基于心率血氧模糊控制的智能跑步機(jī)研究

岳海峰 劉胤池 錢(qián)妮妮 隋修武

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款基于心率血氧模糊控制的智能跑步機(jī)。與傳統(tǒng)跑步機(jī)相比，該跑步機(jī)使用Android平臺(tái)和人機(jī)交互界面與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具有更好的普遍適用性與個(gè)人運(yùn)動(dòng)信息反饋功能。

關(guān)鍵詞：智能跑步機(jī);模糊控制算法;心率-血氧飽和度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）28-0042-03

Research on Intelligent Treadmill Based on Fuzzy Control

of Heart Rate and Blood Oxygen

YUE Haifeng1 LIU Yinchi2 QIAN Nini1 SUI Xiuwu1

（1.School of Mechanical Engineering， Tianjin Polytechnic University，Tianjin? 300387;2.School of Electronics and Information Engineering， Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387）

Abstract： This paper designed an intelligent treadmill based on fuzzy control of heart rate and blood oxygen. Compared with the traditional treadmill， the treadmill used Android platform and human-computer interface to interact with microprocessor， which had better universal applicability and personal motion information feedback function.

Keywords： intelligent treadmill;fuzzy control algorithm;heart rate-blood oxygen saturation

1 研究背景

1.1 國(guó)內(nèi)外跑步機(jī)研究現(xiàn)狀

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及人民物質(zhì)生活水平的日益提高，人民群眾對(duì)自身的健康狀況也愈加關(guān)注，尤其是伴隨著不可逆轉(zhuǎn)的人口老齡化趨勢(shì)，健康問(wèn)題正成為一個(gè)社會(huì)持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題，人們對(duì)于運(yùn)動(dòng)器材尤其是跑步機(jī)的需求也越來(lái)越高。目前，人們普遍使用的是電動(dòng)跑步機(jī)，這類(lèi)跑步機(jī)以電能為動(dòng)力，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以帶傳動(dòng)的方式帶動(dòng)底架上滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)。鍛煉者以與跑步帶大小相等、方向相反的速度在跑步帶上運(yùn)動(dòng)，由于其速度一定且突發(fā)狀況下不易調(diào)節(jié)，給用戶(hù)的安全埋下了隱患。針對(duì)這些問(wèn)題，智能跑步機(jī)已經(jīng)成為各國(guó)研究的重點(diǎn)[1]。

1.2 當(dāng)前電動(dòng)跑步機(jī)存在的問(wèn)題

①操作性：手動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模式和速度切換，存在操作僵硬、不夠靈活的問(wèn)題[2]。

②舒適性：用戶(hù)基于主觀感知后進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，鍛煉時(shí)的舒適性差。

③安全性：運(yùn)動(dòng)負(fù)荷較大時(shí)，存在一定程度的安全隱患，難以確保心肺功能脆弱的用戶(hù)在使用跑步機(jī)時(shí)的安全性。

④高效性：缺乏對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中生理參數(shù)的檢測(cè)與反饋，不能保證用戶(hù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的高效性。

1.3 課題研究的目的及意義

本課題創(chuàng)新了其閉環(huán)的控制方式，首先在手機(jī)端為不同用戶(hù)設(shè)定合適的目標(biāo)心率和臨界血氧飽和度，通過(guò)用戶(hù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中心率血氧的變化對(duì)跑步機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，區(qū)別于其他跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)視覺(jué)反饋后的手動(dòng)調(diào)速，使用戶(hù)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能維持正常的生理體征，很大程度上提高了跑步的舒適性和安全性。此外，跑步機(jī)與手機(jī)端相結(jié)合，能直觀有效地了解到用戶(hù)自身的運(yùn)動(dòng)健身狀況，進(jìn)而可以有針對(duì)性地為用戶(hù)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和計(jì)劃。

2 跑步機(jī)總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體技術(shù)概括

研究表明，在一定運(yùn)動(dòng)速度范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率和血氧濃度與運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)不完全的線性關(guān)系?；诖耍菊n題提出將模糊控制算法應(yīng)用于跑步機(jī)的速度調(diào)節(jié)中，并針對(duì)不同用戶(hù)在運(yùn)動(dòng)全過(guò)程中的血氧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣檢測(cè)反饋給微處理器，確保血氧濃度處于正常范圍，提高用戶(hù)運(yùn)動(dòng)中的舒適性。

本課題對(duì)跑步機(jī)的研究?jī)?yōu)化主要包括：心率血氧的采集及處理;運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度的自我調(diào)節(jié);多種控制方式，如實(shí)體按鍵、觸摸屏幕及APP遠(yuǎn)程控制。

基于上述需求，本課題將從五個(gè)方面實(shí)現(xiàn)，分別是Android應(yīng)用平臺(tái)、心率血氧采集模塊、微處理器控制板、人機(jī)交互界面以及跑步機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)[3]?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

2.2 Android應(yīng)用平臺(tái)

本課題所設(shè)計(jì)的Android終端基于JAVA語(yǔ)言。此APP主要有三個(gè)線程：其一是根據(jù)用戶(hù)輸入的性別、年齡、身高、體重等信息設(shè)計(jì)不同的訓(xùn)練方式并根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行調(diào)整[4];其二是將用戶(hù)參數(shù)與預(yù)先置入的理想生理參數(shù)進(jìn)行匹配，通過(guò)藍(lán)牙傳回微處理器控制板;其三是將一段時(shí)間內(nèi)從微處理器控制板傳回的心率和血氧濃度值繪制成曲線（如圖2所示）。

2.3 心率血氧采集模塊設(shè)計(jì)

心率血氧采集模塊的核心傳感器為MAX30102，它是一個(gè)集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)儀生物傳感器的模塊[5]。如圖3所示，傳感器本身具有完整的發(fā)光LED及驅(qū)動(dòng)部分、光感應(yīng)和AD轉(zhuǎn)換部分、環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波部分。

考慮到本課題中的數(shù)據(jù)精度和體積需求，結(jié)合目前流行的智能手環(huán)測(cè)量心率的方法，研究者對(duì)市面上已有模塊進(jìn)行了優(yōu)化。在其硬件電路中加入儀表放大和模擬濾波等信號(hào)調(diào)理電路，并在模塊的布局布線中采用雙面布件，大大提高了信號(hào)精度，減小了模塊體積。

數(shù)據(jù)傳輸方式上，研究者沿用了市面上的已有設(shè)計(jì)，采用I2C串行通信接口與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)微處理器的模擬I2C接口來(lái)讀取MAX30102傳感器自身的FIFO，就可以獲取轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)度數(shù)值。

2.4 模糊控制器設(shè)計(jì)

2.4.1 主控板設(shè)計(jì)。課題中選用STM32F103作為主控芯片。該芯片擁有廣闊的資源，其中包括64KB SRAM、512KB FLASH、3個(gè)SPI、2個(gè)I2C、5個(gè)串口等，符合本課題對(duì)于通信接口以及通信速度方面的要求?？紤]到本課題的應(yīng)用場(chǎng)景，研究者采用傳統(tǒng)的USB供電方式作為主控板的供電來(lái)源，并在PCB設(shè)計(jì)中預(yù)留出各個(gè)模塊所需接口。STM32主控板除了進(jìn)行光強(qiáng)度數(shù)值與心率和血氧飽和值的轉(zhuǎn)換之外，還在模糊控制算法中充當(dāng)著模糊控制器的角色，可對(duì)所采集到的心率值進(jìn)行模糊算法處理，從而得到速度調(diào)節(jié)信號(hào)。

2.4.2 模糊控制算法。模糊控制算法是以模糊集合理論、模糊語(yǔ)言及模糊邏輯為基礎(chǔ)的控制，它是模糊數(shù)學(xué)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，是一種非線性智能控制，通常用于無(wú)法以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)表示的控制對(duì)象模型。一個(gè)完整的模糊控制算法主要包括輸入變量、模糊控制器和輸出變量。模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

本課題中的控制對(duì)象為電機(jī)速度，因而本課題中將跑步機(jī)速度作為模糊控制器的輸出量，調(diào)速系數(shù)[y跑步機(jī)的速度∈Y=0，12]，將心率的預(yù)測(cè)值與實(shí)際采樣值的誤差作為模糊控制器的主要參考輸入量，其中[y心率誤差∈X1=[-90，90]]。

假設(shè)[y心率]所對(duì)應(yīng)模糊論域[A]的取值范圍與物理論域[X1]一致，選取7個(gè)模糊子集，所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言為{NB，NM，NS，0，PS，PB，PB}。其隸屬函數(shù)選用三角函數(shù)。

假設(shè)[y跑步機(jī)的速度]所對(duì)應(yīng)的模糊論域[C]的取值范圍與物理論域[Y]一致，選用5個(gè)模糊子集，所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值為{VS，S，M，B，VB}，其隸屬函數(shù)選用三角函數(shù)，最后對(duì)模糊推理的結(jié)果采用最大隸屬度法去模糊化（F/D），去模糊化后的變量是清晰值，其取值范圍由模糊推理得到的所有模糊子集確定。

2.5 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面同Android端應(yīng)用功能類(lèi)似，主要完成信息管理與傳輸、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀況顯示等功能，與之不同的是，人機(jī)交互界面直接搭載在跑步機(jī)機(jī)身上，并與微控制器端口直接相連，方便用戶(hù)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)掌握運(yùn)動(dòng)情況，是連接用戶(hù)和跑步機(jī)的橋梁?？紤]到屏幕大小、簡(jiǎn)潔性及通信速度，本課題選用EZUIH的電阻觸摸屏。心率血氧采集模塊將所采集到的數(shù)據(jù)傳入微控制器，由微控制器對(duì)心率、血氧飽和度及運(yùn)行速度的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)串口將處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳遞給人機(jī)交互界面呈現(xiàn)給用戶(hù)，用戶(hù)在運(yùn)動(dòng)時(shí)可以通過(guò)界面上所顯示的數(shù)據(jù)了解自己的生理參數(shù)。

2.6 跑步機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跑步機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是實(shí)現(xiàn)跑步帶轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和直流電機(jī)組成。在本課題中，研究者通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量用戶(hù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的心率和血氧飽和度，運(yùn)用模糊控制算法后得出電機(jī)控制信號(hào)并將其傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，由其對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制[6]。

鑒于直流電機(jī)具有維護(hù)周期較長(zhǎng)、噪聲小、輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)，且在傳統(tǒng)跑步機(jī)上已有應(yīng)用并未出現(xiàn)安全隱患，考慮到本課題的研究特點(diǎn)，也選用無(wú)刷直流電機(jī)帶動(dòng)傳送帶。

3 結(jié)論

本課題提出了一種能在Android平臺(tái)和人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)的心率血氧飽和度-速度關(guān)系的跑步機(jī)速度調(diào)控方法。與傳統(tǒng)跑步機(jī)相比，使用Android平臺(tái)和人機(jī)交互界面與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具有更好的普遍適用性與個(gè)人運(yùn)動(dòng)信息反饋功能。同時(shí)，本課題引入了模糊控制算法，根據(jù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的心率和血氧飽和度變化，有效地對(duì)跑步機(jī)速度進(jìn)行調(diào)控，使用戶(hù)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持良好的生理體征，大大提高了系統(tǒng)的安全性。

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