嵌入式力量器械輔助控制系統的設計與研究

孫祥瑞 婁莉

摘 要：隨著健身人群的增加，安全事故頻頻發生。本文為了改善這一現狀，基于ARM Cortex-M4內核的STM32F407開發板，針對傳統力量健身器械設計了力量輔助控制系統，以提升當下力量健身訓練的訓練效果，減少健身者在身邊無人時存在的安全隱患。該系統主要由2部分組成：第一部分是由編碼器來對器械運動狀態進行識別與檢測;第二部分是伺服電機驅動器的設計與實現。本嵌入式力量輔助系統實現了傳統力量健身器械的功能提升，在訓練者使用本器械時，能夠提供實時的運動狀態和進度反饋，若檢測到訓練者失力或力竭，則電機工作產生輔助力量幫助訓練者完成訓練，提升了訓練的高效性和安全性。

關鍵詞：嵌入式技術;伺服電機;驅動器;STM32文章編號：2095-2163（2019）04-0198-04 中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A

0 引 言

目前，國內健身房中力量型健身器材普遍存在安全性不高、初學者用戶體驗差、智能化缺乏等問題[1]。本文將先進的伺服電機控制技術應用在力量健身器械中[2]，降低了初學者在使用力量器械時受傷的概率，提高史密斯架的安全性，提升訓練者使用史密斯架的訓練效果，改變傳統的無交互式訓練[3-5]。引領健身器材向更智能化的方向發展是目前健身器材行業需要解決的一個重要技術問題。

本文設計的力量輔助控制系統，在訓練者使用力量健身器械時，可將自己的相關訓練意圖輸入到系統中，系統會給出相應的推薦訓練方案，為用戶提供合適的幫助力量，使其安全、高效地完成每組動作。

1 嵌入式力量輔助控制系統硬件

1.1 系統硬件構成

整個力量控制輔助系統采用正點原子的STM32F407為核心控制器， μC/OS II為操作系統的控制方案。這套控制系統硬件主要包括以下幾個部分：開發板、伺服電機、伺服驅動器、編碼器等。工作時，交流電提供給電機驅動模塊，電機驅動模塊控制伺服電機進行工作，伺服電機在工作的同時，其編碼器將電流、速度、位置所檢測到的信息發送到開發板中，開發板通過信號處理將功率進行變換使其發送給電機驅動模塊，電機驅動器模塊根據開發板發來的功率大小控制伺服電機，整個系統為實時閉環系統。

系統的中心控制包括了CPU核心、晶振、復位電路等功能模塊。CPU模塊負責處理編碼器傳送回的數據，再根據程序發出相應的指令。晶振電路則負責給系統提供時鐘信號。用于異常模式回復的復位電路和負責系統監控工作的看門狗系統。這些系統的組合就是該控制系統的中心控制模塊。系統框圖如圖1所示。

中心控制模塊用于處理各個引腳所接收到的數據，經過開發板中的程序處理后發出執行各個功能的信號。信號的輸入和輸出部分包括杠桿運動狀態分析模塊和電機扭矩控制模塊。其中杠桿運動狀態分析模塊是通過編碼器檢測到杠桿的運行方向、速度以及位置后，并把這些數據進行模擬信號到數字信號的轉化，然后發送給CPU進行分析。電機扭矩控制模塊則是將CPU分析出來的杠桿運行狀態按照程序設計的比例將控制信號傳送回私服電機控制端，進而控制電機的扭矩大小，給用戶一個合適的輔助力量。

1.2 位置、速度傳感器的選擇

在本系統中，杠桿運動的位置和速度是分析杠桿運動狀態的2個重要參數，因此有必要選擇一款穩定性優良、精度高的位置、速度傳感器，而且該系統可能未來會使用在各種類型的力量器械上，要考慮到器械操作桿的運動行程長短不一，因此需要較強的適應性。綜合多方面考慮，選擇2 500 p/r（pulse per circule）（分辨率10 000）的三通道增量式編碼器。由于其是與傳動軸直接進行連接，所以該傳感器不僅可以滿足操作桿的位置、速度的獲取，并且采樣速度快、精度高、誤差小，可以分辨0.036°的角度差。

1.3 增量型編碼器的相關設計

該三通道增量式編碼器有3個通道：A、B、Z。A、B相是編碼器內部的兩對光電耦合器，其輸出的兩組脈沖序列相位相差90°。而正轉和反轉時兩路脈沖的超前、滯后關系剛好相反[6-7]。如圖2所示，正轉時，B相的脈沖在上升沿時，A相脈沖為高電平;反之，當反轉時，則A相脈沖為低電平。A、B相用來采集脈沖個數（旋轉角度），并且判斷電機運行的正反方向。而第三個通道Z有一個透光段，每轉動一圈，輸出一個脈沖，該脈沖成為Z相零位脈沖，用作系統清零信號，坐標的原點，以減少測量的累積誤差。

1.4 伺服電機、驅動器的選擇與功能設計

驅動器選擇力川LCDA4-075B2，電機使用750 W的力川07L02-90M02430[8]。

電機接線設計如圖3所示。

由于電機的力矩需要隨著情況實時的改變，而速度和位置是不固定的，主要由用戶的運動狀態來決定，因此在驅動器的硬件設計部分主要采用轉矩模式的設計方式，先將伺服驅動器的CN3上的44針中需要用到的各個相關參數進行初始化，然后，通過上位機發出的模擬信號來對電機進行實時的控制。伺服驅動器的工作模式為轉矩控制，其接線如圖4所示，轉矩模式的功能配置見表1。

2 嵌入式力量輔助控制系統軟件

2.1 軟件體系結構

本系統采用面向對象的思想來設計規劃軟件體系結構，將開發板對應的各個硬件體系用互不干擾的程序模塊進行設計，這樣設計提高了系統的魯棒性，各模塊之間通過單獨的編寫和封裝，每個模塊之間通過約定好的輸入輸出方式來進行通信。各子模塊通過芯片中燒寫的程序來進行相互調用。采用面向對象的方法可以讓后期更新的復雜度降低，添加新模塊而不會影響到其它已有的模塊。嵌入式微處理器軟件體系結構如圖5所示。

2.2 軟件模塊的設計與實現

2.2.1 軟件流程設計

當用戶開始訓練時，系統將根據用戶的個人信息進行系統初始化，并由用戶觸發開始訓練。在訓練過程中，開發板實時監測用戶的訓練情況，將訓練組、次數、訓練時間、當前狀態等信息反饋在屏幕中。當傳感器檢測到用戶力竭時，電機介入工作，幫助用戶完成當下動作。用戶結束訓練后，系統待機工作流程如圖6所示。

2.2.2 交互界面

嵌入式系統的圖形用戶界面，需要可靠性強、移植性高、占用資源盡可能少、方便配置等特點，最終選擇EMWIN為本系統的圖形設計軟件。EMWIN可應用于多任務環境中，同時使用實時操作系統與EMWIN。本文使用ARM Cortex-M4內核的STM32平臺，通過基于STM32平臺μC/OS-II上EMWIN的移植，在此基礎上開發了基于EMWIN的圖形用戶界面，針對不同的訓練者，給出相應的訓練計劃，交互界面如圖7所示。

2.2.3 進程實時監控

傳統無交互式的健身模式下，用戶往往需要自己記錄鍛煉進度（組、次數）。為了改變這一現狀，本文添加了對用戶運動狀態的采集，實時地將訓練者當前運動狀態展現在屏幕上，這樣使訓練者注意力更加集中在當下的訓練上，不會分心去計算記錄當前的進度位置。

要實現這一功能，首先要對用戶的運動軌跡進行監控，每檢測到桿子完成一次完整的行程，當前組數的次數增加1，當檢測到桿子在起始位置停止運動后5 s，則當前組數結束。在每組結束后緊跟著一個定時器，來記錄休息時長，組數增加1。將其錄入在開發版當中的數據通過UART串口發送到顯示屏上，用戶可以通過顯示屏來獲取到自己的實時運動數據，進而達到提高健身專注度和效率的作用。訓練進度實時狀態顯示如圖8所示。

2.2.4 力量輔助

在檢測到用戶處于力竭狀態時，電機需要產生合適的力量去幫助訓練者完成當前動作，而訓練者需要的力量大小是實時變化的。輔助力量的大小主要取決于用戶當前速度和應有速度的差值，本系統則采用力矩線性增長的方式來對訓練者的力量需求和電機實際發力大小作平衡匹配。當用戶速度開始低于正常速度，則電機工作，產生0.05N的力并持續增長，直到用戶的鍛煉速度恢復到了正常值。

3 結束語

本文利用ARM Cortex-M4內核的STM32F407開發板，通過嵌入式工控技術設計了力量輔助控制系統。該系統實現了力量器械對運行狀態的識別，判斷健身者訓練過程中的力量變化，在需要幫助時提供合適的力量輔助，并且實時顯示當前健身進度，減少健身時安全隱患，給健身者帶來了更高效、更安全的健身體驗。

參考文獻

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