一种电动往复脚踏板控制系统的制作方法

本发明涉及模式切换控制，具体涉及一种电动往复脚踏板控制系统。

背景技术：

1、电动往复脚踏板作为一种用于肢体康复训练的周期性运动设备，其核心功能是通过伺服驱动系统控制脚踏板，带动人体下肢沿预设轨迹进行往复摇摆运动，以维持或恢复关节活动能力。

2、目前，大多数电动往复脚踏板控制系统采用基于固定轨迹的比例积分微分（proportion integral differential，pid）反馈控制策略。系统在运行前预先设定固定的转速或摇摆角度参数，在整个训练过程中强制驱动电机按照预设曲线运行，控制参数不随使用过程中外部负载状态的变化而调整。

3、然而，在实际康复训练过程中，外部负载即人体下肢的运动状态是持续动态变化的，包括肌肉力量输出水平的波动、体力疲劳程度的积累以及突发性不自主肌肉反应等多种情况，固定控制策略无法感知和响应这些实时变化，导致设备输出与用户实际需求之间的匹配度较低，整体控制适应性不足，训练过程中存在一定的安全隐患。

技术实现思路

1、为了解决电动往复脚踏板在应对外部负载时控制安全性不足的技术问题，本发明的目的在于提供一种电动往复脚踏板控制系统，所采用的技术方案具体如下：

2、第一方面，提供一种电动往复脚踏板控制系统，包括：数据获取单元，用于获取脚踏板驱动电机的有效交互力矩和脚踏板的瞬时速度，有效交互力矩用于表征去除空载固有力矩后外部负载产生的实际作用力矩；生理特征识别单元，用于根据有效交互力矩和瞬时速度，确定负载的主动协同发力程度和疲劳震颤程度，并基于有效交互力矩在第一时间窗口内的变化量确定瞬态抗拒阻力，在瞬态抗拒阻力满足预设痉挛卡滞条件的情况下生成卡滞预警信号；力矩控制单元，用于在未生成卡滞预警信号的情况下，根据主动协同发力程度和疲劳震颤程度动态调整输出力矩；在生成卡滞预警信号的情况下将输出力矩衰减至零，并在满足预设安全条件后根据疲劳震颤程度以及瞬态抗拒阻力确定力矩恢复速率，基于力矩恢复速率调整输出力矩。

3、一种可能的设计中，数据获取单元包括力矩采集模块、速度确定模块以及力矩补偿模块；力矩采集模块，用于通过用于控制驱动电机的伺服驱动器内部的电流互感器，获取驱动电机的电流，并将电流作为初始交互力矩；速度确定模块，用于通过部署于驱动电机主轴尾部的绝对值编码器获取驱动电机主轴的绝对角度位置，并根据相邻采样时刻的绝对角度位置确定瞬时速度；力矩补偿模块，用于根据当前采样时刻的绝对角度位置和瞬时速度的方向，从预设的空载固有力矩映射关系中查询对应的空载固有力矩，并将初始交互力矩和空载固有力矩之间的差值确定为有效交互力矩。

4、一种可能的设计中，数据获取单元还包括空载标定模块；空载标定模块，用于在脚踏板未加载外部负载的情况下，控制脚踏板执行多个周期的往复运动；通过电流互感器获取各角度位置在不同运动方向下的空载电流，并根据各角度位置在不同运动方向下的空载电流确定各角度位置在不同运动方向下的空载固有力矩，构建角度位置、运动方向与空载固有力矩的映射关系。

5、一种可能的设计中，生理特征识别单元包括发力识别模块、协同程度确定模块以及疲劳程度确定模块；发力识别模块，用于在有效交互力矩与瞬时速度的方向一致的情况下，将有效交互力矩的绝对值确定为顺向做功量，并在有效交互力矩与瞬时速度的方向不一致的情况下，将顺向做功量置为零；协同程度确定模块，用于根据第二时间窗口内各采样时刻的顺向做功量的均值和标准差，确定主动协同发力程度，主动协同发力程度用于表征外部负载的主动做功水平及发力稳定性，第二时间窗口与第一时间窗口的结束时刻均为当前采样时刻，第一时间窗口的起始时刻晚于第二时间窗口的起始时刻；疲劳程度确定模块，用于根据第二时间窗口内各采样时刻的顺向做功量与历史顺向做功量均值的绝对差值，确定疲劳震颤程度，疲劳震颤程度用于表征外部负载的肌肉疲劳及不自主抖动水平。

6、一种可能的设计中，生理特征识别单元还包括瞬态阻力确定模块以及卡滞预警生成模块；瞬态阻力确定模块，用于根据有效交互力矩在第一时间窗口的变化量确定瞬态抗拒阻力；卡滞预警生成模块，用于在连续多个采样时刻的瞬态抗拒阻力均超过预设安全阈值的情况下，判定满足预设痉挛卡滞条件，生成卡滞预警信号。

7、一种可能的设计中，力矩控制单元包括正常顺应控制模块；正常顺应控制模块，用于根据主动协同发力程度和第一力矩调节系数确定发力削减力矩，发力削减力矩用于表征因外部负载主动做功而需从基础补偿力矩中削减的力矩值，基础补偿力矩为在脚踏板带动外部负载往复运动的过程中补偿外部负载重力分量所需的预设力矩；根据疲劳震颤程度和第二力矩调节系数确定疲劳补偿力矩，疲劳补偿力矩用于表征因外部负载疲劳而需在基础补偿力矩之外额外增加的力矩值；根据基础补偿力矩、发力削减力矩和疲劳补偿力矩确定输出力矩。

8、一种可能的设计中，力矩控制单元包括紧急退让控制模块；紧急退让控制模块，用于在生成卡滞预警信号的情况下，切断基础补偿力矩，并将触发时刻对应的有效交互力矩作为安全初始力矩；根据主动协同发力程度和疲劳震颤程度，确定动态衰减率；基于动态衰减率，从安全初始力矩开始衰减输出力矩，直至输出力矩衰减至零。

9、一种可能的设计中，力矩控制单元还包括静默恢复控制模块；静默恢复控制模块，用于在输出力矩衰减至零后，监测有效交互力矩的绝对值；在有效交互力矩的绝对值持续低于预设安全游离阈值的时长超过预设静默等待时长的情况下，判定满足预设安全条件；在满足预设安全条件后，根据在生成卡滞预警信号后的瞬态抗拒阻力的最大值和疲劳震颤程度确定力矩恢复速率；基于力矩恢复速率逐步增加输出力矩，直至输出力矩达到基础补偿力矩，并切换至正常顺应控制模块。

10、一种可能的设计中，上述电动往复脚踏板控制系统还包括摇摆幅度控制单元；摇摆幅度控制单元，用于在脚踏板每完成一个完整的往复运动周期后，根据往复运动周期内由生理特征识别单元确定的主动协同发力程度和疲劳震颤程度，确定下一往复运动周期的目标摇摆幅度。

11、一种可能的设计中，摇摆幅度控制单元，具体用于：根据脚踏板在往复运动周期中的角度位置变化区间，确定脚踏板在往复运动周期的实际摇摆幅度；根据往复运动周期内的主动协同发力程度和第一幅度调节系数确定第一幅度调整量；根据往复运动周期内的疲劳震颤程度和第二幅度调节系数确定第二幅度调整量；根据往复运动周期的实际摇摆幅度、第一幅度调整量和第二幅度调整量确定下一往复运动周期的初始摇摆幅度；在初始摇摆幅度大于预设最大摇摆幅度的情况下，将预设最大摇摆幅度确定为目标摇摆幅度；在初始摇摆幅度小于或等于预设最大摇摆幅度的情况下，将初始摇摆幅度确定为目标摇摆幅度。

12、本发明具有如下有益效果：

13、在本发明提供的电动往复脚踏板控制系统中，通过数据获取单元利用空载标定对初始交互力矩进行补偿，得到有效交互力矩，消除了设备自身阻力对负载状态识别的干扰；生理特征识别单元基于有效交互力矩与瞬时速度的方向关系提取顺向做功量，并通过统计窗口内的均值、标准差及与历史均值的偏差，分别量化主动协同发力程度和疲劳震颤程度，同时利用短时窗差值计算瞬态抗拒阻力并结合连续多周期判据生成卡滞预警信号，从而在排除重力缓变影响的前提下可靠区分负载的主动发力、疲劳震颤与突发肌肉痉挛；力矩控制单元在正常状态下以基础补偿力矩为基准，根据主动协同发力程度削减输出力矩以让渡主导权、根据疲劳震颤程度增加输出力矩以提供兜底保护，在检测到卡滞时则将输出力矩衰减至零，并在确认负载持续放松后依据疲劳震颤程度和历史瞬态抗拒阻力峰值确定恢复速率，逐步重建辅助力矩。由此，将力矩的辅助、退让与恢复过程与实时生理特征深度耦合，克服了传统固定阈值控制无法区分主动对抗与痉挛、易误触发停机或强行拉扯的问题，全面提升了电动往复脚踏板在复杂生物负载条件下的安全性和适应性。