1.本发明涉及训练器械的技术领域，特别是指一种机械臂力场控制方法及系统。
背景技术：2.力量训练又称阻力训练(resistance training)，是一种体能锻炼，通过诱导肌肉收缩对抗外界阻力，从而增强力量、无氧耐力和骨骼肌的大小。力量训练通常采用各种特定的动作和设备来针对特定的肌肉群。常用的力量训练设备包括：自由重量器械、固定器械、半固定器械/绳索类器械。
3.自由重量器械是指杠铃、哑铃、壶铃等非固定式的训练器械。使用者通过克服器械本身的重力来达到力量训练的目的。由于涉及到的肌群多，自由重量训练被认为是一种非常高效的训练，但是其动作相对不容易手上。特别是深蹲、硬拉、卧推等经典自由重量训练项目，对于初学者，在没有指导的情况下甚至无法完成一个标准动作。因此，自由重量器械存在安全风险高的问题，一方面训练动作容易变形，轻则导致不当的肌肉代偿，重则造成运动伤害，另一方面，在进行大重量训练时往往需要教练或健身伙伴进行协助或保护，否则容易放生器械跌落等危险情况。
4.固定器械是指一些专门设计的训练器械。训练者可以坐/卧在器械之上，通过移动握把、脚踏或其它附件克服阻力进行锻炼。固定器械通过特别设计的连杆、滑轮或其他机械结构，控制使用者的运动轨迹，帮助使用者进行力量训练。固定器械通过限制使用者的身体位置以及运动的轨迹，使得锻炼过程变得简单。同时，固定器械带有机械限位，即使使用者中途力竭，器械也能保障使用者的安全。但是固定器械的缺点也很明显：首先是不利于提高使用者身体的稳定功能和协调性。固定器械由于运动轨迹被固定，动作中不需要依赖使用者自身的稳定能力，再加上固定器械常常是坐姿或卧姿，这都无法提高身体的稳定功能和协调性。其次，为了实现对于轨迹的控制，往往需要借助较为复杂的机械结构，从而重量大、占地大，采购成本也较为昂贵。再次，单台固定器械往往只能用于一个到几个力量训练动作。如果想覆盖所有的肌群训练，则需要购置多台不同的设备，更增加了使用者的空间成本和金钱成本。此外，固定器械在设计时仅能按照一个假想的平均体型去设计其几何尺寸，调节能力非常有限，无法满足每个训练者对于轨迹的个性化的需求。
5.半固定器械/绳索类器械是指一类使用绳索和滑轮组的器械，其特点是器械产生的阻力通过绳索作用在使用者所握持的握把或腕带、腰带上，可以根据使用者的意图改变力的方向，但不限制运动轨迹、活动范围。常见的自由重量器械包括龙门架、绳索高位下拉机、绳索坐姿划船机等。这种设备介于自由重量器械与固定器械之间。相较于固定器械动作，半固定器械需要更多的肌群参与训练，单台设备可以完成的力量训练种类更多。半固定器械/绳索类器械使用安全性有所改善，但其体积通常非常庞大，价格昂贵，也未能克服自由重量器械使用门槛高，无法进行孤立肌肉训练的弊端。
6.由此可见，自由重量器械、固定器械、半固定器械/绳索类器械均有其适用的范围，也存在缺陷，彼此之间无法相互替代，力量训练者往往都会使用以上三类器械。现有训练设
备都无法同时实现以上三类器械的功能，并克服以上器械的缺陷。
技术实现要素：7.本发明要解决的技术问题是提供一种机械臂力场控制方法及系统，根据机械臂末端的空间坐标、训练动作对应参数确定总和力场相关参数来驱动机械臂，在一台设备上同时实现自由重量器械、固定器械、半固定器械的功能，可以快速切换动作类型，灵活设置运动强度，根据使用者身体情况快速改变轨迹参数，同时保证使用者力竭后的安全性。
8.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
9.本发明的实施例提供一种机械臂力场控制方法，所述方法包括：
10.根据机械臂末端的空间坐标、训练动作对应参数确定所述空间坐标处机械臂应施加的力矢量信息；
11.向机械臂发出包含力矢量信息的控制指令。
12.可选地，还包括：所述训练动作对应参数包括训练动作类型、训练动作类型对应总和力场函数、轨迹力场边界参数、和/或训练强度。
13.可选地，还包括：所述力矢量信息可由公式表述为：
[0014][0015]
其中，
[0016]fn-m
是第n类动作中的第m个动作的总和力场函数，其中，f
n-m
在c(x,y,z)处于所述动作的轨迹力场边界以内时模拟所述动作对应器材的物理模式，在c(x,y,z)处于所述动作的轨迹力场边界以外时同时叠加垂直所述轨迹力场边界且方向指向轨迹力场边界以内的机械臂最大力；
[0017]
a是所述动作的轨迹力场边界；
[0018]
b是使用者选择的所述动作达到的训练强度；
[0019]
c(x,y,z)是机械臂末端的实时空间坐标；
[0020]
是在位置c(x,y,z)处机械臂应产生的力场的大小和方向。
[0021]
可选地，所述动作的轨迹力场边界a通过关键点定义法、边界指示法、路径录制法，和/或关键参数定义法确定。具体地，所述动作的轨迹力场边界a通过定义力场边界点位置方式、通过使用者移动机械臂输入轨迹边界、通过使用者移动机械臂输入轨迹路径，和/或通过输入标识轨迹力场边界的参数来确定。
[0022]
可选地，其特征在于，所述实时空间坐标通过图像获取法或空间坐标解算法获得。
[0023]
可选地，还包括：将训练动作按照模拟的器械类型进行分类；
[0024]
将训练动作对应总和力场函数对应各个器械类型下的各个训练动作类型进行存储，或者，将训练动作对应总和力场函数对应各个器械类型下的各个训练动作类型的各个训练强度进行存储。
[0025]
可选地，还包括：根据使用者的输入改变轨迹参数和/或切换动作类型和/或设置运动强度，或者，根据第三方接口的输入改变轨迹参数和/或切换动作类型和/或设置运动强度。
[0026]
可选地，还包括：模拟所述动作对应器材的物理模式包括：针对自由重量器械类
型，产生模拟重力向下的轨迹力场；针对固定器械类型，产生固定轨迹方向的轨迹力场；针对半固定器械/绳索类器械，产生围绕虚拟圆心移动的轨迹力场。
[0027]
本发明的实施例还提供一种机械臂力场控制系统，至少包括：力场控制模块、运动控制模块和机械臂，其中，
[0028]
力场控制模块，用于根据机械臂末端的空间坐标、训练动作对应参数确定所述空间坐标处机械臂应施加的力矢量信息，并将所述力矢量信息发送给运动控制模块；
[0029]
运动控制模块，用于根据力矢量信息确定给定空间坐标处机械臂应施加的总和力的大小和方向，向机械臂发出包含所述总和力的大小和方向的控制指令；
[0030]
机械臂，用于根据所述控制指令施力。
[0031]
可选地，还包括：所述训练动作对应参数包括训练动作类型、训练动作类型对应总和力场函数、轨迹力场边界参数、和/或训练强度。
[0032]
可选地，还包括：还包括：所述力矢量信息可由公式表述为：
[0033][0034]
其中，
[0035]fn-m
是第n类动作中的第m个动作的总和力场函数，其中，f
n-m
在c(x,y,z)处于所述动作的轨迹力场边界以内时模拟所述动作对应器材的物理模式，在c(x,y,z)处于所述动作的轨迹力场边界以外时同时叠加垂直所述轨迹力场边界且方向指向轨迹力场边界以内的机械臂最大力；
[0036]
a是所述动作的轨迹力场边界；
[0037]
b是使用者选择的所述动作达到的训练强度；
[0038]
c(x,y,z)是机械臂末端的实时空间坐标；
[0039]
是在位置c(x,y,z)处机械臂应产生的力场的大小和方向。
[0040]
可选地，还包括参数输入模块，用于向力场控制模块改变轨迹参数和/或切换动作类型和/或设置运动强度。
[0041]
可选地，还包括机械臂末端位置输入模块，用于向力场控制模块输入机械臂末端位置信息；所述位置信息通过图像获取法或空间坐标解算法获得。
[0042]
可选地，所述动作的轨迹力场边界a通过关键点定义法、边界指示法、路径录制法，和/或关键参数定义法确定。具体地，所述动作的轨迹力场边界a通过定义力场边界点位置方式、通过使用者移动机械臂输入轨迹边界、通过使用者移动机械臂输入轨迹路径，和/或通过输入标识轨迹力场边界的参数来确定。
[0043]
可选地，将训练动作按照模拟的器械类型进行分类；
[0044]
将训练动作对应总和力场函数对应各个器械类型下的各个训练动作类型存储在力场控制模块，或者，将训练动作对应总和力场函数对应各个器械类型下的各个训练动作类型的各个训练强度存储在力场控制模块。
[0045]
本发明的实施例还提供一种健身器，其包括以上机械臂力场控制系统。
[0046]
本发明的实施例还提供一种健身器，其包括：机械臂、设置在机械臂上的传感器、处理器、存储有计算机程序的存储器，所述计算机程序被处理器运行时，执行以上机械臂力场控制方法。
[0047]
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
[0048]
本发明提供的机械臂力场控制方法及系统，使用由“轨迹力场”和“边界力场”组成的总和力场来驱动机械臂，具体地针对三类健身器械设定的三类动作和对应边界空间，结合使用者设定参数计算总和力场，可以快速切换动作类型，灵活设置运动强度，根据使用者身体情况快速改变轨迹参数，同时保证使用者力竭后的安全性。无须多套机械部件即可在一台设备上同时实现自由重量器械、固定器械、半固定器械的功能，重量轻、占地小，降低了采购成本，同时克服了自由重量器械安全风险高的问题、固定器械锻炼模式单一、调节能力有限的问题，以及半固定器械/绳索类器械体积庞大、价格昂贵、使用门槛高的弊端。
附图说明
[0049]
图1是本发明实施例的机械臂力场控制系统的示意图；
[0050]
图2是本发明的实施例空间坐标解算法的示意图；
[0051]
图3是本发明实施例的图像获取法的示意图；
[0052]
图4是本发明实施例的机械臂力场控制方法的流程示意图；
[0053]
图5是本发明实施例的力量训练动作类型示意图；
[0054]
图6是本发明的实施例力场控制模块数据存储的示意图；
[0055]
图7是本发明的实施例中总和力场生成的示意图；
[0056]
图8是本发明的实施例中健身器使用者设定锻炼目标后机械臂控制系统的运行流程示意图；
[0057]
图9是本发明的实施例中关键点定义法确定轨迹力场边界的示意图；
[0058]
图10是本发明的实施例中边界指示法确定轨迹力场边界的示意图；
[0059]
图11是本发明的实施例中路径录制法确定轨迹力场边界的示意图；
[0060]
图12是本发明的实施例中关键参数定义法确定轨迹力场边界的示意图；
[0061]
图13是本发明的实施例中第i类动作的具体示例；
[0062]
图14是本发明的实施例中第ii类动作的具体示例；
[0063]
图15是本发明的实施例中第iii类动作的具体示例。
具体实施方式
[0064]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0065]
如图1所示，本发明的实施例提供一种机械臂力场控制系统，至少包括：力场控制模块、运动控制模块和机械臂，其中，
[0066]
力场控制模块，用于根据机械臂末端的空间坐标、训练动作对应参数确定所述空间坐标处机械臂应施加的力矢量信息，并将所述力矢量信息发送给运动控制模块；
[0067]
运动控制模块，用于根据力矢量信息确定给定空间坐标处机械臂应施加的总和力的大小和方向，向机械臂发出包含所述总和力的大小和方向的控制指令；
[0068]
机械臂，用于根据所述控制指令施力。
[0069]
其中，机械臂可以是电机驱动、液压驱动、气压驱动等多种驱动形式；可以是单条臂或多机械臂；可以是任意自由度机械臂。
[0070]
为了模拟三类健身器械的物理模式，机械臂可以包含三个活动连接的子臂，例如ab、bc和cd段，通过三个子臂相互配合模拟各种动作对应的器材的物理模式。进一步地，模拟动作对应器材的物理模式包括：针对自由重量器械类型，产生模拟重力向下的轨迹力场；针对固定器械类型，产生固定轨迹方向的轨迹力场；针对半固定器械/绳索类器械，产生围绕虚拟圆心移动的轨迹力场。
[0071]
运动控制模块用以接收力场控制模块发出的控制参数，也就是运动轨迹中空间某一点处需要机械臂产生的阻力大小和方向。此控制参数将作为机械臂的控制目标，由运动控制模块根据被控制的机械臂的特点，转换成具体的控制信号。本领域技术人员可在此运动控制模块中添加各种控制策略(如pid、lqr等)，以使得机械臂可以快速达到由力场控制模块发出的控制目标。
[0072]
进一步地，机械臂力场控制系统还包括参数输入模块，可以包括人机交互、第三方数据接口、机械臂反馈信号等多种信息来源，也可由计算机算法自动生成相关参数，用以向力场控制模块输入不同的力量训练动作和/或更改总和力场的相关参数或计算参数(如大小、方向、边界等)。
[0073]
可选地，所述训练动作对应参数包括训练动作类型、训练动作类型对应总和力场函数、轨迹力场边界参数、和/或训练强度。
[0074]
机械臂末端往往固定有握把、脚踏等配件，是使用者与健身机械臂相接触的部位，使用者通过对抗机械臂末端的阻力来实现健身目的。
[0075]
进一步地，还包括机械臂末端位置输入模块，可以将机械臂末端的实时空间位置输入到力场控制模块中。机械臂末端位置输入模块，可以来自机械臂自身的传感器，也可使用其他独立传感器。
[0076]
具体机械臂末端位置的获取方式包括“图像获取法”、“空间坐标解算法”，具体如下：
[0077]
(一)空间坐标解算法：
[0078]
所谓空间坐标解算法，指通过传感器获取的机械臂关节角度参数，结合已知的机械臂固有的几何尺寸，通过计算的方式求解机械臂端点的空间坐标。
[0079]
以二维平面运动为例，构建平面直角坐标系，如图2所示。
[0080]
abcd为机械臂，ab、bc、cd为机械臂的三段。ab可以绕关节b转动，bc可以绕关节c转动，de为机械臂的水平基座，cd垂直固定于de。
[0081]
已知ab、bc、cd的长度。
[0082]
关节b传感器能实时获取ab与bc的夹角，关节c传感器能实时获取bc与dc的夹角。
[0083]
由几何关系可知，此时a点的x，y坐标分别为：
[0084]
xa＝xb+l1×
sin[α-(π-β)]＝l2×
sin(π-β)+l1×
sin[α-(π-β)]ya＝y
b-l1×
cos[α-(π-β)]＝l3+l2×
cos(π-β)-l1×
cos[α-(π-β)]
[0085]
空间坐标解算方法可根据不同动作轨迹特点进行计算，不局限于以上计算方法。
[0086]
(二)图像获取法
[0087]
所谓图像获取法，指通过图像采集与识别的方式，获得机械臂端点与参照点的相
对位置关系，并计算出端点的空间坐标的方法。
[0088]
以二维平面运动为例，构建平面直角坐标系，如图3所示。
[0089]
abcd为机械臂，ab、bc、cd为机械臂的三段。ab可以绕关节b转动，bc可以绕关节c转动，de为机械臂的水平基座，cd垂直固定于de。
[0090]
已知de的实际长度l1。
[0091]
在a、d、e三点分别有便于识别的标志物。
[0092]
在平面外有一摄像头可拍摄a、d、e的实时相对位置关系。
[0093]
通过此相对位置关系可得图像中de长度为l1，ad长度为l2，ad与ed的夹角为α。
[0094]
则通过计算可得ad的实际长度为：
[0095][0096]
由几何关系可知，此时a点的x，y坐标分别为：
[0097][0098]
如图4所示，一种机械臂力场控制方法，所述方法包括：
[0099]
步骤1，根据机械臂末端的空间坐标、训练动作对应参数确定所述空间坐标处机械臂应施加的力矢量信息；
[0100]
步骤2，向机械臂发出包含力矢量信息的控制指令。
[0101]
该实施例中，如图5所示，将使用者的力量训练动作按照模拟的器械类型至少分为3类。将模拟自由重量器械的力量训练动作称为“第i类动作”(图5a)，对应的边界空间称为“第i类边界空间”。由于传统的自由重量器械不设置边界轨道，器械在重力作用下，始终产生向下的阻力。使用者的运动在一个只有下界(如地面)的边界空间内进行。将模拟使用固定器械的力量训练动作称为“第ii类动作”(图5b)，对应的边界空间称为“第ii类边界空间”。由于固定器械使用机械限位轨道，使得使用者只能沿此轨道对抗阻力，阻力方向与运动方向相反并与轨道相切。使用者在一个边界空间内对抗阻力，边界空间是一条直线或曲线，与其模拟的固定器械物理轨道相同。将模拟半固定器械/绳索类器械的力量训练动作称为“第iii类动作”(图5c)，对应的边界空间称为“第iii类边界空间”。半固定器械/绳索类器械使用绳索时，使用者所受阻力始终沿绳索指向绳索可以自由转动的圆心，从而创造了一个半开放的边界空间。此外，还可以根据外接第三方app输入、用户习惯或个性化训练目标增加新的动作类型。
[0102]
以上动作对应的总和力场函数f
n-m
可预先存储在机械臂力场控制系统包含的力场控制模块中，如图6所示。其中，针对“第i类动作”、“第ii类动作”、“第iii类动作”，
……
，“第n类动作”分别存储其包含的子动作(i-1，i-2，
……
，ii-1，ii-2，
……
，iii-1，iii-2，
……
，n-1，n-2)所对应的总和力场函数，以便根据健身器使用者的选择计算总和力场。一种可选方式，以上针对不同类别动作所包含的特定子动作，还可针对不同训练强度分别保存对应的总和力场函数。可通过查询或检索的方式确定所需总和力场函数，具体地，可根据输入的动作类别、训练强度和/或轨迹力场边界查询或检索对应的总和力场函数。
[0103]
进一步地，力矢量信息取决于各类训练动作下具体的训练动作、设定的轨迹力场
边界、使用者选择的训练强度以及当前作为位置与轨迹力场范围的关系。力矢量信息可由公式表述为：
[0104][0105]
其中，
[0106]fn-m
是第n类动作中的第m个动作的总和力场函数，其中，f
n-m
在c(x,y,z)处于所述动作的轨迹力场边界以内时模拟所述动作对应器材的物理模式(即产生轨迹力场)，在c(x,y,z)处于所述动作的轨迹力场边界以外时同时叠加垂直所述轨迹力场边界且方向指向轨迹力场边界以内的机械臂最大力(即产生边界力场)。最终计算出的是在位置c(x,y,z)处机械臂产生的总和力场，该总和力场是轨迹力场与边界力场叠加的结果，图7示出了一个典型的二维空间内的总和力场。每个“总和力场”由其对应的“轨迹力场”和“边界力场”矢量叠加而成，其原理同样适用于三维空间中。轨迹力场模拟的是某个力量训练动作中，对应使用的传统的自由重量/固定/半固定器械/其他设备所产生的阻力。边界力场模拟的是某个力量训练动作中，对应使用的传统的自由重量/固定/半固定器械所限定的限制进入空间。
[0107]
a是所述动作的轨迹力场边界，即处于安全的或用户设定的目标运动范围；
[0108]
b是使用者选择的所述动作达到的训练强度；b可由使用者通过人机交互界面或第三方平台输入，训练强度可对应训练等级或训练难度，例如可以为训练的公斤数；
[0109]
c(x,y,z)是机械臂末端的实时空间坐标；
[0110]
是在位置c(x,y,z)处机械臂应产生的力场的大小和方向。
[0111]
图8示出了健身器使用者设定锻炼目标后机械臂控制系统的运行流程，在锻炼开始前，使用者通过参数输入模块确定本次训练选择的第n类动作中的第m个动作所对应的总和力场函数f
n-m
，设定所述动作的轨迹力场边界a以及所述动作的训练强度b。当开始锻炼后，机械臂末端位置输入模块将机械臂的末端的空间坐标位置c(x,y,z)传递给力场控制模块，从而供力场控制模块使用总和力场函数f
n-m
计算出针对当前空间坐标位置机械臂应施加的阻力矢量运动控制模块以阻力矢量为控制目标对机械臂进行控制。
[0112]
可选地，轨迹力场边界可由用户根据自身体型、运动喜好等随意设定。具体可采用所述动作的轨迹力场边界a通过关键点定义法、边界指示法、路径录制法，和/或关键参数定义法确定。
[0113]
(一)关键点定义法：
[0114]
所谓关键点定义法，是指通过定义边界的几个关键点后，系统通过关键点生成轨迹力场边界的方法。可用于第i、第ii、第iii类动作的轨迹力场边界的输入。图9是本发明的实施例中关键点定义法确定轨迹力场边界的示意图。
[0115]
以二维平面中的第i类器械动作为例，如图9a：
[0116]
某动作的轨迹力场边界如图中橙色虚线所示。
[0117]
为了输入此边界，使用者可以在输入模式中，移动机械臂末端到a点并向力场控制模块发送此点坐标。
[0118]
此后，移动机械臂末端到b点并向力场控制模块发送此点坐标。
[0119]
此后，移动机械臂末端到c点并向力场控制模块发送此点坐标。
[0120]
此后，移动机械臂末端到d点并向力场控制模块发送此点坐标。
[0121]
结束输入后，系统可依次连接a、b、c、d点，构成轨迹力场边界。
[0122]
以二维平面中的第ii类器械动作为例，如图9b：
[0123]
某动作的轨迹力场边界如图中橙色虚线所示。
[0124]
为了输入此边界，使用者可以在输入模式中，移动机械臂末端到a点并向力场控制模块发送此点坐标。
[0125]
此后，移动机械臂末端到b点并向力场控制模块发送此点坐标。
[0126]
结束输入后，系统可通过a、b点，构成轨迹力场边界。
[0127]
以二维平面中的第iii类器械动作为例，如图9c：
[0128]
某动作的轨迹力场边界如图中橙色虚线所示。
[0129]
为了输入此边界，使用者可以在输入模式中，移动机械臂末端到a点并向力场控制模块发送此点坐标。
[0130]
此后，移动机械臂末端到b点并向力场控制模块发送此点坐标。
[0131]
此后，移动机械臂末端到c点并向力场控制模块发送此点坐标。
[0132]
结束输入后，系统可用直线连接ab、ac点，并判断ab和ac的长度(图中ac长度小于ab)，用圆弧连接ab和ac(圆心为a点，半径为ac)，可构成轨迹力场边界。
[0133]
(二)边界指示法：
[0134]
所谓边界指示法，是指通过直接指示轨迹力场边界进行输入的方法。常用于第i类动作的边界的输入。
[0135]
以二维平面中的第i类器械动作为例，如图10：
[0136]
某动作的轨迹力场边界如图中橙色虚线所示。
[0137]
为了输入此边界，使用者可以在输入模式中，从a点开始移动机械臂末端，依次经过b点、c点、d点并最终回到a点附近。
[0138]
此过程中，机械臂末端坐标被记录并发送到力场控制模块。
[0139]
结束输入后，系统依照记录的路径，生成轨迹力场边界。
[0140]
(三)路径录制法：
[0141]
所谓路径录制法，是指通过录制所需运动轨迹来生成轨迹力场边界的方法。常用于第ii类动作的边界的输入。
[0142]
以二维平面中的第ii类器械动作为例，如图11所示：
[0143]
某动作的轨迹力场边界如图中橙色虚线所示。
[0144]
为了输入此边界，使用者可以在输入模式中，从a点开始移动机械臂末端，最终到达b点。
[0145]
此过程中，机械臂末坐标被记录并发送到力场控制模块。
[0146]
这一些列坐标构成了我们希望机械臂可以被移动的路径。
[0147]
在此路径之外均为边界力场，它与路径的交界就是轨迹力场边界。
[0148]
(四)关键参数定义法：
[0149]
所谓关键参数定义法，是指通过输入轨迹力场边界的关键参数来生成轨迹力场边界的方法。可用于第i、第ii、第iii类动作的边界a的输入。
[0150]
图12是本发明的实施例中关键参数定义法确定轨迹力场边界的示意图。
[0151]
以二维平面中的第i类器械动作为例，如图12a：
[0152]
某动作的轨迹力场边界如图中橙色虚线所示。
[0153]
为了输入此边界，使用者可以在输入模式中，移动机械臂末端到a点并向力场控制模块发送此点坐标，假设为(xa,ya)。
[0154]
此后，移动机械臂末端到c点并向力场控制模块发送此点坐标，假设为(xc,yc)。
[0155]
系统可计算出b点坐标为(xa,yc)，d点坐标为(xc,ya)。
[0156]
依次连接a、b、c、d点，构成轨迹力场边界。
[0157]
以二维平面中的第ii类器械动作为例，如图12b所示，一种可能的方式是：
[0158]
某动作的轨迹力场边界如图中橙色虚线所示。
[0159]
为了输入此边界，使用者可以在输入模式中，移动机械臂末端到a点并向力场控制模块发送此点坐标，假设为(xa，ya)。
[0160]
此后，输入轨迹力场与水平面的夹角a，轨迹力场长度l，系统可计算出b点坐标，假设为：
[0161]
(x
a-l
×
cos a，ya+l
×
sin a)
[0162]
结束输入后，系统可通过a、b点，构成轨迹力场边界。
[0163]
以二维平面中的第iii类器械动作为例，如图12c所示，一种可能的方式是：
[0164]
某动作的轨迹力场边界如图中橙色虚线所示。
[0165]
为了输入此边界，使用者可以在输入模式中，移动机械臂末端到a点并向力场控制模块发送此点坐标。
[0166]
此后，移动机械臂末端到b点并向力场控制模块发送此点坐标。
[0167]
此后，输入夹角a。
[0168]
结束输入后，系统以a为圆心、ab为半径、b点位起点，构建夹角为a的圆弧bc，则abc构成轨迹力场边界。
[0169]
需要特别注意的是：上述确定力场边界的方法中，关键点和路径的获取，既可以通过机械臂末端位置进行指示，也可以通过ui界面或虚拟界面上进行指示。
[0170]
当通过ui界面或虚拟界面上进行指示时，当选择一个动作后，系统首先会载入一个默认的轨迹力场边界。此边界可由设备在出厂时指定，也可来源于用户在上一次使用相同动作时保存的位置。
[0171]
以上实施例仅作示例，不做实施方式的限制，技术人员也可以开发出更多的用于边界a的输入方式。设备可以单独使用也可混合使用上述方法进行轨迹力场边界的输入。
[0172]
以下以各类动作的具体动作示例，做进一步说明。
[0173]
该实施例中，以第i类动作中的典型力量训练动作——杠铃平板卧推为例，如图13所示：
[0174]
当使用传统的自由重量器械——杠铃进行训练时，使用者平躺并将杠铃从杠铃架取下后，杠铃受到的重力为此动作提供阻力，如图13a。此力量大小由杠铃铃片决定，方向始终垂直向下。此动作的运动轨迹非固定-全开放，使用者可以在平面内任意移动杠铃。
[0175]
如图13b，在本发明模拟此种设备实现此种运动过程中，轨迹力场需要模拟铃片产生的阻力，可根据使用者设定训练强度值调节大小，方向始终垂直向下。边界力场大小为机械臂在此点可以产生的最大阻力，方向垂直于轨迹力场空间的边界。在使用者试图将机械臂手柄移动到边界力场的过程中，此边界力场用于限定移动空间，将产生巨大阻力防止使
用者将机械臂手柄移动到错误的位置。例如，当使用者企图将手柄向起始位水平线以下移动时，边界力场将对抗此位移的发生，这就模拟了在使用自用重量器械进行锻炼的过程中，杠铃支架对杠铃的限制情况，形成“虚拟边界”。当前，可设置施加的阻力值为该训练器械能施加力的最大值。
[0176]
以第ii类动作中的典型力量训练动作——史密斯机深蹲为例，如图14所示：
[0177]
当使用传统的固定器械——史密斯机进行深蹲训练时，使用者站在史密斯机中间，将杆放置在后肩位置，并沿着史密斯机给定的轨道进行蹲起运动，如图14a。运动轨迹完全固定，使用者必须在该轨迹内完成运动。
[0178]
如图14b，在本发明模拟此种设备实现此种运动过程中，轨迹力场需要模拟史密斯机铃片产生的阻力，其大小可调，由使用者通过“参数输入模块”在锻炼开始前设定，方向沿着轨迹的切线斜向下。轨迹由使用者通过“参数输入模块”在锻炼开始前设定。边界力场产生的阻力大小为机械臂在该边界力场所在点可以产生的最大力，方向垂直于轨迹力场空间的边界。如果使用者将机械臂手柄移动到边界力场中，此时机械臂将产生巨大阻力并试图将手柄推回到轨迹力场中。由此产生的效果，使得使用者在轨迹力场空间中的运动是最省力的，由此实现了对于使用者运动轨迹的约束，即实现了“虚拟边界”。当前，可设置施加的阻力值为该训练器械能施加力的最大值。
[0179]
以第iii类动作中的典型力量训练动作——绳索弯举为例，如图15所示：
[0180]
当使用传统的半固定器械——龙门架进行训练时，使用者面朝器械站立，调整好重量后，以手肘为轴心进行二头肌弯举，如图15a。由于该固定器械与人体交互的界面为绳索，其运动轨迹非固定-半开放，使用者可以在一个扇形区间内完成运动。所受阻力大小由器械的重块数量决定，阻力方向指向绳索自由端点。
[0181]
如图15b，在本发明模拟此种设备实现此种运动过程中，轨迹力场需要模拟龙门架的重块产生的阻力，其大小可调，由使用者通过“参数输入模块”在锻炼开始前设定，方向始终指向一个虚拟的圆心。此虚拟圆心由使用者通过“参数输入模块”在锻炼开始前设定。
[0182]
边界力场产生的阻力大小为机械臂在该边界力场所在点可以产生的最大力，方向垂直于轨迹力场空间的边界。如果使用者将机械臂手柄移动到边界力场范围中，此时机械臂将产生巨大阻力并试图将手柄推回到轨迹力场中。由此产生的效果，使得使用者在轨迹力场空间中的运动是最省力的，由此实现了对于使用者运动轨迹的约束，即实现了“虚拟边界”。当前，可设置施加的阻力值为该训练器械能施加力的最大值。
[0183]
本发明的实施例还提供一种健身器，包括：上述机械臂力场控制系统。
[0184]
本发明的实施例还提供一种健身器，包括：机械臂、设置在机械臂上的传感器、处理器、存储有计算机程序的存储器，所述计算机程序被处理器运行时，执行上述的机械臂力场控制方法。
[0185]
需要说明的是，该设备包含上述图1所对应的系统，上述方法实施例中的所有实现方式均适用于该设备的实施例中，也能达到相同的技术效果。
[0186]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出
本发明的范围。
[0187]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0188]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0189]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0190]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0191]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0192]
此外，需要指出的是，在本发明的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行，某些步骤可以并行或彼此独立地执行。对本领域的普通技术人员而言，能够理解本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算装置(包括处理器、存储介质等)或者计算装置的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在阅读了本发明的说明的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的。
[0193]
因此，本发明的目的还可以通过在任何计算装置上运行一个程序或者一组程序来实现。所述计算装置可以是公知的通用装置。因此，本发明的目的也可以仅仅通过提供包含实现所述方法或者装置的程序代码的程序产品来实现。也就是说，这样的程序产品也构成本发明，并且存储有这样的程序产品的存储介质也构成本发明。显然，所述存储介质可以是任何公知的存储介质或者将来所开发出来的任何存储介质。还需要指出的是，在本发明的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。
[0194]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种机械臂力场控制方法，其特征在于，所述方法包括：根据机械臂末端的空间坐标、训练动作对应参数确定所述空间坐标处机械臂应施加的力矢量信息；向机械臂发出包含力矢量信息的控制指令。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：所述训练动作对应参数包括训练动作类型、训练动作类型对应总和力场函数、轨迹力场边界参数、和/或训练强度。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：所述力矢量信息可由公式表述为：其中，f
n-m
是第n类动作中的第m个动作的总和力场函数，其中，f
n-m
在c(x,y,z)处于所述动作的轨迹力场边界以内时模拟所述动作对应器材的物理模式，在c(x,y,z)处于所述动作的轨迹力场边界以外时同时叠加垂直所述轨迹力场边界且方向指向轨迹力场边界以内的机械臂最大力；a是所述动作的轨迹力场边界；b是使用者选择的所述动作达到的训练强度；c(x,y,z)是机械臂末端的实时空间坐标；是在位置c(x,y,z)处机械臂应产生的力场的大小和方向。4.根据权利要求3所述的方法，所述动作的轨迹力场边界a通过定义力场边界点位置方式、通过使用者移动机械臂输入轨迹边界、通过使用者移动机械臂输入轨迹路径，和/或通过输入标识轨迹力场边界的参数来确定。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述实时空间坐标通过图像获取法或空间坐标解算法获得。6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：将训练动作按照模拟的器械类型进行分类；将训练动作对应总和力场函数对应各个器械类型下的各个训练动作类型进行存储，或者，将训练动作对应总和力场函数对应各个器械类型下的各个训练动作类型的各个训练强度进行存储。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：根据使用者的输入改变轨迹参数和/或切换动作类型和/或设置运动强度，或者，根据第三方接口的输入改变轨迹参数和/或切换动作类型和/或设置运动强度。8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：模拟所述动作对应器材的物理模式包括：针对自由重量器械类型，产生模拟重力向下的轨迹力场；针对固定器械类型，产生固定轨迹方向的轨迹力场；针对半固定器械/绳索类器械，产生围绕虚拟圆心移动的轨迹力场。9.一种机械臂力场控制系统，至少包括：力场控制模块、运动控制模块和机械臂，其中，力场控制模块，用于根据机械臂末端的空间坐标、训练动作对应参数确定所述空间坐标处机械臂应施加的力矢量信息，并将所述力矢量信息发送给运动控制模块；
运动控制模块，用于根据力矢量信息确定给定空间坐标处机械臂应施加的总和力的大小和方向，向机械臂发出包含所述总和力的大小和方向的控制指令；机械臂，用于根据所述控制指令施力。10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括：所述训练动作对应参数包括训练动作类型、训练动作类型对应总和力场函数、轨迹力场边界参数、和/或训练强度。11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括：所述力矢量信息可由公式表述为：其中，f
n-m
是第n类动作中的第m个动作的总和力场函数，其中，f
n-m
在c(x,y,z)处于所述动作的轨迹力场边界以内时模拟所述动作对应器材的物理模式，在c(x,y,z)处于所述动作的轨迹力场边界以外时同时叠加垂直所述轨迹力场边界且方向指向轨迹力场边界以内的机械臂最大力；a是所述动作的轨迹力场边界；b是使用者选择的所述动作达到的训练强度；c(x,y,z)是机械臂末端的实时空间坐标；是在位置c(x,y,z)处机械臂应产生的力场的大小和方向。12.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，还包括参数输入模块，用于向力场控制模块改变轨迹参数和/或切换动作类型和/或设置运动强度。13.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，还包括机械臂末端位置输入模块，用于向力场控制模块输入机械臂末端位置信息；所述位置信息通过图像获取法或空间坐标解算法获得。14.根据权利要求10所述的系统，所述动作的轨迹力场边界a通过定义力场边界点位置方式、通过使用者移动机械臂输入轨迹边界、通过使用者移动机械臂输入轨迹路径，和/或通过输入标识轨迹力场边界的参数来确定。15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，将训练动作按照模拟的器械类型进行分类；将训练动作对应总和力场函数对应各个器械类型下的各个训练动作类型存储在力场控制模块，或者，将训练动作对应总和力场函数对应各个器械类型下的各个训练动作类型的各个训练强度存储在力场控制模块。16.一种健身器，其特征在于，包括如权利要求9-15所述的机械臂力场控制系统。17.一种健身器，其特征在于，包括：机械臂、设置在机械臂上的传感器、处理器、存储有计算机程序的存储器，所述计算机程序被处理器运行时，执行如权利要求1至8任一项所述的方法。
技术总结本发明提供一种机械臂力场控制方法和系统，方法包括：根据机械臂末端的空间坐标、训练动作对应参数确定所述空间坐标处机械臂应施加的力矢量信息；向机械臂发出包含力矢量信息的控制指令。机械臂力场控制系统包括力场控制模块、运动控制模块和机械臂，其中，力场控制模块，用于根据机械臂末端的空间坐标、训练动作对应参数确定所述空间坐标处机械臂应施加的力矢量信息，并将所述力矢量信息发送给运动控制模块；运动控制模块，用于根据力矢量信息确定给定空间坐标处机械臂应施加的总和力的大小和方向，向机械臂发出包含所述总和力的大小和方向的控制指令；机械臂，用于根据所述控制指令施力。本发明的方案在一台设备上同时实现自由重量器械、固定器械、半固定器械的功能，可以快速切换动作类型，灵活设置运动强度，根据使用者身体情况快速改变轨迹参数，同时保证使用者力竭后的安全性。用者力竭后的安全性。用者力竭后的安全性。
技术研发人员：王屴 张路通
受保护的技术使用者：景枢（上海）科技有限公司
技术研发日：2022.03.29
技术公布日：2022/7/5
