基于跑臺的個性化運動強度自適應(yīng)控制方法

嚴 明，吳新麗，王銳銳，張 文，楊文珍，潘志庚

基于跑臺的個性化運動強度自適應(yīng)控制方法

嚴 明1，吳新麗1，王銳銳1，張 文1，楊文珍1，潘志庚2,3

(1. 浙江理工大學(xué)虛擬現(xiàn)實實驗室，浙江 杭州 310018；2. 杭州師范大學(xué)數(shù)字媒體與人機交互研究中心，浙江 杭州 311121；3. 廣州玖的數(shù)碼科技有限公司，廣東 廣州 510623)

針對目前跑臺運動強度控制方法存在個性化健身缺失、運動的安全性和有效性難以兼顧等問題，提出一種基于跑臺的個性化運動強度自適應(yīng)控制方法。首先依據(jù)跑者的體質(zhì)和健身目標，獲得個性化健身的運動強度，然后實時測量和反饋跑者的心率，全自動調(diào)整跑臺的坡度和速度，讓跑者處在有效健身的運動強度區(qū)間。40名測試對象實驗獲得的運動心率比平均值在(0.678，0.834)范圍內(nèi)，心率標準差在(3.156，6.312)范圍內(nèi)，測試對象的運動心率穩(wěn)定控制在最佳健身心率區(qū)間內(nèi)，而且其心率波動較小，不僅保證了運動的有效性，而且降低了跑步健身危險發(fā)生的可能性。

運動強度；心率監(jiān)測；最佳健身心率；運動心率比

戶外跑步受到天氣、時間和場地等條件的限制，而跑步機可以擺脫這些局限，讓人們在室內(nèi)隨時進行跑步健身，因而受到大眾的喜愛。但是，目前大多數(shù)跑臺都是由跑者自己設(shè)定運動強度(包括跑臺的坡度、速度和運動時長等)進行運動，并不是一種科學(xué)的健身方式[1]。由于大多數(shù)跑者并不清楚適合自己體質(zhì)的運動強度，存在著運動健身的盲目性，影響了健身效率。因此，跑臺需要一種運動強度自適應(yīng)的控制方法，能夠依據(jù)個人的體質(zhì)和鍛煉目標，自動調(diào)整跑步的運動強度，實現(xiàn)個性化的科學(xué)健身，提升健身效果[2]。

目前，基于跑臺的運動強度控制方法可分為開、閉環(huán)系統(tǒng)控制方法。開環(huán)系統(tǒng)控制方法是通過預(yù)設(shè)靶心率設(shè)計運動強度，制定跑臺的坡度和速度調(diào)整方案[3]。該控制方法無需心率的實時監(jiān)測和反饋機制，相對簡單和方便使用，但是，其跑步健身的有效性與科學(xué)性難以保證。而且，如果跑者在運動過程中發(fā)生身體不適，跑臺無法及時調(diào)整其速度和坡度，存在較大的運動安全隱患。

閉環(huán)系統(tǒng)控制方法是通過監(jiān)測跑者的心率，自動調(diào)整跑臺的速度和坡度，從而達到控制運動強度的目的。MAZENC等[4]提出了一種心率反饋非線性模型的控制技術(shù)，以跑步機速度為控制輸入，以心率追蹤的參考軌跡為控制目標，利用Lyapunov函數(shù)分析，設(shè)計新的狀態(tài)和輸出反饋跟蹤控制器，使誤差動態(tài)全程呈指數(shù)穩(wěn)定。SU等[5]提出了一種識別和控制Hammerstein系統(tǒng)的控制方法，實現(xiàn)跑臺的心率追蹤功能，首先通過輸入偽隨機二進制序列分離出非線性輸入中的動態(tài)線性部分，再利用向量回歸方法獲得靜態(tài)非線性逆矩陣的稀疏表示，以獲得Hammerstein系統(tǒng)的近似線性模型，最后設(shè)計近似線性模型的控制器實現(xiàn)其魯棒跟蹤性能。此類閉環(huán)系統(tǒng)控制方法設(shè)計復(fù)雜、成本高且不易操作，很難實際應(yīng)用于跑臺，且沒有針對不同用戶的個性化跑步健身指導(dǎo)功能。

針對上述問題，本文提出了一種基于跑臺的個性化運動強度自適應(yīng)控制方法，通過實時測量和反饋跑者的心率，控制運動強度，以確保運動的安全性和有效性，降低系統(tǒng)控制的復(fù)雜度，同時，針對不同的健身用戶，能給出不同的個性化健身方案。最后通過實驗驗證了本文方法的可行性和有效性。

1 個性化運動強度的生成和自適應(yīng)控制

基于跑臺個性化運動強度自適應(yīng)控制方法的整體構(gòu)架，如圖1所示，主要包括個性化最佳健身心率區(qū)間的確定、跑臺運動強度的調(diào)整計算和自適應(yīng)控制方法實現(xiàn)等。

圖1 個性化運動強度自適應(yīng)控制方法的整體構(gòu)架

1.1 個性化運動強度的生成

1.1.1 個性化最佳健身心率區(qū)間

首先，對于不同的健身用戶，應(yīng)根據(jù)其體質(zhì)情況，進行不同的運動強度規(guī)劃。健身用戶需要填寫個人基本信息和體質(zhì)信息，包括身高、體重、年齡、性別等[6]。心率是運動生理學(xué)中最常用的一項指標，而最大心率的測試比較繁瑣而且具有一定的危險性[7]。目前，最大心率的推算公式有很多，雖然每項研究根據(jù)年齡推算最大心率的公式各不相同，但絕大多數(shù)研究都認為，最大心率與年齡呈負相關(guān)，也有部分研究認為，年齡是最大心率唯一的影響因子[8]。本文中最大心率HRmax計算采用現(xiàn)在比較通用的“卡式公式”，即

其次，健身用戶選擇不同的健身目標，其對應(yīng)的運動強度不同。目前，跑臺主要提供2種健身目標：

(1) 有氧運動。人體在氧氣充分供應(yīng)的情況下進行的體育鍛煉，其運動時間較長，運動強度適中，能夠有效地改善和提高心肺機能[9]。在該健身目標下，用戶的最佳健身心率區(qū)間[10]為

(2) 燃脂訓(xùn)練。身體主要通過燃燒脂肪、碳水化合物和蛋白質(zhì)的方式為運動供能。在該健身目標下，用戶的最佳健身心率區(qū)間[10]為

最后，根據(jù)訓(xùn)練者的個人信息及健身目標，由式(1)~(3)求出最佳健身心率區(qū)間。

1.1.2 運動強度的計算

根據(jù)心率和運動強度的線性關(guān)系，先計算出給定健身目標對應(yīng)的運動強度范圍，然后根據(jù)運動強度與速度、坡度之間的關(guān)系，把運動強度的量值轉(zhuǎn)換成為跑臺的速度和坡度量值，并通過平臺程序控制跑臺的驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和升降電機的推力，實現(xiàn)全自動調(diào)整跑臺的速度和坡度。其中，運動強度與速度和坡度之間的關(guān)系根據(jù)ACSM的運動強度推算如下[11]：

(1) 步行運動強度計算公式。

(2) 跑步運動強度計算公式。