CN111001138A - 一种智能健身器材爆发力训练的伺服负载控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能健身器材爆发力训练的伺服负载控制方法，通过在智能健身器材的工控机中设置向心目标负载力、释放目标负载力、负载释放标记、克服伺服负载做功大小和临界低速值这六个参量，并在训练过程中周期性的采集训练数据并基于这些训练数据进行计算来判定健身者当前运动状态是否处于负载释放阶段，然后在负载释放阶段进行适应的负载释放，使健身者由发力阶段平稳过度到回收阶段；优点是在负载释放阶段能够既平稳又快速降低伺服负载输出扭矩，不会对健身者身体造成伤害。

Description

一种智能健身器材爆发力训练的伺服负载控制方法

技术领域

本发明涉及一种伺服负载控制方法，尤其是涉及一种智能健身器材爆发力训练的伺服负载控制方法。

背景技术

随着社会不断进步，人们生活水平得到了大幅度提升，人们对运动健身也越来越重视。纯机械力量训练设备为当前使用比较广泛的传统的健身器材，该种健身器材主要包括传动机构和配重块组，配重块组作为健身器材的负载，配重块组包括多个配重块，在使用时，健身者通过传动机构的拉绳拉动配重块组中选定的配重块实现训练。但是，上述传统的健身器材在使用时，需要手动插拔配重块组中设置的销轴或掰转按钮实现配重块的选择，进行负载力量调整，操作不方便，且在切换配重块运动方向(向心运动切换至离心运动或者离心运动切换至向心运动)时，由于配重块自身惯性较大，配重块很容易产生振动，速度过快的话很容易对人体产生伤害，由此传统的健身器材不利于快速训练(即爆发力训练)。

传统的健身器材已满足不了日新月异的当今时代，智能健身器材应运而生。现有的智能健身器材伺服电机、伺服驱动控制器、工控机、显示装置以及传动机构，工控机分别与伺服驱动控制器和显示装置连接，伺服驱动控制器与伺服电机连接，伺服电机和传动机构连接，伺服电机作为负载，称为伺服负载，在使用时，健身者通过工控机设定伺服电机的输出扭矩，工控机控制伺服驱动控制器驱动伺服电机输出对应的输出扭矩，由此实现负载力量输出。

爆发力训练作为一种快速力量训练，可分为发力阶段、负载释放阶段和回收阶段，发力阶段为人体力量快速爆发阶段，负载释放阶段为负载平滑快速降低阶段，回收阶段为伺服负载回归原位阶段，负载释放阶段需要既平稳又快速降低伺服负载的输出扭矩才能达到其目的。但是现有的智能健身器材在进行爆发力训练时，伺服电机在设定负载后将在整个爆发力训练过程中持续保持设定负载输出，由此导致负载释放阶段伺服负载仍然恒定作用于人体，很容易对人体产生伤害。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在负载释放阶段能够既平稳又快速降低伺服负载输出扭矩，不会对健身者身体造成伤害的智能健身器材爆发力训练的伺服负载控制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种智能健身器材爆发力训练的伺服负载控制方法，包括以下步骤：

步骤1、在智能健身器材的工控机中设置向心目标负载力、释放目标负载力、负载释放标记、克服伺服负载做功大小和临界低速值这六个参量，将向心目标负载力记为F_S1，将释放目标负载力记为F_S2，，将负载释放标记记

的开机初始值为0，将克服伺服负载做功大小记为W，将临界低速值记为V_l，V_l的取值大于等于0.01m/s且小于等于0.05m/s，在智能健身器材的伺服驱动控制器中设定采样周期，采样频率为300Hz，F_S2的设定范围为0.5kg～2kg，F_S1>F_S2；

步骤2、健身者根据健身需求设定F_S1的值以及F_S2的值，开启智能健身器材中的伺服电机后，此时伺服电机在智能健身器材的伺服驱动控制器驱动下输出与当前向心目标负载力F_S1相匹配的输出力矩，伺服驱动控制器开始进行周期性的采样，获取伺服电机的实时转速、实时角加速度和实时输出扭矩并发送给工控机，当健身者进行向心运动时，伺服电机的实时转速的取值为正数，当伺服电机回归原位时，伺服电机的实时转速的取值为负数，与此同时，工控机开始进行周期性的负载控制，伺服电机采用其内部设置的绝对值编码器实时记录伺服电机的输出轴的转动角度，伺服驱动控制器周期性的获取伺服电机的输出轴的转动角度；

步骤3、将伺服驱动控制器当前采样周期数记为N，即伺服驱动控制器当前进入第N个采样周期，此时工控机同步进入第N个控制周期，当伺服驱动控制器开始第一次采样时，伺服驱动控制器进入第1个采样周期，此时N的取值为1，后续伺服驱动控制器每进入一个采样周期，N的取值加1；

步骤4、将当前控制周期下，智能健身器材中传动机构的拉绳输出端的实时线速度记为V_N、拉绳输出端的实时线加速度记为A_N、拉绳输出端的实时负载力值记为F_N，拉绳输出端的实时位置记为D_N，智能健身器材的工控机内通过公式(1)、(2)、(3)和(4)分别计算得到V_N、A_N、F_N和D_N，并通过显示装置将V_N、A_N、F_N和D_N进行显示：

V_N＝ω_Nr (1)

A_N＝ε_Nγ (2)

F_N＝T_N/r (3)

D_N＝α_Nr (4)

式(1)～(4)中，r为伺服电机的输出轴的传动半径，ω_N为当前控制周期伺服电机的实时转速，ε_N为当前控制周期伺服电机实时角加速度，T_N为当前控制周期伺服电机的实时输出扭矩，α_N为当前控制周期伺服电机输出轴的实时转动角度；

步骤5、判断N的取值是否小于3，如果N的取值小于3，则工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来；如果N的取值大于等于3，则进入步骤6；

步骤6、判断当前负载释放标记

的取值为1还是0：

如果

的取值等于1，则所述的工控机控制所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机在当前周期下保持当前输出状态不变，并采用公式(5)计算得到下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩T_SN+1，完成当前第N个控制周期的控制，在进入下一个控制周期时，工控机控制伺服电机按照当前计算得到的下一个控制周期放入实际输出扭矩T_SN+1进行输出；

T_SN+1＝T_SN+λ (5)

其中λ的取值大于等于10且小于等于100，，T_SN为当前伺服电机的实际输出扭矩；

如果

的取值等于0，则进入步骤7；

步骤7、判定当前控制周期V_N的取值为正数还是负数，如果为负数，则所述的工控机控制所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机在当前采样周期下保持当前输出状态不变，直接等待下一个控制周期的到来，如果为正数，则判定上一控制周期V_N-1的取值为正数还是负数，如果上一控制周期V_N-1的取值为正数，则工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来，如果上一控制周期V_N-1的取值为负数，则在工控机中获取当前控制周期之前最后一次记录的伺服电机的实时转速从负值变为正值的时刻，获取该时刻所处控制周期拉绳输出端的实时位置，将其记为L₀，并判断A_N、A_N-1和A_N-2是否满足以下三个条件：A_N<A_N-1<A_N-2、V_N是否大于等于临界低速值V_l以及A_N是否小于0，如果三个条件中任意一个不成立，工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来，如果三个条件都成立，采用式(6)计算得到克服伺服负载做功大小W：

W＝F_S1(D_N-L₀) (6)

步骤8、开启负载释放，将负载释放标记

置为1，伺服电机在伺服驱动控制器驱动下输出与当前释放目标负载力F_S2相匹配的输出力矩；

步骤9、将当前控制周期下伺服电机的输出扭矩变化增减值记为ζ_N，采用公式(7)计算得到ζ_N：

其中，e为自然常数，e_N(f)＝μ(F_S2-F_N)/F_S2，μ为负载偏差修正系数，μ的取值大于等于1且小于等于1.8，θ_N为扭矩变化增减修正系数，θ_N的取值根据式(8)确定：

式(8)中，θ₀为低速固定系数，θ₀的取值大于等于1且小于等于5，θ_max为扭矩变化增减修正系数阈值，θ_max的取值大于等于200且小于等于300；

步骤10、将下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩记为T_SN+1，采用公式(9)计算得到下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩：

T_SN+1＝T_SN+ζ_N (9)

其中，T_SN为当前伺服电机的实际输出扭矩；

步骤11、所述的工控机控制所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机在当前采样周期下保持当前输出状态不变，并判定T_SN+1是否等于T_SN，如果T_SN+1不等于T_SN，则当前控制周期结束，在进入下一个控制周期时，所述的工控机控制所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机的实际输出扭矩等于当前计算得到的T_SN+1，如果T_SN+1等于T_SN，则记录当前时刻，在当前时刻基础上等待3秒后进入步骤12；

步骤12、将负载释放标记

置为0，伺服电机在伺服驱动控制器驱动下输出与当前向心目标负载力F_S1相匹配的输出力矩，采用公式(5)重新计算下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩T_SN+1，完成当前第N个控制周期的控制，在进入下一个控制周期时，工控机控制伺服电机按照当前计算得到的下一个控制周期的实际输出扭矩T_SN+1进行输出。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过在智能健身器材的工控机中设置向心目标负载力、释放目标负载力、负载释放标记、克服伺服负载做功大小和临界低速值这六个参量，并在训练过程中周期性的采集训练数据并基于这些训练数据进行计算来判定健身者当前运动状态是否处于负载释放阶段，然后在负载释放阶段进行适应的负载释放，使健身者由发力阶段平稳过度到回收阶段，由此本发明的方法在负载释放阶段能够既平稳又快速降低伺服负载输出扭矩，不会对健身者身体造成伤害。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：一种智能健身器材爆发力训练的伺服负载控制方法，包括以下步骤：

步骤1、在智能健身器材的工控机中设置向心目标负载力、释放目标负载力、负载释放标记、克服伺服负载做功大小和临界低速值这六个参量，将向心目标负载力记为F_S1，将释放目标负载力记为F_S2，，将负载释放标记记为

的开机初始值为0，将克服伺服负载做功大小记为W，将临界低速值记为V_l，V_l的取值大于等于0.01m/s且小于等于0.05m/s，在智能健身器材的伺服驱动控制器中设定采样周期，采样频率为300Hz，F_S2的设定范围为0.5kg～2kg，F_S1>F_S2；

步骤2、健身者根据健身需求设定F_S1的值以及F_S2的值，开启智能健身器材中的伺服电机后，此时伺服电机在智能健身器材的伺服驱动控制器驱动下输出与当前向心目标负载力F_S1相匹配的输出力矩，伺服驱动控制器开始进行周期性的采样，获取伺服电机的实时转速、实时角加速度和实时输出扭矩并发送给工控机，当健身者进行向心运动时，伺服电机的实时转速的取值为正数，当伺服电机回归原位时，伺服电机的实时转速的取值为负数，与此同时，工控机开始进行周期性的负载控制，伺服电机采用其内部设置的绝对值编码器实时记录伺服电机的输出轴的转动角度，伺服驱动控制器周期性的获取伺服电机的输出轴的转动角度；

步骤3、将伺服驱动控制器当前采样周期数记为N，即伺服驱动控制器当前进入第N个采样周期，此时工控机同步进入第N个控制周期，当伺服驱动控制器开始第一次采样时，伺服驱动控制器进入第1个采样周期，此时N的取值为1，后续伺服驱动控制器每进入一个采样周期，N的取值加1；

步骤4、将当前控制周期下，智能健身器材中传动机构的拉绳输出端的实时线速度记为V_N、拉绳输出端的实时线加速度记为A_N、拉绳输出端的实时负载力值记为F_N，拉绳输出端的实时位置记为D_N，智能健身器材的工控机内通过公式(1)、(2)、(3)和(4)分别计算得到V_N、A_N、F_N和D_N，并通过显示装置将V_N、A_N、F_N和D_N进行显示：

V_N＝ω_Nr (1)

A_N＝ε_Nr (2)

Fx＝T_N/r (3)

D_N＝α_Nr (4)

式(1)～(4)中，r为伺服电机的输出轴的传动半径，ω_N为当前控制周期伺服电机的实时转速，ε_N为当前控制周期伺服电机实时角加速度，T_N为当前控制周期伺服电机的实时输出扭矩，α_N为当前控制周期伺服电机输出轴的实时转动角度；

步骤5、判断N的取值是否小于3，如果N的取值小于3，则工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来；如果N的取值大于等于3，则进入步骤6；

步骤6、判断当前负载释放标记

的取值为1还是0：

如果

的取值等于1，则工控机控制伺服驱动控制器驱动伺服电机在当前周期下保持当前输出状态不变，并采用公式(5)计算得到下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩T_SN+1，完成当前第N个控制周期的控制，在进入下一个控制周期时，工控机控制伺服电机按照当前计算得到的下一个控制周期放入实际输出扭矩T_SN+1进行输出；

T_SN+1＝T_SN+λ (5)

其中λ的取值大于等于10且小于等于100，，T_SN为当前伺服电机的实际输出扭矩；

如果

的取值等于0，则进入步骤7；

步骤7、判定当前控制周期V_N的取值为正数还是负数，如果为负数，则工控机控制伺服驱动控制器驱动伺服电机在当前采样周期下保持当前输出状态不变，直接等待下一个控制周期的到来，如果为正数，则判定上一控制周期V_N-1的取值为正数还是负数，如果上一控制周期V_N-1的取值为正数，则工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来，如果上一控制周期V_N-1的取值为负数，则在工控机中获取当前控制周期之前最后一次记录的伺服电机的实时转速从负值变为正值的时刻，获取该时刻所处控制周期拉绳输出端的实时位置，将其记为L₀，并判断A_N、A_N-1和A_N-2是否满足以下三个条件：A_N<A_N-1<A_N-2、V_N是否大于等于临界低速值V_l以及A_N是否小于0，如果三个条件中任意一个不成立，工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来，如果三个条件都成立，采用式(6)计算得到克服伺服负载做功大小W：

W＝F_S1(D_N-L₀) (6)

步骤8、开启负载释放，将负载释放标记

置为1，伺服电机在伺服驱动控制器驱动下输出与当前释放目标负载力F_S2相匹配的输出力矩；

步骤9、将当前控制周期下伺服电机的输出扭矩变化增减值记为ζ_N，采用公式(7)计算得到ζ_N：

其中，e为自然常数，e_N(f)＝μ(F_S2-F_N)/F_S2，μ为负载偏差修正系数，μ的取值大于等于1且小于等于1.8，θ_N为扭矩变化增减修正系数，θ_N的取值根据式(8)确定：

式(8)中，θ₀为低速固定系数，θ₀的取值大于等于1且小于等于5，θ_max为扭矩变化增减修正系数阈值，θ_max的取值大于等于200且小于等于300；

步骤10、将下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩记为T_SN+1，采用公式(9)计算得到下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩：

T_SN+1＝T_SN+ζ_N (9)

其中，T_SN为当前伺服电机的实际输出扭矩；

步骤11、工控机控制伺服驱动控制器驱动伺服电机在当前采样周期下保持当前输出状态不变，并判定T_SN+1是否等于T_SN，如果T_SN+1不等于T_SN，则当前控制周期结束，在进入下一个控制周期时，工控机控制伺服驱动控制器驱动伺服电机的实际输出扭矩等于当前计算得到的T_SN+1，如果T_SN+1等于T_SN，则记录当前时刻，在当前时刻基础上等待3秒后进入步骤12；

步骤12、将负载释放标记

置为0，伺服电机在伺服驱动控制器驱动下输出与当前向心目标负载力F_S1相匹配的输出力矩，采用公式(5)重新计算下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩T_SN+1，完成当前第N个控制周期的控制，在进入下一个控制周期时，工控机控制伺服电机按照当前计算得到的下一个控制周期的实际输出扭矩T_SN+1进行输出。

Claims (1)

1.一种智能健身器材爆发力训练的伺服负载控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、在智能健身器材的工控机中设置向心目标负载力、释放目标负载力、负载释放标记、克服伺服负载做功大小和临界低速值这六个参量，将向心目标负载力记为F_S1，将释放目标负载力记为F_S2，，将负载释放标记记为

的开机初始值为0，将克服伺服负载做功大小记为W，将临界低速值记为V_l，V_l的取值大于等于0.01m/s且小于等于0.05m/s，在智能健身器材的伺服驱动控制器中设定采样周期，采样频率为300Hz，F_S2的设定范围为0.5kg～2kg，F_S1＞F_S2；

步骤2、健身者根据健身需求设定F_S1的值以及F_S2的值，开启智能健身器材中的伺服电机后，此时伺服电机在智能健身器材的伺服驱动控制器驱动下输出与当前向心目标负载力F_S1相匹配的输出力矩，伺服驱动控制器开始进行周期性的采样，获取伺服电机的实时转速、实时角加速度和实时输出扭矩并发送给工控机，当健身者进行向心运动时，伺服电机的实时转速的取值为正数，当伺服电机回归原位时，伺服电机的实时转速的取值为负数，与此同时，工控机开始进行周期性的负载控制，伺服电机采用其内部设置的绝对值编码器实时记录伺服电机的输出轴的转动角度，伺服驱动控制器周期性的获取伺服电机的输出轴的转动角度；

步骤3、将伺服驱动控制器当前采样周期数记为N，即伺服驱动控制器当前进入第N个采样周期，此时工控机同步进入第N个控制周期，当伺服驱动控制器开始第一次采样时，伺服驱动控制器进入第1个采样周期，此时N的取值为1，后续伺服驱动控制器每进入一个采样周期，N的取值加1；

步骤4、将当前控制周期下，智能健身器材中传动机构的拉绳输出端的实时线速度记为V_N、拉绳输出端的实时线加速度记为A_N、拉绳输出端的实时负载力值记为F_N，拉绳输出端的实时位置记为D_N，智能健身器材的工控机内通过公式(1)、(2)、(3)和(4)分别计算得到V_N、A_N、F_N和D_N，并通过显示装置将V_N、A_N、F_N和D_N进行显示：

V_N＝ω_Nr (1)

A_N＝ε_Nr (2)

T_N＝T_N/r (3)

D_N＝α_Nr (4)

式(1)～(4)中，r为伺服电机的输出轴的传动半径，ω_N为当前控制周期伺服电机的实时转速，ε_N为当前控制周期伺服电机实时角加速度，T_N为当前控制周期伺服电机的实时输出扭矩，α_N为当前控制周期伺服电机输出轴的实时转动角度；

步骤5、判断N的取值是否小于3，如果N的取值小于3，则工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来；如果N的取值大于等于3，则进入步骤6；

步骤6、判断当前负载释放标记

的取值为1还是0：

如果

的取值等于1，则所述的工控机控制所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机在当前周期下保持当前输出状态不变，并采用公式(5)计算得到下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩T_SN+1，完成当前第N个控制周期的控制，在进入下一个控制周期时，工控机控制伺服电机按照当前计算得到的下一个控制周期放入实际输出扭矩T_SN+1进行输出；

T_SN+1＝T_SN+λ (5)

其中λ的取值大于等于10且小于等于100，，T_SN为当前伺服电机的实际输出扭矩；

如果

的取值等于0，则进入步骤7；

步骤7、判定当前控制周期V_N的取值为正数还是负数，如果为负数，则所述的工控机控制所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机在当前采样周期下保持当前输出状态不变，直接等待下一个控制周期的到来，如果为正数，则判定上一控制周期V_N-1的取值为正数还是负数，如果上一控制周期V_N-1的取值为正数，则工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来，如果上一控制周期V_N-1的取值为负数，则在工控机中获取当前控制周期之前最后一次记录的伺服电机的实时转速从负值变为正值的时刻，获取该时刻所处控制周期拉绳输出端的实时位置，将其记为L₀，并判断A_N、A_N-1和A_N-2是否满足以下三个条件：A_N＜A_N-1＜A_N-2、V_N是否大于等于临界低速值V_l以及A_N是否小于0，如果三个条件中任意一个不成立，工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来，如果三个条件都成立，采用式(6)计算得到克服伺服负载做功大小W：

W＝F_S1(D_N-L₀) (6)

步骤8、开启负载释放，将负载释放标记

置为1，伺服电机在伺服驱动控制器驱动下输出与当前释放目标负载力F_S2相匹配的输出力矩；

步骤9、将当前控制周期下伺服电机的输出扭矩变化增减值记为ζ_N，采用公式(7)计算得到ζ_N：

其中，e为自然常数，e_N(f)＝μ(F_S2-F_N)/F_S2，μ为负载偏差修正系数，μ的取值大于等于1且小于等于1.8，θ_N为扭矩变化增减修正系数，θ_N的取值根据式(8)确定：

式(8)中，θ₀为低速固定系数，θ₀的取值大于等于1且小于等于5，θ_max为扭矩变化增减修正系数阈值，θ_max的取值大于等于200且小于等于300；

步骤10、将下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩记为T_SN+1，采用公式(9)计算得到下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩：

T_SN+1＝T_SN+ζ_N (9)

其中，T_SN为当前伺服电机的实际输出扭矩；

步骤11、所述的工控机控制所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机在当前采样周期下保持当前输出状态不变，并判定T_SN+1是否等于T_SN，如果T_SN+1不等于T_SN，则当前控制周期结束，在进入下一个控制周期时，所述的工控机控制所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机的实际输出扭矩等于当前计算得到的T_SN+1，如果T_SN+1等于T_SN，则记录当前时刻，在当前时刻基础上等待3秒后进入步骤12；

步骤12、将负载释放标记

置为0，伺服电机在伺服驱动控制器驱动下输出与当前向心目标负载力F_S1相匹配的输出力矩，采用公式(5)重新计算下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩T_SN+1，完成当前第N个控制周期的控制，在进入下一个控制周期时，工控机控制伺服电机按照当前计算得到的下一个控制周期的实际输出扭矩T_SN+1进行输出。