基于心率血氧模糊控制的智能跑步機(jī)研究

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1、基于心率血氧模糊控制的智能跑步機(jī)研究 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)信息反響功能。 關(guān)鍵詞：智能跑步機(jī);模糊控制算法;心率-血氧飽和度 中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1003-5168〔2021〕28-0042-03 ResearchonIntelligentTreadmillBasedonFuzzyControl ofHeartRateandBloodOxygen YUEHaifeng1LIUYinchi2QIANNini1

2、SUIXiuwu1 〔1.SchoolofMechanicalEngineering，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300387;2.SchoolofElectronicsandInformationEngineering，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300387〕 Abstract：Thispaperdesignedanintelligenttreadmillbasedonfuzzycontrolofheartrateandbloodoxygen.Comparedwiththetraditionaltr

3、eadmill，thetreadmillusedAndroidplatformandhuman-computerinterfacetointeractwithmicroprocessor，whichhadbetteruniversalapplicabilityandpersonalmotioninformationfeedbackfunction. Keywords：intelligenttreadmill;fuzzycontrolalgorithm;heartrate-bloodoxygensaturation 1研究背景 隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷開展以及人民物質(zhì)生活水平的日益提高，人民

4、群眾對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，健康問題正成為一個(gè)社會(huì)持續(xù)關(guān)注的問題，人們對于運(yùn)動(dòng)器材尤其是跑步機(jī)的需求也越來越高。目前，人們普遍使用的是電動(dòng)跑步機(jī)，這類跑步機(jī)以電能為動(dòng)力，通過驅(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)，給用戶的平安埋下了隱患。針對這些問題，智能跑步機(jī)已經(jīng)成為各國研究的重點(diǎn)【1】。 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、不夠靈活的問題【2】。 ②舒適性：用戶基于主觀感知后進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，鍛煉時(shí)的舒適性差。 ③平安性：運(yùn)動(dòng)負(fù)荷較

5、大時(shí)，存在一定程度的平安隱患，難以確保心肺功能脆弱的用戶在使用跑步機(jī)時(shí)的平安性。 ④高效性：缺乏對運(yùn)動(dòng)過程中生理參數(shù)的檢測與反響，不能保證用戶運(yùn)動(dòng)過程中的高效性。 本課題創(chuàng)新了其閉環(huán)的控制方式，首先在 端為不同用戶設(shè)定適宜的目標(biāo)心率和臨界血氧飽和度，通過用戶運(yùn)動(dòng)過程中心率血氧的變化對跑步機(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)視覺反響后的手動(dòng)調(diào)速，使用戶在運(yùn)動(dòng)過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平安性。此外，跑步機(jī)與 端相結(jié)合，能直觀有效地了解到用戶自身的運(yùn)動(dòng)健身狀況，進(jìn)而可以有針對性地為用戶設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和方案。 2跑步機(jī)總體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 研究

6、說明，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。基于此，本課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，并針對不同用戶在運(yùn)動(dòng)全過程中的血氧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣檢測反響給微處理器，確保血氧濃度處于正常范圍，提高用戶運(yùn)動(dòng)中的舒適性。 本課題對跑步機(jī)的研究優(yōu)化主要包括：心率血氧的采集及處理;運(yùn)動(dòng)過程中速度的自我調(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。 本課題所設(shè)計(jì)的Androi

7、d終端基于JAVA語言。此APP主要有三個(gè)線程：其一是根據(jù)用戶輸入的性別、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】;其二是將用戶參數(shù)與預(yù)先置入的理想生理參數(shù)進(jìn)行匹配，通過藍(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〕。 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)局部、光感應(yīng)和AD轉(zhuǎn)換局部、環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波局部。 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)測量心率

8、的方法，研究者對市面上已有模塊進(jìn)行了優(yōu)化。在其硬件電路中參加儀表放大和模擬濾波等信號調(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，通過微處理器的模擬I2C接口來讀取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。 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64KBSRAM、512KBFLASH、3個(gè)SPI、2個(gè)I2C、5個(gè)串口等，符合本課題對于通信接口以及通信速度方面的要求。

9、考慮到本課題的應(yīng)用場景，研究者采用傳統(tǒng)的USB供電方式作為主控板的供電來源，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。 模糊控制算法。模糊控制算法是以模糊集合理論、模糊語言及模糊邏輯為根底的控制，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，通常用于無法以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)表示的控制對象模型。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。 本課題中的控制對象為電機(jī)速度，因而本課題中將跑

10、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，所對應(yīng)的語言為{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，所對應(yīng)的語言值為{VS，S，M，B，VB}，其隸屬函數(shù)選用三角函數(shù)，最后對模糊推理的結(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

11、，其取值范圍由模糊推理得到的所有模糊子集確定。 人機(jī)交互界面同Android端應(yīng)用功能類似，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，方便用戶在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)掌握運(yùn)動(dòng)情況，是連接用戶和跑步機(jī)的橋梁。考慮到屏幕大小、簡潔性及通信速度，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，通過串口將處理過的數(shù)據(jù)傳遞給人機(jī)交互界面呈現(xiàn)給用戶，用戶在運(yùn)動(dòng)時(shí)可以通過界面上所顯示的數(shù)據(jù)了解自己的生理參數(shù)。 跑步機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是實(shí)

12、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，研究者通過實(shí)時(shí)測量用戶運(yùn)動(dòng)過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)控制信號并將其傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，由其對電機(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、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)平安隱患，考慮到本課題的研究特點(diǎn)，也選用無刷直流電機(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

13、響功能。同時(shí)，本課題引入了模糊控制算法，根據(jù)運(yùn)動(dòng)過程中的心率和血氧飽和度變化，有效地對跑步機(jī)速度進(jìn)行調(diào)控，使用戶在運(yùn)動(dòng)過程中保持良好的生理體征，大大提高了系統(tǒng)的平安性。 參考文獻(xiàn)： 【1】朱梁.健康監(jiān)測跑步機(jī)的研發(fā)[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2021. 【2】曹新星.智能型數(shù)字化跑步機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2021. 【3】汪文博.基于Android跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)處方系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南昌：南昌大學(xué)，2021. 【4】李永斌.可穿戴式智能血氧運(yùn)動(dòng)指環(huán)設(shè)計(jì)與研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2021. 方法與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安理工大學(xué)，2021. 方法[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)〔工科版〕，2021〔1〕：76-79，84.