基于自適應運動處方的智能運動助手的設計

引 言

隨著社會發(fā)展速度的加快，人們的生活、工作壓力越來 越大，以致人們的身體負擔越來越重，擁有健康的身體便成為 了大家共同的期望。經(jīng)常鍛煉身體便是眾所周知的方法。凡 事都需要有合適的度，健身也不例外。20 世紀 50 年代美國著 名的生理學家卡波維奇提出了運動處方的概念。運動處方是針 對人的身體狀況而采用的一種科學的、定量化的體育鍛煉方法。 運動處方就像藥物處方，是醫(yī)師結合人體的健康狀況、身體機 能狀況、運動項目特點進行研究，開出適合人體的運動項目 [1]。 該處方因人而異，其最終目的是避免鍛煉者不合理的健身，在 鍛煉者進行體育運動時更好的進行輔助作用。運動處方種類 繁多，健身運動處方是其中之一。根據(jù)健身、體育從事者的身 心條件和特點，以處方的形式確定體育鍛煉的內(nèi)容、生理負荷 量、運動強度、持續(xù)時間、鍛煉頻率等，以發(fā)展身體，增強體質(zhì)。 但影響健身者鍛煉的重要因素是人的毅力，所以規(guī)律性的提 醒比一套完整的健身設備、充足的鍛煉時間都重要 [2]。

運動處方具有 5 個要素，即安全性、運動方式、運動強 度、運動時間和運動頻率 [3]。在如今經(jīng)濟化、智能化的時代， 智能電子設備在很多領域都發(fā)揮了關鍵性作用，特別是各種傳 感器技術以及微型計算機的廣泛應用使得運動數(shù)據(jù)的測量變 得簡單方便。但由于每個人的身體素質(zhì)不同，所以還沒有一種 “地毯式”運動處方，可適用于各年齡段、各種身體狀況的人群。 因此，結合單片機技術設計一種基于自適應運動處方的方案并 結合單片機和計算機技術制作一個可穿戴式智能健身電子設 備前景廣闊。

1 智能電子設備架構及模塊

智能電子設備主要包括主控 MCU、電源、無線通信、傳感器和人機交互部分。傳感器部分包括光電式心率傳感器以及加速度傳感器，這些是獲取鍛煉者運動數(shù)據(jù)的重要器件。智能電子設備架構圖如圖 1 所示。

（1）光電式心率傳感器具有結構簡單、無損傷、可重復性好等優(yōu)點，通過光電傳感器對脈搏信號進行檢測，并用單片機技術加以處理，從而實現(xiàn)智能化的心率監(jiān)測已經(jīng)成為應用較為廣泛的技術方案[4]。

（2）3 軸加速度傳感器可感知運動中鍛煉者重心位置的變化，還可作為計步器，結合鍛煉者的身高等信息得到運動距離，是運動處方制定準確性的關鍵[5]。

  (3) 無線模塊選用ZigBee無線通信。ZigBee具有低功耗、自組織、低復雜度的特點，在低功耗待機模式下，2節(jié) 5號干電池可支持一個節(jié)點工作 6～24個月，相比較之下，藍牙只能工作幾周，而 WiFi只能工作幾個小時[6]。

  (4) 人機交互模塊采用TFT-LCD觸摸屏實現(xiàn)，薄膜晶體管式液晶顯示器是一類有源矩陣液晶顯示設備。該顯示屏具有響應度高、亮度高、對比度高等優(yōu)點。用于實時顯示鍛煉者的鍛煉數(shù)據(jù)、實現(xiàn)人機交互操作等。

  (5) MSP430F5529單片機集成了 USB層和物理層，支持USB2.0，有 4個 16位定時器，1個高性能 12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。主要用于鍛煉者鍛煉數(shù)據(jù)的發(fā)送和監(jiān)測。

2 智能電子設備工作流程

MCU 片內(nèi)ADC 采集光電式心率傳感器輸出信號，實時反饋鍛煉者的心率信息；同時采集 3 軸加速度傳感器輸出信號， 根據(jù)鍛煉者的身高等因素轉(zhuǎn)換為運動距離數(shù)據(jù)。然后通過ZigBee 模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC 端，PC 端軟件對數(shù)據(jù)進行擬合得到鍛煉者的運動成長曲線，由此制定鍛煉者的運動處方。智能電子設備工作流程如圖 2 所示。

3 自適應運動處方的設計

運動量由三個因素決定，即運動強度、運動持續(xù)時間和 運動頻率，運動強度的安排是體現(xiàn)運動處方科學性、針對性 和安全性的重要部分，一般用耗氧量的絕對值或相對值來表 示，但耗氧量需要專業(yè)的設備來檢測，而心率容易通過脈搏 測量獲得，所以選擇心率作為運動強度的指標。靶心率（運 動最佳心率）=（最大心率－休息心率）×70%+ 休息心率，但 由于最大心率的檢測非常危險，所以現(xiàn)在多用推算法，即最大 心率 =210 －年齡。根據(jù)年齡和安靜時的心率就可以計算出靶 心率 [7]。每次鍛煉的持續(xù)時間不能少于 15 min，并且每次鍛 煉心率達到靶心率以上 10 min 較為適宜?？梢砸源藶闃藴?[8]， 每天鍛煉者鍛煉心率達到靶心率以上且持續(xù)時間約 10 min， 就完成了每日目標，然后通過 3 軸加速度傳感器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化得 到鍛煉者的運動距離與運動距離和鍛煉天數(shù)的對應數(shù)據(jù)，通 過 PC 端擬合運動距離和鍛煉天數(shù)就可以得到運動距離和鍛 煉天數(shù)之間的方程式，即適宜該鍛煉者的運動處方。由于每 個人的身體素質(zhì)不同，因此，僅由靶心率獲取的運動數(shù)據(jù)并不 一定適用于每一位鍛煉者，需要鍛煉者根據(jù)自身的疲勞反應 再對依據(jù)靶心率安排的運動量做出反饋修改。人體的疲勞反 應可以通過自我感覺和生理指標測定法來評定，生理指標測量 可根據(jù)心率及血乳酸評定，其中心率是評定運動性疲勞最簡易 的指標 [9] ；可通過自我感覺評定運動性疲勞，運動可以使鍛煉 者出現(xiàn)心率加快、呼吸量增加等生理指標的變化，同時也會有 主觀身體感覺的變化。根據(jù)鍛煉者運動時主觀感受的疲勞程 度，可以判定運動強度大小是否適宜，分為“較輕、稍累、累、 很累、非常累”五個等級，適宜的疲勞狀態(tài)應當為：當心率在 運動結束后數(shù)分鐘內(nèi)恢復至安靜時心率，且次日鍛煉前，安靜 心率穩(wěn)定則說明運動量穩(wěn)定，設定的靶心率較為合適，否則 需要修改靶心率，調(diào)整運動處方 [10]。智能電子設備訓練數(shù)據(jù) 流向圖如圖 3 所示。

4 綜合訓練分析

數(shù)據(jù)擬合的可靠性與數(shù)據(jù)量的大小有關，要得到可靠的 運動處方，就需要鍛煉者完成鍛煉指標，堅持鍛煉 1 個月以上， 每周 3 ～5 次 [11]，且鍛煉者鍛煉時按照自身疲勞情況，通過 智能電子設備對 PC 端進行實時反饋，以便實時調(diào)整運動處方 內(nèi)容，使得到的運動處方更加適合鍛煉者。

由于該設備并未設置疾病檢測功能，所以，只適用于需 要維持體型、減肥及處于一些亞健康狀態(tài)的普通人群，制定 的處方為健身性的運動處方。

5 結 語

隨著時代的發(fā)展，人們的生活水平亦逐步提高，運動處方 作為預防疾病的方法，將出現(xiàn)在將信息技術與醫(yī)療技術相結 合的醫(yī)療保健領域，滿足人們對于健康生活的關注以及鍛煉 的需求 [12]。該系統(tǒng)的設計結合靶心率及鍛煉者的主觀疲勞分 級反饋，其他更多相關因素的利用比如攝氧量、血氧量以及血 乳酸等都屬于該設計的研究范圍，隨著測量方法的不斷發(fā)展， 不斷改進該系統(tǒng)的測量方案，并且結合更多相關因素以建立 更好的數(shù)據(jù)處理方法來制定運動處方，使系統(tǒng)得出的運動處 方更加適合鍛煉者，使鍛煉者能夠得到更加科學有效的鍛煉。