuencia y la intensidad de la corriente del motor según el principio de la regulación orientada al campo.

2. Aparato de entrenamiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de regulación (5) regula la posición del elemento de ejercicio (1) hasta un valor nominal (\varphi_min).

3. Aparato de entrenamiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo de regulación (5) presenta dos circuitos de regulación con estructura en cascada para la regulación de la posición y el número de revoluciones del elemento de ejercicio (1) y porque presenta un dispositivo de evaluación (13) que a partir de la señal de medición (\varphiM) del sensor del ángulo de rotación (6) determina por lo menos la posición (\varphi_I) y el número de revoluciones (ω_I) del elemento de ejercicio (1) y los proporciona como magnitudes reales para los dos circuitos de regulación.

4. Aparato de entrenamiento según la reivindicación 3, caracterizado porque en el circuito de regulación de la posición está previsto un primer limitador (15), que limita el número de revoluciones nominal (ω_S) del elemento de ejercicio (1) hasta un valor máximo (ω_max).

5. Aparato de entrenamiento según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque en el circuito de regulación de la posición está previsto un segundo limitador (16), que limita la tasa de variación del número de revoluciones nominal (ω_S) del elemento de ejercicio (1) hasta un valor máximo (α_max).

6. Aparato de entrenamiento según una de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque en el circuito de regulación del número de revoluciones está previsto un elemento de transmisión (18) que varía el par de rotación nominal (M_S) del elemento de ejercicio (1) según una función predeterminada en función de la posición (\varphi_I) y/o el número de revoluciones (ω_I).

7. Aparato de entrenamiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la función predeterminada contiene un aumento de la magnitud del par de rotación nominal (M_S) del elemento de ejercicio (1) con una tasa predeterminada al pasar a un nivel inferior o superior de manera creciente de por lo menos una posición final (\varphi_min; \varphi_max) predeterminada del elemento de ejercicio (1).

8. Aparato de entrenamiento según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque la función predeterminada contiene un aumento de la magnitud del par de rotación nominal (M_S) del elemento de ejercicio (1) con un número de revoluciones (ω_I) creciente al pasar a un nivel inferior o superior de por lo menos una posición final (\varphi_min; \varphi_max) predeterminada del elemento de ejercicio (1).

9. Aparato de entrenamiento según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque la función predeterminada contiene una limitación de la magnitud del par de rotación nominal (M_S) hasta un valor máximo (M_max) predeterminado.

10. Aparato de entrenamiento según una de las reivindicaciones 3 a 9, caracterizado porque en el circuito de regulación del número de revoluciones está previsto un dispositivo de cálculo (19) que convierte el par de rotación nominal (M_S) del elemento de ejercicio (1) en un par de rotación nominal (M_M) del motor (2) y lo corrige en función de parámetros de funcionamiento mecánicos y/o térmicos del aparato.

11. Aparato de entrenamiento según la reivindicación 10, caracterizado porque al dispositivo de cálculo (19) se le alimentan desde el dispositivo de evaluación (13) unos valores de movimiento (\varphi_I, ω_I, α_I) del elemento de ejercicio (1) determinados a partir de la señal de medición (\varphi_M) del sensor del ángulo de rotación (6), en particular su posición real (\varphi_I) y/o su número de revoluciones real (ω_I), como valores de entrada adicionales, y se incluyen por el dispositivo de cálculo (19) en la corrección del par de rotación nominal (M_M) del motor (2).

12. Aparato de entrenamiento según la reivindicación 11, caracterizado porque a los valores de movimiento determinados por el dispositivo de evaluación (13), alimentados al dispositivo de cálculo (19) e incluidos por éste en la corrección del par de rotación nominal (M_M) del motor (2) también comprenden la aceleración (α_I) angular del elemento de ejercicio (1).

13. Aparato de entrenamiento según una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque al motor (2) y/o al engranaje (3) está asociado por lo menos un sensor de temperatura (12), cuya señal de medición (T) se alimenta al dispositivo de cálculo (19) y/o a un dispositivo de compensación (20) separado como valor de entrada y allí se utiliza para una corrección en función de la temperatura del par de rotación nominal (M_M) del motor (2).

14. Aparato de entrenamiento según una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque está previsto un dispositivo de compensación separado del dispositivo de cálculo (19) para la corrección de la influencia de la temperatura en el motor (2), que está integrado en el convertidor de frecuencia (4).

15. Aparato de entrenamiento según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque el elemento de ejercicio puede desplazarse con traslación, y porque están previstos unos medios para la transformación mecánica del movimiento de traslación en un movimiento de rotación del árbol del motor eléctrico, de tal modo que en el lado del elemento de ejercicio los valores de movimiento en lugar de un ángulo de rotación, un número de revoluciones y un par de rotación son un trayecto, o una velocidad o una fuerza.