[发明专利]一种智能健身器材爆发力训练的伺服负载控制方法

权利要求书

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。