孫祥瑞 婁莉

摘 要：隨著健身人群的增加，安全事故頻頻發(fā)生。本文為了改善這一現(xiàn)狀，基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407開發(fā)板，針對傳統(tǒng)力量健身器械設計了力量輔助控制系統(tǒng)，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(tǒng)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(tài)進行識別與檢測;第二部分是伺服電機驅(qū)動器的設計與實現(xiàn)。本嵌入式力量輔助系統(tǒng)實現(xiàn)了傳統(tǒng)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(tài)和進度反饋，若檢測到訓練者失力或力竭，則電機工作產(chǎn)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(qū)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(nèi)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(tǒng)的無交互式訓練[3-5]。引領健身器材向更智能化的方向發(fā)展是目前健身器材行業(yè)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(tǒng)，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(tǒng)中，系統(tǒng)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(tǒng)硬件

1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

整個力量控制輔助系統(tǒng)采用正點原子的STM32F407為核心控制器， μC/OS II為操作系統(tǒng)的控制方案。這套控制系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個部分：開發(fā)板、伺服電機、伺服驅(qū)動器、編碼器等。工作時，交流電提供給電機驅(qū)動模塊，電機驅(qū)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(fā)送到開發(fā)板中，開發(fā)板通過信號處理將功率進行變換使其發(fā)送給電機驅(qū)動模塊，電機驅(qū)動器模塊根據(jù)開發(fā)板發(fā)來的功率大小控制伺服電機，整個系統(tǒng)為實時閉環(huán)系統(tǒng)。

系統(tǒng)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(shù)據(jù)，再根據(jù)程序發(fā)出相應的指令。晶振電路則負責給系統(tǒng)提供時鐘信號。用于異常模式回復的復位電路和負責系統(tǒng)監(jiān)控工作的看門狗系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的組合就是該控制系統(tǒng)的中心控制模塊。系統(tǒng)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(shù)據(jù)，經(jīng)過開發(fā)板中的程序處理后發(fā)出執(zhí)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(tài)分析模塊和電機扭矩控制模塊。其中杠桿運動狀態(tài)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(shù)據(jù)進行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化，然后發(fā)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(tài)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(tǒng)中，杠桿運動的位置和速度是分析杠桿運動狀態(tài)的2個重要參數(shù)，因此有必要選擇一款穩(wěn)定性優(yōu)良、精度高的位置、速度傳感器，而且該系統(tǒng)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(nèi)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(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時，B相的脈沖在上升沿時，A相脈沖為高電平;反之，當反轉(zhuǎn)時，則A相脈沖為低電平。A、B相用來采集脈沖個數(shù)（旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動一圈，輸出一個脈沖，該脈沖成為Z相零位脈沖，用作系統(tǒng)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(qū)動器的選擇與功能設計

驅(qū)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(tài)來決定，因此在驅(qū)動器的硬件設計部分主要采用轉(zhuǎn)矩模式的設計方式，先將伺服驅(qū)動器的CN3上的44針中需要用到的各個相關參數(shù)進行初始化，然后，通過上位機發(fā)出的模擬信號來對電機進行實時的控制。伺服驅(qū)動器的工作模式為轉(zhuǎn)矩控制，其接線如圖4所示，轉(zhuǎn)矩模式的功能配置見表1。

2 嵌入式力量輔助控制系統(tǒng)軟件

2.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮乃枷雭碓O計規(guī)劃軟件體系結(jié)構(gòu)，將開發(fā)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(tǒng)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(diào)用。采用面向?qū)ο蟮姆椒梢宰尯笃诟碌膹碗s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(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2 軟件模塊的設計與實現(xiàn)

2.2.1 軟件流程設計

當用戶開始訓練時，系統(tǒng)將根據(jù)用戶的個人信息進行系統(tǒng)初始化，并由用戶觸發(fā)開始訓練。在訓練過程中，開發(fā)板實時監(jiān)測用戶的訓練情況，將訓練組、次數(shù)、訓練時間、當前狀態(tài)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(jié)束訓練后，系統(tǒng)待機工作流程如圖6所示。

2.2.2 交互界面

嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)的圖形設計軟件。EMWIN可應用于多任務環(huán)境中，同時使用實時操作系統(tǒng)與EMWIN。本文使用ARM Cortex-M4內(nèi)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(fā)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(jiān)控

傳統(tǒng)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(shù)）。為了改變這一現(xiàn)狀，本文添加了對用戶運動狀態(tài)的采集，實時地將訓練者當前運動狀態(tài)展現(xiàn)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(xiàn)這一功能，首先要對用戶的運動軌跡進行監(jiān)控，每檢測到桿子完成一次完整的行程，當前組數(shù)的次數(shù)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(shù)結(jié)束。在每組結(jié)束后緊跟著一個定時器，來記錄休息時長，組數(shù)增加1。將其錄入在開發(fā)版當中的數(shù)據(jù)通過UART串口發(fā)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(shù)據(jù)，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(tài)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(tài)時，電機需要產(chǎn)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(tǒng)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(fā)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(chǎn)生0.05N的力并持續(xù)增長，直到用戶的鍛煉速度恢復到了正常值。

3 結(jié)束語

本文利用ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407開發(fā)板，通過嵌入式工控技術設計了力量輔助控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了力量器械對運行狀態(tài)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

[1] 劉洋. 智能化健身器械的研究與應用設計[D]. 合肥：中國科學技術大學， 2015.

[2]魏松. 基于交流伺服的健身器材負載控制系統(tǒng)研究[D]. 濟南：山東建筑大學， 2015.

[3]YANG Wenlei， JANG Tingbiao. Hardware design of digital AC servo system based on DSP2812[C]//2010 International Conference on Intelligent Computing and Integrated Systems. Guilin， China：IEEE， 2010：337-340.

[4]紀科輝. 低速交流電機伺服系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 杭州：浙江大學， 2013.

[5]LIM J E， CHOI O， NA H S， et al. Design of intelligent fitness guide system in context aware exercise environment[D]//Future Generation Communication and Networking （FGCN 2007）.Jeju， South Korea：IEEE，2007：1-4.

[6]REZAEE A. Determining PID controller coefficients for the moving motor of a welder robot using fuzzy logic[J]. Automatic Control and Computer Sciences，2017，51（2）：124-132 .

[7]荊建立， 王艷春， 朱永慶. 無刷直流電機模糊參數(shù)自適應PID控制[J]. 控制工程， 2018， 25（5）：915-919.

[8]覃海濤. 交流伺服系統(tǒng)自調(diào)整技術研究[D]. 武漢：華中科技大學博士學位論文，2011.