基于自適應運動處方的智能運動助手的設計

鄧開連　丁宇超　華一村　盧學民

摘 要：運動處方是根據個人身體狀況而制定的一種科學、定量的體育鍛煉方法。經過長時間的研究及應用，運動處方的效用漸漸得到認可。但運動處方的制定往往需要全面復雜的評定，無法得到廣泛應用，因此我們簡化運動處方的制作過程，通過電子設備對鍛煉者日常鍛煉數據進行采集，由電腦對電子設備返回的數據進行建模，擬合出適合鍛煉者自身的運動成長曲線，從而制作出適宜鍛煉者的運動處方即自適應運動處方。

關鍵詞：自適應運動處方；電子設備；數據擬合；建模

中圖分類號：TP23；TH773 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-00-02

0 引 言

隨著社會發展速度的加快，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容、生理負荷量、運動強度、持續時間、鍛煉頻率等，以發展身體，增強體質。但影響健身者鍛煉的重要因素是人的毅力，所以規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]。在如今經濟化、智能化的時代，智能電子設備在很多領域都發揮了關鍵性作用，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據的測量變得簡單方便。但由于每個人的身體素質不同，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據的重要器件。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，從而實現智能化的心率監測已經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5號干電池可支持一個節點工作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，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、對比度高等優點。用于實時顯示鍛煉者的鍛煉數據、實現人機交互操作等。

（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位模擬數字轉換器（ADC）。主要用于鍛煉者鍛煉數據的發送和監測。

2 智能電子設備工作流程

MCU片內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，根據鍛煉者的身高等因素轉換為運動距離數據。然后通過ZigBee模塊將采集的數據發送到PC端，PC端軟件對數據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、運動持續時間和運動頻率，運動強度的安排是體現運動處方科學性、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，所以現在多用推算法，即最大心率=210-年齡。根據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。可以以此為標準[8]，每天鍛煉者鍛煉心率達到靶心率以上且持續時間約10 min，就完成了每日目標，然后通過3軸加速度傳感器數據的轉化得到鍛煉者的運動距離與運動距離和鍛煉天數的對應數據，通過PC端擬合運動距離和鍛煉天數就可以得到運動距離和鍛煉天數之間的方程式，即適宜該鍛煉者的運動處方。由于每個人的身體素質不同，因此，僅由靶心率獲取的運動數據并不一定適用于每一位鍛煉者，需要鍛煉者根據自身的疲勞反應再對依據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，適宜的疲勞狀態應當為：當心率在運動結束后數分鐘內恢復至安靜時心率，且次日鍛煉前，安靜心率穩定則說明運動量穩定，設定的靶心率較為合適，否則需要修改靶心率，調整運動處方[10]。智能電子設備訓練數據流向圖如圖3所示。endprint

4 綜合訓練分析

數據擬合的可靠性與數據量的大小有關，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，以便實時調整運動處方內容，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，將出現在將信息技術與醫療技術相結合的醫療保健領域，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展，不斷改進該系統的測量方案，并且結合更多相關因素以建立更好的數據處理方法來制定運動處方，使系統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。

參考文獻

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